高加速寿命试验在外饰车灯中的应用

瓦 鑫，潘荣荣，吴佳燕，李田三

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)



高加速寿命试验在外饰车灯中的应用

瓦 鑫，潘荣荣，吴佳燕，李田三

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

介绍了高加速寿命试验HALT(highly accelerated life test)在车灯上的应用，重点阐释灯具的HALT试验在灯具上的应用和灯具在HALT试验下的失效形式，提出HALT在灯具产品开发及试验中的重要性。

高加速寿命试验；失效；可靠性；外饰车灯

引言

产品的质量与可靠度，体现在随机产品生产后所要求具备的性能，以及产品在其设计使用寿命中保持要求的性能的能力。

验证产品能满足质量和可靠度的常规方法有两类：(1)通过快速验证试验，该方法可以确认零件满足其最低标准，却无法判断满足了最低标准的产品间的差异性，也不知道产品所能达到的最高极限，确定产品的可靠度需要非常大的样本量；(2)通过寿命试验，该方法可以测试产品的设计寿命，但所执行测试的时间将非常长。因此，综合了两种特性的高加速寿命试验(Highly Accelerated Life Test)方法通过达到或远大于设计定义的极限应力条件，用步进应力逐渐找出产品的工作极限甚至破坏极限，打破了这两个特定方法的局限性。

1 概述

外饰车灯是汽车的眼睛，装饰和点亮安全是两个主要的功能，因此外观和功能是通过试验检查和测试的两个主要方向和目的。随着车的造型要求越来越高，灯具内的结构也是趋于复杂，且因造型限制或复杂的技术集成，对灯具的结构布置要求越来越高。同时车灯行业高度的集中化，开发的周期也较长。如果没有完善的灯具开发计划，不仅会对项目进度造成延迟，同时还会带来较高的成本投入。因此，通过试验认证手段及时的发现灯具的问题就显得比较重要。

试验认证的流程一般如图1所示，通过在常规设计的试验(图1常规试验流程)基础上增加加速寿命试验(图1加速试验流程)可以快速以放大方式发现产品的潜在缺陷，发现产品设计的裕度和生产制造的影响，这些涉及到失效产品设计、工艺、结构等方面的信息将成为产品的改进依据，作为提高产品的极限值，及可靠性的信息有效来源。试验者或设计者所担负着从失效的模式找到失效的根本原因的重要责任。

图1 试验认证流程图Fig.1 Validation Process

以复杂设计的前照灯为例，灯具的组成为机械构造和电子电路，主要由灯体、光源、反射镜、配光镜、饰圈等主要部分组成。产品在使用过程中，所遭遇的环境种类繁多。如振动、冲击、温度、湿度、老化等，因为环境应力达到或超过产品耐环境应力的能力，使产品耐环境应力低的部分失效。

高加速寿命试验HALT在灯具中的应用可以实现快速找到设计的破坏极限范围，缩短产品研发、设计、生产和上市周期，即缩减研发时间和成本。其宽阔的测试裕度可以包括对产品性能影响的强相关和弱相关的因子，对提高产品可靠性提供了依据，也是对产品持续改进评定的工具。

2 HALT试验在灯具上的应用

2.1 HALT试验参数的设定

2.1.1 灯具失效影响因素分析

除去设计的影响，灯的失效主要受影响于热量和机械强度两方面：

(1)热量：主要来源于内部点灯产生的热量及外界环境温度的影响；产生五彩或烧融等失效。

(2)机械强度：主要受影响于结构设计和材料特性，产生如出粉，结构断裂失效。

(3)综合影响：温度改变材料特性，机械强度激发材料特性的失效。

2.1.2 温度参数设定

温度的极限阈值在试验中的设定基于灯具的安装环境和使用条件，同时在HALT试验中，为充分考虑到潜在的失效，灯具使用材料的温度特性也应当作为一个较重要的参考因子。

(1)温度参数上限的设定

前照灯工作的高温环境主要受到附近发动机舱温度的影响，其环境温度的影响在车辆高速，加速，怠速等各种工况条件又有所差别，通过实车测量得出影响如图2曲线所示，灯具周边在发动机怠速情况下温度影响时间最大，在怠速的时候温度最高，并且最高温度值在100℃附近。

