汽车仪表板IP/DP 箱自然加速试验研究

曾文波，揭敢新，覃家祥，张晓东，刘鑫

（中国电器科学研究院股份有限公司，工业产品环境适应性国家重点实验室，广东省高分子材料环境适应性评价与检测技术重点实验室，广州 510663）

引言

IP/DP（Instrument Panel/Door Panel）箱试验[1，2]是一种玻璃下的自然暴露加速老化试验，通过选择不同类型的玻璃、设置不同的黑板温度以及选择不同的试验持续期，模拟并强化汽车停放时内饰件所处的环境状况，如强化太阳辐射、温度等，分别对不同车型、不同部位上的汽车内饰件进行试验，几乎适用于所有汽车内饰材料及其成品零部件[3，4]。汽车仪表板作为主要的内饰零部件，是车内接收太阳辐照最多的区域，其表面温度也远高于车内其他内饰件。统计数据显示，仪表板上表面温度可达110 ℃，甚至超过110 ℃，微环境条件严酷，表面易产生发白、发粘等老化现象，影响外观和使用[5，6]。

因此，本文以汽车仪表板为研究对象，通过汽车整车自然暴露试验以及仪表板的IP/DP 箱试验，系统收集仪表板上表面的太阳辐射、表面温度等微环境数据及仪表板上表面的色差数据，IP/DP 箱内太阳辐射、表面温度及仪表板的色差数据，对比分析仪表板材料在IP/DP箱内试验的加速效果。

1 试验方法

整车自然暴露试验：QC/T 728-2005《汽车整车大气暴露试验方法》，试验时间1年；IP/DP 箱试验：45 °角，自动太阳跟踪，透明层压玻璃，上限温度110 ℃，试验时间1年；数据监测（5 min）：仪表板太阳辐射、表面温度，IP/DP 箱内太阳辐射、黑板温度；色差：GB/T 3979-2008《物体色的测量方法》。

2 试验设备

数据采集器，型号：CR1000，厂家：Campbell；太阳总辐射表，型号：CMP11，厂家：KippZonen；空气温湿度传感器，型号：HMP155A，厂家：Vaisala；色差仪，型号：BYK-6834，厂家：德国BYK 公司。

3 结果与讨论

3.1 环境条件对比与分析

1）太阳辐射

图1 是仪表板上表面与IP/DP 箱的太阳辐射量对比。从图中可以看出，在自动跟踪太阳系统的作用下，IP/DP箱内所接收的太阳辐射几乎每个月都高于自然暴露试验过程中仪表板上表面所接收的太阳辐射。统计数据显示，试验期间IP/DP 箱内样品所接收的太阳辐射总量约是仪表板上表面的1.37 倍。

进一步统计不同太阳辐射强度区间的累计时间，如图2 所示。从图中可以看出，IP/DP 箱内太阳辐射的累计时间要比仪表板上表面辐射时间更长一些，且随着辐射强度的增加，累计时间的差异更加明显。统计数据显示，700 W/m2以上的太阳辐射，IP/DP 箱内累计时间达到380 h 以上，而自然暴晒试验中仪表板处的太阳辐射仅有12 h。由此可见，利用跟踪式IP/DP 箱开展仪表板的自然加速试验时，试样受到更高强度、更长时间的太阳辐射的影响，导致几乎每个月的太阳辐射均高于自然暴晒试验中仪表板上表面的太阳辐射，试样老化速率也更快。

2）温度

温度是除太阳辐射外影响高分子复合材料老化的第二大因素。根据汽车整车自然暴露试验中仪表板上表面的温度数据，设置IP/DP 箱内温度上限为110 ℃。图3是仪表板表面温度及IP/DP 箱内黑板温度的对比。结果显示，IP/DP 箱内黑板表面最高温度、平均温度均高于自然暴露的仪表板上表面温度，且在IP/DP 箱内仪表板材料表面温度可超过110 ℃。

图1 仪表板上表面与IP/DP 箱内太阳辐射量对比

图2 仪表板上表面与IP/DP 箱内太阳辐射累计时间对比

图3 仪表板材料在不同试验条件下的温度月分布

IP/DP 箱内的高温累计时间也更长。图4 是仪表板上表面与IP/DP 箱内不同温度区间的分布对比。从图中可以看出，随着温度的升高，IP/DP 箱内的高温累计时间越长。可见，在使用IP/DP 箱进行仪表板的自然加速试验时，试样受到更长时间、更高温度的作用，仪表板材料的热老化效应更加明显，老化严酷度更高，在太阳辐射的协同作用下，老化速率进一步加快。

