線束在汽車運(yùn)行中起著傳遞電壓、信號(hào)及數(shù)據(jù)的作用，稱得上是汽車的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，特別是在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的工業(yè)背景下，不僅要求線束起到通斷作用，而且還對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸速率及響應(yīng)能力提出了更高的要求 。線束的失效不僅影響整車信號(hào)傳遞及通斷，更嚴(yán)重的甚至危及駕駛員的生命安全，因此，有必要對(duì)線束在失效物理層面上進(jìn)行深入分析研究，根據(jù)線束潛在的失效機(jī)理定量化的建立失效物理模型，考核線束的疲勞失效壽命在工程實(shí)踐中變得十分重要。

加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)是建立在對(duì)產(chǎn)品失效充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上來(lái)考核產(chǎn)品壽命或可靠性特征量的一種方法。至少包含以下技術(shù)細(xì)節(jié)：①對(duì)產(chǎn)品所有已知或是潛在的失效模式及失效機(jī)理的了解；②產(chǎn)品各失效模式下的加速方式及量化設(shè)計(jì)所需要的失效機(jī)理模型；③加速試驗(yàn)中產(chǎn)品失效的判據(jù)與檢測(cè)方式。以上三個(gè)方面是以量化可靠性評(píng)價(jià)為目的進(jìn)行加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)的必要條件，缺一不可。

本文以汽車線束為研究對(duì)象，在對(duì)汽車線束的失效模式與失效機(jī)理充分了解的基礎(chǔ)上，給出一個(gè)量化設(shè)計(jì)的加速試驗(yàn)方案，滿足其量化可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)的目的。

 汽車線束的失效模式與失效機(jī)理

在工程實(shí)踐中，獲取產(chǎn)品失效模式與失效機(jī)理等信息一般來(lái)源于 FMMEA （Failure Mode Mechanism and Ef - fect Analysis），即所謂的失效模式、機(jī)理與影響分析。但僅通過(guò) FMMEA 仍然難以完成一個(gè)產(chǎn)品的量化可靠性評(píng)價(jià)，原因在于通常工業(yè)環(huán)境條件下所提供的 FMMEA仍然缺失加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)所必要的技術(shù)性細(xì)節(jié)。

這些細(xì)節(jié)可以概括為如下幾點(diǎn)：

①一般產(chǎn)品失效的相應(yīng)根因分析；

②失效的特征參數(shù)與失效判據(jù)；

③失效發(fā)生的工作環(huán)境與條件。

本節(jié)在明確汽車線束所有已知或潛在失效模式及失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，給出加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)所需的一些關(guān)鍵性技術(shù)細(xì)節(jié)，輔助完成汽車線束量化可靠性評(píng)價(jià)與壽命評(píng)估等工作內(nèi)容。

汽車線束主要由銅制接插件、塑料護(hù)套和電線等組成，插接件與電線壓接后安裝在塑料護(hù)套內(nèi)，電線以線束捆扎、膠帶包裹構(gòu)成，如圖 1 所示。電線束在整車中的作用是將電氣系統(tǒng)的電源信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行傳遞和交換，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)的功能和要求。汽車線束應(yīng)用于汽車各個(gè)部位，有處于高溫環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙里，有處于沙塵、水和泥漬等惡劣環(huán)境的底盤下，有處于汽車前后門及行李后蓋的彎折處等等，汽車線束在這些復(fù)雜嚴(yán)苛的環(huán)境中長(zhǎng)期工作，可能面臨各種失效的發(fā)生。

因此，研究汽車線束的失效模式和失效機(jī)理對(duì)于預(yù)防汽車線束的失效發(fā)生具有重要作用。

如前所述，汽車線束主要由銅制接插件、塑料護(hù)套和電線這 3 類組成，關(guān)于汽車線束的 FMMEA 匯總?cè)绫? 所示。

 加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

從汽車線束 FMMEA 可以看出，對(duì)汽車線束影響最大的部位為銅制接插件和電線，此類失效屬于汽車線束的功能性失效，輕者影響汽車某個(gè)功能的使用，重者危害汽車駕駛員的安全。因此，需要重點(diǎn)關(guān)注銅制接插件和電線在實(shí)際使用過(guò)程中的失效情況。為了量化估計(jì)汽車線束的疲勞壽命，則需設(shè)計(jì)量化的加速試驗(yàn)方案，如前所述，重點(diǎn)考慮汽車線束的銅制接插件和電線的失效，其對(duì)應(yīng)的失效機(jī)理分別為腐蝕磨損、材料疲勞和材料老化，根據(jù)各失效機(jī)理分別建立對(duì)應(yīng)的失效物理模型。

