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車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用研究
2021-03-02 19:40:40· 來(lái)源：汽車實(shí)用技術(shù)雜志社 作者：李明峻，侯衛(wèi)國(guó)等
點(diǎn)擊上方藍(lán)字關(guān)注我們！ 摘要 ABSTRACT 車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)是智能化汽車的關(guān)鍵部件之一。如何滿足汽車市場(chǎng)對(duì)高可靠性、快速更新?lián)Q代產(chǎn)品的迫切需求，是車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)面臨的一個(gè)重要課題?；诳煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)方法和車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)產(chǎn)品特點(diǎn)，選取某款車載信
前言
車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)在汽車電子的基礎(chǔ)上深度融合了消費(fèi)電子、數(shù)字家庭理念，是產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和以人為本的重要體現(xiàn)。其在向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化方向發(fā)展過(guò)程中，首先面臨著兩個(gè)瓶頸：
（1）高可靠性、高穩(wěn)定性要求與復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景之間的矛盾。室外使用、隨時(shí)移動(dòng)、空間和電力供應(yīng)有限的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、穩(wěn)定性要求遠(yuǎn)高于日用、辦公等消費(fèi)類電子產(chǎn)品；
（2）如何協(xié)調(diào)電子業(yè)和汽車業(yè)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、市場(chǎng)投放、升級(jí)換代等方面存在的“時(shí)間差”。車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)作為電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度快、產(chǎn)品種類多、功能靈活、市場(chǎng)響應(yīng)迅速，而汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、功能變化慢、市場(chǎng)響應(yīng)遲緩。
針對(duì)車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程和研發(fā)試驗(yàn)現(xiàn)狀，基于盡早發(fā)展產(chǎn)品缺陷、降低后期試驗(yàn)故障發(fā)生率、縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)費(fèi)用等現(xiàn)實(shí)需求，提出在車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和試制階段，引入可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)，提升系統(tǒng)缺陷激發(fā)和缺陷改進(jìn)速度和質(zhì)量。
1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法
1.1 環(huán)境應(yīng)力故障影響機(jī)理分析
溫度和振動(dòng)應(yīng)力是影響電子產(chǎn)品可靠性的主要因素，其主要通過(guò)影響材料的物理化學(xué)性質(zhì)、元器件的功能性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度和完整性，進(jìn)而影響產(chǎn)品整體可靠性的表現(xiàn)。其主要影響機(jī)理如下表所示，綜合環(huán)境應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步互相強(qiáng)化對(duì)產(chǎn)品材料、功能和性能的影響。
表1 環(huán)境應(yīng)力故障影響機(jī)理
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環(huán)境應(yīng)力
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影響機(jī)理
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高溫
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熱老化、金屬氧化、結(jié)構(gòu)熱膨脹、設(shè)備過(guò)熱、潤(rùn)滑液黏度下降、蒸發(fā)
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低溫
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材料脆化硬化、結(jié)構(gòu)收縮、軟化液黏度增加、元器件性能改變、水的凝結(jié)和結(jié)冰
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溫度沖擊
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熱疲勞、機(jī)械應(yīng)力、疲勞、密封失效結(jié)構(gòu)變形匹配
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振動(dòng)
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疲勞、斷裂、結(jié)構(gòu)變形、電路中發(fā)生噪聲
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可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)主要通過(guò)施加高環(huán)境應(yīng)力，來(lái)激發(fā)產(chǎn)品可能存在的薄弱環(huán)節(jié)和潛在缺陷，考核產(chǎn)品設(shè)計(jì)余量和產(chǎn)品使用極限。根據(jù)應(yīng)力施加和組合特點(diǎn)，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)具體包括降溫步進(jìn)、升溫步進(jìn)、溫度循環(huán)、步進(jìn)隨機(jī)振動(dòng)、溫度-振動(dòng)綜合等試驗(yàn)項(xiàng)目。
