DIN 75220對國內典型干濕熱氣候環境的適用性研究

曾文波 駱立良 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）

1 前言

長期以來，整車大氣暴露試驗因環境條件真實、貼近用戶的實際使用環境，成為驗證汽車整車耐候性能的主要手段[1]，同時，整車大氣暴露試驗方法的國家標準于2021年發布[2]。但是，整車大氣暴露試驗周期長、試驗條件不穩定、試驗結果復現性差，無法滿足汽車產品的更新換代、產品改進等開發需求[3]。目前，行業內主流汽車品牌在汽車正向開發驗證中，整車耐候性能的驗證以整車光老化加速試驗為主，并建立了整車、零部件及材料的全光譜加速老化試驗方法[4-6]，大幅縮短了產品的開發周期。國內在整車光老化加速試驗技術領域處于起步階段，研究較少[7]。2018年，乘用車整車太陽光模擬加速老化試驗方法標準首次發布[8]。當前，整車陽光模擬加速老化試驗在國內汽車行業已開始應用于車型開發的正向驗證，但是基礎薄弱，試驗方法標準主要參考國外標準，標準的試驗條件能否適用于國內氣候環境有待進一步研究。

因此，本文通過開展整車自然暴露試驗及整車陽光模擬加速老化試驗，收集國內典型干濕熱氣候環境數據、車身微環境數據等，對比分析光照、溫度、濕度等試驗條件，以及車身微環境條件、綜合環境應力、試驗結果等，研究DIN 75220《太陽模擬裝置中汽車部件的老化試驗》[4]對國內典型干濕熱氣候環境的適用性，為開發模擬國內干濕熱氣候環境的整車加速老化試驗方法提供數據支撐。

2 試驗方法

2.1 整車大氣暴露試驗

依據QC/T 728—2005《汽車整車大氣暴露試驗方法》[9]，分別在新疆吐魯番干熱地區、海南瓊海濕熱地區開展整車大氣暴露試驗，試驗時間為1年，試驗過程中每5 min采集一次車內外太陽總輻射強度、空氣溫度、相對濕度、車體表面溫度等數據。

2.2 整車陽光模擬加速老化試驗

依據DIN 75220，在試驗艙內開展整車陽光模擬加速老化試驗，依次進行15個連續干熱氣候循環和10個連續濕熱氣候循環試驗，共600 h，試驗過程中每5 min采集一次車內外光照總輻射強度、空氣溫度、相對濕度、車體表面溫度等數據。

2.3 試驗設備

整車老化試驗分別在環境艙及大氣環境中完成，試驗設備包括數據采集器、太陽輻射表、空氣溫濕度傳感器、熱電偶等。

2.4 等效性分析模型

整車陽光模擬加速老化試驗與大氣暴露試驗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輻射所產生的效應中溫度的影響，近似計算得到歸一化的太陽輻射量（溫度效應轉化為輻射效應），以此確定試驗周期，是目前應用最為廣泛的綜合環境應力模型：

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為總時長。

3 結果與分析

3.1 試驗條件分析

3.1.1 模擬白晝的試驗條件

3.1.1.1 光照條件

圖1所示為國內干濕熱氣候環境的太陽總輻射強度月分布情況。

圖1 國內干濕熱氣候環境太陽總輻射強度月分布情況

對于國內干熱氣候環境，本文對吐魯番地區2020年太陽輻射（45°）的監測數據顯示，月平均最高太陽輻射強度約為1011 W/m2，最大輻射強度約為1164 W/m2，但高強度輻射時間不長。統計數據顯示，2020年太陽輻射強度高于1000 W/m2的累計時間約為20 h，僅占有光照（太陽輻射強度>0）時間的0.4%。

對于國內濕熱氣候環境，本文對瓊海地區2021年7月至2022年7月太陽輻射（45°）的監測數據顯示，月平均最大太陽輻射強度約為1154 W/m2，最大輻射強度約為1303 W/m2。統計數據顯示，2021年7月至2022年7月期間太陽輻射強度高于1000 W/m2的累計時間約為55 h，僅占有光照（太陽輻射強度>0）時間的1.2%。

由此可見，DIN 75220設置的光照強度條件(1000±100)W/m2適用于模擬國內典型干濕熱氣候環境光照條件，同時避免了過高的光照強度導致的非正常條件老化。但該標準設置的光照能量不足，基于DIN 75220的試驗條件，在環境艙中循環試驗600 h的光照輻射量約為1327 MJ/m2，相當于干熱氣候條件自然暴曬2~3個月，濕熱氣候條件自然暴曬3~4個月[1]。

