高加速壽命試驗在外飾車燈中的應用

瓦 鑫，潘榮榮，吳佳燕，李田三

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

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高加速壽命試驗在外飾車燈中的應用

瓦 鑫，潘榮榮，吳佳燕，李田三

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

介紹了高加速壽命試驗HALT(highly accelerated life test)在車燈上的應用，重點闡釋燈具的HALT試驗在燈具上的應用和燈具在HALT試驗下的失效形式，提出HALT在燈具產品開發及試驗中的重要性。

高加速壽命試驗；失效；可靠性；外飾車燈

引言

產品的質量與可靠度，體現在隨機產品生產后所要求具備的性能，以及產品在其設計使用壽命中保持要求的性能的能力。

驗證產品能滿足質量和可靠度的常規方法有兩類：(1)通過快速驗證試驗，該方法可以確認零件滿足其最低標準，卻無法判斷滿足了最低標準的產品間的差異性，也不知道產品所能達到的最高極限，確定產品的可靠度需要非常大的樣本量；(2)通過壽命試驗，該方法可以測試產品的設計壽命，但所執行測試的時間將非常長。因此，綜合了兩種特性的高加速壽命試驗(Highly Accelerated Life Test)方法通過達到或遠大于設計定義的極限應力條件，用步進應力逐漸找出產品的工作極限甚至破壞極限，打破了這兩個特定方法的局限性。

1 概述

外飾車燈是汽車的眼睛，裝飾和點亮安全是兩個主要的功能，因此外觀和功能是通過試驗檢查和測試的兩個主要方向和目的。隨著車的造型要求越來越高，燈具內的結構也是趨于復雜，且因造型限制或復雜的技術集成，對燈具的結構布置要求越來越高。同時車燈行業高度的集中化，開發的周期也較長。如果沒有完善的燈具開發計劃，不僅會對項目進度造成延遲，同時還會帶來較高的成本投入。因此，通過試驗認證手段及時的發現燈具的問題就顯得比較重要。

試驗認證的流程一般如圖1所示，通過在常規設計的試驗(圖1常規試驗流程)基礎上增加加速壽命試驗(圖1加速試驗流程)可以快速以放大方式發現產品的潛在缺陷，發現產品設計的裕度和生產制造的影響，這些涉及到失效產品設計、工藝、結構等方面的信息將成為產品的改進依據，作為提高產品的極限值，及可靠性的信息有效來源。試驗者或設計者所擔負著從失效的模式找到失效的根本原因的重要責任。

圖1 試驗認證流程圖Fig.1 Validation Process

以復雜設計的前照燈為例，燈具的組成為機械構造和電子電路，主要由燈體、光源、反射鏡、配光鏡、飾圈等主要部分組成。產品在使用過程中，所遭遇的環境種類繁多。如振動、沖擊、溫度、濕度、老化等，因為環境應力達到或超過產品耐環境應力的能力，使產品耐環境應力低的部分失效。

高加速壽命試驗HALT在燈具中的應用可以實現快速找到設計的破壞極限范圍，縮短產品研發、設計、生產和上市周期，即縮減研發時間和成本。其寬闊的測試裕度可以包括對產品性能影響的強相關和弱相關的因子，對提高產品可靠性提供了依據，也是對產品持續改進評定的工具。

2 HALT試驗在燈具上的應用

2.1 HALT試驗參數的設定

2.1.1 燈具失效影響因素分析

除去設計的影響，燈的失效主要受影響于熱量和機械強度兩方面：

(1)熱量：主要來源于內部點燈產生的熱量及外界環境溫度的影響；產生五彩或燒融等失效。

(2)機械強度：主要受影響于結構設計和材料特性，產生如出粉，結構斷裂失效。

(3)綜合影響：溫度改變材料特性，機械強度激發材料特性的失效。

2.1.2 溫度參數設定

溫度的極限閾值在試驗中的設定基于燈具的安裝環境和使用條件，同時在HALT試驗中，為充分考慮到潛在的失效，燈具使用材料的溫度特性也應當作為一個較重要的參考因子。

(1)溫度參數上限的設定

前照燈工作的高溫環境主要受到附近發動機艙溫度的影響，其環境溫度的影響在車輛高速，加速，怠速等各種工況條件又有所差別，通過實車測量得出影響如圖2曲線所示，燈具周邊在發動機怠速情況下溫度影響時間最大，在怠速的時候溫度最高，并且最高溫度值在100℃附近。

