曾文波 駱立良 孫建忠

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 510640）

1 前言

長(zhǎng)期以來，整車大氣暴露試驗(yàn)因環(huán)境條件真實(shí)、貼近用戶的實(shí)際使用環(huán)境，成為驗(yàn)證汽車整車耐候性能的主要手段[1]，同時(shí)，整車大氣暴露試驗(yàn)方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)于2021年發(fā)布[2]。但是，整車大氣暴露試驗(yàn)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)條件不穩(wěn)定、試驗(yàn)結(jié)果復(fù)現(xiàn)性差，無(wú)法滿足汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代、產(chǎn)品改進(jìn)等開發(fā)需求[3]。目前，行業(yè)內(nèi)主流汽車品牌在汽車正向開發(fā)驗(yàn)證中，整車耐候性能的驗(yàn)證以整車光老化加速試驗(yàn)為主，并建立了整車、零部件及材料的全光譜加速老化試驗(yàn)方法[4-6]，大幅縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。國(guó)內(nèi)在整車光老化加速試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域處于起步階段，研究較少[7]。2018年，乘用車整車太陽(yáng)光模擬加速老化試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)首次發(fā)布[8]。當(dāng)前，整車陽(yáng)光模擬加速老化試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)已開始應(yīng)用于車型開發(fā)的正向驗(yàn)證，但是基礎(chǔ)薄弱，試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)主要參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件能否適用于國(guó)內(nèi)氣候環(huán)境有待進(jìn)一步研究。

因此，本文通過開展整車自然暴露試驗(yàn)及整車陽(yáng)光模擬加速老化試驗(yàn)，收集國(guó)內(nèi)典型干濕熱氣候環(huán)境數(shù)據(jù)、車身微環(huán)境數(shù)據(jù)等，對(duì)比分析光照、溫度、濕度等試驗(yàn)條件，以及車身微環(huán)境條件、綜合環(huán)境應(yīng)力、試驗(yàn)結(jié)果等，研究DIN 75220《太陽(yáng)模擬裝置中汽車部件的老化試驗(yàn)》[4]對(duì)國(guó)內(nèi)典型干濕熱氣候環(huán)境的適用性，為開發(fā)模擬國(guó)內(nèi)干濕熱氣候環(huán)境的整車加速老化試驗(yàn)方法提供數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗(yàn)方法

2.1 整車大氣暴露試驗(yàn)

依據(jù)QC/T 728—2005《汽車整車大氣暴露試驗(yàn)方法》[9]，分別在新疆吐魯番干熱地區(qū)、海南瓊海濕熱地區(qū)開展整車大氣暴露試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為1年，試驗(yàn)過程中每5 min采集一次車內(nèi)外太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度、空氣溫度、相對(duì)濕度、車體表面溫度等數(shù)據(jù)。

2.2 整車陽(yáng)光模擬加速老化試驗(yàn)

依據(jù)DIN 75220，在試驗(yàn)艙內(nèi)開展整車陽(yáng)光模擬加速老化試驗(yàn)，依次進(jìn)行15個(gè)連續(xù)干熱氣候循環(huán)和10個(gè)連續(xù)濕熱氣候循環(huán)試驗(yàn)，共600 h，試驗(yàn)過程中每5 min采集一次車內(nèi)外光照總輻射強(qiáng)度、空氣溫度、相對(duì)濕度、車體表面溫度等數(shù)據(jù)。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

整車?yán)匣囼?yàn)分別在環(huán)境艙及大氣環(huán)境中完成，試驗(yàn)設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集器、太陽(yáng)輻射表、空氣溫濕度傳感器、熱電偶等。

2.4 等效性分析模型

整車陽(yáng)光模擬加速老化試驗(yàn)與大氣暴露試驗(yàn)的等效性分析模擬采用溫度校正輻射量（Tempera?ture Normalized Radiation，TNR）模型[10]。該分析模型考慮在太陽(yáng)輻射所產(chǎn)生的效應(yīng)中溫度的影響，近似計(jì)算得到歸一化的太陽(yáng)輻射量（溫度效應(yīng)轉(zhuǎn)化為輻射效應(yīng)），以此確定試驗(yàn)周期，是目前應(yīng)用最為廣泛的綜合環(huán)境應(yīng)力模型：