3.1.1.2 光照時的溫度條件

圖2所示為國內干濕熱地區氣候環境月最高溫度分布情況。

圖2 國內干濕熱氣候環境月最高溫度

對于國內干熱地區，2020年吐魯番地區監測數據顯示，年最高氣溫為45.2℃，超過40℃的累計時間為239 h，超過42℃的累計時間為94.5 h；對于國內濕熱地區，2021年7月至2022年7月瓊海地區監測數據顯示，年最高氣溫為38.3℃，無超過40℃的高溫天氣。汽車產品在不同溫度環境中使用時，必須滿足較高溫度要求。因此，試驗車輛必須滿足干熱氣候環境不低于45℃的使用性能。DIN 75220標準設置的環境溫度為(42±3)℃，適用于模擬國內干濕熱氣候環境的高溫條件，可確保試驗車輛在光照時處于高溫環境中。

3.1.1.3 光照時的相對濕度條件

對于干熱氣候環境，光照對濕度的影響不明顯，如圖3所示。統計數據顯示：光照強度大于0時，年平均相對濕度約為28%；光照強度大于100 W/m2時，年平均相對濕度約為27%；光照強度大于200 W/m2時，年平均相對濕度約為26%；光照強度大于800 W/m2時，年平均相對濕度約為24%。而在干燥的3月至10月，在有光照的條件下（光照強度大于0），平均相對濕度約為17%。由此可見，DIN 75220設置干熱白晝的空氣相對濕度為不大于30%，適用于模擬國內干熱氣候環境濕度條件，可確保試驗車輛處于高溫干燥環境中。

圖3 國內干熱氣候環境不同光照強度下的月平均相對濕度

對于濕熱氣候環境，由于空氣濕度大，光照對濕度的影響較干熱氣候環境明顯，且全年濕度較為平均，偏差較小，如圖4所示。統計數據顯示：光照強度大于0時，年平均相對濕度約為77%；光照強度大于100 W/m2時，年平均相對濕度約為69%；光照強度大于200 W/m2時，年平均相對濕度約為64%；光照強度大于800 W/m2時，年平均相對濕度約為62%。由此可見，DIN 75220設置濕熱白晝的空氣相對濕度條件為不小于60%，適用于模擬濕熱地區光照時的濕度條件，可確保試驗車輛處于高溫濕熱環境中。

圖4 國內濕熱氣候環境不同光照強度下的月平均相對濕度

3.1.2 模擬夜間的試驗條件

3.1.2.1 夜間溫度條件

DIN 75220標準中，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。對于吐魯番干熱地區，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，受西北季風影響，寒冷干燥，最低氣溫達到-17.9℃，10月至次年3月的平均最低溫度約為-8.1℃。因此，DIN 75220設置模擬干熱氣候夜間的溫度條件為(10±3)℃，高于國內干熱地區冬季的夜間低溫要求，僅適用于夏季4月至9月的夜間低溫環境。

圖5 國內干濕熱氣候環境月最低溫度分布

DIN 75220標準中，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寒冷夜晚低溫環境。對于瓊海濕熱地區，2021年7月至2022年7月最低溫度為9.9℃，見圖5。因此，DIN 75220標準中，濕熱循環的低溫條件雖能覆蓋瓊海濕熱地區，但是溫度過低，不適用于瓊海濕熱地區的低溫環境。

3.1.2.2 夜間濕度條件

國內吐魯番地區每月最高濕度如圖6所示。統計結果表明，吐魯番地區在7月與8月期間最高相對濕度超過60%，說明我國干熱地區夜間仍然可能出現較高的空氣相對濕度，與DIN 75220標準中模擬干熱氣候環境夜間濕度條件一致，符合我國吐魯番地區的干熱氣候環境特征。

圖6 國內干熱氣候環境月最高相對濕度

而對于國內濕熱氣候環境的空氣相對濕度，如圖7所示，在無光照條件下，年平均相對濕度為89%，空氣中水蒸氣含量較高，遠高于DIN 75220標準中模擬濕熱氣候環境的濕度。而DIN 75220的濕熱循環受夜間低溫條件影響，雖然空氣相對濕度較高（一般大于60%），但空氣中水蒸氣含量較低，無法在車體表面形成凝露。由此可見，DIN 75220中濕熱循環的夜間溫度、濕度低于國內濕熱氣候環境溫度、濕度，對試驗車輛涂層、金屬零件的腐蝕作用較小。

圖7 國內濕熱氣候環境無光照狀態下的月平均相對濕度

3.2 車身微環境條件分析

通過監測環境艙與大氣暴露試驗過程中零件表面溫度、光照強度，選擇如表1所示的駕駛艙空氣及不同區域、不同位置的典型內外飾零件，對比零件表面溫度及綜合環境應力的溫度校正輻射量，以研究DIN 75220標準試驗條件下，環境艙試驗與大氣暴露試驗的關聯性。

