线束世界|一文搞懂HSD与FAKRA性能测试要求

描述

 

 

1 前言

本文写了音视频传输连接器FAKRA和HSD的技术要求、试验方法,编写的初衷是方便主机厂对HSD和FAKRA产品的应用、选型、还有性能验证提供一些参考意见。关于连接器的普通电性能、机械性能还有耐久性能大家都很熟悉了,各个公司也有成熟的标准,但是对于这类连接器的数据传输性能,我认为,做线束的工程师对这块还是存在很多迷惑的,所以我重点对着部分做了一些研究。当然,这两类插件的应用也不仅仅局限于此,文中的参数也是仁者见仁智者见智,这也只是小编的一些经验之谈。


 

2 术语和定义

为了防止有人看不明白文中涉及的术语和定义,我这里先解释一下:

FAKRA连接器 FachkreisAutomobil Connector

FAKRA是一种射频信号连接器(以下简称FAKRA)。

HSD连接器 HighSpeed Data Connector

HSD是一种高速数据连接器,支持USB2.0、LVDS、IEEE1394、ETHERNET协议的传输(以下简称HSD)。 

FAKRA、HSD连接器结构

FAKRA、HSD连接器由护套、内导体、外导体、压接环组成(见图1)。

hsd

图1  结构示意图

 

FAKRA、HSD连接器的内导体、外导体、压接环压接后组成导体组件(见图2)。

hsd

   图2  导体组件示意图


 

特性阻抗Impedance

由于在整个传输线上阻抗维持恒定不变,特性阻抗就是表达传输线的这种特性的名称。

插入损耗Insertion Loss

插入损耗是指发射端与接收端之间,插入电缆或元件产生的信号损耗,通常指衰减。插入损耗以接收信号电平的对应分贝(dB)来表示。

反射损耗 ReturnLoss

是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射,一般是inline处的反射。不匹配主要发生在连接器的地方,但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方。


 

3  技术要求

音视频传输连接器的性能一般来说,有下表中这些技术参数需要关注:

表1 技术要求

项目技术要求试验方法
基本特性外观及尺寸外观及尺寸

1、FAKRA的interface应符合ISO20860-1的要求

2、HSD的interface应符合TS 2008001 中10.2的要求

3、其余要求符合跟普通连接器要求一致就行。

 
机械强度导体组件的导线附着力≥110N 
导体组件对护套插入力≤30N 
导体组件对护套保持力≥110N 
导体组件插入/拔出力

插入力<20N

拔出力:2N-20N

 
解锁力跟普通连接器要求一致就行 
连接器插入力与拔出力跟普通连接器要求一致就行 
连接器保持力≥110N 
连接器侧向负荷力≥75N 
塑壳防误操作对配力≥80N 
密封性跟普通连接器要求一致就行 

 

表1(续)

项目技术要求试验方法
基本特性电气特性接触电阻
产品接触电阻
初始测耐久试验后
FAKRA≤5mΩ≤40mΩ
HSD≤15mΩ≤40mΩ

 

 
  压接金相分析

压接翼间隙:不小于端子壁厚的1/10

压接翼差值:不小于端子壁厚的1/2

毛刺高度:不大于端子壁厚

毛刺宽度:不大于端子厚度的1/2

基底厚: 不小于端子厚度的3/4

 
  X光无损探伤芯线和屏蔽丝之间没有游离屏蔽丝和短接 
  绝缘电阻跟普通连接器要求一致就行 
  耐高压电

FAKRA:800V   AC

HSD:  500V   AC

 
 数据传输性能特性阻抗

FAKRA应保证特性阻抗50±6Ω线50±3Ω

HSD应保证特性阻抗100±15Ω线100±6Ω

 
 插入损耗见下表 
 返回损耗

FAKRA:≤ -15.6dB  0 to 2 GHZ

       ≤ -14 dB   2 to 3 GHZ

HSD:≤ -20 dB    0to 1.0 GHz

      ≤ -17 dB   1to 2.0 GHz

 
 屏蔽性能

FAKRA应满足3GHZ下≤-45dB

HSD应满足0 - 1 GHz≤ -65 dB 、   1 - 2 GHz≤ -60 dB

 
 组内时滞(仅适用HSD)