式中，Rtnr為溫度校正輻射量；R為輻射能量；T為零件表面溫度；tt為總時(shí)長(zhǎng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)條件分析

3.1.1 模擬白晝的試驗(yàn)條件

3.1.1.1 光照條件

圖1所示為國(guó)內(nèi)干濕熱氣候環(huán)境的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度月分布情況。

圖1 國(guó)內(nèi)干濕熱氣候環(huán)境太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度月分布情況

對(duì)于國(guó)內(nèi)干熱氣候環(huán)境，本文對(duì)吐魯番地區(qū)2020年太陽(yáng)輻射（45°）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，月平均最高太陽(yáng)輻射強(qiáng)度約為1011 W/m2，最大輻射強(qiáng)度約為1164 W/m2，但高強(qiáng)度輻射時(shí)間不長(zhǎng)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高于1000 W/m2的累計(jì)時(shí)間約為20 h，僅占有光照（太陽(yáng)輻射強(qiáng)度>0）時(shí)間的0.4%。

對(duì)于國(guó)內(nèi)濕熱氣候環(huán)境，本文對(duì)瓊海地區(qū)2021年7月至2022年7月太陽(yáng)輻射（45°）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，月平均最大太陽(yáng)輻射強(qiáng)度約為1154 W/m2，最大輻射強(qiáng)度約為1303 W/m2。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021年7月至2022年7月期間太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高于1000 W/m2的累計(jì)時(shí)間約為55 h，僅占有光照（太陽(yáng)輻射強(qiáng)度>0）時(shí)間的1.2%。

由此可見，DIN 75220設(shè)置的光照強(qiáng)度條件(1000±100)W/m2適用于模擬國(guó)內(nèi)典型干濕熱氣候環(huán)境光照條件，同時(shí)避免了過高的光照強(qiáng)度導(dǎo)致的非正常條件老化。但該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的光照能量不足，基于DIN 75220的試驗(yàn)條件，在環(huán)境艙中循環(huán)試驗(yàn)600 h的光照輻射量約為1327 MJ/m2，相當(dāng)于干熱氣候條件自然暴曬2~3個(gè)月，濕熱氣候條件自然暴曬3~4個(gè)月[1]。

3.1.1.2 光照時(shí)的溫度條件

圖2所示為國(guó)內(nèi)干濕熱地區(qū)氣候環(huán)境月最高溫度分布情況。

圖2 國(guó)內(nèi)干濕熱氣候環(huán)境月最高溫度

對(duì)于國(guó)內(nèi)干熱地區(qū)，2020年吐魯番地區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，年最高氣溫為45.2℃，超過40℃的累計(jì)時(shí)間為239 h，超過42℃的累計(jì)時(shí)間為94.5 h；對(duì)于國(guó)內(nèi)濕熱地區(qū)，2021年7月至2022年7月瓊海地區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，年最高氣溫為38.3℃，無(wú)超過40℃的高溫天氣。汽車產(chǎn)品在不同溫度環(huán)境中使用時(shí)，必須滿足較高溫度要求。因此，試驗(yàn)車輛必須滿足干熱氣候環(huán)境不低于45℃的使用性能。DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的環(huán)境溫度為(42±3)℃，適用于模擬國(guó)內(nèi)干濕熱氣候環(huán)境的高溫條件，可確保試驗(yàn)車輛在光照時(shí)處于高溫環(huán)境中。

3.1.1.3 光照時(shí)的相對(duì)濕度條件

對(duì)于干熱氣候環(huán)境，光照對(duì)濕度的影響不明顯，如圖3所示。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：光照強(qiáng)度大于0時(shí)，年平均相對(duì)濕度約為28%；光照強(qiáng)度大于100 W/m2時(shí)，年平均相對(duì)濕度約為27%；光照強(qiáng)度大于200 W/m2時(shí)，年平均相對(duì)濕度約為26%；光照強(qiáng)度大于800 W/m2時(shí)，年平均相對(duì)濕度約為24%。而在干燥的3月至10月，在有光照的條件下（光照強(qiáng)度大于0），平均相對(duì)濕度約為17%。由此可見，DIN 75220設(shè)置干熱白晝的空氣相對(duì)濕度為不大于30%，適用于模擬國(guó)內(nèi)干熱氣候環(huán)境濕度條件，可確保試驗(yàn)車輛處于高溫干燥環(huán)境中。

