整车自然暴晒与全光谱阳光模拟老化相关性研究

陈平方，余晓杰，陆挺

（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，宁波 315336）

引言

随着汽车用非金属材料的广泛使用，非金属材料的耐老化性能也越来越受到人们的重视，经过老化专家学者的长期研究表明，影响非金属材料使用寿命的主要环境因素是高强度的太阳辐射、温度、水分及其之间的协同作用[1]。近些年来，因整车自然暴晒试验条件真实，与实际使用环境一致性好，国内外对整车自然暴晒试验的研究比较多，也比较深入，取得了比较成熟的研究成果，但整车自然暴晒试验周期长，试验条件不可控，重复性差，国内外的研究学者在自然暴晒试验的基础上，开发出了一系列的人工加速老化试验，大大缩短了产品的开发周期。本文旨在研究整车自然暴晒与全光谱阳光模拟老化试验之间的相关性，以期找到一种周期短，试验条件可控，更接近用户使用环境的人工加速老化试验方法。

1 自然暴晒试验与全光谱阳光模拟试验

1.1 自然暴晒试验地点

整车自然暴晒试验一般在具有典型气候特点的暴晒试验场或试验站进行，国内外规模较大的自然暴晒试验场有美国的凤凰城、日本的铫子、美国的迈阿密、中国的新疆吐鲁番和海南琼海暴晒试验场。本文通过采集新疆吐鲁番和海南琼海试验场的整车暴晒试验数据来研究与全光谱阳光模拟试验方法之间的相关性。吐鲁番和海南试验场的基本情况见表1。

表1 吐鲁番和琼海试验场位置及环境特征

1.2 全光谱阳光模拟试验方法

阳光模拟试验方法各企业有所不一。本研究采用DIN 75220的试验方法将整车置于具有一定尺寸的、内部安装有温度、湿度及辐照度等控制设备和检测设备的试验舱内，对某车型整车进行了600 h的阳光模拟试验，依次完成15个干热气候循环试验和10个湿热气候循环试验，共进行25个循环数后，对采集的温度、相对湿度和辐照度数据进行分析研究。本研究采用的金属卤素灯，全光谱的光谱辐射分布符合表2要求。

表2 全光谱的光谱辐射分布

1.3 自然暴晒和全光谱阳光模拟试验相关性研究方法

近些年来，许多整车及零部件企业用人工加速老化试验模拟真实气候条件，探究两者之间的相关性，已经取得了一定的研究成果[2]。大量研究显示，非金属材料的老化程度与材料吸收的能量有密切的关系，这个能量主要由环境中的太阳辐射、温度、水分所决定[1]。目前，通常可以采用紫外能量比较法（UV）[3]、季节性调节太阳辐射量法（SASR）[4]或是温度校正太阳辐射量法（TNR）[5]来研究自然暴晒与阳光模拟之间的相关性。TNR方法是根据实时采集的黑标温度和总辐射量，进行能量累积，可以将温度和太阳辐照强度两个影响整车及零部件老化程度的关键因素有效地联系起来。因此，本研究采用TNR的计算方法同时结合在整车上搭载PC样板的方法来研究自然暴晒和全光谱阳光模拟试验的相关性。

1.3.1 温度校正太阳辐射量法（TNR）

TNR法出现在GMW 3417标准中[5]， TNR的计算公式如下：

式中：

R—某一时段零部件所吸收的太阳辐射量，MJ/m2，每5 min取一次值；

T—同一时段的零部件表面所测得的温度，℃，每5 min取一次值；

TNR—温度调节辐照量，由R和T计算累加得到，MJ/m2，每5 min计算一次。

1.4 试验条件定义

1.4.1 样车状态确定

1）自然暴晒样车试验状态按照某企业汽车整车大气暴晒试验方法的要求将车辆停放在海南琼海暴晒场和新疆吐鲁番暴晒场内，车头朝南，暴晒周期为1年。

2）全光谱阳光模拟试验样车按照DIN 75220试验方法的要求将车辆停放在光照和温度均匀的环境试验舱内，试验周期为25个循环（600 h）。

1.4.2 传感器安装位置

本研究采用直接测量总辐射量和零部件表面黑标温度的方法，并根据TNR的计算公式来确定自然暴晒和全光谱阳光模拟试验之间的相关性系数。本文选取的测量部位是受阳光照射最严重的部位-仪表板上罩中间部位来作为此次研究的考察部件。

1.4.3 PC样板搭载部位

本研究将PC样板放置于3台试验车仪表板上罩中间部位，分别进行海南琼海和新疆吐鲁番自然暴晒及整车阳光模拟试验，间隔一段时间测试这三处地点搭载的PC样板的色差值。

2 测试结果及其分析

2.1 整车TNR能量的测试结果

通过对停放在琼海试验场、吐鲁番试验场和全光谱阳光模拟试验舱里的2种车型的车辆测量仪表板中部的总辐射能量与黑标温度，根据测得的数据进行TNR计算，计算结果见图1和图2。

通过图1和图2的数据，我们可以得出：车型A中全光谱阳光模拟试验测得的仪表板处TNR数据占海南暴晒的83.8 %，占吐鲁番暴晒的84.5 %；车型B中全光谱阳光模拟试验测得的仪表板处TNR数据占海南暴晒的75.4 %，占吐鲁番暴晒的71.0 %，在仪表板区域，全光谱阳光模拟试验与自然暴晒试验具有较高的吻合度，不同车型之间有所差异。

图1 车型A各个状态的TNR能量累积值（MJ/m2）

图2 车型B各个状态的TNR能量累积值（MJ/m2）

2.2 PC样板的色差测试结果

本研究采用分光测试计（D65，10 °，SCI）对试验前后的PC样板进行测量，测量方法是在每块样板三处不同位置进行测量，然后求取三次测量的算术平均值，并计算色差，每组三块样板的结果再取算术平均值，色差的测量值如图3所示。

通过图3的数据，我们可以看出：全光谱阳光模拟试验仪表板位置搭载的PC样板色差数据与新疆吐鲁番、海南琼海试验后测得的样板色差数据相差不大，具有较好的相关性。

图3 各个状态一段时间间隔内PC样板的色差变化值（△E）

3 结语

1）在仪表板上罩区域，全光谱阳光模拟与自然暴晒具有较高的相关性，不同的车型，相关性系数会有所差异。全光谱阳光模拟一轮试验（25个循环），零部件的老化程度相当于整车自然暴晒一整年暴晒的70～84 %。本文中的相关系数是对有限数据的一种估算，后期还需要大量的试验数据进一步修正，从而得到更加准确的相关系数，开发出一种试验周期短，条件可控，与自然暴晒更加匹配的阳光模拟试验方法。

2）全光谱阳光模拟试验仪表板位置搭载的PC样板色差数据与自然暴晒测得的样板色差数据相差不大，具有较好的相关性。后期我们可以通过增加光泽度、样板表面形貌分析等手段进一步研究全光谱阳光模拟和自然暴晒的相关性。

3）全光谱阳光模拟试验相较于整车自然暴晒具有开发周期短，试验条件可控的优点，在整车及零部件研发过程中可起到重要的验证作用。