汽车电连接器振动可靠性室内试验强化系数研究

2010-12-03马文明

中国机械工程 2010年15期

陈剑修磊马文明陆兵李青

合肥工业大学,合肥,230009

0 引言

汽车电连接器作为汽车电器系统的连接部分,其可靠性对整个电器系统能否正常工作影响很大。由于路面激励和发动机振动这两大激励源的存在,使得汽车电器长期工作在剧烈的振动和冲击之下,这些因素对汽车电器的可靠性有很大影响。资料统计表明:在汽车运行过程中,电器与电子系统故障占整车故障的比例极高,且呈逐年增加的趋势[1]。在试验室内对车辆及其零部件进行道路模拟振动试验,有效率高、费用小等优点,被认为是加速产品开发、提高产品质量的有效手段[2]。

汽车电连接器振动可靠性室内试验的方法是,将被试系统(汽车线束及电器系统)移植到试验台上,在试验辅助系统如电源、信号模拟器等设备的支持下,使被试系统可按实际工作状态工作。试验台的激励信号采用的是实车路谱信号,利用时域复现技术实现道路振动的模拟,相对于国标中规定的汽车电器正弦或随机振动试验方法,采用实车路谱能够很好地再现汽车电连接器的实际工况。电连接器在试验中同时承受电应力和振动应力的作用,使试验工况与实际更为接近。

对于实车路谱信号的规范,汽车电连接器振动可靠性的国家标准或行业标准中没有规定。因此,不能用一般的正弦或随机振动试验评价方法对试验结果进行评价,而且试验的强化时间无法确定。由于汽车电器系统是汽车的一部分,因此可以使用汽车整车质量评价标准中的故障里程对试验结果进行评价。

1 电连接器振动可靠性模型

在振动应力作用下,电连接器插针、插孔之间会产生一定的相对运动,由于电连接器结构条件的限制,电连接器插孔和插针间的相对运动幅度很小,伴随着产生的摩擦腐蚀属于微动磨损。持续的微动磨损会使电连接器的材料发生疲劳破坏。破坏的主要形式是由微动磨损引发的腐蚀物从材料表面脱落,当产生的腐蚀物碎片填满接触处的低凹部分,并使两接触表面分开约20nm时,电连接器材料发生破坏引起的接触电阻急剧增大,从而使电连接器失效[3]。

依据柯思林[4]的研究,受微动磨损作用的材料在一定的环境条件下,其疲劳寿命的S—N曲线近似呈线性。某材料微动磨损的S—N曲线如图1所示。

可以认为在环境条件一定的条件下,汽车电连接器在微动磨损作用下的失效模型为线性累积损伤失效。因此,可以利用Miner线性累积损伤原理对汽车电连接的可靠性进行研究。

1.1 Miner线性累积损伤原理

汽车电连接器在实际行驶过程中和在台架上试验时,受到随机冲击载荷的作用。可以认为汽车电连接器受到 σ1,σ2,…,σn个不同水平的应力作用 ;τ1,τ2,…,τn为对应的载荷幅值 ;各级应力水平下的寿命分别是N1,N2,…,Nn;而各级应力水平下的实际循环数为n1,n2,…,nn。其Miner线性累积损伤示意图[5]见图2。

应力级τi的损伤分量为

总损伤量为

由式(2)可知:①汽车电连接器达到破坏时的总损伤量是一常数;②损伤与载荷的作用次序及作用时间无关;③在试样受载过程中,每一载荷循环都损耗试样一定的有效寿命分量;④多循环应力产生的所有损伤分量相加为1时,试样就发生破坏。且S—N曲线满足

式中,C为与材料有关的常数;m为疲劳指数,可表示为S—N曲线与横坐标夹角的余切;N0为疲劳极限τ—1对应的疲劳寿命。

对式(3)两边取对数可得

图1中的S—N曲线是根据光滑小尺寸标准试样,在对称循环下的试验结果求平均值绘制得来的。对于实际的汽车电连接器,若直接按Miner的线性累积损伤理论对零件的疲劳寿命进行估计还不够精确,需要对其进行修正。需要引入相应的系数[6]:

式中,ε为零件的尺寸系数;β为零件的表面加工系数。

根据材料S—N曲线的Basquin关系式,由N0/Ni=(τi/τ—1)m,可得修正后的Miner线性损伤理论表达式:

2 强化系数的数学模型

由图1可知,受微动磨损的材料,107次振动对于包括很少发生的最严重的情况在内的全部载荷有足够的代表性,因而确定总和累积频次曲线的总频次扩展到107次中发生一次,相当于最大载荷发生频率为10—7。可得