圖3 國(guó)內(nèi)干熱氣候環(huán)境不同光照強(qiáng)度下的月平均相對(duì)濕度

對(duì)于濕熱氣候環(huán)境，由于空氣濕度大，光照對(duì)濕度的影響較干熱氣候環(huán)境明顯，且全年濕度較為平均，偏差較小，如圖4所示。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：光照強(qiáng)度大于0時(shí)，年平均相對(duì)濕度約為77%；光照強(qiáng)度大于100 W/m2時(shí)，年平均相對(duì)濕度約為69%；光照強(qiáng)度大于200 W/m2時(shí)，年平均相對(duì)濕度約為64%；光照強(qiáng)度大于800 W/m2時(shí)，年平均相對(duì)濕度約為62%。由此可見，DIN 75220設(shè)置濕熱白晝的空氣相對(duì)濕度條件為不小于60%，適用于模擬濕熱地區(qū)光照時(shí)的濕度條件，可確保試驗(yàn)車輛處于高溫濕熱環(huán)境中。

圖4 國(guó)內(nèi)濕熱氣候環(huán)境不同光照強(qiáng)度下的月平均相對(duì)濕度

3.1.2 模擬夜間的試驗(yàn)條件

3.1.2.1 夜間溫度條件

DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)中，模擬干熱氣候夜間的溫度條件為(10±3)℃，是亞利桑那冬季最低溫度的平均值。對(duì)于吐魯番干熱地區(qū)，如圖5所示，2020年夏季4月至9月的最低氣溫為7.9℃，而在冬季，受西北季風(fēng)影響，寒冷干燥，最低氣溫達(dá)到-17.9℃，10月至次年3月的平均最低溫度約為-8.1℃。因此，DIN 75220設(shè)置模擬干熱氣候夜間的溫度條件為(10±3)℃，高于國(guó)內(nèi)干熱地區(qū)冬季的夜間低溫要求，僅適用于夏季4月至9月的夜間低溫環(huán)境。

圖5 國(guó)內(nèi)干濕熱氣候環(huán)境月最低溫度分布

DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)中，模擬濕熱氣候夜間的溫度條件為(-10±3)℃，模擬的是阿爾卑斯地區(qū)寒冷夜晚低溫環(huán)境。對(duì)于瓊海濕熱地區(qū)，2021年7月至2022年7月最低溫度為9.9℃，見圖5。因此，DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)中，濕熱循環(huán)的低溫條件雖能覆蓋瓊海濕熱地區(qū)，但是溫度過低，不適用于瓊海濕熱地區(qū)的低溫環(huán)境。

3.1.2.2 夜間濕度條件

國(guó)內(nèi)吐魯番地區(qū)每月最高濕度如圖6所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，吐魯番地區(qū)在7月與8月期間最高相對(duì)濕度超過60%，說明我國(guó)干熱地區(qū)夜間仍然可能出現(xiàn)較高的空氣相對(duì)濕度，與DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)中模擬干熱氣候環(huán)境夜間濕度條件一致，符合我國(guó)吐魯番地區(qū)的干熱氣候環(huán)境特征。

圖6 國(guó)內(nèi)干熱氣候環(huán)境月最高相對(duì)濕度

而對(duì)于國(guó)內(nèi)濕熱氣候環(huán)境的空氣相對(duì)濕度，如圖7所示，在無(wú)光照條件下，年平均相對(duì)濕度為89%，空氣中水蒸氣含量較高，遠(yuǎn)高于DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)中模擬濕熱氣候環(huán)境的濕度。而DIN 75220的濕熱循環(huán)受夜間低溫條件影響，雖然空氣相對(duì)濕度較高（一般大于60%），但空氣中水蒸氣含量較低，無(wú)法在車體表面形成凝露。由此可見，DIN 75220中濕熱循環(huán)的夜間溫度、濕度低于國(guó)內(nèi)濕熱氣候環(huán)境溫度、濕度，對(duì)試驗(yàn)車輛涂層、金屬零件的腐蝕作用較小。