3）TNR 综合环境应力

IP/DP 箱的试验持续期可由累计日期、累计太阳辐射量、SASR（Seasonally Adjusted Solar Radiation，季节调节太阳辐射量）、TNR（Temperature Normalized Radiation，温度调节辐射量）等决定。GM 9538P 标准规定由SASR决定[7]，而GMW 3417 标准规定由TNR 决定[8]。本文使用TNR 模型计算仪表板材料所受到的综合环境应力。

TNR 兰利（ly）的计算公式如下：

R—试验规定用玻璃下所测到的太阳辐射量，单位：兰利（ly），每5 min 取一次值。

T—从试验装置黑板温度计上测得的温度，单位：℃，每5 min 取一次值。

TNR—温度调节辐射量，由R 及T 计算累加得到，单位：兰利（ly），每5 min 计算一次。

图5 是仪表板上表面及IP/DP 箱内的TNR 随时间的变化曲线。从图中可以看出，冬季由于太阳辐射较弱、温度较低，仪表板及IP/DP 箱的综合环境应力差别较小。而夏季在高温高辐射的作用下，IP/DP 箱内的综合环境作用远高于自然暴晒试验中的仪表板上表面，统计数据显示，IP/DP 箱内的综合环境作用约是自然暴晒试验中仪表板上表面的2 倍。

3.2 IP/DP 箱加速效果分析

1）考虑时间的加速效果

图6 是仪表板样品的色差随时间的变化曲线。从图中可以看出，在试验时间相同的条件下，IP/DP 箱内的样品色差变化更大，达到相同色差所需的时间更短，说明IP/DP 箱对仪表板材料的老化拥有较好的加速性。J.E Pickett 等人[9，10]对此类试验结果之间的加速倍率做了系统研究，发现可通过横坐标（如时间、辐射等）乘以系数的方法，对非线性降解曲线进行拟合，使曲线尽量重合，获得加速倍率。

图4 仪表板上表面与IP/DP 箱温度作用累计时间分布

图5 仪表板上表面与IP/DP 箱TNR 综合环境作用对比

图6 仪表板色差随时间的变化曲线

以图6 的数据为基准，横坐标乘以相应的系数，得到图7。从图中可以看出，经过数据处理后，曲线基本重合，说明仪表板IP/DP 箱试验的加速倍率约是自然暴露试验的1.67 倍。

2）考虑太阳辐射的加速效果

仅从色差与时间的关系无法反映环境因素对仪表板材料性能的影响。为此，进一步统计仪表板上表面与IP/DP 箱内所接收的太阳辐射，考察仪表板材料色差随太阳辐射量的变化规律，如图8 所示。由图可知，在相同太阳辐射的条件下，IP/DP 箱仍然有较高的加速效果。

通过系数校正后发现，IP/DP 箱的加速效果约是自然暴露试验的1.25 倍，如图9 所示。且在相近的时间范围内，IP/DP 箱内样品所接收的太阳辐射约是自然暴露试验仪表板的1.38 倍。因此，IP/DP 箱的时间、太阳辐射综合加速效果约是自然暴露试验的1.73 倍。

4）考虑综合环境作用的加速效果

利用TNR 模型，计算太阳辐射与温度的综合环境作用，考察仪表板材料色差随综合环境应力值的变化规律，如图10 所示。结果显示，IP/DP 箱内试样的色差变化与自然暴露试验结果几乎重合，相关系数近乎为1.00。而在相同时间内，IP/DP 箱的TNR 综合环境作用是自然暴露试验的2.00 倍。因此，IP/DP 箱的时间、太阳辐射及温度的综合加速效果约是自然暴露试验的2.00 倍。

图7 基于图6 曲线数据的系数校正曲线

4 结论

本文通过整车的自然暴露试验以及仪表板的IP/DP箱试验，初步研究了跟踪式IP/DP 箱自然加速试验的加速效果，得到以下结论：

图8 仪表板色差随太阳辐射量的变化曲线

图9 基于图8 曲线数据的系数校正曲线

图10 仪表板材料色差随TNR 值的变化曲线

1）相比于自然暴露试验，跟踪式IP/DP 箱试验具有较高的环境严酷度，箱内样品处于更高、更强、更长时间的太阳辐射及温度效应，样品老化速率高于自然暴露试验。

2）基于时间、辐射及温度等因素的考虑，研究了不同因素的综合作用对IP/DP 箱的加速效果。结果显示，仪表板IP/DP 箱试验的时间加速效果约为自然暴露试验的1.67 倍，太阳辐射加速效果约为1.73 倍，TNR 综合环境作用加速效果约为2.00 倍。