外饰车灯高加速寿命试验技术应用分析

张国英，王毅

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东　广州　510610；2.广州广电计量检测股份有限公司，广东　广州　510656）



外饰车灯高加速寿命试验技术应用分析

张国英1，王毅2

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610；2.广州广电计量检测股份有限公司，广东广州510656）

摘要：对高加速寿命试验技术在外饰车灯中的应用进行了分析。首先，介绍了高加速寿命试验（HALT）的基本原理和一般步骤；然后，对某公司生产的前照灯进行了HALT，并对试验结果进行了分析；最后，根据受试产品的实际情况对试验方案进行了优化，并对试验过程中应注意的事项进行了总结，从而为外饰车灯及类似产品的标准制定和质量控制提供了一定的参考。

关键词：高加速寿命试验；外饰车灯；试验方案优化

0　引言

汽车车灯是汽车外饰件的重要组成部分，主要具有照明和装饰两个功能，所以外观和功能的测试和检查是汽车车灯测试中的主要项目。在对汽车造型要求越来越高的今天，车灯扮演着汽车“眼睛”的角色，其内部结构变得越来越复杂，并且由于造型上的限制和对复杂技术的集成，车灯的结构布置所需要的技术也变得越来越高。如何缩短开发周期，降低成本的投入，是目前各个灯具厂家关心的问题[1]。本文介绍了如何通过高加速寿命试验来及时地发现灯具的问题所在的方法。

以具有复杂设计的前照灯为例，其组成部分为机械结构和电子电路，其中包括：灯体、光源、反射镜、配光镜和饰圈等。在实际使用的过程中，车灯会遭遇各种类型的环境应力，主要包括振动、冲击、温湿度和光老化等。

将高加速寿命试验（HALT）应用在车灯的开发中，能够使研发者迅速地找到产品的破坏极限，从而缩短产品的研发、设计、生产和上市周期，节省研发成本。此外，HALT宽阔的测试裕度可以筛查出影响产品性能的强相关和弱相关因子，为产品的可靠性的判定提供依据，同时也是产品持续改进的评定工具。

1　HALT的基本原理

1.1HALT的技术特点

HALT一词是Gregg K. Hobbs等人于20世纪80年代末首先提出的，它主要用来寻找产品设计和制造中存在的薄弱环节[2]。其手段是：首先，采用温度步进、快速温变循环、高机械应力和温度-机械综合等方式向产品施加各种严酷度等级不一的环境应力，对产品进行连续的检测，快速地将产品中的设计缺陷诱发为故障，这些故障主要包括机械疲劳损坏、磨损、电子迁移和化学反应等；随后，通过技术手段对故障加以定位；最后，采取相应的措施加以改正和验证[3]。

在由许多类型的应力所引起的故障失效中，加速因子和应力并不是成等比例地增加的，大部分情况下是成指数级增加的，即提高应力能加速产品失效，而产品最基本的失效模式是由温度、温度循环和振动等应力所引起的机械疲劳损伤，它们之间的关系如下：

式（1）中：D——累积的疲劳损伤；

N——应力循环次数；

σ——机械应力，即单位面积的作用力（由热膨胀、静载荷、振动或其他作用引起的）；

β——疲劳试验确定的材料常数，其数值可通过查表得出，变化范围为8～12。

S.A.Smithson给出了不同温变速率下的筛选效果。在温变速率为5℃/min的条件下进行400次 66 min/次的温度循环所需要的筛选时间为440 h，而在温变速率为40℃/min的条件下进行1次8 min/次的温度循环所需要的时间为0.1 h，随后通过评估发现，两者的效果是相当的，而前者所花费的时间却为后者的4 400倍[4]。从以上例子可以看出，筛选应力越高，其使产品出现疲劳和破坏的速度就越快。其中，又因为有缺陷的部位在高应力的作用下所承受的应力比无缺陷的部位要大得多，这就会使产品内有缺陷的元器件与无缺陷的元器件在相同的应力下产生不同程度的寿命疲劳，进而使有缺陷的部位迅速地暴露出来，同时还可以降低对无缺陷部位的伤害。

1.2外饰车灯HALT的一般程序

基于外饰车灯本身的特点，针对外饰车灯的高加速寿命试验过程一般包括高低温步进、温度速变循环、振动量级步进和综合环境应力试验4个步骤[5]。在准备工作中，首先，需要获得灯具常用材料热变形温度的极限信息，根据热变形极限信息来确定温度环境的应力水平；然后，由振动量级步进所确定的振动极限信息和热变形极限来确定综合试验的应力水平。除了环境应力之外，还需施加其他应力，例如：电源通断循环、极限电压等电应力和其他可以加快暴露设计或过程缺陷的应力。

1.3外饰车灯在HALT条件下的失效类型

外饰车灯在温度和振动条件下，典型的失效类型有以下几种：反射镜镀铝脱落，反射镜烧熔变形，反射镜松动、磨损；饰圈发雾，饰圈断裂、磨损，配光镜烧熔，配光镜和灯体分离，配光镜和饰圈出粉，内配光镜松动、磨损，外配光镜破损；灯具内部电路板断裂、功能失效，焊点失效，密封性能失效，线束断裂或磨损；调光结构松动，透镜支架松动，电子模块断裂和电容脱落等。

2　HALT在车灯上的应用

2.1HALT试验分析

本试验通过施加温度应力和振动应力，使产品迅速地暴露出设计或过程缺陷。HALT试验只适用于具有复杂结构的外饰车灯，例如：前照灯、前雾灯和尾灯等。汽车所处的真实环境是由温度、湿度和振动等多重应力相互叠加而成的，不过，由于设备能力的原因，湿度和温度不可同时控制；并且，由于湿度在短时间内引起失效的能力远小于温度和振动，因此，我们选取温度和振动作为HALT试验的施加应力。