圖7 國(guó)內(nèi)濕熱氣候環(huán)境無(wú)光照狀態(tài)下的月平均相對(duì)濕度

3.2 車身微環(huán)境條件分析

通過監(jiān)測(cè)環(huán)境艙與大氣暴露試驗(yàn)過程中零件表面溫度、光照強(qiáng)度，選擇如表1所示的駕駛艙空氣及不同區(qū)域、不同位置的典型內(nèi)外飾零件，對(duì)比零件表面溫度及綜合環(huán)境應(yīng)力的溫度校正輻射量，以研究DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，環(huán)境艙試驗(yàn)與大氣暴露試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)性。

表1 駕駛艙空氣和內(nèi)外飾典型代表零件

3.2.1 車身溫度

圖8所示為環(huán)境艙試驗(yàn)與濕熱大氣暴露試驗(yàn)零件表面溫度對(duì)比結(jié)果。由圖8可知：環(huán)境艙試驗(yàn)中，零件表面最高溫度大部分超過大氣暴露試驗(yàn)零件表面最高溫度，但未達(dá)到零件設(shè)計(jì)溫度下限，滿足試驗(yàn)需求；低溫環(huán)境同樣可覆蓋濕熱氣候環(huán)境，但是環(huán)境艙試驗(yàn)時(shí)，零件溫度更低。

圖8 環(huán)境艙試驗(yàn)與濕熱大氣暴露試驗(yàn)駕駛艙空氣及內(nèi)外飾零件表面溫度

圖9所示為環(huán)境艙試驗(yàn)與干熱大氣暴露試驗(yàn)駕駛艙空氣及零件表面溫度對(duì)比結(jié)果。由圖10可知：環(huán)境艙試驗(yàn)中，零件表面最高溫度大部分超過大氣暴露試驗(yàn)零件表面最高溫度，但未達(dá)到零件設(shè)計(jì)溫度下限，滿足試驗(yàn)需求；低溫環(huán)境未能覆蓋干熱氣候環(huán)境的低溫要求，環(huán)境艙試驗(yàn)時(shí)，零件溫度較高。

圖9 環(huán)境艙試驗(yàn)與干熱大氣暴露試驗(yàn)駕駛艙空氣及內(nèi)外飾零件表面溫度

3.2.2 綜合環(huán)境應(yīng)力溫度校正輻射量

歐洲研究機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果表明，按照DIN 75220中的循環(huán)試驗(yàn)條件進(jìn)行600 h循環(huán)試驗(yàn)，相當(dāng)于在歐洲進(jìn)行大氣暴露試驗(yàn)1年的試驗(yàn)效果[3]。而國(guó)內(nèi)干濕熱氣候環(huán)境的嚴(yán)酷程度高于歐洲，600 h循環(huán)試驗(yàn)無(wú)法達(dá)到國(guó)內(nèi)干濕熱地區(qū)1年的大氣暴露試驗(yàn)效果。

對(duì)于干熱氣候環(huán)境，內(nèi)外飾零件在環(huán)境艙中開展試驗(yàn)的綜合環(huán)境應(yīng)力（溫度校正輻射量）與大氣暴露試驗(yàn)綜合環(huán)境應(yīng)力（溫度校正輻射量）的比值r1約為0.60，等效大氣暴露試驗(yàn)的時(shí)間約為7~8個(gè)月，如表2所示。

表2 環(huán)境艙試驗(yàn)與干熱大氣暴露試驗(yàn)不同零件的TNR對(duì)比

對(duì)于濕熱氣候環(huán)境，內(nèi)外飾零件在環(huán)境艙中開展試驗(yàn)的綜合環(huán)境應(yīng)力（溫度校正輻射量）與大氣暴露試驗(yàn)綜合環(huán)境應(yīng)力（溫度校正輻射量）的比值r2約為0.69，等效大氣暴露試驗(yàn)的時(shí)間約為8~9個(gè)月，如表3所示。

