轿车零部件热损害试验工况研究

于翔 苏海龙 陈玉超

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

轿车零部件热损害试验工况研究

于翔 苏海龙 陈玉超

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

通过采集重庆市区内轿车行驶参数以及环境温度、相对湿度、日照辐射强度、地表温度、市区路面坡度等数据，应用数理统计和多参数统计理论解析出了轿车行驶工况、市区典型环境条件以及路面实际坡度情况，并将这三部分整合成轿车零部件热损害试验工况。通过整车环境风洞试验，对合成的轿车零部件热损害试验工况进行了验证，结果表明，该工况能够准确模拟出车辆实际道路运行情况，可用于评价轿车零部件使用温度是否满足开发要求。

1 前言

夏季是轿车自燃的多发季节，主要是由于轿车发动机舱内及排气系统周围零部件出现热损害而导致。为避免上述现象发生，国外主要汽车厂商在开发产品时，都要通过环境风洞进行轿车零部件热损害试验，目的是检验轿车在使用条件下各零部件温度是否满足设计要求。轿车热损害试验中的车辆行驶工况和环境条件决定了发动机舱内和排气系统的温度，所以制定合理的轿车零部件热损害试验工况非常关键。目前，我国汽车行业还没有制定相应的轿车零部件热损害试验工况标准，而国外厂商制定的试验工况并不完全符合我国实际情况，因此必须制定适合中国地区的轿车零部件热损害试验工况，以评价轿车机舱内及排气系统周围零部件热损害性能。

2 试验工况确定

制定轿车零部件热损害试验工况需要从轿车的实际使用工况入手，即应考虑导致零部件出现最高温度的地区。我国南方地区轿车实际使用工况主要为低速爬坡行驶（典型山区）、高速爬坡行驶（高原地区）、高速行驶和城市行驶等4种。通过对4种路况的对比分析，确定适合进行轿车零部件热损害试验的地区为海南五指山区公路、云南地区元江至墨江段高速公路、海南环岛高速和重庆市区，各地区试验条件和路况信息见表1。

表1 各地区试验条件与路况信息

在7～8月的高温季节，在选定的试验地区进行了轿车使用条件下的发动机舱内及排气系统周围零部件温度测试，每个地区试验次数大于20次，试验车辆为红旗H7（3.0 L）、丰田锐志（2.5 L）和奥迪A6L（3.0T），试验结果见图1～图3。

由图1～图3可看出，轿车在重庆市区行驶条件下零部件表面温度最高，所以选择重庆市区的车辆行驶工况和环境条件作为我国典型工况来考察轿车零部件热损害性能。

3 车辆行驶工况制定

3.1 确定试验路线

车辆行驶工况主要受道路等级、交通强度（车辆流量、周转量等）及交叉口密度和时间等因素影响。为此收集重庆市区道路的相关数据并进行了统计分析，根据各等级路段所占比例确定了合理的试验路段，所选道路可反映出重庆市区主要道路状况，最终制定的重庆市区内轿车行驶路线为：沿红石路→盘溪路→龙山路→余松路→新解放立交桥→红棉大道→渝澳大道→红石路循环行驶。

3.2 试验方法与测量参数

在重庆“最热”季节，选取红旗H7和丰田锐志2台车辆按设定路线随车流正常行驶，连续采样15天，采样时间为每天9时～18时。通过GPS和车辆CAN总线采集车辆运行信息；使用综合气象仪测量路面上方1 m处空气温度、相对湿度、日照辐射强度及试验路段地表温度；使用温度数据采集仪测量车辆发动机舱内和排气系统周边典型部件的表面温度。

3.3 行驶工况合成理论

根据车辆运行信息统计出行驶曲线的特征参数值，再应用主成分分析法、聚类分析等多参数统计理论对运动学片段（将车辆从一个怠速开始到下一个怠速开始的运动定义为运动学片段）进行研究、归类，然后构建循环工况[1]。进行不同行驶工况曲线横向比较时都会以一些能代表其特点的特征参数做为评价标准（表2），这些特征参数也是构建工况行驶曲线的基本特征值[2]。表2中，车辆加速度≥0.1 m/s2的连续行驶过程定义为加速工况，车辆加速度≤-0.1 m/s2的连续行驶过程定义为减速工况，车辆加速度绝对值＜0.1 m/s2且车速不为0的连续行驶过程定义为匀速工况。

表2 运动学片段特征参数

3.4 行驶工况合成

应用专业分析软件SPSS的快速样本聚类法（K-means Cluster）将试验采集的车辆运动学片段总体样本分为2类，表3为各类运动学片段综合特征值，代表总体样本基于交通特征的平均统计量[3]。通过分析2类运动学片段的15个平均统计量可知，第1类运动学片段的怠速比例是第2类的4.8倍，第2类的运行时间、行驶距离、最高速度、平均速度、运行速度等指标均比第1类要高。显然第1类运动学片段可反映车辆在交通拥挤的主干道上的行驶特征，第2类反映了车辆在交通畅通的快速路上的行驶特征。

表3 2类运动学片段综合特征值

通过对试验测量的车辆发动机舱内和排气系统周边典型零部件表面温度结果统计可知，在市区内车辆行驶约50 min后，各测点温度达到平衡状态，所以最终确定车辆行驶工况时间共计3 000 s，其中车辆运行时间为2 400 s，运行结束后怠速时间为600 s。