1.2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)原理
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)以快速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷和薄弱環(huán)節(jié)為主要目的?；跈C(jī)械疲勞壽命模型和熱疲勞壽命模型，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際水平的環(huán)境應(yīng)力，可快速激發(fā)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷和工藝缺陷。通過(guò)對(duì)發(fā)生的故障和失效進(jìn)行分析和改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的提升。
1.2.1 應(yīng)力疲勞壽命模型
式中，C是疲勞累積損傷函數(shù)，m是材料特性參數(shù)，且m＞1；是機(jī)械應(yīng)力作用所產(chǎn)生的單位面積作用力；N是應(yīng)力條件下的疲勞循環(huán)壽命。
一般取值8~10，從應(yīng)力疲勞壽命模型可以看出，應(yīng)力水平提升1倍，在相同疲勞累積損傷的條件下，疲勞循環(huán)壽命縮短1000倍左右。因此，通過(guò)加大應(yīng)力水平，可較快激發(fā)產(chǎn)品缺陷。
1.2.2 溫度壽命模型
根據(jù)Arrhenius模型，化學(xué)反映速度與溫度成正比，其強(qiáng)化試驗(yàn)的加速因子為：
式中，fAF、Ea、k分別為加速因子、活化能和玻爾茲曼常熟；T0、Ts分別為使用環(huán)境溫度和強(qiáng)化試驗(yàn)溫度，單位K。假設(shè)使用環(huán)境溫度取70℃，強(qiáng)化試驗(yàn)溫度取120℃，計(jì)算出的加速因子為74，加速效果明顯。
1.3 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)流程
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)流程如圖1所示，按照溫度步進(jìn)、快速溫度循環(huán)、振動(dòng)步進(jìn)和綜合環(huán)境的應(yīng)力施加順序，從施加正常應(yīng)力開(kāi)始，將單一或組合應(yīng)力逐步加大。若出現(xiàn)故障，需對(duì)故障進(jìn)行分析，歸類故障模式，并判斷產(chǎn)品的工作極限和破壞極限。
圖1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)流程
2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案制定
2.1 樣品選擇
以某款車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)為例，包括收音機(jī)、多媒體、藍(lán)牙電話、本地導(dǎo)航、導(dǎo)航T功能、生活資訊信息等功能。樣品設(shè)計(jì)、元件、材料和生產(chǎn)所使用的制造工藝都已基本確定，保證了暴露出來(lái)的薄弱環(huán)節(jié)具有針對(duì)性，能夠更準(zhǔn)確的分析產(chǎn)生缺陷的根本原因。
2.2 組成及數(shù)量
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)采用小樣本試驗(yàn)，樣品選擇10臺(tái)。每項(xiàng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的樣本量為2個(gè)，且僅選取1個(gè)進(jìn)行破壞極限試驗(yàn)。保證試驗(yàn)中試件失效形式具有代表性，能驗(yàn)證某失效模式不僅僅是某一單個(gè)樣件上出現(xiàn)，又不至于因?yàn)閺?qiáng)化試驗(yàn)是一個(gè)破壞試驗(yàn)而造成浪費(fèi)。
2.3 試驗(yàn)剖面
2.3.1 溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)
根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范要求，產(chǎn)品使用溫度范圍為-30~70℃，貯存溫度范圍為-40~85℃。設(shè)定起始溫度為20℃，每步段降溫10℃，每步段溫度穩(wěn)定后維持10min，在每步段穩(wěn)定溫度時(shí)執(zhí)行一次的通斷電啟動(dòng)及拉載測(cè)試，如一切正常則將溫度再降10℃，并待溫度穩(wěn)定后維持10min在執(zhí)行上電啟動(dòng)及拉載測(cè)試，當(dāng)溫度降低到-30℃時(shí)，每步段溫降調(diào)整為5℃。以此類推直至發(fā)生功能故障，將溫度恢復(fù)至常溫并穩(wěn)定后，在執(zhí)行上電啟動(dòng)及拉載測(cè)試，觀察其功能是否恢復(fù)，以判斷是否達(dá)到工作極限或破壞極限，如功能正?；謴?fù)，則將故障前的低溫值記錄為工作極限，同時(shí)再將溫度逐段下降至發(fā)現(xiàn)當(dāng)恢復(fù)常溫仍然無(wú)法使功能自動(dòng)恢復(fù)的低溫，則此低溫即為低溫破壞極限。
在完成低溫應(yīng)力試驗(yàn)后，即依相同程序執(zhí)行高溫應(yīng)力試驗(yàn)，即將試驗(yàn)箱自20℃開(kāi)始，每段升溫10℃，待溫度穩(wěn)定后維持10mins，而后執(zhí)行通斷電啟動(dòng)及拉載測(cè)試，當(dāng)溫度達(dá)到70℃時(shí)，每步段溫升調(diào)整5℃，為直到發(fā)現(xiàn)高溫工作極限及高溫破壞極限為止。
2.3.2 快速溫度循環(huán)試驗(yàn)
對(duì)于車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，快速溫度循環(huán)試驗(yàn)的高低溫端點(diǎn)值選擇高低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中得到的破壞極限的80%；以每分鐘60℃的快速溫度變化率在此區(qū)間內(nèi)進(jìn)行6個(gè)循環(huán)高低溫變化，在每個(gè)循環(huán)的最高溫度及最低溫度都停留10min。待溫度穩(wěn)定后執(zhí)行通斷電試驗(yàn)及拉載測(cè)試，如發(fā)現(xiàn)待測(cè)物發(fā)生可恢復(fù)性故障，則將溫度變化率減少10℃/min在執(zhí)行溫度循環(huán)，直到6個(gè)循環(huán)皆無(wú)可恢復(fù)性故障，則此溫度變化率即為此試驗(yàn)工作之工作極限，在此試驗(yàn)中不需要尋找破壞極限。
圖3 快速溫度循環(huán)試驗(yàn)剖面
2.3.3 振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)
