ECU的车规级试验：DV试验（四：机械负荷标准及测试）

lixinfu

本文约6,100字，建议收藏阅读
作者 | 左成钢出品 | 汽车电子与软件
      前言：

《ECU的车规级试验》系列文章：

ECU的车规级试验：DV试验（一：标准概述）已发布ECU的车规级试验：DV试验（二：电气环境标准简介）已发布ECU的车规级试验：DV试验（三：电气负荷标准及测试）已发布ECU的车规级试验：DV试验（四：机械负荷标准及测试）本篇
书接前文，上篇文章初步介绍了ECU的电气负荷标准及测试，包括测试项目、标准要求、测试方法等，并同步介绍了为什么标准这么规定？深层次的考量是什么？还顺便介绍一些车载电气、电磁环境的基础知识等，本篇将继续介绍机械负荷测试标准及测试方法，气候负荷、防护、EMC等标准及测试，将在接下来的文章中进行介绍，敬请期待。
另外，文中主要测试项目均配有真实的DV测试照片，包含测试设备、样品、测试Setup等，帮助大家对DV测试有一个更深刻的了解和认知。在此特别感谢CVC威凯检测技术提供的试验室技术支持和测试照片。
*注：本文部分内容节选自作者新书《广义车规级电子元器件可靠性设计与开发实践》，由机械工业出版社于2024年6月份出版，节选时进行了改编。文中内容较多，建议大家收藏阅读。

本文目录如下：

1.机械负荷标准2.一般规定3.工作模式及测试要求4.安装位置    5.测试项目6.试验目的7.建立试验曲线8.疲劳计算9.机械类DV试验项目10.DV振动试验11.DV机械冲击试验 12.对ECU的设计要求

#01
机械负荷标准
规定机械类试验的国标是GB/T 28046.3-2011 道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验 第3部分：机械负荷（采标：ISO 16750-3:2007）。GB/T 28046.3标准主要参考了GB/T 2423电工电子产品环境试验的一系列标准。
振动试验需要按电气和电子设备在车上应用情况进行不同振动严酷度的试验。车辆生产商和供应商可根据特定的安装位置选择试验方法。GB/T 28046.3规定了振动、机械冲击、自由跌落、砂石轰击共4类机械相关的试验，但对电子零部件来讲，机械类试验还可以包括连接器相关试验。机械类试验主要根据产品类型及客户要求进行。

#02
一般规定
按电气和电子设备在车上应用情况规定了不同振动严酷度的试验方法。车辆生产商和供应商可根据特定的安装位置选择试验方法、环境温度和振动参数。
规定的量级用于直接安装在所定义的位置。使用支架安装会提高或降低负荷，如果受试装置(DUT)在车上使用支架，在振动和机械冲击试验时应带支架进行。在此简单介绍下，车上的很多控制器都是通过支架安装的，而非直接安装在车身或车架上。所以在试验时，通常也会专门定制一个振动支架（非实车支架）来安装DUT，以模拟实车安装情况，比如是水平安装、垂直安装等，都需要模拟实车情况。还有就是如果不通过支架连接，控制器几乎无法直接安装到振动测试台上。   
振动支架如下图所示：



DV振动测试治具/支架（来源：孚乔图）
需要注意的是，标准专门对安装支架进行了说明，支架安装在车辆上与安装在振动台面上的DUT的频率响应是不同的，这是由于两种情况下的安装刚度和动态反馈不同。为能在实验室中再现振动试验，振动夹具应具有尽可能大的刚度，通常比装车条件大得多（通过上图的振动支架也能看出来刚度要比实车大得多）。
另外还需要考虑到DUT在振动夹具上的各个安装点的运动是同向的，而其在汽车里安装点的运动在特定的频率上可能不是同向的。这是因振动试验夹具比在车辆上的安装部位有更高的刚度。此外，在振动试验期间DUT的动态反馈(激励衰减)通过振动控制单元被最小化。至少对于大或重的DUT在共振状态下，在振动台试验时类似的激励会比在汽车里产生更大的响应峰值。
综上述所述，实际DV测试采用极大刚度的测试治具/支架，在同等条件下，可以达到比实车更严酷的测试效果/等级，进而可以更好的达到所需的测试目的。另外标准还特别强调了，为避免过试验，可以采用GB/T 2423.56中相关的平均控制方法。   

