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在新的車機(jī)3.0時代，在軟件定義汽車的發(fā)展趨勢下，車機(jī)的功能越來越強(qiáng)大、內(nèi)部電路集成度越來越高、結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。本文圍繞溫濕度綜合振動的經(jīng)典試驗(yàn)方法，結(jié)合本人對于車機(jī)的溫濕度綜合振動試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對車機(jī)在溫濕度綜合振動試驗(yàn)中的失效分析進(jìn)行探討。通過傳統(tǒng)內(nèi)嵌式車機(jī)與懸浮式車機(jī)的結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)安裝方式進(jìn)行對比。利用典型的結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，并借助失效分析的基本方法步驟，分析其在試驗(yàn)中的異常失效現(xiàn)象。旨在讓試驗(yàn)人員對試驗(yàn)細(xì)節(jié)有更深入的了解和對試驗(yàn)結(jié)果的異?？梢杂谐醪降姆治龇较蚓売?。

 

引言

 

車機(jī)的出現(xiàn)，很大程度上改變了駕駛者在傳統(tǒng)汽車上的駕駛感受體驗(yàn)，也為駕駛者提供了非常便利的“引路”功能，成為了現(xiàn)在汽車行業(yè)內(nèi)每款車型都必不可少的一個車用部件。在車機(jī)3.0時代，車機(jī)已經(jīng)基本具備人機(jī)語音動作交互、全景可視輔助系統(tǒng)、流程的UI操作系統(tǒng)、多媒體播放功能、導(dǎo)航功能、語音識別控制、手機(jī)互聯(lián)等。其功能多、內(nèi)部部件高度集成化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，也帶來了更高的故障率。一旦在車輛后期使用過程中出現(xiàn)異常的失效，將會給駕駛者帶來非常糟糕的駕駛體驗(yàn)。因此，車機(jī)也成為了車輛零部件環(huán)境可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)中的關(guān)鍵和關(guān)注對象。而溫度濕度綜合振動試驗(yàn)恰恰能夠模擬車機(jī)在實(shí)際安裝使用過程中，其在乘客艙內(nèi)的環(huán)境溫濕度或外界的環(huán)境溫濕度以及車輛行駛過程中車機(jī)整體將受到來自車輪或路面?zhèn)鲗?dǎo)過來的振動對其的可靠性驗(yàn)證。在這種環(huán)境應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力同一施加的情況下，也能快速地將車機(jī)的環(huán)境可靠性暴露出來。

 

本文結(jié)合車機(jī)在溫濕度綜合振動試驗(yàn)過程中遇到的異常問題，對其失效展開技術(shù)探討。希望通過本次探討，可以給試驗(yàn)人員在今后試驗(yàn)過程中遇到的失效問題提供分析方向和整改建議。

 

車機(jī)的溫濕度綜合振動試驗(yàn)方法

 

車機(jī)的常規(guī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般分為兩大部分組成，包括面板總成和主機(jī)總成。面板總成主要集成了顯示屏、TFT-PCB電路板、觸摸屏、前后塑料保護(hù)殼、面板支架、底座和安裝支架。而主機(jī)總成則主要包括了散熱片、高集成度的PCB電路板、外殼和各個外部I/O接口。如圖1所示。

 

 

圖 1 典型的車機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

 

車機(jī)這種重要的汽車零部件產(chǎn)品之一，在各車廠的開發(fā)和量產(chǎn)階段前都會進(jìn)行環(huán)境可靠性試驗(yàn)。而溫濕度綜合振動就是一種能夠模擬在環(huán)境應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的兩種因素同時影響下，驗(yàn)證其功能和機(jī)構(gòu)的可靠性的試驗(yàn)。大多數(shù)車廠都會參考ISO 16750-3《道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn) 第3部分 機(jī)械負(fù)荷》這一經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)，其中就有一章節(jié)針對安裝在乘用車、簧載質(zhì)量（車身）的零部件的綜合環(huán)境試驗(yàn)。其試驗(yàn)條件如下：

 

振動方向及時間：前后、左右、上下方向，每個方向8h；

振動頻率范圍：10Hz~1000Hz，加速度均方根值：27.1m/s2；

功率譜密度表如表1：

 

表 1 功率譜密度表

 

 

溫度范圍：-30℃~+60℃（在25℃時增加濕度至90%RH）；

溫度轉(zhuǎn)換條件如表2：

 

表2 溫度轉(zhuǎn)換條件

 

 

在上述條件下，車機(jī)按照實(shí)際裝車狀態(tài)，被裝載到夾具上，再通過夾具剛性固定在溫度濕度振動綜合試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)。

 

