車輛外置天線浸水試驗方法及失效分析

王嘯

（公安部第一研究所，北京 100048）

車輛外置天線浸水試驗方法及失效分析

王嘯

（公安部第一研究所，北京 100048）

論文主要介紹了一種車輛外置天線的防水設計思路、24h浸水試驗的方法，以及摸底試驗失敗后的詳細分析和一系列的查找問題、解決問題的有效方法。

車輛天線；防水設計；浸水試驗

0 引言

本項目的研究目標是設計并制造出一款適用于車輛頂部安裝的天線系統，以滿足不同車型對外置天線的需求。

1 設計方案

1.1整體設計方案

天線的外形采用類似魚鰭天線的流線型設計，外形美觀的同時最大限度地減少了車輛高速行駛時的風阻；天線的底部采用外裙邊式橡膠密封圈設計，配合鋅合金底板多重溝槽的裝配結構，保證了天線在巡邏車輛頂部安裝后各項嚴苛的密封性要求。本產品的防護性能指標很高，應符合DIN 40050-9-1993中IPX9K防塵和防飛濺水的要求，并且要經受連續24h、1m深皂液水浸泡測試，不能有任何滲水現象出現。外置天線的整體效果圖如圖1所示。

圖1　整體效果圖

1.2自身防水設計方案

如圖2所示，此天線設備的自身防水設計由三個環節構成：頂部O型硅橡膠圈、底部TPS/SBS密封圈、底部O型丁腈橡膠圈。

圖2　天線剖面圖

底部TPS/SBS密封圈上下兩面都有密封溝槽設計，向上與PC/ASA塑料外殼裝配、向下與鋅合金底座裝配。通過外部6個ST2.5x6的無尾自攻螺釘擰緊后，將其內部的頂端O型硅橡膠圈擠壓變形（擠壓量0.8mm），達到頂部和底部同時密封的目的。

PC/ASA塑料外殼螺釘柱與鋅合金底座的接觸面在底部TPS/SBS密封圈上也有密封設計的體現。可以說此天線設備的內部防水問題由：頂部O型硅橡膠圈和底部TPS/SBS密封圈妥善解決了。

1.3安裝防水設計方案

此天線設備是要固定安裝在巡邏車車輛頂部中心偏后方的位置，這就需要對車輛頂部相應位置開孔。在車輛頂部開孔就意味著頂部有漏水的風險，因此需對開孔的位置進行防水設計處理。

圖3　安裝防水設計

本項目的做法是采用O型丁腈橡膠圈在開口處進行裝配密封。將天線設備的外連接螺栓根部套上O型丁腈橡膠圈，在車輛的內頂部用M14x0.75的鎖緊螺母部件將天線設備擰緊在車頂，橡膠圈經過擠壓變形后自然而然的將天線固定孔密封死，從而達到安裝過程中的防水目的。

2 浸水試驗方法

本產品的防護性能指標很高，應符合DIN 40050-9-1993中IPX9K防塵和防飛濺水的要求，并且要經受連續24h、1m深皂液水浸泡測試，不能有任何滲水現象出現。以下主要介紹浸水試驗方法及過程。

2.1連續浸水的防護性能指標

水深：1m；水溫：+5℃～+15℃；皂液水濃度：0.25%；連續浸泡時間：24h。天線的外部器件（除去線束）連續浸泡在水中24h，水中加入一定濃度的肥皂水（肥皂水用于降低水的表面張力，增加試驗難度），水的深度為天線接地面以上1m。

2.2試驗方法

針對浸水試驗要求，筆者設計了一種實驗環境：將產品樣機固定在一個鑄鋁防水盒上，然后將其整體放入通過PVC熔焊工藝加工好的1.3m深的PVC桶底部，桶的內部根據試驗情況注入不同深度的水，從而進行苛刻的浸水試驗。