90°插件≤25ps    180°插件≤5ps

线≤25ps/m

 
 组间时滞(仅适用HSD)插件≤5ps   线≤25ps/m 
 近端串扰(仅适用HSD)<-30dB to 1GHz 
 远端串扰(仅适用HSD)<-35dB to 1GHz 
 眼图(仅适用HSD)适配芯片厂家提供眼图要求 

 

表1(续)

项目技术要求试验方法
耐环境特性机械环境重复插入及拔出重复插拔25次后结合基本性能和测试表进行评估 
结合温度振动试验期间,电阻值连续大于7Ω的时间不应大于1μm。试验后,结合基本性能和测试表进行评估 
  机械冲击试验期间,电阻值连续大于7Ω的时间不应大于1μm。试验后,结合基本性能和测试表进行评估 
  落下试验试验后,连接器无破损及任何影响使用的损坏 
 气候环境耐热性结合基本性能和测试表进行评估 
  耐寒性结合基本性能和测试表进行评估 
  冷热冲击结合基本性能和测试表进行评估 
  温湿度循环结合基本性能和测试表进行评估 
  耐水性能试验后连接器内部无可见水迹 
  防尘性能结合基本性能和测试表进行评估 
  耐盐雾性能结合基本性能和测试表进行评估 
  抗化学液性能结合基本性能和测试表进行评估 
 其他性能阻燃性能跟普通连接器要求一致就行 
  气味跟普通连接器要求一致就行 

 

温度等级分类:

表4 温度等级分类(T)

等级工作温度范围(℃)环境温度范围(℃)使用位置
T1-40 ~ +100-40 ~ +85乘客区和行李舱
T2-40 ~ +125-40 ~ +100发动机舱内非发动机本体
T3-40 ~ +155-40 ~ +125发动机本体及发热附件
T4-40 ~ +175-40 ~ +150高温部位,供需双方协商

 

FAKRA插损要求:

FAKRA适配同轴电缆的插损

 0.1GHz0.8 GHz1 GHz2 GHz2.5 GHz3 GHz
RG174/m≤0.3 dB≤0.82 dB≤0.92 dB≤1.36 dB≤1.55 dB≤1.72 dB
RTK031/m≤0.18 dB≤0.53 dB≤0.6 dB≤0.9 dB≤1.03 dB/
Inline≤0.3 dB to 3GHz

整个FAKRA回路的插损要求为:电缆插损(查表)*长度+inline插损*inline数


 

HSD插损要求:

 0.25GHz0.4 GHz0.5 GHz0.8 GHz1 GHz
Dacar535系列及其等效星绞线(/m)≤0.62dB≤0.76 dB≤0.88 dB≤1.18 dB≤1.36 dB
Inline≤0.2 dB to 1GHz

整个HSD回路的插损要求为:电缆插损(查表)*长度+inline插损*inline数


 

4  试验方法

试验前提

在所有试验开始前,都应将样品在室温(23±5)℃,相对湿度45%-75%下存放24h,除非另有规定。


 

试验条件

a) 应使用没有使用过的样品且样品的尺寸必须符合试验的要求;

b) 试验过程中,线束所选用的电线规格应记录在试验报告中;

c) 各项试验及各试验样品不能相互影响。例如在高温箱里试验样品相互间要保持一定距离,不能相互接触及堆放;

d)在整个试验过程中,不允许为达到较好的试验结果,而在端子表面上涂抹润滑油或其他附加物。但允许生产过程中遗留的润滑剂的存在。

e)HSD测试需要制作专用高频PCB测试版,制作原则:支持差分阻抗100欧姆,四条通路长度相同。


 

试验要求见下表

表2 试验要求

  耐环境性能
初期特性

重复

插入及拔出

结合

温度

振动

机械

冲击

落下

试验

耐热性耐寒性冷热冲击温湿度循环耐水性能防尘性能耐盐雾性能抗化学试液 
 外观检查 
 尺寸检查             
 导体组件的导线附着力             
 导体组件对护套插入力             
 导体组件对护套保持力             
 导体组件插入/拔出力             
 解锁力            
 连接器插入力与拔出力            
 连接器保持力         
 连接器侧向负荷力          
 塑壳防误操作对配力             
 密封性         
 接触电阻     
 绝缘电阻     
 耐高压电             
 特性阻抗   H H     

