车载电子设备环境试验顺序的方案设计

文/卢兆明 马会凯

ISO 16750《道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验》系列国际标准的国家标准转化工作已结稿，进入标准报批程序。该系列标准所涵盖的环境试验、试验方法及引用的国际标准已被国际较为著名汽车制造商，如VW、GM等公司直接引用为企业标准。转化后的国家标准（下文简称“标准”）发布实施后，将规范现有国内车载电子设备的环境试验和要求，统一相关产品的一系列质量评估标准，将把国内车载电子设备的标准提升到国际水平。

标准的第1部分给出了车载电子设备环境试验和要求的总体框架，后4个部分依次给出了供电、机械（力学）、气候和化学分类环境试验和要求。该标准属推荐性标准，它在规定试验和判据准则的同时，在严酷度等级等要素上都给出若干选项，供产品规范制订者选用，或由产品的供需双方协议。但标准在描述环境试验和要求时并没有表述这些试验间的应力积聚问题。只是在标准的末尾加了一章，说明“整体结构性文件”的组成，应与第1部分一般规定同时参照使用。也就是需要通过对试验的设计、试验报告的编制直至最后评估结论文件的形成等所有要素进行整合，才能达到设定目标。

环境试验应力的积聚效应是让一个（组）样品经受某一项环境试验和经受一套按已设计的试验方案顺序进行的一系列环境试验后的累积，由此得到的试验结果和评估结论是不一样的。

标准第1部分的附录A给出了环境试验顺序方案示例，同时还给出了机械和气候环境试验顺序示意图。示意图中共列出了13个试验环节，其中有2个参数测试环节、1个寿命试验环节、6个气候环境（含外来物防护）试验环节及3个机械环境试验环节。该图还明确了附加试验在整个试验顺序中的位置。

由于标准给出的整套试验顺序基本上是串联的设计（如图1），试验对受试样品的要求是比较严酷的。完成整套试验的时间周期也比较长，试验代价不菲。因此，在初始和末位各安排一次常温性能测试较为合理，可以使全套试验数据具有更高的实用评估价值。

一、受试样品的成组基数

标准示例给出的受试样品成组基数为10个样品。也就是说，若要按ISO 16750标准完成汽车电子电气全套环境试验的合格性评定，投试样品至少10个。当然，在研发阶段的验证和抽样检查中，可另制订相应的试验方案和确定受试样品的数量。

作为完整的试验方案，还应制订受试样品在试验中可能发生失效的预案，或确定补充方案和备试样品的数量，保证整套顺序试验的有效性。

二、前置试验顺序

1.准备受试样品10个（一组）

2.参数测试

按有关规范进行性能参数测试。在顺序环境试验的最后还要进行一次完全相同的性能参数测试，数据比较结果作为评价的最终依据。

3.温度梯度测试

温度梯度测试用于检查机械和电气装置在工作温度范围内发生故障的温度区间，它的属性更接近于缓变型温度变化试验，它为受试样品提供一种模拟人工时效的过程方法。在顺序试验的初始段和末尾段进行温度梯度测试比较，能进一步反映经一系列叠加试验后，样品的前后性能变化。

三、试验顺序

按下列顺序进行环境试验。

1.自由跌落试验

从10个一组样品中取3个样品受试，另7个轮空。自由跌落试验是用受试样品模拟在生产或装车过程中跌落到地面（如在汽车生产线上）的过程，然后作为正常零件进行安装，由此跟踪检查其可能留有的隐患。

本试验可能会造成机械损伤，如裂纹等，这类损伤可能是隐性的。隐性损伤的影响可以在后续的试验中显露出来。失效模式为直接或隐性的机械损坏。

2.机械冲击试验

从以上10个一组样品中取5个样品受试，其中包括经历了自由跌落试验的3个受试样品，另5个进入寿命试验。

机械冲击试验是检验受试样品承受关闭车门引起的机械冲击、受车身或车架冲击、换档冲击、气液动助力操作引起冲击的能力。失效模式为直接或隐性的机械损坏。

至此，受试样品已经经历了顺序试验中烈度最强的两项试验。累积了自由跌落试验1m高度落到地面产生的高加速度应力以及最大500 m/s加速度和最多达100 000次的重复冲击应力。受试样品结构造成显性失效，如功能缺失或明显下降，将退出试验；而隐性损伤，如裂纹等，将继续承受气候环境试验的考核。