#03
工作模式及测试要求
关于工作模式我们在第二篇文章ECU的车规级试验：DV试验（二：电气环境标准简介）有过介绍，在此结合振动试验要求再详细介绍一下。
环境标准对DUT工作模式共分为三种，如下：”
1) 工作模式1，不向DUT供电。
工作模式1.1：DUT未连接到线束。
工作模式1.2：DUT模拟在车辆上的安装位置，连接到线束。
2) 工作模式2：蓄电池供电
当车辆发动机关闭，且所有电气连接完好，DUT以电压UB带电运行。
工作模式2.1：系统/组件功能不被激活(如休眠模式)。
工作模式2.2：系统/组件带电运行并控制在典型运行模式。
3) 工作模式3：发电机供电
所有电气连接完好，DUT以电压UA带电运行。
工作模式3.1：系统/组件功能不被激活。
工作模式3.2：系统/组件带电运行并控制在典型运行模式。
按照GB/T 28046.1-2011标准规定，功能状态分为A、B、C、D、E共5个等级：
1) A级：试验中和试验后，装置/系统所有功能满足设计要求。
2) B级：试验中装置/系统所有功能满足设计要求，但允许有一个或多个超出规定允差。试验后所有功能应自动恢复到规定限值。存储器功能应符合A级。
3) C级：试验中装置/系统一个或多个功能不满足设计要求，但试验后所有功能能自动恢复到正常运行。    4) D级：试验中装置/系统一个或多个功能不满足设计要求且试验后不能自动恢复到正常运行，需要对装置/系统通过简单操作重新激活。
5) E级：试验中装置/系统一个或多个功能不满足设计要求且试验后不能自动恢复到正常运行，需要对装置/系统进行修理或更换。
而对于振动试验，纵观整个标准，对工作模式的要求可分为以下三种：
1) 安装位置为：装在门和盖板内/上，工作模式1.2（模拟实车安装，连接线束，不供电），功能状态C级。
2) 自由跌落：工作模式1.1（不连接线束，不供电），功能状态C级。
3) 其他位置：工作模式3.2（带电运行）下达到功能状态A，其他工作模式（如有要求）下达到功能状态C。

#04
安装位置
振动试验需要按电气和电子设备在车上应用情况进行不同振动严酷度的试验，应用情况则主要根据产品的安装位置，所以对于振动试验，确定安装位置非常重要。Tier 1需要非常明确的知道自己产品在实车的安装位置，并根据安装位置，按照标准给出的分类，结合产的应用情况，确定产品需要进行的测试项目、类型、测试时间、严酷等级等。关于安装位置我们在第二篇文章ECU的车规级试验：DV试验（二：电气环境标准简介）有过介绍，在此再详细介绍一下。
GB/T 28046.3标准给出了所有零部件可能安装在车辆的位置，如发动机舱内的车架上，乘客舱内等。标准又给出了试验和要求代码，然后结合振动试验要求，根据零部件的安装位置即可知道零部所需要进行的测试项目，如下表所示：   


GB/T 28046.3-2011对安装位置及振动试验要求代码的规定（表格整理：左成钢）
举例来讲，如果一个乘用车ECU安装在发动机舱中的车架上，那么查上表则可知试验代码为K和L。再通过下表查询可知：
代码K试验项目为：商用车弹性体+自由跌落（加工过程中）
代码L试验项目为：商用车弹性体+机械冲击（变速器内/上）+自由跌落（加工过程中）
试验和要求代码如下表所示：



GB/T 28046.3-2011对振动试验和要求代码的规定（表格整理：左成钢）   
那如果DUT是商用车呢？GB/T 28046.3-2011（采标：ISO 16750-3:2007）的振动代码关于商用车部分是空的，是因为在ISO 16750-3:2007中也是空的，如下图所示：



ISO 16750-3:2007对安装位置的规定（来源：ISO 16750-3:2007 ）
关于商用车代码这部分在ISO 16750-3:2023中已经得到了更新，但对应的国标则尚未更新（据了解已在起草中）。ISO 16750-3:2023中对振动试验要求代码如下表所示，从表中可见，标准根据汽车行业新能源技术的快速发展给出了更新，发动机舱增加了电动机部分。   



ISO 16750-3:2023对安装位置及振动试验要求代码的规定（表格整理：左成钢）
根据上表，如果是一台新能源车，一个ECU的安装位置在电动机上，那么如果是乘用车，试验要求代码就是AA和AB，如果是商用车则是AC和AD，然后再根据标准找到对振动试验和要求代码的规定即可。

