中美典型干熱氣候下整車大氣暴露環境嚴酷度分析

鄭習嬌，鄭海生，趙培生，關喬，吳傳洋，孫建忠

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 510640）

前言

汽車零件眾多，廣泛使用塑料、橡膠和涂層等多種材料，長期在陽光、溫度、濕度、雨水、氧、臭氧及其它環境因素的綜合作用下，容易導致汽車材料及零部件總成等發生老化及性能衰減。汽車內外表面材料的質量決定著消費者對產品的直觀印象，耐候性差的汽車產品不僅會給人不抗舊、不保值、顯廉價的視覺效果，也會進一步影響產品的裝飾性、舒適性、使用壽命及安全性等，從而降低產品的市場競爭力。整車大氣暴露試驗作為檢驗汽車主要零部件材料耐候性的重要手段，受到了國內外汽車廠家的廣泛重視。

國內外學者對汽車耐候性進行了大量研究。易玲[1]等探討汽車大氣暴露試驗的方法，包括試驗設計、暴露期限、檢測周期、檢測和評定等。王俊[2]、王劍[3]等分別對我國干熱環境及濕熱環境下整車耐候性進行評估。李秋魁[4]等人對不同車型在整車大氣暴露試驗中的失效形式、失效原因進行描述。張濤[5]等考核汽車整車在國內5個典型環境下的耐候性，對比分析各環境下整車大氣暴露試驗結果。此外，對于汽車上常用的塑料[6，8]、橡膠[7，8]和涂層等高分子材料，大量文獻對其老化行為、老化原因以及防老化體系進行了深入研究。

本文針對干熱環境，分析中美典型干熱試驗場進行大氣暴露試驗時，在環境嚴酷度、車內環境、部件溫度方面的差異，積累不同場地汽車耐候性數據，為試驗場地的選擇提供參考。

1 TNR環境應力模型

TNR模型（temperature normalized radiation，溫度調節輻照量）最早由GMW在汽車內飾材料暴曬標準中提出[9]，在相同的輻照量下，溫度更高的材料老化程度更高，因此該模型根據溫度與輻照量數據評價環境的嚴酷程度。TNR環境應力模型由于計算簡單，數據獲取容易，得到了廣泛推廣。TNR公式如下：

式中：

R—實測的太陽輻射量，蘭利（ly），每5 min取值一次；

T—試樣表面溫度（或黑板溫度計溫度），℃，每5 min取值一次；

TNR—溫度校正輻照量，由R及T計算累加得到，蘭利（ly）。

2 兩大典型干熱試驗場環境溫度對比

不同的氣候特征具有明顯的環境條件差異。研究發現，對氣候老化試驗來講，亞熱帶氣候和干熱沙漠氣候具有廣泛的代表性。在這兩種典型氣候下進行汽車大氣暴露試驗，老化效果明顯[10]。亞利桑那州鳳凰城暴露試驗站和新疆吐魯番干熱試驗場分別為國外及國內典型的干熱環境試驗站，兩者在環境嚴酷度上有相似之處又有差異。對吐魯番和鳳凰城兩個干熱自然環境試驗場某年度各月份的太陽總輻照量（45 °）、空氣溫度、空氣相對濕度數據進行統計，兩個干熱試驗場各環境因素的對比情況如下。

1）溫度

圖1～3為中美干熱試驗場月平均溫度統計、月最高溫度統計、月最低溫度統計，可以看出，3～8月份吐魯番的平均溫度和最高溫度要比鳳凰城高，而每月最低溫度要比鳳凰城低。同時，吐魯番冬季溫度最低達到-15 ℃，而鳳凰城冬季最低溫度為7 ℃。這說明吐魯番季節溫差和晝夜溫差更大。吐魯番干熱地區3月至10月的平均溫度與美國鳳凰城相差不多，吐魯番更容易出現極端高溫天氣。然而，在1月、2月、11月及12月，吐魯番地區溫度明顯低于鳳凰城。

圖1 月平均溫度對比

圖2 月最高溫度對比

圖3 月最低溫度對比

2）太陽輻射及相對濕度

圖4為中美干熱試驗場每月太陽總輻照量統計，由于吐魯番的緯度（約43 °）比鳳凰城緯度（約26 °）高，鳳凰城試驗站基本上每月的太陽輻照總量都比吐魯番高，年輻照總量鳳凰城比新疆吐魯番高出約30 %。

圖5為中美干熱試驗場月平均濕度統計，除個別月份，吐魯番每月平均相對濕度幾乎都比鳳凰城低，在7～10月，吐魯番平均濕度在25 %以下，鳳凰城平均濕度明顯較高。對比來看夏季吐魯番更為干燥。

綜上所述，吐魯番太陽輻射總量低于美國鳳凰城試驗場，而空氣溫度吐魯番季節溫差跟晝夜溫差更大。夏季吐魯番氣溫更高，冬季氣溫吐魯番與鳳凰城相差較大。從相對濕度對比來看，吐魯番氣候更加干燥。由此看出，同屬于干熱氣候，吐魯番與鳳凰城仍然存在一定的差異。

3）環境應力值

根據式（1）和每5 min一次的實測數據，得到吐魯番和鳳凰城的TNR值。吐魯番的TNR值為7 979.36 ly，鳳凰城的TNR值為10 137.02 ly。我國吐魯番干熱試驗場全年綜合環境應力低于美國鳳凰城試驗場，其嚴酷度約是鳳凰城試驗場的79 %。說明在我國吐魯番地區連續一年的汽車整車暴曬試驗無法取代鳳凰城干熱自然暴露試驗。

