乘用車在海南濕熱和新疆干熱環(huán)境下的自然暴露試驗(yàn)研究

周佑洲，李萌，高志見，李燕，郭秋彥，馬秋

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

前言

非金屬高分子材料具有重量輕、良好的加工性能、優(yōu)良的綜合性能、優(yōu)秀的裝飾效果以及節(jié)能和環(huán)保等特性，使得高分子材料在汽車中的應(yīng)用越來越廣泛。汽車是一種廣泛使用的戶外交通工具，在其使用周期內(nèi)會受到各種環(huán)境因素的影響，如陽光、高溫、低溫、雨水、沙塵等，從而使汽車不可避免地出現(xiàn)老化、腐蝕等失效現(xiàn)象，一方面可能會引起用戶的售后抱怨，另一方面也會影響汽車二次流通的價值，嚴(yán)重的會造成功能損失甚至是安全隱患。因此，汽車的耐候性研究變得愈發(fā)的重要，同時它也是衡量汽車品質(zhì)的重要指標(biāo)之一[1,2]。

汽車耐候性試驗(yàn)按照試驗(yàn)對象和試驗(yàn)方法有不同的分類方式，依據(jù)試驗(yàn)方法的不同可分為自然氣候老化試驗(yàn)、自然加速暴露試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室人工加速氣候老化試驗(yàn)等[2,3]。其中，自然氣候老化試驗(yàn)是最符合用戶使用環(huán)境的試驗(yàn)方法，是檢驗(yàn)整車、零部件和材料耐候性最真實(shí)、可靠的試驗(yàn)方法，也是設(shè)計實(shí)驗(yàn)室氣候老化試驗(yàn)的基礎(chǔ)。整車自然暴露試驗(yàn)也因此作為整車、零部件和材料的耐候性試驗(yàn)方法與技術(shù)要求的制定依據(jù)和評價依據(jù)[4,5]。

光、熱、水是地球上三種最基本的氣候要素，是影響汽車耐候性的主要因素，其中最典型的氣候類型有濕熱氣候和干熱氣候。美國佛羅里達(dá)州的邁阿密地區(qū)和亞利桑那州的鳳凰城地區(qū)是國際公認(rèn)的濕熱氣候和干熱氣候的典型代表，我國的海南瓊海和新疆吐魯番地區(qū)也是理想的濕熱氣候和干熱氣候老化試驗(yàn)地點(diǎn)[3,5]。

本研究主要將某國產(chǎn)品牌乘用車分別放在海南濕熱和新疆干熱的大氣暴露環(huán)境下，然后從整車試驗(yàn)環(huán)境和失效行為兩個方面對兩地的整車暴露試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，并分析其原因，從而為乘用車的耐候性設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 主要設(shè)備和儀器

數(shù)據(jù)采集器：CR1000，美國Campbell公司；

太陽總輻射傳感器：CM4，荷蘭Kipp&Zonen公司；

表面溫度傳感器：T型熱電偶；

環(huán)境濕度傳感器：PTS-2，錦州陽光氣象科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)車輛

某國產(chǎn)品牌轎車，黑色車身和內(nèi)飾。

1.3 汽車整車自然暴露試驗(yàn)

參照QC/T 728-2005《汽車整車大氣暴露試驗(yàn)方法》[6]，將整車分別放置于海南瓊海（東經(jīng)110°28′，北緯19°14′）和新疆吐魯番（東經(jīng)89°12′，北緯42°56′）試驗(yàn)場內(nèi)進(jìn)行自然暴露試驗(yàn)，試驗(yàn)車的車頭朝南（赤道方向），并在規(guī)定的測量點(diǎn)布置輻照度、溫度和濕度傳感器，暴露試驗(yàn)周期為1年，每2個月對整車進(jìn)行檢查，并詳細(xì)記錄外觀、涂層附著力、使用功能的變化現(xiàn)象及變化等級。