1

腐蝕磨損：采用粘著磨損模型 [3]

（1）式中：

Q—接觸表面的黏著磨損量，cm3 ；

W—接觸面法向載荷，N；

σy—兩磨損面中較軟材料的屈服極限，Pa；

K—黏著磨損系數(shù)，cm/（N·m）；

L—磨損滑動(dòng)的距離（m）、與移動(dòng)速度 v（m/s）和時(shí)間 t（s）有關(guān)，L=vt。

2

材料疲勞：S-N 曲線 [4]

lg（S）=A+Blg（N）

（2）式中：

A、B—材料參數(shù)；

S—應(yīng)力；

N—疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）。

3

材料老化：Arrhenius 公式 [5]

（3）式中：

k—速率常數(shù)；

R—摩爾氣體常量 8.31 J/（mol·K）；

T—熱力學(xué)溫度（K）；

Ea—表觀活化能（J/mol）；

A—指前因子（也稱頻率因子）。

本文只考慮電線的失效，因而主要針對(duì)電線的材料疲勞和材料老化失效機(jī)理量化設(shè)計(jì)加速方案。加速試驗(yàn)方案主要通過(guò)失效物理模型得出如下四個(gè)方面信息 [6]：

①加速（失效）模型

②加速模型中的應(yīng)力載荷因素

③可施加應(yīng)力載荷的參考條件

④加速試驗(yàn)量化參數(shù)的估計(jì)

關(guān)于加速模型即選取上述的失效物理模型，分別為材料疲勞的 S-N 曲線和材料老化的 Arrhenius 公式。加速模型中的應(yīng)力載荷因素是造成產(chǎn)品失效的根本原因，線束疲勞主要考慮線束長(zhǎng)期進(jìn)行彎折耐久運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的疲勞累計(jì)損傷，因此，線束疲勞的應(yīng)力因素應(yīng)為對(duì)線束造成疲勞累計(jì)的各影響因素之和。線束老化主要考慮溫度對(duì)線束的老化影響，因此，線束老化的應(yīng)力因素應(yīng)為溫度。

關(guān)于應(yīng)力載荷的參考條件，即加速試驗(yàn)的一個(gè)參照點(diǎn)，所謂的參照點(diǎn)是指產(chǎn)品在正常工作環(huán)境條件下的應(yīng)力載荷水平。本文以汽車線束為研究對(duì)象，主要考核汽車線束長(zhǎng)期彎折耐久運(yùn)動(dòng)的線束疲勞失效壽命，為了實(shí)現(xiàn)線束疲勞耐久運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到加速的作用，采用了線束疲勞耐久試驗(yàn)裝置（如圖 2 所示）模擬汽車線束在實(shí)際工作中的安裝狀態(tài)及彎折運(yùn)動(dòng)。

此外，溫度在這過(guò)程中加速了線束材料的老化失效，汽車線束老化的應(yīng)力載荷因素溫度，選取 25 ℃作為參考基準(zhǔn)。溫度載荷的施加方式較為容易，直接將汽車線束連同工裝放置于可程式溫箱來(lái)模擬汽車線束在不同工作環(huán)境下的溫度條件。關(guān)于加速試驗(yàn)量化參數(shù)的估計(jì)，主要包括加速試驗(yàn)應(yīng)力水平的估計(jì)，加速試驗(yàn)時(shí)間的估計(jì)以及加速因子的估計(jì)。本試驗(yàn)主要考慮線束材料疲勞及材料老化二種失效機(jī)理?xiàng)l件下的加速試驗(yàn)方案，加速線束疲勞失效采用線束疲勞耐久試驗(yàn)裝置，將線束三軸向運(yùn)動(dòng)位移范圍設(shè)置為 ±12 mm，頻率為 1 Hz，即三軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)一次時(shí)間為 1 s，試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為 105 s，加速線束老化失效利用溫箱來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)置溫度為 125 ℃，時(shí)間設(shè)置為 1 000 h。

