点火电路组件的振动疲劳及加固

点火电路组件的振动疲劳及加固

抽象

点火模块与风扇、泵、工作台驱动装置以及（在机器人单元中）以数个g的重力加速度摆动焊枪的机械臂共用一个框架。疲劳会在焊点、螺丝端子和线路中累积，直至接头开裂，导致点火功能仅在焊枪的某些位置有效。本文通过传递率推导接头应力，通过幂律推导使用寿命，并通过调整安装方式将共振频率移出机器频带。

1. 引言

点火组件安装在一台持续振动的机器上。风扇和泵提供低频能量，工作台驱动装置增加宽带能量，而摆动焊枪的机械臂则在此基础上施加数g的多轴加速度。每个循环都会对焊点、端子和线路造成压力。

疲劳损伤会在没有任何一次过载的情况下累积。焊点会出现细微裂纹，螺丝端子会失去预紧力，电容器引脚会断裂，绝缘套管会被支架磨穿。电气故障症状出现较晚，且呈间歇性。

间歇性故障是造成维修成本高昂的主要原因。机器在工作台上运行正常，但在维修车间内却发生故障，之后技术人员触碰其他无关部件后又能恢复正常。例如，当振动使其闭合时，裂纹接头会导电；当振动方向反转时，接头又会断开，因此在某些焊枪位置点火成功，而在另一些位置则点火失败。

以下数字来自一个 3 公斤的点火模块，该模块用螺栓固定在车架上，固有频率为 120 赫兹，带有一个 120 克螺钉端子储能电容器，安装在一个电池中，该电池的安装位置在 10 到 200 赫兹之间承受 5 克有效值。

2. 核心机制

2.1 循环应力引起的疲劳寿命

接头失效所需的循环次数取决于应力幅值，并且这种关系遵循幂律：

N = C · σ_a^(−m)

其中，N 为失效循环次数，C 为接头常数，σ_a 为应力幅值，m 为疲劳指数。对于焊点和端子，m 的取值范围为 3 到 5，因此应力增加十倍会导致寿命缩短 1,000 到 100,000 倍。本文后续的所有设计选择都基于应力项，因为指数的存在使得应力成为一种有效的杠杆。

2.2 由传递性和质量引起的联合应力

安装件通过其机械传递性放大输入加速度，放大的加速度通过部件质量对关节施加载荷：

σ_a = Q_mech · m_eff · a_in / A_joint

其中，σ_a 为接头处的应力幅值，Q_mech 为安装体的机械品质因数，m_eff 为接头承载的有效质量，a_in 为输入加速度，A_joint 为接头的承载面积。当 Q = 20 时，一个 120 g 的电容器在 5 g rms 的输入载荷下，通过 2 mm² 的焊点（应力为 59 MPa）驱动 117.6 N 的力。将安装体的阻尼系数降低至 Q = 4，则力降至 23.5 N，应力降至 11.8 MPa。

2.3 共振频率和安装刚度

螺栓连接组件的固有频率取决于安装刚度和承载质量：

f_n = (1 / 2π) · √(k / m)

其中 f_n 为固有频率，k 为支架刚度，m 为支架承载的质量。3 kg 的模块在 120 Hz 频率下对应的刚度为 1.7 kN/mm。将刚度提高到 10.7 kN/mm 会使共振频率移至 300 Hz，高于激励频带；而刚度降低到 47 N/mm 的弹性体支架则会使共振频率低于 20 Hz，此时输入能量较低。

2.4 带内透射率

任何频率下的放大效应都源于单自由度响应：

H(f) = 1 / √((1 − r²)² + (r / Q_mech)²), r = f / f_n

其中 H(f) 为传递率，f 为激励频率，f_n 为固有频率，r 为频率比。共振时，传递率等于机械品质因数 Q_mech，这就是为什么 10 至 200 Hz 频带内的 120 Hz 共振会造成损害的原因。在 20 Hz 频率下，120 Hz 共振时的频率比为 0.17，传递率为 1.03，因此调谐频率低于频带的支架会使输入信号直接通过，而不是放大它。

循环次数将疲劳寿命转换为使用时间：

t_life = N / (3600 · f_exc)

其中，t_life 为使用寿命（小时），N 为失效循环次数，f_exc 为激励频率（赫兹）。一个在 0.1% 应变下可承受 8.6×10⁵ 次循环的关节，在 120 Hz 的激励频率下可维持 2 小时。将应变降低五倍，循环次数将增加 625 倍，从而使 2 小时变为 5,200 小时。