图2 发动机舱温度测量图Fig.2 Temperature of Engine Compartment

在长时间怠速试验工况下前舱(发动机前置)温度测量如图3所示，所圈出的两个区域表明了前舱温度的最高温度和较稳定的值。同时CAE分析表明，该测量值与理论值基本一致，如图4所示。

图3 怠速条件下前舱大灯区域温度测量Fig.3 Temperature of headlamp in engine compartment at idle condition

图4 室温条件下前舱大灯区域温度模拟Fig.4 Temperature simulation of engine compartment in room temperature condition

为进一步摸索温度的阈值，有必要研究灯具在不同温度环境条件下所产生的热量差异，怠速条件尽管舱内温度较高，但通常情况下车辆在行驶过程中才是发挥灯具功能的时刻，因此，尽管已知最高阈值前提下，仍需通过试验测定和理论分析掌握灯具的合理温度条件。因此，在前期多项分析测试的前提下，设定环境温度50℃条件下测试灯具表面的高温区域，即车灯全开状态下灯座在灯体表面的温度。模拟值和测试值如图5～图7所示。

图5 50℃条件下某前大灯温度模拟Fig.5 Temperature simulation of Headlamp in 50℃ condtion

图6 某前大灯温度测量点Fig.6 Temperature measurement point of headlamp

图7 50℃室温条件下某前大灯温度测量值Fig.7 Temperature measurement of Headlamp in 50℃ condition

试验的温度应超过或接近灯具材料的热变形温度，以激发产品所可能存在的缺陷和影响，从表1常用材料的热变形温度的统计值中，可见产品的温度区间为70℃～162℃，因此通常条件下， 50℃为满足试验最基本要求的高温值，发动机舱内的温度即100℃，为最高温度阈值。

表1 灯具常用材料热变形温度Table 1 The Heat Deflection Temperature of raw material for exterior lighting

(2)温度参数下限的设定

我国现有气象资料中的极端最低气温记录-52.3℃[5-6]来自黑龙江省漠河气象站。从现有的气温统计数据[7]显示，北方漠河的日平均最低温度在一月，为-36℃；以一月历史数据看，最低温度在-50℃。另一方面，从一般车辆的使用角度而言，-40℃已是规定允许客户使用的最低温度。故最低温度的阈值可以定义为-50℃(图8～图9)。

图8 漠河日均最低气温图[7]Fig.8 Daily Minimum Mean Temperature in Mohe City [7]

图9 漠河一月极限最低温度值[7]Fig.9 The Lowest Temperature of Mohe City in Januay in History[7]

(3)振动参数的设定

理论上来说，振动的最大阈值应是没有特定的输入，试验应进行至零件损坏为止。为有效的认识产品，有必要对振动的最小极限阈值进行研究，来源主要取决于地面的输入。振动和冲击是主要的影响方式，不同的车型、不同的灯具安装方法和结构形式，地面对灯具所产生的输入也不一样。

通过地面影响的疲劳载荷可以按照大小分为若干等级，循环载荷可以用雨流矩阵来描述，通过对应的疲劳损伤矩阵，可以得到零件在疲劳载荷作用下的总损伤。

图10 灯具在装车状态粗糙路冲击最大能量Fig.10 The Max Impact Energy for Exterior Lighting in Rough Road

整车装载质量条件下，对车灯具安装位置对粗糙路面的响应采集路谱处理，在灯具的安装点位置最大的实测冲击能量能达到的阈值为20g，如图10所示。故最小阈值取为20g。

2.2 HALT试验结果的分析

依据以上灯具使用环境、材料特性等情况所定义的试验极限温度和极限振动加速度，通过温度步进、快速温度交变、振动加速度步进、组合环境四个试验步骤进行考核。

(1)温度对材料特性的影响

①材料的机械特性，如拉伸强度等将会受到温度的影响。材料在高温下能变得易延展，在低温下又易碎。在振动过程中零件与零件的连接位置可能受到损坏。故振动的影响要在整个温度变化的环境下考核。