 

表2 续

  耐环境性能
初期特性

重复

插入及拔出

结合

温度

振动

机械

冲击

落下

试验

耐热性耐寒性冷热冲击温湿度循环耐水性能防尘性能耐盐雾性能抗化学试液 
 插入损耗 H  H HH     
 返回损耗         
 屏蔽性能             
 组内时滞H H  H HH     
 组间时滞H H  H HH     
 串扰H H  H HH     
 眼图H H  H HH     
 阻燃性能             
 气味             
 

注:○:所有的连接器                     H:仅针对HSD连接器

★:仅针对防水型连接器              

 

5 试验方法

5.1  试验方法

5.2.1     外观检查

正常视线强度、颜色下,保持正常的视距及适当光照。检查端子,护套及连接器的变形破损或类似外观性能。

5.2.2 尺寸检查

选用合格的仪器,量具,按照产品图纸对产品进行检查。

5.2.3 导体组件的电线附着力

将导线与导体组件压接好后,在距压合部位50~100mm处,以50mm/min的速率,沿轴向拉该电线,量测该电线被拉断或脱离压合部位时的力。

5.2.4 导体组件对护套插入力

将护套固定,在沿轴方向上以50mm/min的速率将导体组件插入护套中,导体组件必须被正确锁定,测量插入过程中的力。测试过程中电线不能弯曲。对于防水件,应配合对应防水栓测量。

5.2.5  导体组件对护套保持力

将一个与导线压接好的导体组件,正确插入护套内,在距离压合点50~100mm处,以50mm/min的速率,沿轴向拉该电线,量测端子从护套拔出时的力,应分别记录导体组件二次锁机构已发生作用的力。

5.2.6 导体组件插入/拔出力

将导体组件的一端固定,在轴向上以50mm/min的速度插入及拔出配套导体组件,测量过程中所须的力。

5.2.7 解锁力

如图3示,根据连接器锁合结构,在最容易锁合解锁处施加力,测量使A值等于0时所需力。

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图3 解锁力测试示意图


 

5.2.8 连接器插入/拔出力

插入力:取一对组装好的FAKRA/HSD连接器,将一端固定,在锁扣发生作用情况下,将另一端以50mm/min速率插入固定端,测量结合过程中的负载。


 

拔出力:取一对组装好的FAKRA/HSD连接器,对插后将一端固定,在锁扣均不发生作用的情况下,将另一端以50mm/min速率拔出固定端,测量拔出过程中的负载。


 

5.2.9     连接器保持力

取一对一对组装好的FAKRA/HSD连接器,对插后将一端固定,在锁扣发生作用情况下,将另一端以50mm/min速度拔出固定端,测量拔出时所需要的负载。


 

如图4示,根据连接器的锁合构造,在轴方向及相对各面倾斜45°的5个方向中,选择最容易使解锁装置解除的方向进行测量。

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图4 保持力测试示意图


 

5.2.10   连接器侧向负荷力

取一对组装好的FAKRA/HSD连接器(其中一端与板端焊接,另一端连接线端),对插后在锁扣发生作用情况下,用缓慢的拉力拉动线端,直到拉力达到75N。拉动的方向按如下:

hsd

 

拉动方向:C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8;要求测试结束后无视觉上的损坏。


 

5.2.11   塑壳防误操作对配力

采用齿形不对配的塑壳进行测试。固定一端塑壳,另一端塑壳采用夹具(并接入力测试设备),在轴向方向对插,当达到误操作对配力时,整个塑壳没有任何损坏。


 

5.2.12   密封性

此项试验仅适用于防水型FAKRA、HSD。

如图7示,在一对插接好的防水型FAKRA或HSD护套上开一小孔或护套任一孔位插入导管注入压缩空气。试验前,护套除导管外的部位应做密封措施。将连接器沉浸在水面100mm以下,以每次导入9.8 kPa的压缩空气并保持30s,观察有无气泡产生。当发生气泡时即中止试验并记录此时压强值。

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图5 密封性试验


 

