汽車電連接器振動可靠性室內試驗強化系數研究

陳 劍 修 磊 馬文明 陸 兵 李 青

合肥工業大學,合肥,230009

0 引言

汽車電連接器作為汽車電器系統的連接部分,其可靠性對整個電器系統能否正常工作影響很大。由于路面激勵和發動機振動這兩大激勵源的存在,使得汽車電器長期工作在劇烈的振動和沖擊之下,這些因素對汽車電器的可靠性有很大影響。資料統計表明:在汽車運行過程中,電器與電子系統故障占整車故障的比例極高,且呈逐年增加的趨勢[1]。在試驗室內對車輛及其零部件進行道路模擬振動試驗,有效率高、費用小等優點,被認為是加速產品開發、提高產品質量的有效手段[2]。

汽車電連接器振動可靠性室內試驗的方法是,將被試系統(汽車線束及電器系統)移植到試驗臺上,在試驗輔助系統如電源、信號模擬器等設備的支持下,使被試系統可按實際工作狀態工作。試驗臺的激勵信號采用的是實車路譜信號,利用時域復現技術實現道路振動的模擬,相對于國標中規定的汽車電器正弦或隨機振動試驗方法,采用實車路譜能夠很好地再現汽車電連接器的實際工況。電連接器在試驗中同時承受電應力和振動應力的作用,使試驗工況與實際更為接近。

對于實車路譜信號的規范,汽車電連接器振動可靠性的國家標準或行業標準中沒有規定。因此,不能用一般的正弦或隨機振動試驗評價方法對試驗結果進行評價,而且試驗的強化時間無法確定。由于汽車電器系統是汽車的一部分,因此可以使用汽車整車質量評價標準中的故障里程對試驗結果進行評價。

1 電連接器振動可靠性模型

在振動應力作用下,電連接器插針、插孔之間會產生一定的相對運動,由于電連接器結構條件的限制,電連接器插孔和插針間的相對運動幅度很小,伴隨著產生的摩擦腐蝕屬于微動磨損。持續的微動磨損會使電連接器的材料發生疲勞破壞。破壞的主要形式是由微動磨損引發的腐蝕物從材料表面脫落,當產生的腐蝕物碎片填滿接觸處的低凹部分,并使兩接觸表面分開約20nm時,電連接器材料發生破壞引起的接觸電阻急劇增大,從而使電連接器失效[3]。

依據柯思林[4]的研究,受微動磨損作用的材料在一定的環境條件下,其疲勞壽命的S—N曲線近似呈線性。某材料微動磨損的S—N曲線如圖1所示。

可以認為在環境條件一定的條件下,汽車電連接器在微動磨損作用下的失效模型為線性累積損傷失效。因此,可以利用Miner線性累積損傷原理對汽車電連接的可靠性進行研究。

1.1 Miner線性累積損傷原理

汽車電連接器在實際行駛過程中和在臺架上試驗時,受到隨機沖擊載荷的作用。可以認為汽車電連接器受到 σ1,σ2,…,σn個不同水平的應力作用 ;τ1,τ2,…,τn為對應的載荷幅值 ;各級應力水平下的壽命分別是N1,N2,…,Nn;而各級應力水平下的實際循環數為n1,n2,…,nn。其Miner線性累積損傷示意圖[5]見圖2。

應力級τi的損傷分量為

總損傷量為

由式(2)可知:①汽車電連接器達到破壞時的總損傷量是一常數;②損傷與載荷的作用次序及作用時間無關;③在試樣受載過程中,每一載荷循環都損耗試樣一定的有效壽命分量;④多循環應力產生的所有損傷分量相加為1時,試樣就發生破壞。且S—N曲線滿足

式中,C為與材料有關的常數;m為疲勞指數,可表示為S—N曲線與橫坐標夾角的余切;N0為疲勞極限τ—1對應的疲勞壽命。

對式(3)兩邊取對數可得

圖1中的S—N曲線是根據光滑小尺寸標準試樣,在對稱循環下的試驗結果求平均值繪制得來的。對于實際的汽車電連接器,若直接按Miner的線性累積損傷理論對零件的疲勞壽命進行估計還不夠精確,需要對其進行修正。需要引入相應的系數[6]:

式中,ε為零件的尺寸系數;β為零件的表面加工系數。

根據材料S—N曲線的Basquin關系式,由N0/Ni=(τi/τ—1)m,可得修正后的Miner線性損傷理論表達式:

2 強化系數的數學模型

由圖1可知,受微動磨損的材料,107次振動對于包括很少發生的最嚴重的情況在內的全部載荷有足夠的代表性,因而確定總和累積頻次曲線的總頻次擴展到107次中發生一次,相當于最大載荷發生頻率為10—7。可得

式中,nz為各級載荷總循環次數;n′i為第i級載荷在107次循環中發生的次數。

將式(7)代入式(6)得

式中,K為強化系數。

根據Miner線性損傷理論,當D=1時試件就會發生疲勞破壞,可得

將其換算為壽命里程為

式中,L為壽命總里程;L0為載荷譜測定里程;n0為測定里程內的載荷總循環數。

采集到的路譜信號要進行處理后才能用于振動臺的激勵信號。載荷譜測定里程L0由下面的公式得到:

式中,v0為數據采集時的車速;t0為路譜信號處理后的時長。

將式(11)代入式(10),可得

根據強化系數定義,可得強化系數K[7]為

式中,L1、L2分別為在強化路面和普通路面達到相同失效時的壽命里程;(v1)0、(v2)0分別為強化路面和普通路面車輛行駛速度;(t1)0、(t2)0分別為強化路面和普通路面行駛時間。

3 強化系數的計算

汽車電連接器振動可靠性室內試驗系統由振動系統、夾具系統和監控系統三個部分組成。該系統通過采集實車路譜信號作為振動臺激勵信號,采用時域復現技術來實現道路振動的模擬。但是在汽車試驗場采集的強化路面的路譜信號,不能直接作為振動臺的激勵信號,要先對信號進行編輯和數據處理,將幅值較小或突變很大的信號部分除去,得到汽車在各種路面上行駛時的特征加速度時域信號及其功率譜密度,再用于振動臺的控制。試驗中采用自主開發的在線監控設備,對試驗過程進行監控,當有電連接器滿足失效標準時,停止試驗并記錄試驗的振動次數。

由強化系數K的計算公式可知,要求出強化系數的具體值,需要知道各強化路譜信號與普通路譜信號的疲勞指數m的值及雨流統計結果。

3.1 監控系統原理

試驗的監控系統由監控系統硬件和軟件兩部分組成。硬件系統通過路由器組成局域網實現主控制器與各測量儀器間的通信和數據交換;軟件系統采用LabWindows/CVI作為開發平臺,主要功能包括監測儀器控制與通信、監測物理量的界面顯示、監測對象故障狀態報警及診斷、測試數據存儲四個方面的內容。監控系統原理如圖3所示。

3.2 疲勞指數m值的確定

從檢驗合格的汽車左前大燈電連接器中隨機抽取10個,將其分為三組分別進行試驗,各組個數依次為3、4、3。采集到的路譜信號的頻率都為中低頻,依據GB2423.10(電工電子產品環境試驗的正弦振動試驗方法)的規定,三組試驗的振動幅值分別為1g、5g、10g三個等級。試驗過程按照GJB1217—91(電連接器試驗方法)中的試驗方法進行。判斷電連接器失效的依據是[8]:①瞬斷時間大于10μ s;②接觸電阻值變化大于5mΩ。試驗的結果如表1所示。

表1 試件破壞時的循環次數

將表1中的數據在普通直角坐標系中進行數據擬合,其擬合曲線如圖4所示。

將圖4中的數據改為雙對數坐標系,利用線性回歸方法,得到微動磨損的疲勞方程:

式中,b為常數。

對比式(4)、式(14),可得疲勞指數 m=1.64。

3.3 路譜信號雨流統計方法

試驗臺實際的激勵信號通過各段強化路譜信號的組合和多次循環得到。對路譜信號進行處理后,用雨流法統計時域中的應力次數和幅值。本文將幅值等分為25個等級進行統計,表2為組合強化路譜信號循環一次的統計結果,圖5為路譜信號與幅值雨流統計直方圖。

表2 幅值雨流統計結果

在107次振動中,組合路譜信號的第i級載荷發生的次數n′i,可由頻次N與循環一次的振動次數ny得到:

利用式(15)以及表1中的數據進行計算,其計算結果如表3所示。

表3 計算結果

普通路譜信號按照上述同樣的方法進行統計計算。將統計計算結果、組合路譜信號的時間及信號采集時的車速,代入強化系數的計算公式,可求得K=8.65。

比較上述強化系數與汽車試驗場的強化系數可知,兩種強化系數有差別。可能的原因是:①由于采集儀器有誤差,使得采集得到的路譜信號與實際情況有差距;②對路譜信號進行了糾奇點等處理,改變了路譜信號的原始特征;③信號不能得到完全的復現。雖然上述原因使得室內道路模擬試驗難以完全地再現原貌,但仍可以認為通過計算得到的強化系數與汽車試驗場道路強化系數較接近。

3.4 強化時間的確定

該項目的研究對象為某輕型卡車,質保里程S為40 000km;根據用戶調查,普通路面平均行駛速度為=70km/h。從而可得

根據強化試驗的定義,可得

式中,t為強化時間。

將其換算為故障里程為

式中,Si為電連接器的故障里程;ti為室內試驗故障時間。

代入具體數據求得強化試驗時間t=66.06h。將故障時間換算成故障里程,根據故障里程可對試驗結果進行評價。

4 結論

(1)由于對路譜信號進行了處理以及復現誤差的存在,使得該室內試驗的強化系數與汽車試驗場道路的強化系數略有差別。

(2)強化系數K與疲勞指數m呈指數關系,得到的疲勞指數m是否精確,對通過計算得到的強化系數K是否正確影響很大。

(3)使用強化系數結合汽車整車質量評價方法,解決了采用實車路譜時域復現技術進行室內強化試驗時,試驗結果無法評價、試驗持續時間不能確定的難題。

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