表1 駕駛艙空氣和內外飾典型代表零件

3.2.1 車身溫度

圖8所示為環境艙試驗與濕熱大氣暴露試驗零件表面溫度對比結果。由圖8可知：環境艙試驗中，零件表面最高溫度大部分超過大氣暴露試驗零件表面最高溫度，但未達到零件設計溫度下限，滿足試驗需求；低溫環境同樣可覆蓋濕熱氣候環境，但是環境艙試驗時，零件溫度更低。

圖8 環境艙試驗與濕熱大氣暴露試驗駕駛艙空氣及內外飾零件表面溫度

圖9所示為環境艙試驗與干熱大氣暴露試驗駕駛艙空氣及零件表面溫度對比結果。由圖10可知：環境艙試驗中，零件表面最高溫度大部分超過大氣暴露試驗零件表面最高溫度，但未達到零件設計溫度下限，滿足試驗需求；低溫環境未能覆蓋干熱氣候環境的低溫要求，環境艙試驗時，零件溫度較高。

圖9 環境艙試驗與干熱大氣暴露試驗駕駛艙空氣及內外飾零件表面溫度

3.2.2 綜合環境應力溫度校正輻射量

歐洲研究機構的研究結果表明，按照DIN 75220中的循環試驗條件進行600 h循環試驗，相當于在歐洲進行大氣暴露試驗1年的試驗效果[3]。而國內干濕熱氣候環境的嚴酷程度高于歐洲，600 h循環試驗無法達到國內干濕熱地區1年的大氣暴露試驗效果。

對于干熱氣候環境，內外飾零件在環境艙中開展試驗的綜合環境應力（溫度校正輻射量）與大氣暴露試驗綜合環境應力（溫度校正輻射量）的比值r1約為0.60，等效大氣暴露試驗的時間約為7~8個月，如表2所示。

表2 環境艙試驗與干熱大氣暴露試驗不同零件的TNR對比

對于濕熱氣候環境，內外飾零件在環境艙中開展試驗的綜合環境應力（溫度校正輻射量）與大氣暴露試驗綜合環境應力（溫度校正輻射量）的比值r2約為0.69，等效大氣暴露試驗的時間約為8~9個月，如表3所示。

表3 環境艙試驗與濕熱大氣暴露試驗不同零件的TNR對比

從環境艙試驗與干濕熱大氣暴露試驗的綜合環境應力（溫度校正輻射量）對比中發現，一些零件在環境艙試驗時的綜合環境應力與大氣暴露試驗時的綜合環境應力具有較大差異：左前門開關面板在環境艙內受垂直光照，但存在車門遮擋，而在大氣暴露試驗過程中，隨著太陽高度角的變換，左前門在午后存在陽光直射狀態；前保險杠面罩在環境艙內受垂直光照，幾乎無直射效果，而在在大氣暴露試驗中，隨著太陽直射點的變換，在冬季存在直射狀態，緯度越高，直射狀態越久。

因此，在后續環境艙的設計中，需在結構設計方面強化不同區域的作用效果。

3.3 應用效果

統計環境艙試驗及濕熱大氣暴露試驗問題點，對比分析問題點數量、分布、相同問題點等，結果如表4所示。結果表明：環境艙循環試驗600 h可覆蓋濕熱大氣暴露試驗12個月約70%的問題點，問題點集中于6個月內；綜合考慮冬、夏季開展試驗的差異，環境艙試驗600 h約等效于戶外大氣暴露試驗6~9個月。有研究結果表明，整車濕熱大氣暴露試驗1年，相當于在濕熱地區使用3~4年[11]。由此可見，基于DIN 75220標準，環境艙循環試驗600 h等效于在濕熱地區使用2.0~2.5年。

表4 環境艙試驗與濕熱大氣暴露試驗問題點分布

4 結束語

本文通過整車陽光模擬加速老化試驗與整車大氣暴露試驗過程中環境條件、綜合環境應力（溫度校正輻射量）的關聯性，研究了DIN 75220試驗方法對國內典型干濕熱氣候環境的適用性，得到以下結論：

a.基于光照、溫度、濕度條件的分析結果顯示，DIN 75220模擬白晝的試驗條件可覆蓋國內干濕熱氣候環境，而模擬夜間的試驗條件中，對于國內干熱氣候環境的冬季夜間低溫環境、濕熱氣候環境的夜間低溫高濕環境的模擬，仍需進一步調整。

b.基于DIN 75220的環境艙試驗與大氣暴露試驗相關性分析結果表明，依據DIN 75220標準進行600 h循環試驗等效濕熱大氣暴露試驗8~9個月，等效干熱大氣暴露試驗7~8個月，需延長試驗時間，以達到12個月的大氣暴露試驗效果。

c.環境艙試驗為垂直光照，對車體垂直面或易遮擋光照的位置的作用較弱，需在環境艙的結構設計方面強化不同區域的作用效果。