5.2.13   接触电阻

将内导体端子正常连接,测量参考点之间的电阻,当无法直接从参考点处测量电阻时,实际测量点尽量选择靠近参考点的位置,如图6所示。实际测量点与参考点之间的电阻应被减掉。按照下列两种方法试验:

a)   低电流低电压下测定。为了避免破坏端子的绝缘皮膜,在导通回路时,测定电压需要使用峰值不超过20mV的直流或交流电压,通电电流10mA状态下进行测定;


 

b)   文章电流下测定。在不超过14V的直流电压条件下,给回路通上表3规定的最大电流。达到热平衡后进行测定。如果所测电线需在测量点焊接,焊接不能影响插接。

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图6  接触电阻测试


 

5.2.14 压接金相分析

取一个仅压接端子的Fakra/HSD,在端子压接的部分截断,并用研磨机把断面研磨平整清晰,之后使用金相分析仪对压接的个参数进行测量分析。


 

5.2.15 X光无损探伤

取一个内嵌端子的Fakra/HSD,放入X光机中用夹具固定,关好仓门进行射线检测,在检测过程中通过X光检测室外部的控制台不断调整样品的角度和位置,来完整观察压接部分的压接情况。为了保证安全,X光检测设备须由专业操作人员操作。


 

5.2.16 绝缘电阻

取一个内嵌端子的Fakra/HSD,通过绝缘电阻仪分别在相邻端子间、端子和护套表面施加500V的直流电压15S,测量绝缘电阻值。为了保障安全,应将连接器可靠接地。


 

5.2.17 耐高压电

取一个内嵌端子的Fakra/HSD,分别在相邻端子间、端子和护套表面施加800V的交流电压(Fakra)或500V的交流电压(HSD)加载60s。为了保障安全,应将连接器可靠接地。要求没有闪络发生。


 

5.2.18 特性阻抗

采用矢网分析仪/时域反射计进行测试,调入矢网分析仪中的特性阻抗测量程序,线接入校准模块进行校准,然后取下校准模块,将被侧样品连接到矢网分析仪上(HSD产品的连接需要用专用转接头)。


 

5.2.19 插入损耗

采用矢网分析仪进行测试,调入矢网分析仪中的插入损耗测量程序,先接入校准模块进行校准,然后取下校准模块,将被测样品连接到矢网分析仪上(HSD产品的连接需要专用转接头),待屏幕上的信号曲线稳定后保存并导出数据。


 

5.2.20 返回损耗

测量方法同5.2.17。


 

5.2.21 屏蔽效能

本测试需要使用三同轴法进行测试。将被测样品接入到三同轴设备中,并连接到矢网分析仪中,调入屏蔽效能测试程序,开始测量,待屏幕数据稳定后,保存并导出数据。


 

5.2.22 组间时滞

本测试仅限于对HSD产品进行测量。采用4接口矢网分析仪,将待测产品按如下接法接入系统中,在矢网分析仪上调入测量组内时滞的程序进行测量。


 

5.2.23 近端串扰

将测试样品链接到矢网分析中进行测量,调出近端串扰程序,待屏幕数据稳定后,保存并到处数据。


 

5.2.24 远端串扰

将测试样品链接到矢网分析中进行测量,调出远端串扰程序,待屏幕数据稳定后,保存并到处数据。


 

5.2.25 眼图

PRBS发生器,要求 TR(100pcs,120ps),f(bit)=800Mbit/s ,序列:2的7次方-1,振幅(+/-500mV)高速示波器。


 

将被测样品一端连接到PRBS发生器上,另一端接入到示波器,读取眼图图形。在图形上的中间的交叉曲线上,选取振幅为100 mV的一段,读取该段对应的T(Jitter)值。


 

5.2.26 重复插入和拔出

在常温下,将一对连接器的一端固定,沿轴方向将另一端对固定端进行对插及拔出试验,循环10次。


 

5.2.27 结合温度振动

将测试样件插满端子嵌合好后等分成2组(电线预留300mm长),第一组样品电线端部相互焊接,形成单一连续的电流路径,导通100mA电流进行瞬断监测。其中护套≤10孔的,对所有的端子进行一次监测,护套>10孔的,对平均分布在护套上的10个端子进行分批监测。第二组样品不监测瞬断。安装方法1和3适用于线-线连接器,安装方法2和4适用于设备连接器。