將天線樣機水平固定安裝在已打好安裝孔的鑄鋁防水盒上蓋上，天線線束纏繞放置在防水盒內部，將防水盒上蓋與盒體用螺釘擰緊，這樣鑄鋁防水盒就模擬成為密閉的“測試車輛”車廂，天線也就模擬安裝在“測試車輛”的頂部。如圖4所示。之后將“測試車輛”整體水平沉入符合測試規定的皂液水中，連續浸泡24h后取出，擦去受試樣品外表面的水汽、水痕，檢查天線樣品內部不應出現受潮、浸濕和銹蝕跡象。

圖4　模擬“測試車輛”

3 失效分析

在實際的浸水試驗初期，當把“測試車輛”整體投入到1m水深的PVC桶底時，靜置片刻，發現天線設備的前端有些許微小氣泡以1個每2秒的速度漂到水面上，過一段時間氣泡消失。此現象說明了此試驗過程有滲水的環節。撈出“測試車輛”，打開防水盒和外置天線果然發現滲水現象明顯，天線內部滲入了少量的水。

其滲水點具體出現在什么環節、什么位置還需要客觀詳細的分析，才能得出結論，加以改進。

由于鑄鋁防水盒在整體試驗前已經單獨做過24h浸水試驗，其自身的防水性是可靠有保障的，那么滲水點就發生在外置天線的自身某個環節。然而，要想在1m多深、直徑40cm的PVC桶底的水環境里準確查找外置天線的一個或多個滲水點是一件很困難的事。

經過仔細分析，本試驗環境實際上就是一種氣壓環境，如何能把此氣壓環境等效的轉化為一便于觀察、便于檢測的試驗環境是接下來要解決的問題。

1m深的浸水實驗環境實際是給外置天線以及“測試車輛”施加了一個外部的壓強。

根據液體壓強公式：P=ρgh；其中：P—液體壓強（Pa）；ρ—液體密度（kg/m3）；g—9.8N/kg；h—液體深度（m）。由此，可計算出1m水深處的壓強為：9.8×103Pa。

再經過仔細分析，此浸水試驗的目的就是為了檢查外置天線的氣密性。因此可以得出這樣的結論：為了檢查系統的氣密性，對系統施加的外部液體壓強等同于施加相同的內部氣體壓強。

有了上述的結論，就可以把外部的液壓問題等效轉化為對外置天線施加一個9.8×103Pa的內部氣壓問題，這樣就擺脫了液體深度在試驗中帶來的麻煩，有利于創造一個便于觀察、便于檢測的等效的試驗環境。

4 解決辦法

針對上述所需要的等效試驗環境，設計并制作了一個氣體打壓測試環境。通過對天線整機的內部氣體打壓測試，可以迅速有效的發現零部件的漏氣漏水現象，從而確定哪個零部件有問題，是設計問題還是加工問題，并及時有效地加以處理。

以下是實驗環境及方法。將天線線束和鎖緊螺母部件去掉后，借用一根熱縮管將天線金屬底部的唯一開口螺栓縮緊，同時在熱縮接縫處用AB膠固化密封；熱縮管的另一頭與便攜式腳踏打氣筒的打氣孔密封連接，將此天線放入盛有水的臉盆里，將水沒過天線殼體表面，通過打氣筒給天線內部施加一個恒定的氣壓，如果有漏氣點，可以在水中觀察到冒氣泡現象，并且可以近距離的對漏氣點準確定位。

這一檢測方法與傳統的自行車打氣補胎相似，可以稱之為：“打氣補胎”法，如圖5所示。

圖5　打壓測試環境

目前市場上的氣壓表顯示單位普遍為BAR和PSI，這里需要進行單位換算。1BAR為1個標準大氣壓。PSI是英制壓強單位，定義為磅/平方英寸，PSI英文全稱為Pounds per square inch。把所有的單位換成公制單位可以計算出：