#05
测试项目
GB/T 28046.3规定了振动、机械冲击、自由跌落、砂石轰击共4类机械相关的试验，机械负荷测试项目基本都是根据DUT的安装位置进行划分的，直接看标准会感觉非常枯燥，也会看的云里雾里，但是如果对标准的每一个测试项目进行详细分析并汇总后，就会发现其实标准还是比较好理解的。
机械负荷试验中的振动及冲击来源基本可以分为以下四部分：
1) 发动机及变速箱运行引起的振动及冲击，包括乘用车与商用车发动机/变速箱，振动包括随机振动及正弦振动；冲击主要是变速器换挡操作带来的机械冲击，高加速度冲击可能使电子控制模块壳内的电容器分离。   
2) 因车辆行驶引起的振动及冲击，包括两部分：①在粗糙路面行驶引起的随机振动，失效模式是由疲劳造成的损坏。②在高速驾驶越过路边石头的情况下引起的冲击。失效模式为机械损坏(例如由于高加速度冲击使电子控制模块壳内的电容器分离)。
3) 因正常使用产生的振动或冲击，如DUT装于门上，当门被关闭撞击时出现机械冲击。失效模式为机械损坏(例如门撞击产生的高加速度使电子控制模块壳内的电容器分离)。
4) 自由跌落是指系统/组件在加工处理过程中可能跌落到地面(如在汽车生产线上)。失效模式为机械损坏(例如，DUT跌落到地面产生的高加速度使电子控制模块壳内的电容器分离)。
根据安装位置，试验项目及时间要求可汇总如下：   



机械负荷试验项目统计（来源：左成钢）
表中的试验项目根据安装位置、标准章节、测试时间及要求进行了统计，由表中可见， 测试时间基本和安装位置相关，比如乘用车发动机、乘用车变速箱、乘用车柔性气室均为22h，商用车发动机、变速箱，每个轴向94h。

#06
试验目的
机械负荷的试验目的基本都是为了检验DUT因受振动或冲击（自由跌落实际上也是一种冲击）导致的故障和损坏。
试验引起的主要失效大体可以分为两种：   
1)一是由疲劳造成的损坏；
2)二是高加速度使电子控制模块壳内的电容器分离。
各项试验目的根据安装位置可汇总如下：



机械负荷试验目的统计（来源：左成钢）

#07
建立试验曲线
除了标准中规定的试验参数、曲线外，标准在附录A中还给出了“振动试验曲线建立指南”，根据指南的方法，有助于标准的使用者根据振动测量结果按照可再现的方法建立试验曲线，从而消除误差。
附录给出了根据车身安装或发动机安装，如何进行车辆数据采集，如何进行数据分析，如何建立试验曲线等，具体可以去参考标准附录。
也就是说，如果标准使用者认为标准无法覆盖他需要的应用场景，那么他就可以根据标准附录，自己去实际测量车辆数据，建立试验曲线，然后根据曲线进行测试。   

#08
疲劳计算
标准附录还给出了疲劳计算的分析的例子。以乘用车、车身安装（弹性体）为例，来验证8h的随机振动试验是否足以覆盖车辆全生命周期的应力。测量和计算都在一个ECU上进行，在进行道路行驶试验（道路颠簸）的车辆上做振动测量。对ECU进行随机振动试验时，至少设置2个测量点，1个点在ECU的安装位置（输入或者激励），1个点测量印刷电路板（PCB）的响应。
测试时考虑的因素包括：
1)汽车的全生命周期
2)劣质道路百分数
3)试验时持续时间
4)测量次数
结果显示，8h试验持续时间试验结果的应力（疲劳极限）比车辆5400h道路行驶试验应力高大约1.7（1.37~2.06）倍，也就是说8h振动试验等效于实车行驶14580h。这样的测量和计算已经在许多方面应用了20年以上，结果始终是相近的，8h的试验持续时间确认是足够的。
在这里顺便提一下车辆生命周期任务剖面，如下表所示：