根据上述测量结果构建的车辆行驶工况如图4所示。

3.5 道路坡度确定

在相同速度行驶工况条件下，行驶路面坡度的增加必然增大轿车行驶阻力，导致发动机负荷增大、发热量增加，一定程度上使轿车发动机舱内以及排气系统周围零部件工作温度升高。因重庆属于“山城”，所以车辆行驶工况中要导入坡度，且导入坡度时要考虑行驶工况中坡度所占的里程比例、车速与坡度的关系、施加坡度的大小等。根据GPS采集的路况信息，将试验行驶路线按照坡度变化情况分为6段，各试验路段的坡度、车速及里程统计结果如图5所示。

因低于2%的坡度对发动机负荷影响较小，所以行驶工况中主要导入2%以上的坡度。根据图5中平均坡度大于2%路段的里程占总行驶里程比例，确定行驶工况中坡度里程占总里程的1/4。结合《重庆市城市道路交通规划及路线设计规范》，确定行驶工况导入坡度为2%和3%。根据图5中统计车速与坡度的关系，确定在行驶工况中主干路模拟段施加3%坡度，快速路模拟段施加2%坡度。

3.6 车辆行驶工况确定

在构建的行驶工况基础上导入确定的坡度条件，形成最终的轿车零部件热损害试验车辆行驶工况如图6所示。

4 试验环境条件确定

测试期间每天9时～18时分时段测量重庆市城区环境温度、相对湿度、地表温度和日照辐射强度，共35组数据。由于采集的数据量有限，不能直接用来定义试验工况中的环境条件，所以需将试验采集的数据与相同时期气象局统计数据（1980年～2012年）进行对比分析，以确定最终的试验环境条件。

4.1 环境温度与相对湿度的确定

将采集的环境温度和相对湿度与气象局统计数据中最高环境温度和对应的相对湿度进行对比，并对数据进行线性拟合，如图7所示。

由图7可看出，试验采集数据与气象局统计数据拟合的线性曲线趋于平行，斜率基本相同，说明重庆市区环境温度与相对湿度的对应变化关系是确定的，只要确定出环境温度，相对湿度即可计算得出。

实际测量的道路上方环境温度高于气象局预报的环境温度，说明市区的环境温度受“热岛效应”影响，即市区内空气温度比郊区（气象站位于郊区）普遍升高约3～5℃，相同环境温度条件下相对湿度会降低10%左右。所以根据上述信息最终确定试验环境温度为43℃、相对湿度为15%。

4.2 道路地表温度与日照辐射强度的确定

用地表温度与环境温度差值作为自变量，相对湿度、日照辐射强度作为因变量进行了回归分析[4]，由分析结果可知，因变量对自变量的影响程度在80%左右，因变量中日照辐射强度为最显著影响因素。将重庆市区道路地表温度与环境温度的差值同日照辐射强度的测量数据进行线性拟合，结果如图8所示。因拟合结果的R2＞0.8，说明这2个变量的线性相关度很高。通过查阅重庆市的气象资料，确定试验条件中的日照辐射强度为1 000 W/m2，再根据图8中拟合方程可计算出地表温度与环境温度差值为23℃，由此确定地表温度为66℃。

5 轿车环境风洞试验

为验证制定的轿车零部件热损害试验工况的准确性，并进一步确定试验工况中环境因素、坡度因素对试验结果的影响程度，选择红旗H7（3.0 L）在环境风洞内进行了测试，并与道路试验结果进行了对比，见表4。表4中，方案1指按照制定的轿车零部件热损害试验工况进行试验；方案2指在方案1基础上取消行驶工况中的坡度因素；方案3指在方案1基础上取消日照辐射强度和地表温度，仅将试验环境温度控制为25℃。

表4 道路试验与环境风洞试验结果对比

由表4可知，方案1试验结果与道路试验结果之间偏差均为正，各零部件的表面温度均高于道路试验结果，说明按照制定的轿车零部件热损害试验工况测试后，评价合格的车辆在实际道路使用中不会出现零部件过热损害现象。

方案2试验结果与道路试验结果偏差平均值为-4%，尤其是排气系统表面偏差较大，平均值达到-16%；方案3试验结果与道路试验结果偏差平均值为-25%。这2种方案的试验结果明显低于车辆在道路行驶条件下零部件温度，说明不考虑这2个因素的轿车零部件热损害试验工况无法正确评价零部件热损害性能，所以在环境风洞内进行轿车零部件热损害试验时必须考虑坡度、环境因素对试验结果的影响。

6 结束语

本文应用主成分分析和聚类分析法解析出重庆市区轿车行驶工况，考虑环境条件因素以及道路坡度因素情况，编制出适合我国地区的轿车零部件热损害试验工况，并进行了环境风洞试验验证。试验结果表明，所制定的轿车零部件热损害试验工况能够用来评价轿车机舱内及排气系统周围零部件热损害性能，对轿车开发中零部件布置与选型有指导意义。

1 李孟良，朱西产，张建伟，等.典型城市车辆行驶工况构成的研究.汽车工程，2005,27（5）：557～560.

2 艾国河，乔维高，李孟良，等.车辆行驶运动学参数构成分析.公路交通科技，2006（2）：154～157.

3 马志雄，朱西产，李孟良，等.动态聚类法在车辆实际行驶工况开发中的应用.武汉理工大学学报，2005，27（11）：69～71，81.

4 李云雁，胡传荣.试验设计与数据处理.北京：化学工业出版社，2008.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为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

轿车 零部件热损害 试验工况

U467.3

A

1000-3703（2015）06-0045-05