圖2 發動機艙溫度測量圖Fig.2 Temperature of Engine Compartment

在長時間怠速試驗工況下前艙(發動機前置)溫度測量如圖3所示，所圈出的兩個區域表明了前艙溫度的最高溫度和較穩定的值。同時CAE分析表明，該測量值與理論值基本一致，如圖4所示。

圖3 怠速條件下前艙大燈區域溫度測量Fig.3 Temperature of headlamp in engine compartment at idle condition

圖4 室溫條件下前艙大燈區域溫度模擬Fig.4 Temperature simulation of engine compartment in room temperature condition

為進一步摸索溫度的閾值，有必要研究燈具在不同溫度環境條件下所產生的熱量差異，怠速條件盡管艙內溫度較高，但通常情況下車輛在行駛過程中才是發揮燈具功能的時刻，因此，盡管已知最高閾值前提下，仍需通過試驗測定和理論分析掌握燈具的合理溫度條件。因此，在前期多項分析測試的前提下，設定環境溫度50℃條件下測試燈具表面的高溫區域，即車燈全開狀態下燈座在燈體表面的溫度。模擬值和測試值如圖5～圖7所示。

圖5 50℃條件下某前大燈溫度模擬Fig.5 Temperature simulation of Headlamp in 50℃ condtion

圖6 某前大燈溫度測量點Fig.6 Temperature measurement point of headlamp

圖7 50℃室溫條件下某前大燈溫度測量值Fig.7 Temperature measurement of Headlamp in 50℃ condition

試驗的溫度應超過或接近燈具材料的熱變形溫度，以激發產品所可能存在的缺陷和影響，從表1常用材料的熱變形溫度的統計值中，可見產品的溫度區間為70℃～162℃，因此通常條件下， 50℃為滿足試驗最基本要求的高溫值，發動機艙內的溫度即100℃，為最高溫度閾值。

表1 燈具常用材料熱變形溫度Table 1 The Heat Deflection Temperature of raw material for exterior lighting

(2)溫度參數下限的設定

我國現有氣象資料中的極端最低氣溫記錄-52.3℃[5-6]來自黑龍江省漠河氣象站。從現有的氣溫統計數據[7]顯示，北方漠河的日平均最低溫度在一月，為-36℃；以一月歷史數據看，最低溫度在-50℃。另一方面，從一般車輛的使用角度而言，-40℃已是規定允許客戶使用的最低溫度。故最低溫度的閾值可以定義為-50℃(圖8～圖9)。

圖8 漠河日均最低氣溫圖[7]Fig.8 Daily Minimum Mean Temperature in Mohe City [7]

圖9 漠河一月極限最低溫度值[7]Fig.9 The Lowest Temperature of Mohe City in Januay in History[7]

(3)振動參數的設定

理論上來說，振動的最大閾值應是沒有特定的輸入，試驗應進行至零件損壞為止。為有效的認識產品，有必要對振動的最小極限閾值進行研究，來源主要取決于地面的輸入。振動和沖擊是主要的影響方式，不同的車型、不同的燈具安裝方法和結構形式，地面對燈具所產生的輸入也不一樣。

通過地面影響的疲勞載荷可以按照大小分為若干等級，循環載荷可以用雨流矩陣來描述，通過對應的疲勞損傷矩陣，可以得到零件在疲勞載荷作用下的總損傷。

圖10 燈具在裝車狀態粗糙路沖擊最大能量Fig.10 The Max Impact Energy for Exterior Lighting in Rough Road

整車裝載質量條件下，對車燈具安裝位置對粗糙路面的響應采集路譜處理，在燈具的安裝點位置最大的實測沖擊能量能達到的閾值為20g，如圖10所示。故最小閾值取為20g。

2.2 HALT試驗結果的分析

依據以上燈具使用環境、材料特性等情況所定義的試驗極限溫度和極限振動加速度，通過溫度步進、快速溫度交變、振動加速度步進、組合環境四個試驗步驟進行考核。

(1)溫度對材料特性的影響

①材料的機械特性，如拉伸強度等將會受到溫度的影響。材料在高溫下能變得易延展，在低溫下又易碎。在振動過程中零件與零件的連接位置可能受到損壞。故振動的影響要在整個溫度變化的環境下考核。