試驗(yàn)振動(dòng)量級(jí)自5G開(kāi)始，每階段增加5G，在每個(gè)階段維持10min后，在振動(dòng)持續(xù)的條件下執(zhí)行通斷電試驗(yàn)及拉載測(cè)試，以判斷其是否達(dá)到可工作界限或破壞界限。如果正常，每次加速度增加5G，進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試和功能測(cè)試，直到出現(xiàn)異常。
圖4 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)
2.3.4 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)
使用先前的快速溫變循環(huán)條件及溫變率，設(shè)產(chǎn)品隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力極限為Gmax，將隨機(jī)振動(dòng)自Gmax/6開(kāi)始配合每個(gè)循環(huán)遞增Gmax/6，且使每個(gè)循環(huán)的最高及最低溫度持續(xù)10min，待溫度穩(wěn)定后執(zhí)行通斷電及拉載測(cè)試，如此重復(fù)進(jìn)行直至達(dá)到可工作界限及破壞界限為止。
圖5綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)
2.4 測(cè)試方案
考慮到車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)功能多樣性和測(cè)試的可行性，制定可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)測(cè)試方案如表2所示，規(guī)定了測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試方法及功能性能、結(jié)構(gòu)完整性要求。
表2 測(cè)試方案
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序號(hào)
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檢測(cè)項(xiàng)目
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測(cè)試方法
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測(cè)試要求
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1
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外觀
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目測(cè)檢查機(jī)器外觀
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材料無(wú)變形、裂紋
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2
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開(kāi)關(guān)/機(jī)
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POWER ON/OFF
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能正常開(kāi)機(jī)/關(guān)機(jī)
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3
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LCM Display&TP
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目測(cè)畫面顯示內(nèi)容
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LCM無(wú)亮線、顏色亮度沒(méi)有大偏差、缺色現(xiàn)象
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切換桌面壁紙
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可通過(guò)觸摸屏點(diǎn)觸，正常切換壁紙，無(wú)卡滯、延遲
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通過(guò)屏幕調(diào)節(jié)音量，左右拖動(dòng)
|
音量條可被左右來(lái)回拖動(dòng)、無(wú)卡滯、延遲
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||
|
調(diào)節(jié)屏幕亮度
|
屏幕可亮度隨調(diào)節(jié)而變暗、變亮，否則為不良
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||
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4
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USB充電
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使用測(cè)試設(shè)備檢測(cè)車機(jī)是否可以充電
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可正常充電
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5
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USB讀取
|
插入測(cè)試U盤（3路）
|
U盤可被正常識(shí)別
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6
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音頻播放
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播放U盤中音頻，調(diào)節(jié)EQ
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音頻可正常播放，音效會(huì)隨不同的EQ調(diào)節(jié)而變化，無(wú)異音
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|
調(diào)節(jié)音量
|
聲音可隨音量調(diào)節(jié)而正常變化，無(wú)異音，爆破音
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||
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7
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視頻播放
