轎車零部件熱損害試驗工況研究

于翔 蘇海龍 陳玉超

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

轎車零部件熱損害試驗工況研究

于翔 蘇海龍 陳玉超

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

通過采集重慶市區(qū)內(nèi)轎車行駛參數(shù)以及環(huán)境溫度、相對濕度、日照輻射強度、地表溫度、市區(qū)路面坡度等數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計和多參數(shù)統(tǒng)計理論解析出了轎車行駛工況、市區(qū)典型環(huán)境條件以及路面實際坡度情況，并將這三部分整合成轎車零部件熱損害試驗工況。通過整車環(huán)境風洞試驗，對合成的轎車零部件熱損害試驗工況進行了驗證，結(jié)果表明，該工況能夠準確模擬出車輛實際道路運行情況，可用于評價轎車零部件使用溫度是否滿足開發(fā)要求。

1 前言

夏季是轎車自燃的多發(fā)季節(jié)，主要是由于轎車發(fā)動機艙內(nèi)及排氣系統(tǒng)周圍零部件出現(xiàn)熱損害而導致。為避免上述現(xiàn)象發(fā)生，國外主要汽車廠商在開發(fā)產(chǎn)品時，都要通過環(huán)境風洞進行轎車零部件熱損害試驗，目的是檢驗轎車在使用條件下各零部件溫度是否滿足設(shè)計要求。轎車熱損害試驗中的車輛行駛工況和環(huán)境條件決定了發(fā)動機艙內(nèi)和排氣系統(tǒng)的溫度，所以制定合理的轎車零部件熱損害試驗工況非常關(guān)鍵。目前，我國汽車行業(yè)還沒有制定相應(yīng)的轎車零部件熱損害試驗工況標準，而國外廠商制定的試驗工況并不完全符合我國實際情況，因此必須制定適合中國地區(qū)的轎車零部件熱損害試驗工況，以評價轎車機艙內(nèi)及排氣系統(tǒng)周圍零部件熱損害性能。

2 試驗工況確定

制定轎車零部件熱損害試驗工況需要從轎車的實際使用工況入手，即應(yīng)考慮導致零部件出現(xiàn)最高溫度的地區(qū)。我國南方地區(qū)轎車實際使用工況主要為低速爬坡行駛（典型山區(qū)）、高速爬坡行駛（高原地區(qū)）、高速行駛和城市行駛等4種。通過對4種路況的對比分析，確定適合進行轎車零部件熱損害試驗的地區(qū)為海南五指山區(qū)公路、云南地區(qū)元江至墨江段高速公路、海南環(huán)島高速和重慶市區(qū)，各地區(qū)試驗條件和路況信息見表1。

表1 各地區(qū)試驗條件與路況信息

在7～8月的高溫季節(jié)，在選定的試驗地區(qū)進行了轎車使用條件下的發(fā)動機艙內(nèi)及排氣系統(tǒng)周圍零部件溫度測試，每個地區(qū)試驗次數(shù)大于20次，試驗車輛為紅旗H7（3.0 L）、豐田銳志（2.5 L）和奧迪A6L（3.0T），試驗結(jié)果見圖1～圖3。

由圖1～圖3可看出，轎車在重慶市區(qū)行駛條件下零部件表面溫度最高，所以選擇重慶市區(qū)的車輛行駛工況和環(huán)境條件作為我國典型工況來考察轎車零部件熱損害性能。

3 車輛行駛工況制定

3.1 確定試驗路線

車輛行駛工況主要受道路等級、交通強度（車輛流量、周轉(zhuǎn)量等）及交叉口密度和時間等因素影響。為此收集重慶市區(qū)道路的相關(guān)數(shù)據(jù)并進行了統(tǒng)計分析，根據(jù)各等級路段所占比例確定了合理的試驗路段，所選道路可反映出重慶市區(qū)主要道路狀況，最終制定的重慶市區(qū)內(nèi)轎車行駛路線為：沿紅石路→盤溪路→龍山路→余松路→新解放立交橋→紅棉大道→渝澳大道→紅石路循環(huán)行駛。

3.2 試驗方法與測量參數(shù)

在重慶“最熱”季節(jié)，選取紅旗H7和豐田銳志2臺車輛按設(shè)定路線隨車流正常行駛，連續(xù)采樣15天，采樣時間為每天9時～18時。通過GPS和車輛CAN總線采集車輛運行信息；使用綜合氣象儀測量路面上方1 m處空氣溫度、相對濕度、日照輻射強度及試驗路段地表溫度；使用溫度數(shù)據(jù)采集儀測量車輛發(fā)動機艙內(nèi)和排氣系統(tǒng)周邊典型部件的表面溫度。