1MPa=106Pa≈10bar≈145psi

根據上述的換算關系，可以得出1m水深處的壓強：

9.8×103Pa≈1.42 psi

由于數值1.42psi在氣壓表上的顯示太小，通過腳踏打氣筒不好控制此恒定氣壓，為了便于檢查系統的氣密性，更好的查找漏氣點，又在試驗中刻意加大了給定氣壓值，及通過打氣筒給天線內部施加一個恒定的氣壓10psi，這樣也就提高了樣品的測試指標。

在10psi的試驗過程中，很明顯的發現在天線殼體的前端與底部TPS/SBS密封圈的接縫處有大量微小氣泡產生并漂浮于水面上，這樣漏氣點或滲水點很輕松的就找到了。接下來就是拆除殼體與密封圈，在漏氣點的位置查找問題。此時發現底部TPS/SBS密封圈的相應位置有破損現象，如圖6所示。

圖6　破損漏氣點

測試樣機的所有零部件均為快速成型手板加工，可能在加工過程中注塑機的注塑壓力不夠，導致密封圈的前端膠料進料欠缺，材質較為疏松，發生了局部破損現象。

通過對破損點用防水密封膠修補、晾干，再次進行上述試驗，沒有發生漏氣現象。至此，對測試外置天線的氣密性排查、修復工作完成。

針對密封圈的破損現象，向加工廠家提出工藝要求，重新加工密封圈手板件。新的密封圈手板件在之后的測試過程中沒有發現破損點，滿足了設計要求。之后給被測外置天線一個持續的壓強15psi，持續時間1min，外置天線的氣密性仍然很好，沒有漏氣現象。

通過換算可得：15psi≈103×103Pa；根據公式：P= ρgh；計算出：h=10.5m。也就是說此外置天線可以經受10.5m水深的短期浸泡而不會滲水，因此，1m的水深環境肯定不會有問題。之后對樣機分別進行了4h、12h、18h、24h皂液水浸水測試，天線設備均沒有發現滲水現象。至此，24h浸水摸底試驗通過。

5 總結

本產品的防護性能指標很高，除了上述的24h皂液水浸水試驗，同時還應符合DIN 40050-9-1993中IPX9K防塵和防飛濺水的要求。通過對本項目產品的系統設計、詳細分析研究，我對電子產品的防水環節設計以及相應的檢測流程、方法有了深刻認識，積攢了寶貴的經驗。

［1］百度文庫.

［2］黃宗南，洪躍.先進制造技術［M］.上海交通大學出版社，2010.

［3］朱張校.工程材料［M］.清華大學出版社，2001.

圖4　儲油罐周向應力隨時間的變化Fig.4 The variation of circumferential stress with time in tank

圖5　儲油罐在徑向方向應力隨時間的變化Fig.5 The variation of radial stress with time in tank

根據前述分析知，剛注滿油時，罐體壁受熱膨脹，使得罐體出現內壁受壓、外壁受拉的應力狀態。隨著時間的推移，儲油罐沿壁厚方向溫度分布趨于均勻，各部分間溫度相差不大，故溫度應力的分布也應趨于均勻，罐體的應力狀態得以改善。

4 結論

本文通過對地下儲油罐溫度場與應力場的耦合分析，得到了溫度應力對地下儲油罐的影響。首先，確定了儲油罐的溫度等效應力始終為拉應力，則在儲油罐的材料選擇，油罐的設計應用方面，應特別注意避免拉伸失效；其次，由計算結果可知溫度應力遠小于材料的許用應力，就這點來說儲油罐是安全的。

參考文獻：

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Water Immersion Test Methods and Failure Analysis of External Antenna on Vehicle

WANG Xiao
（First Research Institute of the Ministry of Public Security of PRC，Beijing 100048，China）

This article describes a waterproof design idea of vehicle external antenna and the test method of 24 hours water immersion.The analysis of test failure，the root causes and the solutions are explained in details.

antenna of vehicle；waterproof design；water immersion test

TH-39

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.011

1002-6673（2015）02-029-03

2015-02-02

王嘯（1980-），男，工程師。主要從事電子產品機電結構設計。