3.温度循环试验

将5个经历了机械冲击试验的样品投试。

本试验方法包括规定变化率的温度循环试验和规定转换时间的快速温度变化试验方法，其温度变化范围从-40℃～160℃，规定变化率的温度循环试验在标准第4部中还规定“带电工作”。两种试验都是由常温——低温——高温——常温形成一个温度循环。

①低温试验中的主要损伤

——材料脆化：在塑料材料和部分合金材料上都可能出现；

——物理性收缩：由于收缩直接造成机械损伤；

——结构损伤：由于材料脆化而引起的裂纹、强度减弱和开裂。

② 高温试验中的主要损伤

——材料老化、软化和软融化分解和升华：在塑料材料和合成上都可能出现；

——物理性膨胀：由于膨胀直接造成机械损伤；

——结构损伤：由于材料老化和膨胀而引起的裂纹、强度减弱和开裂；

——发生氧化或化学反应。

在温度循环试验中，经过温度循环试验的热传递过程，受试样品和试验箱会交替出现局部凝露现象。一些凝露水会积聚在结构缝隙内或通过毛细现象渗入微观裂缝中，这些凝露还可能由于温度变化产生“呼吸”效应进入受试产品或元件的内部。这些留存的水在进入低温时同样会结冰、膨胀，进而产生或扩大裂缝，降低结构强度，甚至直接造成样品损坏和失效。进入内部的水或水分子还可能导致电气故障或电性能降低等显性损伤，甚至可能发生腐蚀和电腐蚀等隐性损伤。

两种温度循环试验中，受试样品带电工作的规定变化率的温度循环试验也同属老化试验范畴，不带电工作状态下快速温度变化试验则更接近加速试验的方法。

经历了自由跌落试验和机械冲击试验的样品，在温度变化的试验中，若被发现其结构或功能明显缺失或明显下降，则判为显性失效，该样品将退出试验；若存在隐性损伤，对其试验条件严酷度将被提升。

4.防尘和防水试验

将5个经历了温度循环试验的样品投试。

防尘和防水（即外来物防护）试验是更为直接地让破坏性媒质（尘/水/外来物-手指/金属丝/其它物品/项链/戒指）直接介入到受试样品内部，主要可能导致：

① 直接造成电气故障或电性能降低等显性损伤；

② 尘、水外来物导致发生腐蚀和电腐蚀等隐性损伤；

③ 尘、水外来物夹留在缝隙中，在后续试验中导致显性损伤。

5.盐雾试验

将5个经历了防尘和防水试验的样品投试。

盐雾试验是检验受试样品抵御盐雾和盐水侵蚀的能力。主要可能导致的损害有：化学反应、腐蚀、电气腐蚀、装饰表面或电气接触表面劣化、漏电及接触电阻增大。

盐雾腐蚀可以直接损伤受试样品，造成失效；也可以造成隐性损伤，在后续试验中导致显性损伤。

6.湿热循环试验

将5个经历了盐雾腐蚀试验的样品投试。

标准第4部分规定的湿热循环有2种试验方法。其规定的相对湿度（RH）为（93±3）%，较高时达到90%～100%。由于温度的变化和箱内温度波动因素，凝露是不可避免的。试验期间受试样品由于温度的变化，产生呼吸效应（当壳内空气温度下降时，外部高湿气体就会被吸入）。经过-10℃的循环，届时无论在内/外部表面，还是在接线端子、印制板和元件的内部和外部、沟槽和裂缝中所有的水和水汽都将结成冰，对部件直接造成结构损伤。