 

根据整车上的实际安装情况,按图11选择试验方法(实际安装情况不明时,优先选择方法3和4)

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图中:A——试验台;B——测试件;C——固定装置

图11 安装方式


 

按照下列要求完成振动试验(振动等级参照表5,对于V2的产品先进行正弦振动,再进行随机振动,对于V1和V3的产品只做随机振动):

a) 等级V1——安装在车身或底盘。采用总均方根加速度20.9m/s2,按照GB/T 2423.56-2006文章完成随机振动试验,试验参数如图12和表11所示,每轴(X/Y/Z)的试验时间24h。

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图中:横坐标——功率谱密度;纵坐标——频率

图12  随机振动

 

表11  随机振动

频率(Hz)功率频谱密度(m/s2)2/Hz加速度功率密度g2/Hz
1070.073
503.50.036
601.750.018
10000.060.0006

b) 等级2——安装在发动机:

1)  正弦振动试验。采用扫描速率≤1oct/min,按照GB/T 2423.10完成正弦振动试验,试验参数如图13和表12所示,每轴(X/Y/Z)的试验时间为24h;

2)  随机振动试验。采用总均方根加速度181m/s²,按照GB/T 2423.56-2006完成随机振动试验,试验参数如图14和表13所示,每轴(X/Y/Z)的试验时间为24h。

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图中:横坐标——功率谱密度;纵坐标——频率

图13 正弦振动


 

表12 正弦振动

频率(Hz)加速度增幅(m/s2)
100100
150150
200200
240200
255150
440150

 

 

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图中:横坐标——功率谱密度;纵坐标——频率

图14 随机振动


 

表13 随机振动

频率(Hz)功率频谱密度((m/s2)2/Hz)
1010
10010
3000.51
50020
200020

c) 等级3——安装在车轮。采用总均方根加速度107.3m/s2,按照GB/T2423.56-2006完成随机振动试验,试验参数如图15和表14所示,每轴(X/Y/Z)的试验时间为8h。

hsd

图中:横坐标——功率谱密度;纵坐标——频率

图15  随机振动


 

表14  随机振动

频率(Hz)功率频谱密度((m/s2)2/Hz)加速度功率密度(g2/Hz)
202002.08
402002.08
3000.50.005
8000.50.005
100030.031
200030.031

 

在试验过程中,按照图16和表15完成温度循环试验。

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图中:横坐标——时间;纵坐标——温度

1—等级1;2—等级2;3—等级3;4—等级4

图16 温度循环图


 

表15 温度循环表

时间(min)温度
等级1(℃)等级2(℃)等级3(℃)等级4(℃)
0+20+20+20+20
60-40-40-40-40
150-40-40-40-40
210+20+20+20+20
300+85+105+125+150
410+85+105+125+150
 +20+20+20+20

 

5.2.28 机械冲击

取一对内嵌满端子的连接器对插,电线选用端子适配的最大线径。将所有孔位串联,并将其安装在冲击试验台上。以半正弦冲击波,在上、下、左、右、前、后6个方向施加100g的加速度,每个方向进行3次,脉宽间隔10ms。


 

如图17示,试验过程中检查有无瞬断情况及连接器阻抗变动情况。
 

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图17  试验过程中的阻抗


 

5.2.29 落下试验

取一个内嵌端子的Fakra/HSD,电线选用端子适配的最大线径。将其放入-5℃的低温槽中存放0.5h后取出,将连接器从1000mm的高度垂直下落到混凝土或钢板上,每个面进行3次,如图18所示。

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图18 落下试验


 

5.2.30 耐热性

取一个内嵌端子的Fakra/HSD,电线选用端子适配的最大线径。按表4规定的工作温度做为试验温度在高温箱中试验120h。试验完后将连接器取出调整至室温。


 

5.2.31 耐寒性

取一对内嵌满端子的连接器对插,电线选用端子适配的最大线径。将连接器在温度为-40℃的恒温箱中放置120h。试验完立刻做重复插入及拔出动作5次,在将其回复至常温。


 