2 結(jié)果與分析

2.1 整車試驗(yàn)環(huán)境分析

2.1.1 光照

海南和新疆的光照數(shù)據(jù)如表1所示，可以看出新疆年太陽輻照量要高于海南年太陽輻照量，主要原因是新疆的日照時數(shù)長，且輻照度接收器與水平面呈45 °，與新疆暴曬試驗(yàn)場的維度角接近；而儀表板輻照量呈現(xiàn)相反的結(jié)果，主要原因是海南的維度低，儀表板上的輻照度接收器接近水平位置。

表1 某車型海南和新疆暴曬1年光照數(shù)據(jù)

2.1.2 溫度

該車型在海南和新疆暴曬時典型部位最高溫度和最低溫度如表2所示。由最高溫度數(shù)值可以看出，對于車外零件而言，水平暴露的金屬零件如機(jī)艙前蓋板溫度最高，達(dá)到90 ℃以上；水平暴露的塑料件如通風(fēng)蓋板溫度次之，達(dá)到80 ℃以上；而垂直暴露的塑料件如前保險杠溫度則較低，處于80 ℃以下。對于車內(nèi)零件而言，離前風(fēng)擋玻璃最近受陽光強(qiáng)烈影響的零件如儀表板上罩溫度最高，達(dá)到100 ℃以上；離前后風(fēng)擋玻璃較近受陽光較強(qiáng)影響的零件如轉(zhuǎn)向盤輪緣溫度次之，達(dá)到90 ℃以上；離前后風(fēng)擋玻璃較遠(yuǎn)受陽光一般影響的零件如副儀表板溫度較低，處于80 ℃以上；而受陽光較弱影響的零件如地毯溫度則最低，處于80 ℃以下。

表2 某車型海南和新疆暴曬1年典型部位溫度數(shù)據(jù)

由內(nèi)外飾零件的最低溫度可以看出，海南暴露環(huán)境下零件的最低表面溫度都在0 ℃以上，高緯度的新疆暴露環(huán)境下零件的最低表面溫度處于0 ℃以下。汽車在新疆暴曬環(huán)境下，零件表面的溫差更大，受到的溫度交變沖擊更加嚴(yán)酷；而汽車在海南暴曬環(huán)境下，零件表面的平均溫度則更高，受到的累積熱效應(yīng)更加顯著。

2.1.3 水分

海南和新疆的濕度和降水?dāng)?shù)據(jù)如表3所示，可以看出，海南的降水量和車內(nèi)外的平均濕度均高于新疆，同海南瓊海屬于沿海濕熱氣候，新疆吐魯番屬于沙漠干熱氣候相對應(yīng)。

表3 某車型海南和新疆暴曬1年濕度和降水?dāng)?shù)據(jù)

2.2 失效行為分析

對海南和新疆整車暴曬試驗(yàn)1年后的所有失效行為進(jìn)行失效問題數(shù)量、失效問題類型和失效問題原因進(jìn)行歸類統(tǒng)計分析，進(jìn)而為汽車耐候性開發(fā)提出合理化的建議。

2.2.1 失效問題數(shù)量

圖1統(tǒng)計了海南和新疆的樣車分別經(jīng)過1年戶外暴曬試驗(yàn)后的問題數(shù)量，海南和新疆的問題總數(shù)分別為20個和21個，遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)中整車的試驗(yàn)問題的數(shù)量和同時期試驗(yàn)車輛的問題數(shù)量[5,7]。這是因?yàn)橄噍^于同品牌歷史車型和同期車型，本車型在材料、零部件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和零部件的試驗(yàn)方法方面進(jìn)行了改善，如對部分零部件的老化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了提升，關(guān)鍵零部件在試驗(yàn)驗(yàn)證過程中增加模擬實(shí)車裝配狀態(tài)的工裝等。

圖1 海南和新疆暴曬試驗(yàn)車問題數(shù)量

海南和新疆暴曬試驗(yàn)車有5個為重合性問題，即海南和新疆暴曬試驗(yàn)車上均出現(xiàn)的問題，其余的為各自單獨(dú)出現(xiàn)的問題，說明了濕熱環(huán)境和干熱環(huán)境對整車的影響是有差異的，在零件設(shè)計過程中需要考慮不同的氣候環(huán)境的影響。