表3 環(huán)境艙試驗(yàn)與濕熱大氣暴露試驗(yàn)不同零件的TNR對(duì)比

從環(huán)境艙試驗(yàn)與干濕熱大氣暴露試驗(yàn)的綜合環(huán)境應(yīng)力（溫度校正輻射量）對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，一些零件在環(huán)境艙試驗(yàn)時(shí)的綜合環(huán)境應(yīng)力與大氣暴露試驗(yàn)時(shí)的綜合環(huán)境應(yīng)力具有較大差異：左前門開關(guān)面板在環(huán)境艙內(nèi)受垂直光照，但存在車門遮擋，而在大氣暴露試驗(yàn)過程中，隨著太陽(yáng)高度角的變換，左前門在午后存在陽(yáng)光直射狀態(tài)；前保險(xiǎn)杠面罩在環(huán)境艙內(nèi)受垂直光照，幾乎無(wú)直射效果，而在在大氣暴露試驗(yàn)中，隨著太陽(yáng)直射點(diǎn)的變換，在冬季存在直射狀態(tài)，緯度越高，直射狀態(tài)越久。

因此，在后續(xù)環(huán)境艙的設(shè)計(jì)中，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面強(qiáng)化不同區(qū)域的作用效果。

3.3 應(yīng)用效果

統(tǒng)計(jì)環(huán)境艙試驗(yàn)及濕熱大氣暴露試驗(yàn)問題點(diǎn)，對(duì)比分析問題點(diǎn)數(shù)量、分布、相同問題點(diǎn)等，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明：環(huán)境艙循環(huán)試驗(yàn)600 h可覆蓋濕熱大氣暴露試驗(yàn)12個(gè)月約70%的問題點(diǎn)，問題點(diǎn)集中于6個(gè)月內(nèi)；綜合考慮冬、夏季開展試驗(yàn)的差異，環(huán)境艙試驗(yàn)600 h約等效于戶外大氣暴露試驗(yàn)6~9個(gè)月。有研究結(jié)果表明，整車濕熱大氣暴露試驗(yàn)1年，相當(dāng)于在濕熱地區(qū)使用3~4年[11]。由此可見，基于DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境艙循環(huán)試驗(yàn)600 h等效于在濕熱地區(qū)使用2.0~2.5年。

表4 環(huán)境艙試驗(yàn)與濕熱大氣暴露試驗(yàn)問題點(diǎn)分布

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過整車陽(yáng)光模擬加速老化試驗(yàn)與整車大氣暴露試驗(yàn)過程中環(huán)境條件、綜合環(huán)境應(yīng)力（溫度校正輻射量）的關(guān)聯(lián)性，研究了DIN 75220試驗(yàn)方法對(duì)國(guó)內(nèi)典型干濕熱氣候環(huán)境的適用性，得到以下結(jié)論：

a.基于光照、溫度、濕度條件的分析結(jié)果顯示，DIN 75220模擬白晝的試驗(yàn)條件可覆蓋國(guó)內(nèi)干濕熱氣候環(huán)境，而模擬夜間的試驗(yàn)條件中，對(duì)于國(guó)內(nèi)干熱氣候環(huán)境的冬季夜間低溫環(huán)境、濕熱氣候環(huán)境的夜間低溫高濕環(huán)境的模擬，仍需進(jìn)一步調(diào)整。

b.基于DIN 75220的環(huán)境艙試驗(yàn)與大氣暴露試驗(yàn)相關(guān)性分析結(jié)果表明，依據(jù)DIN 75220標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行600 h循環(huán)試驗(yàn)等效濕熱大氣暴露試驗(yàn)8~9個(gè)月，等效干熱大氣暴露試驗(yàn)7~8個(gè)月，需延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間，以達(dá)到12個(gè)月的大氣暴露試驗(yàn)效果。

c.環(huán)境艙試驗(yàn)為垂直光照，對(duì)車體垂直面或易遮擋光照的位置的作用較弱，需在環(huán)境艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面強(qiáng)化不同區(qū)域的作用效果。