图 1 — 10 至 200 Hz 机器频带内的 120 Hz 共振将 5 g 放大到 100 g；阻尼至 Q 值为 4 时剩下 20 g。

3. 工程痛点

痛点1：机器带内部的共振

螺栓连接的模块的工作频率介于 50 至 300 Hz 之间，而风扇、水泵和工作台驱动装置的能量输出也集中在这个频率范围内。当 Q = 20 时，连接处的应力是输入应力的 20 倍，根据幂律，其使用寿命将以振动台运行小时数而非使用年数来衡量。

痛点二：螺丝端子预紧力减弱

螺钉端子需要足够的接触面积来承载电流，还需要预紧力来抵抗振动，而这两个要求方向相反。松动的端子会增大接触电阻，产生电弧，发热，并在接头处发生局部放电，远早于其彻底失效。

痛点3：最重的部位承受的压力最大

接头应力与接头承受的质量成正比，因此储能电容器和点火变压器最先开裂。引线形状、圆角尺寸和回流焊焊缝轮廓决定了有多少质量会传递到接头处，而通用工艺对所有元件的处理方式都相同。

痛点 4：高压电线磨损

在机器运转过程中，变压器和分压器的引线会与支架和外壳边缘摩擦。绝缘层磨损会降低该路径的耐压能力，由此产生的漏电和局部放电现象会在安装数月后出现，而此时距离机械故障原因已相距甚远。

4. 设计步骤

策略一：发布前对装配进行调查

对原型进行扫频正弦波或随机振动测试，并记录其固有频率及其 Q 值。任何介于 10 Hz 和 200 Hz 之间的共振都需要做出决定：加固支架以使其频率高于 300 Hz，或者添加阻尼弹性体以降低其 Q 值。

策略二：在结构上承载重型部件

将储能电容器和变压器安装在支架上或穿过电路板，使框架承受它们的重量，而连接处仅承受电气连接。用保形涂层加固连接区域，以支撑圆角，同时又不影响可修复性。 N4700 机身在这里起到了作用，因为它施加在接合处的质量比具有相同电容的薄膜部件要小。

策略三：指定抗振终端

使用锁紧垫圈或螺纹锁固剂，按照规格扭矩拧紧每个螺钉端子，并在经过 100 次热循环和 10 小时振动后验证扭矩保持情况。10 kV 螺钉端子系列采用坚固的端子本体，可承受预紧力；该系列中的门把手式端子适用于端子承受负载的情况。

策略四：调整支架，使其脱离频段

在模块和框架之间插入弹性垫圈，并选择合适的垫圈，使固有频率降至 20 Hz 以下，此时机器输入功率较低。在模块必须保持刚性的位置，添加一个支架，使谐振频率超过 300 Hz。这两种方法都能消除 Q 值放大对计算的影响。

策略五：保护线路和隔板

将编织套管套在高压导线上，用夹子固定两端以消除应力，并确保所有弯曲半径均大于最小半径。将分流器安装在…… 厚膜电阻 机身采用扁平包装，因此可以用螺栓固定在结构上，而不是用导线悬挂，并且每次维护时都要检查磨损点。

策略 6：使用机器配置文件进行资格认证

将组装好的模块放在振动台上，使用测得的机器频谱（而非通用的正弦扫描频谱）进行测试，测试时需持续点火，测试时长相当于五年运行时间。测试要求点火失败率为零，电容值无变化，局部放电电阻和绝缘电阻均无变化。通用扫描频谱可能通过测试，但实际频谱频谱会损坏测试台。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
终端扭矩保持	高于规格的 80%。	100次热循环，10小时振动
车身结构	整体式玻璃化结构，无箔层	随机振动，频率范围为 10 至 500 Hz
组件质量	120克，10千伏，4700皮法	螺钉端子封装
组装自然频率	实测频率为 120 Hz，目标频率高于 300 Hz	扫频正弦测量
振动后局部放电	低于 5 摄氏度	额定电压
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列

5. 用于振动环境的高压电容器

机械强度属于电气规格的范畴。HVC 在东莞拥有一座 6,000 平方米的自有工厂，生产 1kV 至 100kV 的单片陶瓷电容器，端子类型包括螺钉、螺栓和焊接式。

这里需要考虑的六个参数

• 抗振螺钉端子。40 kV/441 螺钉式端子体在持续振动下仍能保持预紧力，从而避免了普通端子常见的松动问题，防止其报废。
• 致密、抗裂纹的本体。整体式陶瓷结构中没有易剥离的内部箔层或薄膜层，因此循环载荷不会导致电极堆分离。
• 更轻的质量带来更低的接合应力。陶瓷本体的重量比同等规格的薄膜部件更轻，接合应力与其质量成正比。
• 忽略振动的电气参数。电容和损耗在机械应力下保持其设计值，因此点火调谐不会随机器占空比而变化。
• 针对不同环境选择合适的端接方式。螺钉、螺栓和焊接选项使设计人员能够根据测得的振动水平选择合适的机械固定方式，而无需针对每个位置都采用相同的封装。
• 经在振动环境恶劣的工厂中验证。40 kV / 441 系列 HVCT8G 在舞台和光源等需要连续精密运动的场所的现场维修项目中，电容器已经取代了进口的一流零部件。 交叉参照 表格将导入的零件编号映射到 HVC 的对应零件编号。