不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的車機(jī)必然都是不一樣的固定方式。但是都離不開傳統(tǒng)的全螺釘固定方式或螺釘加卡扣固定方式。常見的車機(jī)安裝方式一般有兩種：分別是內(nèi)嵌式安裝和懸浮式安裝。如下圖2和圖3所示。如圖可見，傳統(tǒng)的內(nèi)嵌式車機(jī)和懸浮式車機(jī)各有優(yōu)點(diǎn)也各有缺點(diǎn)。對于傳統(tǒng)的內(nèi)嵌式車機(jī)：其缺點(diǎn)是電氣化集成度低，采用了屏、機(jī)分離形式，布局空間占用大。但是外殼固定點(diǎn)多而且對稱分布于外殼邊緣，有良好的固定支撐作用并且方便拆卸更換。對于懸浮式車機(jī)：其優(yōu)點(diǎn)是安全度高，駕駛者不需要低頭離開駕駛視線去觀看或操作車機(jī)界面，另外其電氣化集成度高，采用了屏、機(jī)一體的形式，布局空間占用小而且外觀時尚。但是外殼固定點(diǎn)少而且多采用螺絲與卡扣結(jié)合的固定方式，并且懸浮式車機(jī)相對于嵌入式車機(jī)的傾覆力矩大。再加上車輛在實(shí)際行駛中振動的應(yīng)力疊加，一旦固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，車機(jī)的屏幕可能會受到相對于傳統(tǒng)內(nèi)嵌式車機(jī)更大的振動沖擊應(yīng)力破壞。

 

 

圖 2 內(nèi)嵌式安裝（左）和懸浮式安裝（右）

 

試驗(yàn)失效現(xiàn)象及分析

 

01試驗(yàn)失效現(xiàn)象及初步判定

 

如第1章節(jié)所描述的溫濕度綜合振動試驗(yàn)條件。車機(jī)在經(jīng)歷試驗(yàn)后，均會表現(xiàn)出以下常見的異?，F(xiàn)象。常見的外觀失效現(xiàn)象，例如外殼破裂，塑料卡扣斷裂、螺絲松動以及內(nèi)部電路板元器件脫落導(dǎo)致的異響。常見的功能性失效現(xiàn)象，例如花屏閃屏、無法播放音樂、無法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航等。筆者借助試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的經(jīng)典案例現(xiàn)象，對車機(jī)的失效進(jìn)行分析和探討。如圖3所示，某零部件供應(yīng)商的懸浮式車機(jī)，顯示屏外殼后背的金屬安裝支架在溫濕度綜合振動試驗(yàn)后，出現(xiàn)嚴(yán)重的彎曲變形。初步分析為受很大的外力沖擊導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。

 

 

圖3 受損部件細(xì)節(jié)

 

將車機(jī)進(jìn)行通電檢查，檢查其功能是否異常。進(jìn)一步確認(rèn)車機(jī)是功能性失效還是結(jié)構(gòu)性失效。通電后發(fā)現(xiàn)，車機(jī)屏幕能夠正常點(diǎn)亮，但是屏幕背光有白斑的瑕疵，如圖4所示。因此，車機(jī)存在功能性失效和結(jié)構(gòu)性失效的可能性。

 

 

圖4 屏幕背光白斑

 

02試驗(yàn)失效分析

 

需要找出車機(jī)的顯示屏外殼后背的金屬安裝支架嚴(yán)重彎曲和導(dǎo)致車機(jī)背光屏幕白斑的具體原因，則需要將整機(jī)逐層拆機(jī)后，單獨(dú)點(diǎn)亮顯示屏后確認(rèn)。所以我們需要將整機(jī)和觸摸屏逐層拆解，單獨(dú)點(diǎn)亮顯示屏模組。單獨(dú)點(diǎn)亮顯示屏模組后結(jié)果發(fā)現(xiàn)，白斑不良現(xiàn)象仍然出現(xiàn)在顯示屏上，如圖5所示。

 

 

圖5 車機(jī)拆解分析

 

顯示屏上帶有控制面板，因此我們需要將控制面板與背光屏分離，以便檢查是顯示屏控制面板出現(xiàn)問題還是背光屏出現(xiàn)問題。但是，將顯示屏控制面板與背光屏分離后，單獨(dú)點(diǎn)亮背光屏確認(rèn)仍有可見的白斑異常。這時可以排除顯示屏控制面板異常的可能。白斑的不良現(xiàn)象基本可以確定在背光屏上，如圖6所示。

 

 

圖6 控制面板與背光屏分離

 

將背光屏做繼續(xù)進(jìn)一步分解，在電子放大鏡下對導(dǎo)光板和反射膜的白斑不良位置再進(jìn)一步確認(rèn)，并對導(dǎo)光板、反射膜印跡表面通過X射線光電子能譜分析法來進(jìn)行成分分析，如圖7所示可以看出，導(dǎo)光板和反射膜的白斑位置的成分分析均沒有發(fā)現(xiàn)其他異物成分，都是導(dǎo)光板和反射膜材料本身的成分。

