汽车在行驶过程中会存在一定的噪声、振动与冲击,这是衡量汽车质量的一个综合性指标。它给汽车用户带来最直接和表面感受的同时,也给汽车内部的电子模块带来了一个苛刻的机械环境。
汽车的发动机和车身都通过弹性元件支承在车桥和轮胎上,构成一个弹性振动系统,各个零部件安装在车身上构成多个弹性振动子系统。当汽车因路面凹凸不平、发动机及传动系统抖动或车轮不平衡而受激振动时,电子模块发生振动且互相关联。当汽车发生碰撞或跳动时,则会在各个方向上产生冲击。安装在其他部位的模块因为人的原因,在车辆发动以前也可能会经受一定的冲击。
汽车电子模块的振动和冲击特性与汽车行驶路面特性、车速、发动机工作状态以及模块的安装位置和方式等因素有关,其电子产品将要面临的振动环境有如下几个特点:
1)汽车振动是由多种振动方式叠加而成的,汽车电子产品将要面对多种振动的同时作用。典型的振动机理为活塞运动过程中存在的非平衡惯性力会产生正弦激励;进、排气门的动作会对汽车产品产生随机振动;行驶时车轮的路面随机位移会产生垂直方向的随机振动。
2)汽车振动的频率范围广并且是多方向的,频率范围分布在5~2000Hz频段,振动具有多维性,在空间3个相互垂直的方向上都可能同时承受振动负荷。
3)振动和温度、湿度相互叠加。汽车电子装置的工作环境与汽车使用区域以及它们的安装位置有关,可能涉及的工作温度、湿度范围较宽。施加振动时,相对于特定的频率,产品可能会发生共振现象;进行温度循环实验时,产品内部会由于材料热膨胀系数的差异发生伸缩,从而在结合部位发生松动,这时如果再施加湿热实验,潮气就会从缝隙间侵入,使结合部和连接处的摩擦系数降低。当振动、温度、湿度3种环境模拟同时施加在电子模块上时,其影响效应是单独振动环境模拟的几倍,可能激发出单独振动实验中不能出现的故障。
通常情况下,以正弦振动和随机振动来表征汽车振动的实际情况。
正弦振动用来验证汽车耐振能力、分析产品结构共振频率和验证共振点驻留,从发动机和变速器产生的正弦激励会传导至车身的每个角落。正弦振动实验一般可分为固定频率振动和扫频振动。固定频率振动可分为在危险频率点上振动、在某些预定频率点上振动和多点固定频率振动。扫频振动用于危险频率不十分明显的情况,实验中需要保证电子模块在频率范围内能被充分激励。
随机振动则用来评估电子模块整体性结构耐振强度,适用于本身固有频率较高或分布在较宽频带上的电子模块,采用随机振动实验可以迅速地反映出谐振频率点上的振动特性和总体抗振能力。
相比而言,随机振动实验在正弦振动上进行了扩充,更接近于汽车行驶在真实环境中可能存在的振动类型。当然两者都只是使电子模块在单个方向上分别承受振动,这与实际中3个相互垂直的方向上都同时承受振动负荷有一定的差别。
汽车的振动源主要来自两部分:发动机和变速器。
发动机的振动可以分为两种:由气缸不平衡质量作用于连杆上产生的正弦振动;由发动机其他振动源产生的随机噪声,如阀门关闭时产生的噪声。
变速器的振动也可以分为两种:由不平衡质量产生的频率范围在100~440Hz的正弦振动;由齿轮摩擦产生的振动及其他随机振源。
在这样的情况下,根据模块安装位置与两大干扰源的远近,在ISO 16750中,不同的位置被划分成4种等级:
1)安装于车身构造部或底盘构造部的弹簧上部,振动较少时。
2)安装于车身构造部或底盘构造部的弹簧上部,振动较多时。
3)安装于发动机构造部,振动较少时。
4)安装于底盘构造部的弹簧下部及发动机构造部,振动较多时。
在实验中,根据这些实验等级选择振动的参数进行实验。自身的振动会引起汽车电子模块内部的结构破坏、性能下降、工作不良和功能失效,尤其是在模块的固有频率和激励频率相等引起共振而导致响应幅值急剧增大时,会迅速、严重地影响其正常工作。这都是需要机械工程师对电子模块进行调整的。调整中需要注意以下3个不同的失效过程。
1)疲劳损坏:在结构方面,当振动所引起的应力超过产品所能承受的极限时产生的变形、弯曲、裂纹、断裂等。强烈而持续的振动,尤其是随机振动会导致结构的疲劳损坏。
2)瞬态损坏:在工艺性能方面,由于振动造成某些部件的螺钉松动、连接件或焊点脱开等。这种现象一般在振动实验前期短时间内就会发生。
3)在工作性能方面,一些汽车电子模块内部的元器件如继电器、电子开关和熔丝等,由于受到振动而接触不良产生误动作、噪声增大现象,甚至某些传感器由于振动方向的加速度在某些频段存在较大误差,从而导致整个模块工作不稳定,甚至失效。
综上所述,可以由机械工程师通过软件在设计的前期进行分析和估计,从而避免由振动产生的问题。
对于汽车电子模块而言,机械冲击往往是容易被忽略的问题之一。从汽车整车的角度来看,整个生命周期中在两种情况下会遭受到较大冲击:
1)运输过程中因为车辆行驶在颠簸道路上产生碰撞与跳动。
2)人员搬运时掉落地面所产生的撞击。
而汽车电子模块除了以上两种来自整车的冲击以外,在各个位置上也会遭受一些特殊的冲击,这些冲击的原因并不相同,在ISO 16750中整理如下:
1)安装在变速器区域的模块。气动助力换档操作中会产生机械冲击,可能导致模块的失效和损坏。
2)安装在车身和车架区域的模块。在高速越过路边石头的情况下会产生机械冲击,可能导致模块的失效和损坏。
3)安装在车门区域的模块。在车门被快速关闭而与车身产生撞击时会产生机械冲击,可能导致模块的失效和损坏。
另一项值得关注的则是模块的自由跌落。在电子模块加工处理甚至是组装过程中(模块下线和在汽车生产商的生产线上),可能由于意外的原因跌落到地面上而造成损坏和失效。因此,在设计时就需要保证在这个过程中产品不能有隐性的损坏。某种程度上,表面和明显的损坏更容易被发现而被更换;而外观上损坏不明显的模块则会被直接装上车辆,如果其内部含有隐性的损坏,则对于消费者来说会是一个很大的隐患(例如,安全气囊在安装过程中如果跌落会直接报废)。因此,这项内容是电子模块设计时必须要考虑的。其实这并不是一个陌生的项目,因为人们日常使用的手机也有着同样的要求,一摔就坏的手机是没有客户的。
自由跌落的失效模式主要为机械损坏,跌落到地面产生的高加速度会使内部元器件与电路板分离等情况发生。跌落产生的加速度与跌落高度和跌落的地面硬度有关,实验时跌落高度为1m或按照协定的高度进行,地面则选择在混凝土地面或钢板上进行测试。对于大多数电子模块来说,其自由跌落性能要求是一定要满足的。