②溫度超過材料極限時，導致碎裂、延展、熔融，影響塑料材料如燈體、配光鏡、反射鏡等的彈性(圖11)。

圖11 溫度條件下反射器燒融失效Fig.11 Deformation of Reflector in High Temperature Condition

③不同材料有不同的溫度膨脹系數，在這種條件下，溫度循環產生循環的應力，最終造成溫度疲勞(圖12)。

圖12 溫度疲勞條件下配光鏡變形失效Fig.12 Deformation of Lens in Temperature Fatigue Condition

④當溫度變化時，材料有不同的收縮和擴展，如果它們互相連接或接觸，相加的應力在零件的連接上就表現為斷裂(見圖13)。

⑤尺寸的變化產生剪切力、拉伸力和壓應力導致零件在溫度循環中的疲勞失效，如結構斷裂、焊點斷裂或分層等。

圖13 溫度變動條件下控制模塊殼體斷裂Fig.13 Broken of Module Housing in Temperature Vibration Condition

(2)振動對材料和結構的影響

機械疲勞一般出現在零件過長周期的隨機振動中。累計的振動可能超過零件材料的極限，造成零件內部的機械疲勞和形變。機械疲勞累積的振動能使部件因為焊點、零件、接觸點的裂紋而產生失效。內部的連接可能松動，同時內部的零件也可能因為振動產生的振幅而碰撞，導致燈體內面的部件彎曲或變形，導致可能引起的故障(見圖14)。

失效的常見可能形式有：①反射鏡松動，磨損；②飾圈斷裂，磨損；③內配光鏡松動，磨損；④外配光鏡破損；⑤燈具內部電路板斷裂，功能失效；⑥焊點失效；⑦密封性能失效；⑧溫度影響造成的失效；⑨線束的斷裂或磨損。

圖14 振動條件下燈體的磨損失效Fig.14 Abrasion of Housing in Vibration Condition

(3)蠕變對材料和結構影響

在保持應力不變的情況下，產品材料應變隨時間延長而增加，造成永久變形。由材料的機械應力產生的蠕變，在由環境溫度和自身產生熱量的高溫環境下會被加速。

溫度過應力、溫度疲勞或蠕變，都可能導致零件間的配合安裝在使用壽命前變形或損壞，從而導致功能的失效。同時熱量和振動都可能對燈具電子模塊產生功能失效的風險。

2.3 HALT試驗的應用結果分析

表2為某前照燈的HALT試驗與常規試驗的結果對比，常規試驗是來自某標準的要求。從試驗結果可以看出， HALT試驗可以發現振動試驗的失效內容，也能探測一些振動試驗不能發現的內容。試驗表明，HALT試驗的過程和結果對燈具設計及提高燈具可靠性有很好的指導性。

表2 某燈具HALT試驗與常規試驗結果對比Table 2 HALT test result VS Regular test result

3 結束語

HALT試驗在產品試驗中通過設定所施加的環境應力為關鍵要素，以激發而非模擬的形式使潛在失效在試驗過程中顯現，試驗結果表明受試品在短時間高應力作用下表現出的特性與產品在長時間低應力作用下表現出來的特性是一致的。結果同時表明，通過制定合理的應力裕度，可以使試驗的結果更加符合產品的真實使用和實際要求。

因此，將常用于電子產品的HALT應用在燈具開發過程中，對發現產品設計和工藝缺陷、加速產品的成熟設計、提高產品可靠性是行之有效的。

[1] 張先文. 高加速壽命試驗和高加速應力篩選技術綜述[J]. 電子產品可靠性與環境試,2009(6):66-69.

[2] 馬志宏,李金國. 高加速壽命可靠性試驗HALT技術研究. [J]. 環境適應性和可靠性，2009(6): 26-29.

[3] 朱建華. HALT測試綜述[J]. 電子測試, 2008(7): 6-12.

[4] 林震，張愛民,沈朝暉，等.談談電子產品的高加速壽命試驗[J].環境技術,2002(4):5-9.

[5] http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BC%A0%E6%B2%B3%E5%8E%BF.

[6] http://www.dxal.hl.cn/zjxa/ShowArticle.asp?ArticleID=27.

[7] http://www.tianqi.com/qiwen/city_mohe/.

The Application of HALT Test in Exterior Lighting of Vehicle

Wa Xin,Pan Rongrong,Wu Jiayan,Li Tiansan

(PanAsiaTechnicalAutomotiveCenter,Shanghai201201,China)

This paper briefly introduces the concept of development and application of HALT test, deeply analyzes the application in exterior lighting in vehicle and the failure mode of exterior lighting in HALT test. It’s to show the importation of HALT test in exterior lighting development and validation.

highly accelerated life test(HALT); failure; reliability; exterior lighting

U467.3

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.026