 

 

圖7 導(dǎo)光板、反射膜印跡的成分分析

 

最后，對導(dǎo)光板和反射膜分別進(jìn)行3D掃描分析。通過對正常導(dǎo)光板、正常反射膜和對存在白斑的導(dǎo)光板、反射膜分別進(jìn)行3D掃描發(fā)現(xiàn)（如圖8所示），白斑導(dǎo)光板表面有磨損的痕跡，白斑反射膜掃描畫面有暗斑并伴有磨傷凹陷導(dǎo)致光學(xué)發(fā)生變化。而正常的導(dǎo)光板表面光滑均勻，其反射膜材料光學(xué)反射均勻。初步分析得出白斑現(xiàn)象的原因是車機(jī)在試驗(yàn)過程中受到嚴(yán)重的外力導(dǎo)致影響了顯示屏背光導(dǎo)光板和反射膜，進(jìn)而出現(xiàn)了白斑現(xiàn)象。

 

 

圖8 導(dǎo)光板和反射膜的3D掃描分析對比

 

03分析結(jié)論

 

通過對車機(jī)結(jié)構(gòu)的逐步深入拆解和逐一部件現(xiàn)象分析確認(rèn)，最終初步分析得出試驗(yàn)后的白斑現(xiàn)象的原因是車機(jī)在試驗(yàn)過程中受到嚴(yán)重的外力，導(dǎo)致影響顯示屏背光導(dǎo)光板和反射膜受損，進(jìn)而出現(xiàn)了白斑現(xiàn)象。并非電路集成部件的功能性失效。經(jīng)過還原試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)過程中由于固定支架上的螺絲松脫，并且懸浮式車機(jī)相對于嵌入式車機(jī)的傾覆力矩大。再加上振動的綜合環(huán)境應(yīng)力疊加，從而導(dǎo)致了車機(jī)內(nèi)部在試驗(yàn)過程中受到強(qiáng)烈的外部撞擊而導(dǎo)致顯示屏出現(xiàn)白斑和金屬固定支架的彎曲。而固定支架上的螺栓松脫原因是螺栓組沒有按照規(guī)定的扭力進(jìn)行緊固，并且沒有增加彈簧墊片（彈簧墊片的作用是在有振動、脈沖、介質(zhì)的溫度有比較大的波動時，能夠裝置在螺母下面用來防止螺母松動）導(dǎo)致其松動。

 

結(jié)語及建議

 

本文借助失效分析的基本方法步驟（試驗(yàn)還原、失效件的收集→工藝資料收集→失效機(jī)構(gòu)分析→失效件微觀分析→失效件材料的成分分析），結(jié)合車機(jī)在溫濕度綜合振動試驗(yàn)中的異常狀況現(xiàn)象，對其失效進(jìn)行了簡單的分析和探討。為車機(jī)在溫濕度綜合振動試驗(yàn)中的失效現(xiàn)象提供了簡單的分析思路。對此，也為車機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提出以下兩點(diǎn)建議：

 

（1）對于懸浮式車機(jī)，建議參考傳統(tǒng)內(nèi)嵌式車機(jī)的固定點(diǎn)進(jìn)行對稱布局，盡可能將螺栓的安裝固定點(diǎn)布局在遠(yuǎn)離核心部件的地方，例如外殼的邊緣。用于安裝固定的金屬支架可以適當(dāng)?shù)脑黾雍穸?。盡可能地減少塑性卡扣的固定方式。另外，也可以考慮適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行仰角式螺栓安裝固定，減少相對于垂直方式固定車機(jī)自身的傾覆力矩更大而造成應(yīng)力疊加。

 

（2）對于試驗(yàn)人員，進(jìn)行溫濕度綜合振動試驗(yàn)時一定要保證樣品盡可能地模擬實(shí)際安裝、使用狀態(tài)。并且要結(jié)合彈簧墊片，用預(yù)期設(shè)計(jì)匹配大小的、剛度一致的安裝螺栓來安裝試驗(yàn)樣品，并且使用扭力扳手，保證安裝扭力與安裝螺栓的標(biāo)稱扭力相同。對于試驗(yàn)的失效現(xiàn)象，我們可以從失效抗力指標(biāo)為主線的思路出發(fā)、從制造過程為主線的思路出發(fā)、從零件或設(shè)備為類別的思路出發(fā)去分析樣品在試驗(yàn)中的異常失效現(xiàn)象。

 

引用本文：

 

胡凱，張仕彬，張旺威，劉健.淺談車機(jī)在溫濕度綜合振動試驗(yàn)中的失效分析[J].環(huán)境技術(shù),2022,40(03):36-40+52.