3.3 行駛工況合成理論

根據(jù)車輛運行信息統(tǒng)計出行駛曲線的特征參數(shù)值，再應(yīng)用主成分分析法、聚類分析等多參數(shù)統(tǒng)計理論對運動學片段（將車輛從一個怠速開始到下一個怠速開始的運動定義為運動學片段）進行研究、歸類，然后構(gòu)建循環(huán)工況[1]。進行不同行駛工況曲線橫向比較時都會以一些能代表其特點的特征參數(shù)做為評價標準（表2），這些特征參數(shù)也是構(gòu)建工況行駛曲線的基本特征值[2]。表2中，車輛加速度≥0.1 m/s2的連續(xù)行駛過程定義為加速工況，車輛加速度≤-0.1 m/s2的連續(xù)行駛過程定義為減速工況，車輛加速度絕對值＜0.1 m/s2且車速不為0的連續(xù)行駛過程定義為勻速工況。

表2 運動學片段特征參數(shù)

3.4 行駛工況合成

應(yīng)用專業(yè)分析軟件SPSS的快速樣本聚類法（K-means Cluster）將試驗采集的車輛運動學片段總體樣本分為2類，表3為各類運動學片段綜合特征值，代表總體樣本基于交通特征的平均統(tǒng)計量[3]。通過分析2類運動學片段的15個平均統(tǒng)計量可知，第1類運動學片段的怠速比例是第2類的4.8倍，第2類的運行時間、行駛距離、最高速度、平均速度、運行速度等指標均比第1類要高。顯然第1類運動學片段可反映車輛在交通擁擠的主干道上的行駛特征，第2類反映了車輛在交通暢通的快速路上的行駛特征。

表3 2類運動學片段綜合特征值

通過對試驗測量的車輛發(fā)動機艙內(nèi)和排氣系統(tǒng)周邊典型零部件表面溫度結(jié)果統(tǒng)計可知，在市區(qū)內(nèi)車輛行駛約50 min后，各測點溫度達到平衡狀態(tài)，所以最終確定車輛行駛工況時間共計3 000 s，其中車輛運行時間為2 400 s，運行結(jié)束后怠速時間為600 s。

根據(jù)上述測量結(jié)果構(gòu)建的車輛行駛工況如圖4所示。

3.5 道路坡度確定

在相同速度行駛工況條件下，行駛路面坡度的增加必然增大轎車行駛阻力，導致發(fā)動機負荷增大、發(fā)熱量增加，一定程度上使轎車發(fā)動機艙內(nèi)以及排氣系統(tǒng)周圍零部件工作溫度升高。因重慶屬于“山城”，所以車輛行駛工況中要導入坡度，且導入坡度時要考慮行駛工況中坡度所占的里程比例、車速與坡度的關(guān)系、施加坡度的大小等。根據(jù)GPS采集的路況信息，將試驗行駛路線按照坡度變化情況分為6段，各試驗路段的坡度、車速及里程統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。

因低于2%的坡度對發(fā)動機負荷影響較小，所以行駛工況中主要導入2%以上的坡度。根據(jù)圖5中平均坡度大于2%路段的里程占總行駛里程比例，確定行駛工況中坡度里程占總里程的1/4。結(jié)合《重慶市城市道路交通規(guī)劃及路線設(shè)計規(guī)范》，確定行駛工況導入坡度為2%和3%。根據(jù)圖5中統(tǒng)計車速與坡度的關(guān)系，確定在行駛工況中主干路模擬段施加3%坡度，快速路模擬段施加2%坡度。

3.6 車輛行駛工況確定

在構(gòu)建的行駛工況基礎(chǔ)上導入確定的坡度條件，形成最終的轎車零部件熱損害試驗車輛行駛工況如圖6所示。

4 試驗環(huán)境條件確定

測試期間每天9時～18時分時段測量重慶市城區(qū)環(huán)境溫度、相對濕度、地表溫度和日照輻射強度，共35組數(shù)據(jù)。由于采集的數(shù)據(jù)量有限，不能直接用來定義試驗工況中的環(huán)境條件，所以需將試驗采集的數(shù)據(jù)與相同時期氣象局統(tǒng)計數(shù)據(jù)（1980年～2012年）進行對比分析，以確定最終的試驗環(huán)境條件。

4.1 環(huán)境溫度與相對濕度的確定

將采集的環(huán)境溫度和相對濕度與氣象局統(tǒng)計數(shù)據(jù)中最高環(huán)境溫度和對應(yīng)的相對濕度進行對比，并對數(shù)據(jù)進行線性擬合，如圖7所示。

由圖7可看出，試驗采集數(shù)據(jù)與氣象局統(tǒng)計數(shù)據(jù)擬合的線性曲線趨于平行，斜率基本相同，說明重慶市區(qū)環(huán)境溫度與相對濕度的對應(yīng)變化關(guān)系是確定的，只要確定出環(huán)境溫度，相對濕度即可計算得出。

