淺談車機在溫濕度綜合振動試驗中的失效分析

胡凱，張仕彬，張旺威，劉健

（威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

車機的出現(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，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3.0 時代，車機已經(jīng)基本具備人機語音動作交互、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、導航功能、語音識別控制、手機互聯(lián)等。其功能多、內(nèi)部部件高度集成化、結(jié)構(gòu)復雜的特點，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。因此，車機也成為了車輛零部件環(huán)境可靠性驗證試驗中的關(guān)鍵和關(guān)注對象。而溫度濕度綜合振動試驗恰恰能夠模擬車機在實際安裝使用過程中，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整體將受到來自車輪或路面?zhèn)鲗н^來的振動對其的可靠性驗證。在這種環(huán)境應(yīng)力、機械應(yīng)力同一施加的情況下，也能快速地將車機的環(huán)境可靠性暴露出來。

本文結(jié)合車機在溫濕度綜合振動試驗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，可以給試驗人員在今后試驗過程中遇到的失效問題提供分析方向和整改建議。

1 車機的溫濕度綜合振動試驗方法

車機的常規(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、前后塑料保護殼、面板支架、底座和安裝支架。而主機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 典型的車機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

車機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)階段前都會進行環(huán)境可靠性試驗。而溫濕度綜合振動就是一種能夠模擬在環(huán)境應(yīng)力和機械應(yīng)力的兩種因素同時影響下，驗證其功能和機構(gòu)的可靠性的試驗。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)境條件和試驗第3 部分機械負荷》這一經(jīng)典標準，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[2]。其試驗條件如下：

振動方向及時間：前后、左右、上下方向，每個方向8 h；

振動頻率范圍：10～1 000 Hz，加速度均方根值：27.1 m/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，車機按照實際裝車狀態(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系統(tǒng)上進行試驗。

不同機械結(jié)構(gòu)的車機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。如圖2 和圖3 所示。如圖可見，傳統(tǒng)的內(nèi)嵌式車機和懸浮式車機各有優(yōu)點也各有缺點。對于傳統(tǒng)的內(nèi)嵌式車機：其缺點是電氣化集成度低，采用了屏、機分離形式，布局空間占用大。但是外殼固定點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：其優(yōu)點是安全度高，駕駛者不需要低頭離開駕駛視線去觀看或操作車機界面，另外其電氣化集成度高，采用了屏、機一體的形式，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，并且懸浮式車機相對于嵌入式車機的傾覆力矩大。再加上車輛在實際行駛中振動的應(yīng)力疊加，一旦固定結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，車機的屏幕可能會受到相對于傳統(tǒng)內(nèi)嵌式車機更大的振動沖擊應(yīng)力破壞。

圖2 常見的車機安裝方式

2 試驗失效現(xiàn)象及分析

2.1 試驗失效現(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條件。車機在經(jīng)歷試驗后，均會表現(xiàn)出以下常見的異常現(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、無法實現(xiàn)導航等。筆者借助試驗過程中出現(xiàn)的經(jīng)典案例現(xiàn)象，對車機的失效進行分析和探討。如圖3 所示，某零部件供應(yīng)商的懸浮式車機，顯示屏外殼后背的金屬安裝支架在溫濕度綜合振動試驗后，出現(xiàn)嚴重的彎曲變形。初步分析為受很大的外力沖擊導致其結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。

圖3 受損部件細節(jié)

將車機進行通電檢查，檢查其功能是否異常。進一步確認車機是功能性失效還是結(jié)構(gòu)性失效。通電后發(fā)現(xiàn)，車機屏幕能夠正常點亮，但是屏幕背光有白斑的瑕疵，如圖4 所示。因此，車機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

2.2 試驗失效分析

需要找出車機的顯示屏外殼后背的金屬安裝支架嚴重彎曲和導致車機背光屏幕白斑的具體原因，則需要將整機逐層拆機后，單獨點亮顯示屏后確認。所以我們需要將整機和觸摸屏逐層拆解，單獨點亮顯示屏模組。單獨點亮顯示屏模組后結(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，單獨點亮背光屏確認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)進一步分解，在電子放大鏡下對導光板和反射膜的白斑不良位置再進一步確認，并對導光板、反射膜印跡表面通過X射線光電子能譜分析法來進行成分分析，如圖7 所示可以看出，導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，都是導光板和反射膜材料本身的成分。

圖7 導光板、反射膜印跡的成分分析

最后，對導光板和反射膜分別進行3D 掃描分析。通過對正常導光板、正常反射膜和對存在白斑的導光板、反射膜分別進行3D 掃描發(fā)現(xiàn)（如圖8 所示），白斑導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致光學發(fā)生變化。而正常的導光板表面光滑均勻，其反射膜材料光學反射均勻。初步分析得出白斑現(xiàn)象的原因是車機在試驗過程中受到嚴重的外力導致影響了顯示屏背光導光板和反射膜，進而出現(xiàn)了白斑現(xiàn)象。

圖8 導光板和反射膜的3D 掃描分析對比

2.3 分析結(jié)論

通過對車機結(jié)構(gòu)的逐步深入拆解和逐一部件現(xiàn)象分析確認，最終初步分析得出試驗后的白斑現(xiàn)象的原因是車機在試驗過程中受到嚴重的外力，導致影響顯示屏背光導光板和反射膜受損，進而出現(xiàn)了白斑現(xiàn)象。并非電路集成部件的功能性失效。經(jīng)過還原試驗發(fā)現(xiàn)，試驗過程中由于固定支架上的螺絲松脫，并且懸浮式車機相對于嵌入式車機的傾覆力矩大。再加上振動的綜合環(huán)境應(yīng)力[3]疊加，從而導致了車機內(nèi)部在試驗過程中受到強烈的外部撞擊而導致顯示屏出現(xiàn)白斑和金屬固定支架的彎曲。而固定支架上的螺栓[4]松脫原因是螺栓組沒有按照規(guī)定的扭力進行緊固，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）導致其松動。

3 結(jié)語及建議

本文借助失效分析[5]的基本方法步驟（試驗還原、失效件的收集→工藝資料收集→失效機構(gòu)分析→失效件微觀分析→失效件材料的成分分析），結(jié)合車機在溫濕度綜合振動試驗中的異常狀況現(xiàn)象，對其失效進行了簡單的分析和探討。為車機在溫濕度綜合振動試驗中的失效現(xiàn)象提供了簡單的分析思路。對此，也為車機的設(shè)計和試驗提出以下兩點建議：

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

2）對于試驗人員，進行溫濕度綜合振動試驗時一定要保證樣品盡可能地模擬實際安裝、使用狀態(tài)。并且要結(jié)合彈簧墊片，用預期設(shè)計匹配大小的、剛度一致的安裝螺栓來安裝試驗樣品，并且使用扭力扳手，保證安裝扭力與安裝螺栓的標稱扭力相同。對于試驗的失效現(xiàn)象，我們可以從失效抗力指標為主線的思路出發(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)去分析樣品在試驗中的異常失效現(xiàn)象。