式中,nz为各级载荷总循环次数;n′i为第i级载荷在107次循环中发生的次数。

将式(7)代入式(6)得

式中,K为强化系数。

根据Miner线性损伤理论,当D=1时试件就会发生疲劳破坏,可得

将其换算为寿命里程为

式中,L为寿命总里程;L0为载荷谱测定里程;n0为测定里程内的载荷总循环数。

采集到的路谱信号要进行处理后才能用于振动台的激励信号。载荷谱测定里程L0由下面的公式得到:

式中,v0为数据采集时的车速;t0为路谱信号处理后的时长。

将式(11)代入式(10),可得

根据强化系数定义,可得强化系数K[7]为

式中,L1、L2分别为在强化路面和普通路面达到相同失效时的寿命里程;(v1)0、(v2)0分别为强化路面和普通路面车辆行驶速度;(t1)0、(t2)0分别为强化路面和普通路面行驶时间。

3 强化系数的计算

汽车电连接器振动可靠性室内试验系统由振动系统、夹具系统和监控系统三个部分组成。该系统通过采集实车路谱信号作为振动台激励信号,采用时域复现技术来实现道路振动的模拟。但是在汽车试验场采集的强化路面的路谱信号,不能直接作为振动台的激励信号,要先对信号进行编辑和数据处理,将幅值较小或突变很大的信号部分除去,得到汽车在各种路面上行驶时的特征加速度时域信号及其功率谱密度,再用于振动台的控制。试验中采用自主开发的在线监控设备,对试验过程进行监控,当有电连接器满足失效标准时,停止试验并记录试验的振动次数。

由强化系数K的计算公式可知,要求出强化系数的具体值,需要知道各强化路谱信号与普通路谱信号的疲劳指数m的值及雨流统计结果。

3.1 监控系统原理

试验的监控系统由监控系统硬件和软件两部分组成。硬件系统通过路由器组成局域网实现主控制器与各测量仪器间的通信和数据交换;软件系统采用LabWindows/CVI作为开发平台,主要功能包括监测仪器控制与通信、监测物理量的界面显示、监测对象故障状态报警及诊断、测试数据存储四个方面的内容。监控系统原理如图3所示。

3.2 疲劳指数m值的确定

从检验合格的汽车左前大灯电连接器中随机抽取10个,将其分为三组分别进行试验,各组个数依次为3、4、3。采集到的路谱信号的频率都为中低频,依据GB2423.10(电工电子产品环境试验的正弦振动试验方法)的规定,三组试验的振动幅值分别为1g、5g、10g三个等级。试验过程按照GJB1217—91(电连接器试验方法)中的试验方法进行。判断电连接器失效的依据是[8]:①瞬断时间大于10μ s;②接触电阻值变化大于5mΩ。试验的结果如表1所示。

表1 试件破坏时的循环次数

将表1中的数据在普通直角坐标系中进行数据拟合,其拟合曲线如图4所示。

将图4中的数据改为双对数坐标系,利用线性回归方法,得到微动磨损的疲劳方程:

式中,b为常数。

对比式(4)、式(14),可得疲劳指数 m=1.64。

3.3 路谱信号雨流统计方法

试验台实际的激励信号通过各段强化路谱信号的组合和多次循环得到。对路谱信号进行处理后,用雨流法统计时域中的应力次数和幅值。本文将幅值等分为25个等级进行统计,表2为组合强化路谱信号循环一次的统计结果,图5为路谱信号与幅值雨流统计直方图。

表2 幅值雨流统计结果

在107次振动中,组合路谱信号的第i级载荷发生的次数n′i,可由频次N与循环一次的振动次数ny得到:

利用式(15)以及表1中的数据进行计算,其计算结果如表3所示。

表3 计算结果

普通路谱信号按照上述同样的方法进行统计计算。将统计计算结果、组合路谱信号的时间及信号采集时的车速,代入强化系数的计算公式,可求得K=8.65。

比较上述强化系数与汽车试验场的强化系数可知,两种强化系数有差别。可能的原因是:①由于采集仪器有误差,使得采集得到的路谱信号与实际情况有差距;②对路谱信号进行了纠奇点等处理,改变了路谱信号的原始特征;③信号不能得到完全的复现。虽然上述原因使得室内道路模拟试验难以完全地再现原貌,但仍可以认为通过计算得到的强化系数与汽车试验场道路强化系数较接近。