交付和支持

标准件的交货期为 4 至 8 周，配套组件的交货期为 6 至 10 周。HVC 应用工程团队提供共振测试、安装调谐、扭矩验证和振动台鉴定等支持。请提供装配图、测量得到的机器频谱、组件质量和安装方式。HVC 将在五个工作日内返回包含功率密度 (PD) 数据、扭矩保持率测量结果和振动鉴定报告的选型表。

6. 常见问题

问题1：为什么只有在某些焊枪位置点火失败？

开裂的焊点在振动时会闭合，振动方向相反时会断开。这种焊点产生的是间歇性接触，而非断路，因此在焊点恰好处于受压状态时点火成功，而在其他状态下则无法点火。首先检查最重的焊点。

Q2：支架会将振动放大多少？

谐振时的传递率等于机械品质因数（Q值）。当Q=20且输入载荷为5g均方根值时，一个120g的电容器通过2mm²的圆角驱动117.6N的力，这导致接头应力为59MPa。将支座阻尼至Q=4，则同一接头的应力降至11.8MPa。

Q3：阻尼能延长多少使用寿命？

疲劳指数为 4 时，应力降低五倍，失效循环次数增加 625 倍。在 0.1% 应变下可承受 8.6×10⁵ 次循环的接头，在 120 Hz 下可持续 2 小时；在降低应力后，同一接头可承受 5.4×10⁸ 次循环，即 5,200 小时。

Q4：支架应该加固还是软化？

如果共振频率超出频带范围，两种方法都可行。刚度从 1.7 kN/mm 增加到 10.7 kN/mm 会将 120 Hz 的共振频率移至 300 Hz，高于机器的额定频率。弹性体支座可将刚度降低至 47 N/mm，使共振频率低于 20 Hz，此时透射率为 1.03，输入信号未经放大直接到达。

Q5：如何防止螺丝端子松动？

使用锁紧垫圈或螺纹锁固剂按规定扭矩拧紧，然后在经过 100 次热循环和 10 小时振动后验证其保持力，并确保至少保持规定扭矩的 80%。预紧力不足的端子首先表现为接头处发热和局部放电，然后发生闪络。

Q6：哪种电容器封装适合振动单元？

一种整体式玻化陶瓷，采用螺钉或螺栓连接，并配有支撑支架。它没有易分层的内部结构，重量也比同等规格的产品更轻。 薄膜电容器并且其电容不会随机械应力而变化，因此点火罐保持在设计频率上。

7。 参考

1. E. Kuffel、WS Zaengl、J. Kuffel 高电压工程基础知识，第 2 版，Newnes，2000 年。
2. Mohan, N.、Undeland, TM 和 Robbins, WP， 电力电子学：变换器、应用和设计，第 3 版。霍博肯，新泽西州：约翰·威利父子出版社，2003 年。
3. MIL-HDBK-217F 通知 2， 电子设备可靠性预测1995。
4. IEC 60384-1:2021， 电子设备用固定电容器 - 第 1 部分：通用规范，第 6 版。日内瓦：IEC，2021 年。
5. IEC 60068-2-27:2008， 环境测试 - 第 2-27 部分：测试 - 测试 Ea 和指南：冲击，第 4 版。日内瓦：IEC，2008 年。
6. IEC 60270:2025， 高压测试技术——基于电荷的局部放电测量，第 4 版。日内瓦：IEC，2025 年。
7. D. Li、Y. Zhong、X. Zhou 和 G. Zhai， 基于相场法的多层陶瓷电容器断裂分析方法IEEE 元件、封装和制造技术学报，第 14 卷，第 2 期，第 211-220 页，2024 年。https://doi.org/10.1109/tcpmt.2024.3359598。
8. M. Xiao等人 金属化薄膜电容器的局部放电和自愈合特性研究，发表于 2024 年 IEEE 第五届国际电介质会议 (ICD)，第 1-4 页，2024 年。https://doi.org/10.1109/icd59037.2024.10613348
9. 美国 10,529,487, 具有不同边缘位置的内部电极的多层陶瓷电容器，太阳诱电有限公司，2020 年授权，https://www.freepatentsonline.com/10529487.html。
10. GB/T 6346.1-2024， 电子设备用固定断路器第1部分：总体规范 （电子设备用固定电容器 - 第 1 部分：通用规范）。北京：国家市场监督管理总局，2024。
11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com