留在受试样品内部表面的水或水汽，不易被蒸发或干燥。从而导致由潮湿引起的电气故障，例如，印制电路板因潮湿产生的漏电流，造成受试样品直接失效。

高湿环境还会造成：膨胀、机械强度减低、化学反应、腐蚀、电腐蚀、绝缘体的导电率增加。这些因素都可以构成对受试样品的直接或间接的损伤。

7.振动试验

将5个经历了湿热循环试验的样品投试。

标准第3部分规定的振动试验有3种试验方法，分别是正弦振动、随机振动，以及将正弦振动叠加在随机振动谱线上的混合振动。要说明的是正弦振动、随机振动要分别经历两个各自的试验持续时间，而混合振动是两个试验谱形的叠加，只需经历一个试验持续时间。无论采用哪一种方法进行振动试验，试验的全过程都需叠加温度循环试验（同3）。

振动试验的损伤破坏机理是疲劳。标准第3部分规定的振动试验严酷度等级的确定，从理论上分析，明显带有耐久性试验的属性。因为标准第3部分规定的振动试验持续时间是结合车辆行驶路面条件和等效里程确定推导得出的。

将带有前期试验经历的受试样品，进行耐疲劳的振动试验，同时叠加温度循环，在高温段还要保持通电工作状态。并在低温段结束前检查性能。

在顺序试验中，振动试验排在较后的位置。通过振动试验叠加温度循环试验，前期积聚的应力和损伤累积将集中显性化。

8.稳态湿热试验

将5个经历了振动试验的样品投试。

标准第4部分规定的湿热循环有2种试验方法，即RH在（93±3）%或（85±3）%条件下，历时21天。其失效机理和模式类同于湿热循环。

四、后续试验顺序

1.再次温度梯度测试；

2.再进行完整的常温性能测试；

3.结论报告。

将测试结果与顺序气候试验前的初始检测资料进行对照，可以得到完整客观的评估报告。

五、可选附加试验

1.寿命试验

寿命试验或称耐久性试验与环境试验有许多相似的试验条件，但试验设计的理论支撑不同，需要另行设计试验。耐久性试验不属于标准的涉及范围。

2.其它附加试验

附加试验，如低温储存试验、低温带电工作试验、高温储存试验和高温带电工作试验、冰水冲击试验、流动混合气体腐蚀试验等在标准中列出，但未编入顺序试验的试验项目，可以由供需双方协议编入选项。

外表强度试验、划痕试验、耐磨性能试验、砂石轰（撞）击试验及太阳光辐射试验，标准当前版本并没有给出规范的试验要求和试验方法，可以定义为附加试验范畴。

受试样品专有属性确定的试验/测试项目和方法将由专业标准或有关规范给出，或归入参数测试，或归属于附加试验。

防尘和防水（外来物防护）试验，虽然划出大部分到已在立项国家标准转化的ISO 20653《道路车辆-防护等级（IP代码）-电器设备对外来物、水和接触的防护》中，仍属标准第4部分引用。标准第4部分也保留了部分有特色的试验。

寿命试验和附加试验，凡纳入标准规定的试验顺序，或以标准名义进行的试验，在进入试验顺序之前和之后都应进行参数测试和温度梯度测试。

标准规定的机械和气候环境试验基本上都采用了IEC 60068-2/GB/T 2423《环境试验第2部分试验方法》系列标准中的试验方法。根据该系列标准的理念可以解读本环境试验顺序方案，也可加深对标准中机械和气候环境试验的理解。参考文献列出了相关的现行标准。

六、综述

标准给出的环境试验顺序方案，应该理解为是一个框架型方案，也许不能满足某一产品的具体要求，但如果理解方案的设计原理，有关规范的编写者就能设计出符合标准要求的试验顺序。

一般环境试验的顺序试验设计分为几种类型：

1.研发试验

通常用于研究样机的性能。为了从试验顺序的某几项试验获得有关故障趋势的资料，先从最严酷的试验开始。总体上将可能导致试验样品无法承受进一步试验的顺序试验项目放在稍后。