5.2.32 冷热冲击

冲击实验应在表4中(工作温度)适用于连接器的最高和最低环境温度值间进行。

配合好的样品将经过100次的热冲击循环,每次热冲击循环包括以下步骤:

a)  (-40±2)℃时30 min;

b)  10s最大过渡时间;

c)  表4中列出的试验样品对应的最高环境温度时30min;

d)  10s最大过渡时间。


 

5.2.33 温湿度循环

5.2.33.1 进行温湿度循环试验时,电线应是可压接范围内的最小和最大尺寸值。
 


 

5.2.33.2 按下列顺序进行10个周期试验,每周期为24h:

a)  保持室温t(23±5)℃,相对湿度(70~75)%时4h;

b)  相对湿度(95~99)%时,把t在0.5h内升高到(55±2)℃;

c)  保持b结果10h;

d)  在2.5h内把t降到(-40±2)℃,保持2h;

e)  在1.5h内,把t从(-40±2)℃升到分级试验温度,保持2h;

f)  允许在1.5h内恢复到室温(23±5)℃。

5.2.33.3 一个试验周期结束后试验暂停2h。在暂停期间,试验样品将在a)中所述条件进行保存。

5.2.33.4 如果试验室达到分级试验温度需要多于1.5h的时间,可延长e)过程,a)过程可适当缩短。

5.2.33.5 按图19所示的试验循环。

5.2.33.6 分级试验温度见表4环境温度。

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5.2.34   防水性能

(1)适用于S2等级的产品

取一对内嵌满端子的连接器对插,电线选用端子适配的最大和最小尺寸线径。参照温度试验表4环境温度,将样品加热至最高温度并存放30min后,立即将试验样品侵入23℃的5%NaCl溶液中。溶液中加入燃料便于观察是否有液体进入试验样品。放入水下100mm位置浸泡1.0h后,如图20所示,在每一个端子和电极之间或同一试验样品中的两个相邻端子间输入14V的电压,测量泄漏电流值。

 

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图中:1.2.3——测试点;4——电极;5——试样

图20  耐水性试验


 

(2)适用于IPX9K(S3等级的产品)

将试验样品安装在测量区的支持物上,并每分钟旋转(5±1)圈,并按图21位置要求,高压水在4个位置各喷射30s。喷嘴孔和样品上参考点的距离应为(125±25)mm。

使用喷射的水应具备以下条件:

a)   (80±5)℃的温度;

b)   14 L/min~16 L/min之间的流量;

c)   8,000 Kpa~10,000 Kpa的压强。

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图21  试样放置


 

5.2.35   耐盐雾性能

试验前将样品存放在(80±3)℃的试验箱中,并保持60min,对于产品S2和S3等级的产品进行4周的循环试验,对于S1等级的产品需进行1周的循环试验,产品等级参照表3防水等级分类。

a)   按照GB/T 2423.17 将样品存放在盐雾试验箱中24h;

b)   在(40±3)℃的试验箱中保持6h;

c)   按照GB/T 2423.17将样品存放在盐雾试验箱中18h;

d)   在(40±3)℃的试验箱中保持6h;

e)   按照GB/T 2423.17将样品存放在盐雾试验箱中18h;

f)   在(40±3)℃的试验箱中保持6h;

g)   按照GB/T 2423.17将样品存放在盐雾试验箱中24h;

h)  在(40±3)℃的试验箱中保持66h;


 

5.2.36   抗化学液性能

对于有可能暴露于表16所列液体环境的连接器,应根据连接器的应用范围选择试液和试验。按表16中的试液温度和浸泡时间,每一种试验液体只能针对一个样品。

化学液体试验后,允许将实验样品用无活动性液体冲洗并将样品外部晾干。

表16  抗化学试液

化学试验试验液体液体温度(℃)浸泡时间(min)
润滑油GB 11121 20W/40号油85±260
矿物液压油根据GB 11118.185±260
制动液根据GB1298185±260
电池酸H2SO4和H2O  1.28/cm223±51
防冻剂GB29743118±560
洗窗剂酒精:27ml;异丙醇:10ml;乙二醇:3ml;水:60ml50±260

汽油

柴油

GB 17930

GB 19147

23±560
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