2.2试验设备

本试验采用美国QualMark公司生产的HALT箱作为试验设备，其外貌图如图1所示。其型号为TYPHOON 3.0，振动方式为三轴向六自由度，振动变化范围为0～70 Grms，振动频率范围为10～5 000 Hz，温度变化范围为-100～+200℃，温变速率为100℃/min，振动台面的尺寸为914 mm× 914 mm，可以支撑最重为408 kg的产品和夹具，在低频范围内传递较高的振动能量，激发大型产品潜在的缺陷。

图1　一种HALT测试设备

2.3试验方案

前照灯为外饰车灯中集成程度最高、结构最复杂的产品，选取前照灯作为被测样品，具有广泛的代表性，考虑前照灯为自身发热件，汽车发动机舱内温度为100℃，同时考虑到为了最大限度地激发设计缺陷，将前照灯的温度范围设定为-100～120℃，温变速率为40℃/min，振动上限设为50 Grms，详细的试验方案如表1所示，得到的试验曲线如图2-5所示。

图2　高低温步进试验曲线

表1　前照灯的HALT试验方案

图3　快速温变循环试验曲线

图4　振动步进试验曲线

图5　振动/温度综合试验曲线

2.4试验结果及优化

按照2.3节的试验步骤，总结了一些典型的故障模式，详细情况如表2所示。

表2　外饰车灯在HALT试验条件下典型故障统计

在HALT的温度试验中，样品能够得到充分的验证。但是，振动试验是通过多个气锤进行三轴六向反复地打击而实现的，这种方式的振动所产生的激励低频能量不足，频谱不可控，并非是真正意义上的随机振动，因而笔者对振动试验部分进行了改进。使用电磁振动台进行正弦扫频试验或许更能使外饰车灯中的印制板部分产生最大的形变，优化后的试验方案为先做正弦扫频试验，找到谐振频率后，再做定频试验。车灯其他结构件，可以继续使用高加速试验系统所提供的振动环境应力来进行试验。

为了使HALT顺利地进行，减少不必要的安全隐患，需要注意以下事项。

a）试验前检查液氮罐的压力是否超过0.5 Mpa，若超过0.5 Mpa，则打开放气阀；当压力降到0.5 Mpa以下时才可开启液相阀。

b）当设备运行时，禁止开启箱门。

c）进行高量级振动时，应避免直接停机；在停机之前，应当先将振动量级降到5 Grms后再停机。

d）当试验结束后，若此时是高温试验，则关机前应先关闭液氮罐的出液阀，设置一个降温条件，把管道里残余的液氮排空；若此时是低温试验，则关机前应先关闭液氮罐的出液阀，把管道里残余的液氮排空，设置一个升温条件，升到常温，再停止设备。

3　结束语

首先，本文介绍了HALT的基本原理和一般步骤；然后，对某公司生产的外饰车灯产品进行了HALT试验，并对试验结果进行了梳理；根据受试产品的实际情况对试验方案进行了优化，完成了一整套外饰车灯的HALT试验流程。从而为HALT理论在实际工程中的应用提供了参考，同时也为外饰车灯和类似产品的标准制定、质量控制提供了一定的指导。

参考文献：

[1] HOBBS Gregg K. Accelerated reliabilitt engineering：HALT and HASS [M] . New York：Wilet，2000.

[2]祝耀昌.高效强应力筛选方法[C] //产品环境工程论文集，2008：70-80.

[3]禇卫华，陈循，陶俊勇，等.高加速寿命试验（HALT）与高加速应力筛选（HASS）[ J] .强度与环境，2002，29（4）：23-37.

[4]灯具开发和验证试验程序：GMW 14906-2014 [S] .

[5]瓦鑫，潘荣荣，吴佳燕，等.高加速寿命试验在外饰车灯中的应用[J] .照明工程学报，2015，26（2）：129-133.

[6]刘宏，全凌云.高加速寿命试验和高加速应力筛选技术[J] .电子质量，2009（2）：55-57.

[7]钟开华，邱福来.电子产品整机高加速寿命试验技术应用分析[J] .电子产品可靠性与环境试验，2012，30 （5）：20-23.

[8]彭求实.电子产品加速寿命试验的一种优化设计[J] .电子产品可靠性与环境试验，2009，27（1）：7-11.

Application Analysis of Highly Accelerated Life Test Technique in Exterior Light of Vehicle

ZHANG Guo-ting1，WANG Yi2
（1. CEPREI，Guangzhou 510610，China；2. GRGT，Guangzhou 510656，China）

Abstract：The application of highlt accelerated test technique in exterior light of vehicle is analtzed. Firstlt，the basic principle and general procedures of HALT are introduced. And then，taking the automotive lamp produced by a company as the measured sample，the specific application of HALT in exterior light of vehicle is explained，and the test results are analyzed. Finallt，according to the actual situation of the measured product，the test scheme is optimized，and the issues need to be paid attention to are summarized，which provides a reference for the standard establishment and qualitt control of exterior headlight and other similar products.

Key words：HALT；exterior light；test scheme optimization

通信作者：王毅（1988-），男，河南舞阳人，广州广电计量检测股份有限公司助理工程师，硕士，主要从事汽车电子项目研究工作。

作者简介：张国英（1989-），女，山西忻州人，工业和信息化部电子第五研究所标准与信息研究中心助理工程师，硕士，主要从事项目研究工作。

收稿日期：2015-11-15

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.02.005

中图分类号：TB 114.37；U 463.65+1

文献标志码：A

文章编号：1672-5468（2016）02-0022-05