车辆生命周期任务剖面（来源：左成钢《广义车规级》）
对于乘用车来讲，全生命周期的运行时间约为10000h，平均每天2h，15年寿命计算下来就是10950h，而以乘用车、车身安装（弹性体）为例，8h的随机振动试验等效于14580h，完全可以覆盖整车全生命周期的应力。同理，商用车弹性体要求为32h，是乘用车的4倍，那算下来就是58320h，也超过了5万小时（卡车全生命周期运行时间为50000h），可以覆盖全生命周期的应力。   
另外，标准最后还给了一个附加证明：根据野外场地经验，在20多年时间内还没有经历因为振动而引起的失效。选择试验场和劣质的公共道路测量之间进行比较，证明试验场比劣质的公共道路严酷得多。选择的参数（6000h的车辆寿命，90%的劣质道路部分）绝对是最坏的情况。试验结果及疲劳计算结果表明，振动试验计算的疲劳水平是高于车辆5400h劣质道路行驶所必须的疲劳水平的。

#09
机械类DV试验项目
除GB/T 28046.3规定了振动、机械冲击、自由跌落、砂石轰击等4类机械相关的试验外，对ECU来讲，机械类试验还可以包括连接器相关试验。机械类试验主要根据产品类型及客户要求进行，如下表为机械类试验项目举例。   



机械类试验项目举例（来源：左成钢《广义车规级》）

#10
DV振动试验
以某商用车ECU为例，安装位置位于发动机舱，应按照4.1.2.7进行相关试验，每个轴向32h，工作模式3.2为A，其他模式为C。DV报告部分截图如下：   



ECU DV振动试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）
测试要求及测试设备如下：



ECU DV试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）
测试样品通过支架在振动台架的安装如下图所示：   


DV试验振动台架的安装（来源：孚乔图、CVC威凯）
其中一个轴的振动曲线如下图所示：



X轴向振动曲线（来源：孚乔图、CVC威凯）
试验后功能检查如下图所示：   



功能检查（来源：孚乔图、CVC威凯）

#11
DV机械冲击试验
以某个商用车ECU为例，安装位置位于发动机舱，机械冲击应按照4.2.2（装在车身和车架刚性点上，严酷度2）进行相关试验，冲击次数按标准，工作模式3.2，功能状态A级。DV报告部分截图如下：   



某个商用车ECU 机械冲击试验报告部分截图（来源：孚乔图，CVC威凯）
冲击曲线如下图所示：



X轴向冲击曲线（来源：孚乔图、CVC威凯）

#12
对ECU的设计要求
对ECU设计来讲，抗机械振动及冲击能力主要是和材料设计及机械结构设计相关的，而电子设计方面则主要考虑器件选型及生产工艺方面，例如：
1) 结构设计方面，需考虑极限温度情况下材料对机械振动应力的耐受程度，成本及安装条件允许的情况下，可以增加减震设计以降低机械振动及冲击的应力影响。
2) 较大、较重的电子元器件选型时需要关注其抗振动性能，比如直径8mm及以上的电解电容器，需要选取抗振动的型号，如下图所示。
3) 电子元器件较少使用打胶工艺进行加固。器件打胶这种工艺在消费级及工业级产品中经常使用。   
在这里顺便讲一下器件打胶这种工艺。对车载应用来讲，首先如果是非自动化打胶工艺，很难做到较高的生产一致性；其次打胶工艺的长期可靠性也是个问题。如下图所示，消费级及工业级产品针对较大或较重的器件通常采用打胶固定的方式，这就是用生产工艺来解决设计或器件的性能问题。



电子元器件的打胶工艺及抗振型号的器件（来源：左成钢《广义车规级》）
而车载应用则会通过采用抗振型号的元器件（如上图所示）来解决振动问题，两者解决问题的思路有根本的不同，即能通过设计解决的问题就不通过工艺来解决，因为相较器件的一致性和可靠性，工艺的一致性和的可靠性都更差，更难以得到保证。除非器件本身较大或者较重，且从设计上来讲器件的固定无法通过器件选型或机械结构设计来解决，然后才会考虑采用打胶工艺来解决抗振动问题。
限于篇幅，本文介绍了ECU的机械负荷标准及DV测试，包括工作模式、测试要求、安装位置、测试项目、试验目的等，最后还介绍了如何建立试验曲线，如何进行疲劳计算等，最后介绍了基于实际产品的DV测试，并顺便介绍ECU设计如何应对机械测试标准。关于气候、防护、EMC测试标准介绍及测试方法将在接下来的文章中进行介绍，敬请期待。



/ END /