设计阶段笔记本振动试验探讨

【摘 要】 国家标准的滞后性与消费者对产品不断苛刻的要求之间的矛盾越来越大，进而导致笔记本产品在设计阶段的可靠性需要不断地提高，而评估可靠性水平一个重要手段即为可靠性测试，本文重点是对笔记本振动国内外形式比较，试验种类，不同条件的侧重点的讲解， 探讨了振动试验中夹具如何合理使用。笔者有幸参与HP，联想笔记本的设计阶段的可靠性测试，对其测试方法和标准有些个人理解和想法。本文对其部分可靠性项目的讨论，旨在抛砖引玉。

【关键词】 笔记本 振动测试 夹具

1 引言

环境振动试验是鉴定结构或仪器设备能否承受预计的振动环境，保证在实际环境下结构的完整性或仪器设备性能、精度不降低的一种必要手段[1]。由于笔记本为一系统级产品，并不是像单一的零部件那么简单，其由成很多零部件组成，因此评估其振动的可靠性水平不仅要考虑各个零部件，最重要的要考虑其整合性，要充分考虑不同的运输、携带或使用方式，来设计不同振动条件模拟实际的状况。

2 国内外形势比较

中国商用企业的可靠性水平与发达国家的先进企业之间存在着较大的差距，多数为看到笔记本行业的潜在利润，而插足进入分一杯羹，使用别人的技术，别人的生产贴上自己的牌子推向市场，但没有关于可靠性方面完善的管理体系。主要依靠于国家相关标准，由于产品结构变化万千，固定而滞后的标准使用只会让我们的产品离国际品牌越走越远，针对振动更是如此。

（1）振动测试标准：仅仅参考国家标准做可靠性测试，而国内目前并没有针对笔记本测试的标准，一般大家参考的是GB/T 9813，而GB/T 9813中并没有给出一个明确测试条件，而是参考行业的电子电工产品的标准，缺少针对性和专一性。而国际品牌商在这点做的很好，他们针对自己产品的特征以及市场的定位抓住了核心，拟定自己产品标准，而这也是他们立于不败之地的一个法宝。

（2）实验室建设：2010年左右由于山寨手机的盛行，大家就想是不是山寨笔记本也可以如此辉煌，在新闻杂志大肆报道之后最终偃旗息鼓了，原因何在？他要有成型的生产线和强大的可靠性支持，而这些不是一般的地下工厂就能够做到的，振动设备以及振动方面的人才显得尤其重要。

3 测试条件

笔记本电脑和单一的零部件的振动测试有很大的不同，因为他是由无数个零部件组成，振动测试不仅评估其单个零部件的质量水平，同时还要考虑到整个产品的稳定性。在设计阶段振动不仅模拟运输环境和使用环境中遇到的振动，同时还有一个目的就是剔除硬件之不良品和工艺缺陷。振动的定义是物体围绕平衡位置进行往复运动的一种形式，通常用一些物理量（如位移、速度、加速度等）随时间变化的函数来表征振动的时间历程[2]。简单的说，振动可以认为是一个质点或物体相对于一个基准位置的运动，当这个运动在一定的时间间隔后仍精确地重复着，我们称之为周期振动，周期振动的波形可以是各种各样的，一般的形式有简谐振动和随机振动。一般笔记本的振动测试条件根据使用的状态不同而不同，包括：裸机开机（Operate）；裸机关机（Non-operate）；包装件（package）；携带过程中误操作（scuff）。

3.1 裸机开机

笔记本裸机开机测试目的是为了验证相关产品能够满足振动（Vibration）抵抗的能力、以及检视是否会发生电性（Electrical ）及机构（Mechanical）的不良现象；重点为检测产品的是否有蓝屏，断电，连接（hinge）是否松动。目前行业内对于裸机测试条件均选择随机振动，惠普最初的测试是选择半弦波，随着后续振动技术水平的发展此种条件被逐渐废弃，因为随机的条件更加适合模拟在实际使用时的随机性。

对于笔记本有硬盘保护功能的话一般还会增加一项测试，即根据硬盘保护功能给予的频率范围设计测试的条件来确认该硬盘保护是否有效。

3.2 裸机关机

关机测试的条件比开机测试来的严苛，频率范围更宽，由于振动设备能力提高，以及可靠性水平的提高，振动的频率最小值现在已经设置到了2Hz，该值是根据模拟人正常走路的一个频率换算出来的，由于笔记本的最大优势就是便携式，那裸机就会存在被随时移动的可能。裸机的关机测试的加速度也加大了很多，下面为联想thinkpad系列测试条件[3]：

3.3 包装件

包装运输件在流通过程中受到的振动主要来自于运输环节。振动强度在频率轴上的分布（频谱）表示它与运输工具、装载方式、路况等诸多因素有关[4]。笔记本的包装测试一般选择是先扫频测试，寻找到共振点后进行定频测试。