2.研究性试验

通常用于研究样机的性能适用于有限数量试验样品。为了在试验样品损坏前取得尽可能多的资料，试验顺序应以最不严酷的试验开始，如非破坏性试验。

3.标准化型式试验

采用能给出最完整的标准化试验顺序，某些试验可暴露前一些试验所引起的损坏。结论将用于正式评估文件结论。

4.使用条件完全已知的试验

采用的试验顺序能模拟实际上最可能出现的环境顺序。

标准第1部分给出的环境试验顺序方案，应属于标准化试验。设计的试验顺序注重累积效应，而且采用了最不利受试样品的顺序设计。

尽管有了环境试验顺序方案，有关规范的编写者还必须选择和确定每种试验采用的具体试验方法和严酷度等级，并规定如下每个具体试验：

①预处理：具体的条件和时间；

②初始检查/测：具体的检查/测项目、方法和顺序；

③中间检查/测：具体的检查/测项目、方法和顺序；

④受试样品的工作状态：具体模式和要求；

⑤恢复：具体的条件和时间；

⑥最终检查/测：具体的检查/测项目、方法和顺序；

⑦评价准则：具体的项目、指标和典型判据。

必要时，还应给出试验设备的具体要求和操作要点；规定试验过程记录的要素及保证试验可操作、可再现、可比较的评估结论要素。

同样，选做了系列标准中规定的某一项或某几项试验，就认为该受试样品符合标准的要求是不负责任的。因为，通过完整的顺序试验与仅进行部分指定的试验项目，对受试样品的应力负荷所产生的累积效应是完全不同的。

[1]IEC 60068-2-1:2007《环境试验 试验A:低温》（IDT，GB/T 2423.1-2008）.

[2]IEC60068-2-2:2007《环境试验 试验B:高温》（IDT，GB/T 2423.2-2008）.

[3]IEC 60068-2-78:2001《环境试验 试验Cab:恒定湿热试验》（IDT，GB/T 2423.3-2006）.

[4]IEC 60068-2-30:2005《环境试验 试验Db:交变湿热试验方法》（IDT，GB/T 2423.4-2008）;

[5]IEC 60068-2-60:1995《环境试验 试验方法 试验Ke:流动混合气体腐蚀试验》（IDT，GB/T 2423.51-2000）.

[6]IEC 60068-2-11:1981《环境试验 试验Ka:盐雾试验方法》（IDT，GB/T 2423.17-2008）.

[7]IEC 60068-2-52:1996《环境试验 试验Kb:盐雾，交变(氯化钠溶液)》（IDT，GB/T 2423.18-2000）.

[8]IEC 60068-2-38:1974《环境试验试验Z/AD:温度/湿度组合循环试验》（IDT，GB/T 2423.34-2005）.

[9]IEC 60068-2-80:2005《环境试验 试验Fi:振动混合模式》（IDT，GB/T 2423.58-2008）.

[10]IEC 60068-2-6:2007《环境试验 试验Fc:振动（正弦）》（IDT，GB/T 2423.10修订中）.

[11]IEC 60068-2-27:2008《环境试验 试验Ea和导则:冲击》（IDT，GB/T 2423.5修订中）.

[12]IEC 60068-2-31:2008《环境试验 试验Ec:粗率操作造成的冲击》（IDT，GB/T 2423.7修订中）.

[13]IEC 60068-2-64:2008《环境试验 试验Fh:宽带随机振动和导则》（IDT，GB/T 2423.58修订中）.

[14]IEC60068-2-14:2009《环境试验 试验N:温度变化》（IDT，GB/T 2423.22修订中）.

[15]ISO16750 《（所有部分）道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验》国家标准制订项目编号:20068337-341.卢兆明，译.环境技术（双月），2007（1～6）.

[16]ISO 20653:2006 《道路车辆防护等级(IP代码)电器设备对外来物、水和接触的防护》国家标准制订项目编号:20090039-T-339，卢兆明，译.广州：环境技术（双月），2008（1～2）.

[17]卢兆明.车载电子电器设备的温度变化试验[J].广州：环境技术（双月），2009（5）.