2.2.2 失效問題類型

海南和新疆試驗(yàn)場樣車的失效均為外觀失效類問題，包括變形、發(fā)白、脫膠及銹蝕等，無安全和功能失效類問題的出現(xiàn)，圖2統(tǒng)計了海南和新疆的樣車分別經(jīng)過1年戶外暴曬試驗(yàn)后不同失效類型出現(xiàn)的數(shù)量，圖3則是統(tǒng)計了海南和新疆的試驗(yàn)樣車發(fā)白和變形問題所在位置的分布。

圖2 海南和新疆暴曬試驗(yàn)車問題類型分布

圖3 海南和新疆暴曬試驗(yàn)車發(fā)白和變形問題所在位置分布

海南暴曬出現(xiàn)獨(dú)有的失效形式有脫膠和銹蝕，主要的原因是瓊海屬于沿海城市，空氣相對濕度較高并且高溫多雨，從而導(dǎo)致丙烯酸類膠粘劑粘結(jié)失效和金屬件表面銹蝕。

新疆暴曬發(fā)白問題更多，并且主要集中在車外零件，這是由于新疆的太陽輻照量更大，并且車外零件同時受到風(fēng)沙等因素的強(qiáng)烈影響。海南和新疆的變形問題主要集中在車內(nèi)零件，這是由于車內(nèi)裝飾件更多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且零件表面的溫度更高，相比較于車外零件，車內(nèi)零件的溫度環(huán)境更為嚴(yán)苛。

2.2.3 失效問題原因

按照問題的產(chǎn)生的原因?qū)⒄囋囼?yàn)問題分為材料問題、工藝問題、設(shè)計問題、裝配問題和質(zhì)量問題，圖4統(tǒng)計了海南和新疆的樣車分別經(jīng)過1年戶外暴曬試驗(yàn)后問題原因類型的數(shù)量。從圖中可以看出，海南和新疆暴曬問題原因主要集中在材料問題和設(shè)計問題，需要通過更換材料和優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)才能解決，該類問題的解決需要較長的周期和較高的成本，最好在汽車開發(fā)設(shè)計的前期就能發(fā)現(xiàn)和解決。而發(fā)現(xiàn)材料和設(shè)計類問題的關(guān)鍵所在就是要設(shè)置同暴曬條件匹配的材料標(biāo)準(zhǔn)和零部件標(biāo)準(zhǔn)，整車自然暴曬除了對整車耐候性進(jìn)行驗(yàn)證外，一個重要意義就在于通過暴曬試驗(yàn)的數(shù)據(jù)修正和完善零部件和材料的試驗(yàn)方法與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使其最終滿足整車的耐候性要求。

圖4 海南和新疆暴曬試驗(yàn)車問題原因分布

3 結(jié)論

根據(jù)以上整車在海南濕熱和新疆干熱大氣暴曬試驗(yàn)結(jié)果的分析，可得出以下結(jié)論：

1）國產(chǎn)品牌汽車的耐候性設(shè)計已有了巨大的進(jìn)步，相比歷史車型和同期車型，試驗(yàn)問題的數(shù)量和問題的嚴(yán)重程度都有明顯的改善。

2）我國的典型濕熱氣候和干熱氣候在光照、溫度和水分等方面有著明顯的差異，并對整車的試驗(yàn)結(jié)果有著不同的影響，零件設(shè)計需要考慮不同氣候環(huán)境的影響。

3）該車暴曬的失效問題主要體現(xiàn)在外觀失效，失效原因主要集中在材料和結(jié)構(gòu)兩個方面；還需要通過整車暴曬數(shù)據(jù)對材料和零部件的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步修正和完善，從而滿足整車的耐候性要求，以達(dá)到改善汽車產(chǎn)品質(zhì)量的目的。