包装件振动的目的是为了让包装件在运输过程中能承受振动对其的破坏，对产品有保护作用，对于笔记本包装件的振动测试最重要的一点就是找共振点时传感器放的位置确定。因为笔记本是一个复杂的系统，那传感器到底放在一个什么样的位置才可以寻找到他的真正的共振点呢？一般是放置在产品的核心部件上。因为每个质点都有他的固有频率，所以一个产品是很多质点的组合，所以不同的地方反映肯定是不一样的。另外核心部件放在那里呢，就要放在比较硬的地方，这是因为把这里当着一个大的质点来看，且很好地反映整个核心区在外界的环境时的反映。 如在软的地方就会放大真正核心区的反映，另外是因为可以减少对系统的影响，如果结构比较薄弱，那么实际测试出的共振点就会不一样的，因为传感器的质量改变了此处的共振点。

综上知道一般我们会选择放在系统结构最硬的位置，那么哪里是最硬的位置，如何寻找最硬的位置，则需要结构工程师的帮忙了。当传感器的位置确定后需要寻找共振点，当然好的设计是在运输过程中最好避开共振点，如果无法避开共振点的话，设备要能承受该频率的振动而不损坏。

3.4 携带过程中磨损

笔记本的特殊性，除了以包装的形式运输外，在客户手中也会经常放置在包或袋子里携带到不同的场合，因此不可避免的会有些磨损和挤压。一般笔记本的这项测试使用一定重量长方体铁块放置在上盖上面，以正常乘车，步行的频率进行随机振动。该项测试的重点检查屏幕是否有刮伤，蓝屏之类的异常现象。

上面四项测试除了2.4仅需要做Z轴外，其他3个轴向（X/Y/Z）均需要做。

4 夹具的使用

试验夹具的功用是从振动台把机械连接的能量传给试验件。振动夹具的设计，有时被称为“不正规技术”。其设计的基本原则是相对重量最小、刚度最大，在试验频率范围内不发生结构共振[5]。产品安装在一个好的振动夹具内可以很好模拟产品在不同条件下所承受的力学环境达到考核产品性能的目的，因此振动夹具的地位十分重要。

4.1 笔记本产品振动试验夹具应满足以下要求：

（1）笔记本可靠性试验要求随机振动频率范围一般为2～500Hz，在该频率范围内夹具的频响特性要平坦，其一阶固有频率尽可能要高于最高试验频率；（2）振动夹具的固有频率一般为试验件固有频率的3～4倍，避免结构共振，设备无法满足要求时，夹具传递特性峰值频率大于1000HZ也是可以接受的。（3）夹具垂直于激振方向的运动要小。

4.2 振动夹具材质要求

夹具要真实传递实验台的冲击和振动，放大或缩小都是不合理的，从固有频率公式可以推算出直接影响因素为E/ρ，其中E为弹性模量，ρ为材料密度，笔记本要求夹具重量轻，阻尼大，弹性模量与密度的比值要大，其响应频率应该大于测试频率。

治具的轮廓面离试验台面不宜过厚，过厚不利于传导，经验值在12mm-15mm的厚度。

4.3 笔记本振动使用的夹具

由于笔记本测试是属于低频，低量级振动试验，因此螺接的方式很适合，其成本低制造周期短。固定螺丝科学的方法是用力矩扳手，工程师可以对每项需要紧固件先进行锁资料搜集，就是要用多大力矩才能锁紧，列好表格供后续参考，他的好处是可以保证每个点紧固的力均衡。一般经验的方法是锁附螺丝时到感觉受到阻力后，再拧1/4到1/2圈。下图的螺丝适用于所有电子产品测试紧固夹具，他的优势是拆卸方便，不易滑丝，接触稳定。还种治具的缺点是很容易耗损，长时间的作用，试验质量将会发生变化，甚至振动台和夹具会一起破坏，因此需要经常更换。

对于笔记本振动测试，特别针对包装件的测试，我们会要求在固定的螺杆的上下面均用该螺丝固定。（如图1）

需要对笔记本的平面进行固定时，我们选择下面的治具，该治具的好处就是对产品可以不施加额外的力同时起到固定作用。

夹具使用时的注意点：固定的时候尽量靠近笔记本的边缘，以免误破坏屏幕，固定的力度要控制好。（如图2）

总的来说笔记本的振动治具并没有要求很高，因为产品形状比较规则，频率范围不大，体积也不大，所以只要把握3.1的几点原则来确定夹具。

5 结语

本文重点讲解了笔记本振动测试的分类，针对关注的重点不同，测试架设的方式和条件也不同，而不能一概而论。同时指出夹具是测试不可缺少非常重要的，针对测试样品的大小，重量以及测试条件，选择合适的夹具。

参考文献：

[1]王珂晟等.《系统级产品振动试验的探讨与研究》[J].振动与冲击，2004（4）.

[2]邱景湖，钟琼华.《振动台与振动试验介绍》.中国可靠性网，2004.

[3]联想可靠性测试内部资料《IBM STD C-H 1-9711-001》相关章节.

[4]沈黎明，张华良，顾祖莉.《运输包装件振动试验系统研究》[J].中国测试技术，2005（6）.

[5]何胜强.《振动夹具改进方法探索》[J].科技信息，2011-21.