摘要
随着拖拉机的智能化和自动化发展，电子系统集成化和小型化发展，传动系统控制器作为拖拉机的重要电子控制系统，单位体积内功率越来越大，产生大量的热量且不易散发出去，从而导致TCU的温度过高，容易提前失效。因此，本文对国内某拖拉机传动系统控制器开展了基于热仿真分析和加速寿命试验的热可靠性研究。通过确定控制器的薄弱部位和寿命预测，为控制器开展热特性和可靠性优化设计提供依据。 本文通过Flotherm和ANSYSWorkbench建立了控制器的温度场和应力场仿真模型。基于温度测试系统，开展了不同环境温度条件下的温度测试试验，得出元器件温度随环境温度近似呈线性增长的变化规律。通过相同条件下试验数据和仿真数据对比，验证了控制器温度场仿真模型的准确性。通过不同环境温度条件下的电路板组件温度场仿真分析，得出环境温度每上升10℃，元器件温度升高约9.6℃。确定了在高温条件下，开关电源、主控芯片和驱动芯片等元器件因温度较高容易提前失效，为后续开展加速寿命试验提供了依据。 研究了环境温度对控制器电路板组件热应力的影响规律。综合热应力和热变形仿真结果得出控制器工作在环境温度20℃左右时，热应力和热变形值最小。研究了固定约束方式对热应力的影响作用，结果表明，在电路板四角和中间区域均匀布置定位约束孔有利于减小最大热应力。在高温条件下，确定了热应力和热变形较大的元件为主控芯片，对其建立了详细的热应力仿真模型，确定了在高温条件下引脚部位热应力和热变形量较大。通过对三种引脚材料热应力对比研究，得出使用热膨胀系数较小的可伐合金材料时，主控芯片的引脚应力最小。 在进行可靠性研究时，针对高可靠性长寿命TCU采用基于元器件的性能退化，先关键模块后整体系统的温度循环加速寿命试验方法，对其开展可靠性研究和寿命预测。通过确定温度循环加速试验组合加速模型、定时截尾的试验方法以及样本数量，制定了具体的试验方案。依据项目合作单位拖拉机传动系统控制器温度循环试验数据，利用该控制器可靠性的分析方法，对其进行了寿命预测和可靠度评价。 在置信度60%条件下，估计得到主控芯片和驱动芯片的平均使用寿命为12798.83h，其可靠度水平随时间逐渐降低，在使用时间至65000h时完全失效。串联系统TCU的平均使用寿命为6399.41h，根据可靠度函数得出在正常环境条件下使用时间至32500h时，TCU完全失效。
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