加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)關(guān)鍵性技術(shù)細(xì)節(jié)還有一點(diǎn)就是產(chǎn)品的失效判據(jù)及失效檢測(cè)方式。產(chǎn)品的失效判據(jù)及失效檢測(cè)方式不僅影響加速試驗(yàn)結(jié)果，也影響最終產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，產(chǎn)品的失效判據(jù)及失效檢測(cè)方式為加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)重要的環(huán)節(jié)。

本試驗(yàn)主要考核的是線束的電線部分疲勞失效情況，電線失效往往發(fā)生于電線內(nèi)部斷絲而引起阻抗的增加。

因此，選取線束的阻抗值作為失效的特征變量。通過(guò)高采樣頻率測(cè)量線束的阻抗值來(lái)監(jiān)測(cè)線束內(nèi)部的損傷情況，選取阻抗分析儀作為試驗(yàn)儀器，并以 1 kHz 作為測(cè)試頻率，在線束二端施加交流電信號(hào)，測(cè)取不同時(shí)刻的阻抗值 [7]。試驗(yàn)初始時(shí)刻測(cè)量線束阻抗并記錄，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量頻率間隔為 10 s/ 次，試驗(yàn)結(jié)束后再次測(cè)量并記錄。根據(jù)行業(yè)一般標(biāo)準(zhǔn)采用 100 MΩ 的阻抗作為失效判據(jù)，即認(rèn)為阻抗值超過(guò)這一標(biāo)準(zhǔn)即判定為產(chǎn)品失效。

 疲勞壽命評(píng)估

按上述加速試驗(yàn)方案對(duì)汽車線束進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，分別為疲勞耐久試驗(yàn)和高溫老化試驗(yàn)。疲勞耐久試驗(yàn)進(jìn)行到產(chǎn)品發(fā)生失效或者達(dá)到試驗(yàn)時(shí)間停止，試驗(yàn)時(shí)間為105 s 約為 27.8 h，加速因子為 105/20 等于 5 000，因此，疲勞壽命粗略估計(jì)為 27.8 h×5 000，約為 15.9 年。高溫老化試驗(yàn)在 125 ℃試驗(yàn)條件下進(jìn)行 1 000 h，由于線束老化的失效機(jī)理模型為 Arrhenius 公式，故加速因子由加速應(yīng)力水平下 Arrhenius 公式參數(shù)對(duì)正常應(yīng)力水平下 Arrhenius 公式參數(shù)得到，如下式所示：

（4）式中：

AF—加速因子；

Tuse—正常使用環(huán)境條件下的溫度；

Tstress—加速條件下的環(huán)境溫度（單位為熱力學(xué)溫度 K），試驗(yàn)中表觀活化能 Ea 取 3.08（J/mol）；

R—摩爾氣體常量8.31J/（mol·K），Tuse=273+25=298K，Tstress=273+125=398K，代入加速因子計(jì)算公式得出加速因子 AF 約為 22.76，由此可估算出線速老化壽命約為 2.6 年。

通過(guò)上述加速試驗(yàn)結(jié)果，可得出進(jìn)行 10 萬(wàn)次的疲勞耐久試驗(yàn)可模擬汽車線束 15.9 年的疲勞壽命，進(jìn)行1 000 h 的 125 ℃高溫老化試驗(yàn)可模擬汽車線束 2.6 年的老化壽命。在實(shí)際工程中，可根據(jù)不同種類的汽車線束和不同的使用環(huán)境要求進(jìn)行特定的加速壽命試驗(yàn)，研究方法供汽車行業(yè)在進(jìn)行線束可靠性量化評(píng)價(jià)方面提供一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

 結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的在于提供一個(gè)加速試驗(yàn)方案，以滿足產(chǎn)品可靠性尤其是相關(guān)量化評(píng)價(jià)的要求。

本文以汽車線束為研究對(duì)象，在明確汽車線束失效模式及失效機(jī)理的基礎(chǔ)上給出一個(gè)量化的加速試驗(yàn)方案，來(lái)定量化的評(píng)估汽車線束的疲勞壽命及老化壽命，研究結(jié)果供汽車行業(yè)在評(píng)價(jià)汽車線束的可靠性量化特征方面提供一個(gè)一般性的研究思路。由于汽車線束實(shí)際工作環(huán)境的復(fù)雜性，失效存在多方面的影響因素，還需要對(duì)汽車線束在實(shí)際使用中發(fā)生的失效信息進(jìn)行交叉校核來(lái)進(jìn)一步量化汽車線束的可靠性壽命特征量。