②温度超过材料极限时，导致碎裂、延展、熔融，影响塑料材料如灯体、配光镜、反射镜等的弹性(图11)。

图11 温度条件下反射器烧融失效Fig.11 Deformation of Reflector in High Temperature Condition

③不同材料有不同的温度膨胀系数，在这种条件下，温度循环产生循环的应力，最终造成温度疲劳(图12)。

图12 温度疲劳条件下配光镜变形失效Fig.12 Deformation of Lens in Temperature Fatigue Condition

④当温度变化时，材料有不同的收缩和扩展，如果它们互相连接或接触，相加的应力在零件的连接上就表现为断裂(见图13)。

⑤尺寸的变化产生剪切力、拉伸力和压应力导致零件在温度循环中的疲劳失效，如结构断裂、焊点断裂或分层等。

图13 温度变动条件下控制模块壳体断裂Fig.13 Broken of Module Housing in Temperature Vibration Condition

(2)振动对材料和结构的影响

机械疲劳一般出现在零件过长周期的随机振动中。累计的振动可能超过零件材料的极限，造成零件内部的机械疲劳和形变。机械疲劳累积的振动能使部件因为焊点、零件、接触点的裂纹而产生失效。内部的连接可能松动，同时内部的零件也可能因为振动产生的振幅而碰撞，导致灯体内面的部件弯曲或变形，导致可能引起的故障(见图14)。

失效的常见可能形式有：①反射镜松动，磨损；②饰圈断裂，磨损；③内配光镜松动，磨损；④外配光镜破损；⑤灯具内部电路板断裂，功能失效；⑥焊点失效；⑦密封性能失效；⑧温度影响造成的失效；⑨线束的断裂或磨损。

图14 振动条件下灯体的磨损失效Fig.14 Abrasion of Housing in Vibration Condition

(3)蠕变对材料和结构影响

在保持应力不变的情况下，产品材料应变随时间延长而增加，造成永久变形。由材料的机械应力产生的蠕变，在由环境温度和自身产生热量的高温环境下会被加速。

温度过应力、温度疲劳或蠕变，都可能导致零件间的配合安装在使用寿命前变形或损坏，从而导致功能的失效。同时热量和振动都可能对灯具电子模块产生功能失效的风险。

2.3 HALT试验的应用结果分析

表2为某前照灯的HALT试验与常规试验的结果对比，常规试验是来自某标准的要求。从试验结果可以看出， HALT试验可以发现振动试验的失效内容，也能探测一些振动试验不能发现的内容。试验表明，HALT试验的过程和结果对灯具设计及提高灯具可靠性有很好的指导性。

表2 某灯具HALT试验与常规试验结果对比Table 2 HALT test result VS Regular test result

3 结束语

HALT试验在产品试验中通过设定所施加的环境应力为关键要素，以激发而非模拟的形式使潜在失效在试验过程中显现，试验结果表明受试品在短时间高应力作用下表现出的特性与产品在长时间低应力作用下表现出来的特性是一致的。结果同时表明，通过制定合理的应力裕度，可以使试验的结果更加符合产品的真实使用和实际要求。

因此，将常用于电子产品的HALT应用在灯具开发过程中，对发现产品设计和工艺缺陷、加速产品的成熟设计、提高产品可靠性是行之有效的。

[1] 张先文. 高加速寿命试验和高加速应力筛选技术综述[J]. 电子产品可靠性与环境试,2009(6):66-69.

[2] 马志宏,李金国. 高加速寿命可靠性试验HALT技术研究. [J]. 环境适应性和可靠性，2009(6): 26-29.

[3] 朱建华. HALT测试综述[J]. 电子测试, 2008(7): 6-12.

[4] 林震，张爱民,沈朝晖，等.谈谈电子产品的高加速寿命试验[J].环境技术,2002(4):5-9.

[5] http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BC%A0%E6%B2%B3%E5%8E%BF.

[6] http://www.dxal.hl.cn/zjxa/ShowArticle.asp?ArticleID=27.

[7] http://www.tianqi.com/qiwen/city_mohe/.

The Application of HALT Test in Exterior Lighting of Vehicle

Wa Xin,Pan Rongrong,Wu Jiayan,Li Tiansan

(PanAsiaTechnicalAutomotiveCenter,Shanghai201201,China)

This paper briefly introduces the concept of development and application of HALT test, deeply analyzes the application in exterior lighting in vehicle and the failure mode of exterior lighting in HALT test. It’s to show the importation of HALT test in exterior lighting development and validation.

highly accelerated life test(HALT); failure; reliability; exterior lighting

U467.3

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.026