實際測量的道路上方環(huán)境溫度高于氣象局預(yù)報的環(huán)境溫度，說明市區(qū)的環(huán)境溫度受“熱島效應(yīng)”影響，即市區(qū)內(nèi)空氣溫度比郊區(qū)（氣象站位于郊區(qū)）普遍升高約3～5℃，相同環(huán)境溫度條件下相對濕度會降低10%左右。所以根據(jù)上述信息最終確定試驗環(huán)境溫度為43℃、相對濕度為15%。

4.2 道路地表溫度與日照輻射強度的確定

用地表溫度與環(huán)境溫度差值作為自變量，相對濕度、日照輻射強度作為因變量進行了回歸分析[4]，由分析結(jié)果可知，因變量對自變量的影響程度在80%左右，因變量中日照輻射強度為最顯著影響因素。將重慶市區(qū)道路地表溫度與環(huán)境溫度的差值同日照輻射強度的測量數(shù)據(jù)進行線性擬合，結(jié)果如圖8所示。因擬合結(jié)果的R2＞0.8，說明這2個變量的線性相關(guān)度很高。通過查閱重慶市的氣象資料，確定試驗條件中的日照輻射強度為1 000 W/m2，再根據(jù)圖8中擬合方程可計算出地表溫度與環(huán)境溫度差值為23℃，由此確定地表溫度為66℃。

5 轎車環(huán)境風洞試驗

為驗證制定的轎車零部件熱損害試驗工況的準確性，并進一步確定試驗工況中環(huán)境因素、坡度因素對試驗結(jié)果的影響程度，選擇紅旗H7（3.0 L）在環(huán)境風洞內(nèi)進行了測試，并與道路試驗結(jié)果進行了對比，見表4。表4中，方案1指按照制定的轎車零部件熱損害試驗工況進行試驗；方案2指在方案1基礎(chǔ)上取消行駛工況中的坡度因素；方案3指在方案1基礎(chǔ)上取消日照輻射強度和地表溫度，僅將試驗環(huán)境溫度控制為25℃。

表4 道路試驗與環(huán)境風洞試驗結(jié)果對比

由表4可知，方案1試驗結(jié)果與道路試驗結(jié)果之間偏差均為正，各零部件的表面溫度均高于道路試驗結(jié)果，說明按照制定的轎車零部件熱損害試驗工況測試后，評價合格的車輛在實際道路使用中不會出現(xiàn)零部件過熱損害現(xiàn)象。

方案2試驗結(jié)果與道路試驗結(jié)果偏差平均值為-4%，尤其是排氣系統(tǒng)表面偏差較大，平均值達到-16%；方案3試驗結(jié)果與道路試驗結(jié)果偏差平均值為-25%。這2種方案的試驗結(jié)果明顯低于車輛在道路行駛條件下零部件溫度，說明不考慮這2個因素的轎車零部件熱損害試驗工況無法正確評價零部件熱損害性能，所以在環(huán)境風洞內(nèi)進行轎車零部件熱損害試驗時必須考慮坡度、環(huán)境因素對試驗結(jié)果的影響。

6 結(jié)束語

本文應(yīng)用主成分分析和聚類分析法解析出重慶市區(qū)轎車行駛工況，考慮環(huán)境條件因素以及道路坡度因素情況，編制出適合我國地區(qū)的轎車零部件熱損害試驗工況，并進行了環(huán)境風洞試驗驗證。試驗結(jié)果表明，所制定的轎車零部件熱損害試驗工況能夠用來評價轎車機艙內(nèi)及排氣系統(tǒng)周圍零部件熱損害性能，對轎車開發(fā)中零部件布置與選型有指導意義。

1 李孟良，朱西產(chǎn)，張建偉，等.典型城市車輛行駛工況構(gòu)成的研究.汽車工程，2005,27（5）：557～560.

2 艾國河，喬維高，李孟良，等.車輛行駛運動學參數(shù)構(gòu)成分析.公路交通科技，2006（2）：154～157.

3 馬志雄，朱西產(chǎn)，李孟良，等.動態(tài)聚類法在車輛實際行駛工況開發(fā)中的應(yīng)用.武漢理工大學學報，2005，27（11）：69～71，81.

4 李云雁，胡傳榮.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理.北京：化學工業(yè)出版社，2008.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2014年12月19日。

Research on Thermal Damage Conditions of Passenger Car Components

Yu xiang,Su Hailong,Chen Yuchao
（China FAW Corporation R&D Center）

By acquiring car driving parameters in Chongqing urban area and data like ambient temperature, relative humidity,solar radiation intensity,ground surface temperature,urban road slope,etc.,we use mathematical statistics and multi-parameter statistics theory to analyze car driving conditions,typical urban environmental conditions and real road slope,which are integrated into thermal damage test conditions for passenger car components.This test condition is put to vehicle environmental tunnel test for verification.The results show that this test condition can accurately simulate vehicle driving conditions on road,can serve to estimate whether passenger car components service temperature satisfy development requirement.

Passenger car,Components thermal damage,Test condition

轎車 零部件熱損害 試驗工況

U467.3

A

1000-3703（2015）06-0045-05