3 車內微環境及部件表面溫度

車內環境受到外界環境的直接影響，在車外光照、溫度、濕度的綜合影響下，不同的氣候特征會對車內環境產生不同的效果。車內空氣環境特征以及車內外部件表面溫度是直接表征整車環境嚴酷度的主要參數，對于研究車輛零部件及材料的耐候性有重要的參考作用，也能為材料老化的實驗室模擬提供具體的對應數據。在吐魯番與鳳凰城的外界環境數據分析來看，吐魯番與鳳凰城夏季平均氣溫相差不大，且夏季是一年當中氣候最嚴酷的季節，因此針對性地研究6～9月份中美干熱場車內微環境及部件溫度的差異。

將同一車型在兩大試驗場進行大氣暴露試驗，采用熱電偶，在車內儀表板下方布置空氣溫度點（如圖6），日照計測量儀表板輻射強度（如圖7）。同時，對儀表板中部、后排座椅坐墊、發動機艙蓋、車頂四個車內外部件進行表面溫度監測。吐魯番及鳳凰城試驗場6～9月份的對比數據如下。

1）車內微環境

圖8是6～9月各月份車內儀表板輻射總量對比，由于鳳凰城的外界太陽輻射總量高于吐魯番，因此儀表板太陽輻射總量鳳凰城比吐魯番更高。而圖9為6～9月車內空氣溫度對比，圖10為6～9月四個月份車內空氣溫度的總積溫時間。從圖中可以看出，吐魯番鳳凰城的平均溫度及最低溫度相差不大，最高溫度吐魯番更高一些。總體上≥50 ℃及≥60 ℃范圍的積溫時間鳳凰城更多，在極端溫度≥70 ℃區間，吐魯番的時間更長。這說明鳳凰城的儀表板輻射總量更高，而在吐魯番車內環境也更容易出現極端高溫情況。

圖4 月太陽總輻照量對比

圖5 月平均濕度對比

2）汽車部件表面溫度

圖6 部件表面溫度布點

圖7 儀表板輻射測量點

圖8 車內儀表板輻射總量對比（W/m2）

圖9 車內空氣溫度對比 （℃）

圖10 車內空氣溫度積溫時間對比（h）

圖11、圖12分別為6～9月四個月期間汽車部件表面平均溫度和最高溫度對比情況，可以看出，儀表板、后排座椅、前艙、車頂表面的平均溫度兩大試驗場相差不大，平均溫度相差不超過2 ℃。而在圖12最高溫度對比中，吐魯番的部件表面最高溫度要明顯高于鳳凰城，例如儀表板的最高溫度在吐魯番為99.7 ℃，在鳳凰城為88.3 ℃。

表1及表2列出了6～9月每個月份的部件平均溫度和最高溫度的具體數值。部件溫度主要受到太陽輻射量和環境溫度的影響。在6～8月份，基本上吐魯番試驗場部件表面溫度大于鳳凰城，參考圖1得知，這主要是由于6～8月吐魯番環境平均溫度比鳳凰城要高。其中只有7月份儀表板、座椅表面的溫度吐魯番試驗場要低于鳳凰城，由于7月兩地環境平均溫度相差相對更小，且太陽輻射量鳳凰城比吐魯番高出很多，車內部件溫度受到太陽輻射的影響較大，導致7月鳳凰城車內部件的表面溫度更高。9月份吐魯番環境溫度下降較多，因此其部件溫度也受到影響，普遍低于鳳凰城。

圖11 6～9月汽車部件表面平均溫度（℃）

圖12 6～9月汽車部件表面最高溫度（℃）

表1 汽車部件表面平均溫度（℃）

表2 汽車部件表面最高溫度（℃）

從最高溫度數據可以看出，由于6～8月吐魯番環境最高溫度比鳳凰城高，因此吐魯番試驗場車輛部件最高溫度較高。由圖2、圖4得知，9月份環境最高溫度鳳凰城與吐魯番類似，而吐魯番的輻照量少，因此吐魯番的部件最高溫度相對更低。總體來看，6～8月份吐魯番的部件平均溫度較高，而到9月份由于吐魯番環境溫度大幅下降，部件平均溫度降低，而后續月份吐魯番的溫度下降更多，輻照量更少，因此可以推測后續月份的部件表面平均溫度會低于鳳凰城，最高溫度也會低于鳳凰城。

4 結論

本文針對干熱環境，對比兩大試驗站在環境特征、整車性能、車輛失效形式等方面的差異，考核汽車整車及零部件在典型的、有代表性的干熱環境條件下的環境適應性, 積累環境適應性數據, 為汽車的材料、工藝、設計、防護技術、質量管理等方面提供科學依據，也為汽車大氣暴露試驗場地的選擇提供參考。對比兩大干熱試驗場，得出以下結論：

1）外界環境顯示，鳳凰城地區的太陽輻射強度更強，在3～10月份兩地平均溫度相差較小，但吐魯番季節溫差及晝夜溫差較大，在夏季也更容易出現極端高溫天氣。

2）由環境應力值計算得知，我國吐魯番干熱試驗場全年綜合環境應力低于美國鳳凰城試驗場，其嚴酷度約是鳳凰城試驗場的79 %。

3）由6～9月車內空氣環境溫度及儀表板輻射量對比情況得知，車內空氣平均溫度相差不大，但鳳凰城的≥50 ℃溫度范圍的時間更長，儀表板受到的輻射量也更高；而吐魯番試驗場的車內空氣最高溫度更高。

4）從6～9月車內及車外部件表面溫度情況對比發現，部件表面溫度受到環境溫度及環境輻射量的影響，而車內表面部件更容易受到強輻射的影響而溫度升高。6～8月平均溫度最高溫度吐魯番大多高于鳳凰城，9月份最高溫度平均溫度吐魯番都低于鳳凰城。