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播放視頻
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視頻正常播放，播放中無(wú)卡死、重啟等問(wèn)題
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8
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手機(jī)互聯(lián)
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用手機(jī)與車機(jī)互聯(lián)，并播放視頻
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手機(jī)可與車機(jī)互控，視頻播放流暢、無(wú)卡滯，死機(jī)等不良現(xiàn)象
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9
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3G測(cè)試
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進(jìn)入云端系統(tǒng)
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可通過(guò)車機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)，cp功能正常
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10
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導(dǎo)航
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進(jìn)入導(dǎo)航模式，進(jìn)行選擇目的地，進(jìn)行模擬導(dǎo)航
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選擇目的地時(shí)不可出現(xiàn)無(wú)法選定死機(jī)、等現(xiàn)象，模擬導(dǎo)航中應(yīng)不斷有提示音，否則為不良
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11
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CAN-BUS
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通過(guò)CAN-BUS模擬器，使車機(jī)進(jìn)入全景狀態(tài)
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無(wú)法進(jìn)入全景或無(wú)法退出為不良
|
3 結(jié)果分析
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，針對(duì)此款車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)，可得到如下結(jié)論：
（1）此款車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)低溫工作極限-30℃，高溫工作極限80℃，振動(dòng)工作極限30G；
（2）綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)降低了車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)的高溫工作極限和振動(dòng)工作極限；
（3）由于產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)和生產(chǎn)工藝未完全固化，樣機(jī)在綜合環(huán)境試驗(yàn)條件下，出現(xiàn)失效條件和失效模式差異較大的情況。兩臺(tái)參與試驗(yàn)的樣機(jī)，一臺(tái)樣機(jī)在7G、-30℃和7G、70℃分別發(fā)生失效，另一臺(tái)樣機(jī)只在30G、-30℃條件下發(fā)生了失效；
（4）單應(yīng)力激發(fā)的產(chǎn)品故障模式具有一定規(guī)律性，而綜合應(yīng)力激發(fā)出的產(chǎn)品故障模式具有多樣性。
表3 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果
4 結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)功能多樣、使用環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，基于可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)原理，制定并實(shí)施了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案，成功激發(fā)了產(chǎn)品的潛在故障和薄弱環(huán)節(jié)，得到了產(chǎn)品的工作極限和故障模式特征，為后期失效分析、設(shè)計(jì)改進(jìn)、工藝優(yōu)化、可靠性提升提供了有效支撐。
汽車電子產(chǎn)品占整車價(jià)值比例越來(lái)越高，并在整車的安全性、環(huán)保性、智能性方面發(fā)揮重要作用?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)?zāi)軌蚩焖?、高效的激發(fā)產(chǎn)品故障，可有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低研發(fā)成本、提升可靠性水平，對(duì)于保障汽車電子產(chǎn)品高質(zhì)量高可靠性具有積極的應(yīng)用和推廣價(jià)值。
（文章選自2018年第20期）
簡(jiǎn)介：李明峻（1987-），男，碩士研究生，蕪湖賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院工程師，主要研究方向?yàn)榭煽啃耘c環(huán)境試驗(yàn)、可靠性評(píng)價(jià)。參與完成國(guó)家產(chǎn)業(yè)振興和技術(shù)改造項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)、總裝基礎(chǔ)項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)家火炬計(jì)劃產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目1項(xiàng)。發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文4篇，獲得發(fā)明專利2項(xiàng)。
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