汽车通风盖板发白现象的大数据分析

2021-11-04张晓东王伟健陶友季张志勇陈心欣李淮祁黎曾文波曾博赵雪茹

装备环境工程 2021年10期

张晓东，王伟健，陶友季，张志勇，陈心欣，李淮，祁黎，曾文波，曾博，赵雪茹

（1.中国电器科学研究院股份有限公司 a. 工业产品环境适应性国家重点实验室 b. 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； 2.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）

随着我国对汽车消费需求的增加，汽车的使用变得十分普遍，加之我国地缘宽广、气候复杂多样，汽车部件老化及腐蚀的不良现象也随之增多，这对汽车主机厂商提出了不小的挑战。汽车部件的腐蚀、老化等现象不仅影响用户的用车体验，也会对汽车的行车安全产生威胁[1-2]。因此，寻找影响汽车部件发生老化的因素、以及汽车部件材料老化的变化规律[3]具有十分重要的意义。

通风盖板是连接在前风挡玻璃与发动机机舱盖之间的覆盖件，起到协助通风、为雨刮转轴机构提供防护以及覆盖装饰等功能。通风盖板的发白会严重影响车辆外观，降低用户使用评价。

文中研究了通风盖板发白的微观机理，并基于大数据互信息理论方法，以某车在海南琼海和新疆吐鲁番暴晒试验数据为基础[1,4-5]，确定自然暴露试验中导致通风盖板发白的主要环境因素，通过两地的自然环境数据，求取了该款通风盖板发白时的等效辐照量值。该研究对于通过汽车外饰塑料件在典型地区的自然暴露试验结果预估其他地区的使用寿命具有一定的指导意义。

1 试验

根据QC/T 728—2005[6]的要求，在海南琼海和新疆吐鲁番两地对汽车整车进行自然暴露试验，同时放置监测设备不间断地对大气环境及汽车部件表面温度变化等参数进行监测[7]，5 min记录1次，定期（2个月）对汽车外观及相关特定部件进行老化检查，并记录每次检查时部件老化情况的相关信息[8]。采用Hitachi S-3400N II型扫描电镜观察试件的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 通风盖板样件自然暴露试验表面发白现象

在海南琼海和新疆吐鲁番两地，对汽车整车及零部件均开展了自然暴露试验，其中通风盖板样件在一定时间试验后出现了明显的变白，具体变化情况如图1所示。由图1可以看出，试验前，通风盖板整体颜色均匀；试验一段时间后，通风盖板出现明显的发白现象，部分材料颜色变白，与拼接的另一材料对比明显。

图1 通风盖板试验前后外观变化 Fig.1 Appearance changes of ventilation cover before and after tests: a) Qionghai; b) Turpan

2.2 表面形貌分析

利用扫描电镜分别对保留的通风盖板原始样件以及试验后发白的样件表面形貌（如图2所示）进行观察。可以看出，原始样件表面比较平整光滑，说明基材对填料包覆较好；而试验后发白的样件表面基材老化，填料镶嵌在基材中，形成明显的“孤岛”结构。因此，试验后通风盖板发白是自然暴露过程中表面基材老化后白色填料外露以及填料暴露后加剧表面光线漫反射导致的。

图2 通风盖板表面形貌分析 Fig.2 Analysis of surface morphology of ventilation cover: a) original sample; b) after exposure

2.3 失效影响因素分析

汽车外饰材料自然暴露试验过程中，导致汽车部件老化失效的因素比较多，如部件材料、生产加工工艺、大气环境条件等[8-10]。由于保密方面的要求，不对部件的材料及生产工艺等信息进行披露，而以部件名称、生产厂家等信息代替，从而建立汽车外饰材料老化数据记录表，见表1。根据检测设备记录的大气环境数据和汽车微环境数据形成记录表2和表3，数据格式为5 min一组。综合所有记录数据，形成29 个与材料老化相关的数据要素。每年针对某具体部件的相关数据记录约有150万个。

表1 汽车外饰材料老化数据记录 Tab.1 Aging data records of automobile exterior materials

表2 大气环境条件数据记录 Fab.2 Data records of atmospheric environmental conditions

表3 零部件微环境条件数据记录 Tab.3 Data records of micro environmental conditions of automobile parts

本项目采用信息理论[11-12]对大数据进行数据处理[13-15]。将汽车通风盖板的老化外化表征（即材料是否变色）X作为决策属性[16-18]，其他数据信息（如空气湿度、太阳辐照、风速、降雨量、降雨时数、日照时数和地域）构成条件属性集[19-20]，则汽车通风盖板的老化与条件属性之间的关联度I可以用公式（1）计算得出[21]。计算结果（见图3）表明，太阳辐照和部件表面温度与通风盖板发白的相关性较高，其他因素（如部件表面润湿时间等）的相关性则较弱。

图3 试验车通风盖板发白条件属性互信息值 Fig.3 Conditional mutual information value of ventilation cover whitening

2.4 等效辐照量的计算

一般情况下，对于除温度以外还包含其他应力S的普通情况，材料老化寿命可以用式（2）广义Eyring模型[21]进行描述：

式中：η为特征寿命；A、n为待定常数；Ea为反应活化能；T为绝对温度，K；k为波尔兹曼常数，k=1.380 648 52×10‒23J/K；S为温度以外的其他应力。

因此，针对汽车通风盖板老化现象，其老化寿命模型可以表示为式（3）[21]。

式中：R为样品表面辐照量，J/m2。

取n值为1，并分别用下标u和t表示户外大气暴露试验和对比试验，则得到式（4）和（5）。

当材料在不同地区受到同等程度的破坏时，特征寿命η应该相等，故令ηu=ηt，得到式（6），进一步整理得到式（7）。

在整车自然暴晒过程中，汽车部件表面温度是随太阳辐照和周边空气温度的变化而变化的。在琼海和新疆两地，通风盖板表面温度变化的三维图形见图4。从图4可知，通风盖板的表面温度基本呈现周期性变化。把试验时记录的实时监测数据带入式（8）进行累加计算，最终得出等效环境的对比试验辐照量。

图4 通风盖板表面温度变化 Fig.4 Surface temperature of ventilation cover: a) after 6 months exposure at Qionghai, Hainan; b) after 6 months exposure at Turpan, Xinjiang