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汽車飾件在吐魯番雙重極端環(huán)境中的耐候性表現(xiàn)及分析

2022-01-13 19:02:32·  來源：AUTO內(nèi)飾行家  
　
文章對近4年以來在新疆吐魯番盆地開展自然氣候環(huán)境老化試驗的32輛試驗車的老化問題進(jìn)行了統(tǒng)計分析，并結(jié)合皮爾遜相關(guān)系數(shù)法，考察變形、松動、異響、變色、滲析
文章對近4年以來在新疆吐魯番盆地開展自然氣候環(huán)境老化試驗的32輛試驗車的老化問題進(jìn)行了統(tǒng)計分析，并結(jié)合皮爾遜相關(guān)系數(shù)法，考察變形、松動、異響、變色、滲析物、脫膠和操作力異常等常見劣化現(xiàn)象出現(xiàn)頻次隨季節(jié)的變化。結(jié)果表明，變形、松動及異響等力學(xué)性能變化現(xiàn)象在全年持續(xù)出現(xiàn); 變色、脫膠和滲析物等劣化現(xiàn)象主要集中出現(xiàn)在夏季中后段; 冬季低溫環(huán)境容易產(chǎn)生操作力異常等階段性或永久性的劣化現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞：汽車飾件 大氣暴曬試驗 極端環(huán)境 耐候性 皮爾遜相關(guān)系數(shù)
作者：羅國海 郁曉斐 李君明
單位：上汽大眾( 吐魯番) 試驗中心有限公司
引言
汽車飾件包括內(nèi)飾件和外飾件，指的是具有一定的裝飾性、功能性、安全性或工程屬性的零部件。高分子材料因其密度小、工藝性好、成本低廉、適應(yīng)性強等特點在汽車飾件中得到廣泛應(yīng)用。汽車作為全天候使用的戶外產(chǎn)品，在不同的自然環(huán)境使用過程中，車用高分子材料會不可避免地發(fā)生老化現(xiàn)象，表現(xiàn)為外觀或性能劣化，如: 塑料熱變形;塑料、橡膠和織物褪色; 塑料和橡膠脫膠、龜裂及助劑析出等。汽車自然氣候老化試驗，是為了預(yù)見并解決這些問題，從而不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量。在汽車領(lǐng)域，自然氣候老化試驗通常被稱為“大氣暴露試驗”，部分汽車公司稱之為“大氣暴曬 試驗”。
“大氣暴露試驗”強調(diào)的是讓整車置于典型室外大氣自然環(huán)境條件下，使其經(jīng)受陽光、溫度、濕度、雨水、氧、臭氧及其他環(huán)境因素的綜合作用。“大氣暴曬試驗”更多地是強調(diào)高溫和強輻射對材料老化的影響。一般認(rèn)為，溫度、輻射和濕度是影響材料老化的三大主要因素。長期研究表明，對于大氣暴曬試驗而言，沿海的濕熱氣候和荒漠的干熱氣候最為嚴(yán)酷，具有較為廣泛的代表性。西南技術(shù)工程研究所在研究中發(fā)現(xiàn)，漠河等寒冷低溫環(huán)境會使高分子材料產(chǎn)生特有的老化現(xiàn)象，如橡膠件和皮革制品的硬化和開裂等。
新疆吐魯番盆地艾丁湖區(qū)域地表多為鹽堿地，植被稀疏，常年干旱，氣溫比吐魯番市區(qū)更為極端。根據(jù)現(xiàn)場氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)與吐魯番市氣象站公布的氣象數(shù)據(jù)對比，該區(qū)域夏季日最高氣溫比吐魯番市區(qū)約高3－4 ℃，極端可達(dá)50 ℃以上;冬季最低氣溫比市區(qū)約低8℃，可達(dá)－20℃ 以下。該區(qū)域兼具夏季干熱和冬季嚴(yán)寒屬性。本文以近 4年以來在該區(qū)域開展大氣暴曬試驗的32輛試驗車為考察對象，闡述汽車飾件在吐魯番雙重極端環(huán)境中的耐候性表現(xiàn)。
試驗開展
試驗氣候條件
上汽大眾新疆試車場(以下簡稱“試車場”)地處艾丁湖區(qū)域，位于北緯42°43'，夏、冬季輻射強度差別大。試車場現(xiàn)場監(jiān)測氣象數(shù)據(jù)顯示: 吐魯番盆地艾丁湖區(qū)域夏季最高氣溫一般出現(xiàn)在7月，當(dāng)月白天氣溫通常在40℃以上; 冬季最低氣溫一般出現(xiàn)在1月，當(dāng)月白天氣溫通常在－5℃以下，夜間最低氣溫在－20℃左右;夏季室外相對濕度一般在 20% 以下。以2018－2020年氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，試車場月平均氣溫和水平輻射總能量如圖1所示。
試驗標(biāo)準(zhǔn)
試驗按照大眾汽車集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)VW50185－2016執(zhí)行，場地條件符合GB/T40512－2021《汽車整車大氣暴露試驗方法》。試驗車輛水平正朝南靜置于瀝青地面所有門窗與通風(fēng)口緊閉，天窗遮陽簾(如有)開啟一半(GB/T40512－2021為開啟1/4) ; 布置左右對稱的零部件，左右零部件分別處于不同極限狀態(tài)，如左遮陽板收合、右遮陽板完全展開且狀態(tài)每周交替，左側(cè)座椅頭枕置于上極限位置、右側(cè)置于下極限位置，左安全帶高度置于最低位置、右側(cè)置于最高位置。為降低灰塵等異物對輻射的影響，采用純凈自來水，每周清潔車輛外部一次，每月清潔車輛內(nèi)飾一次。對于冬季室外氣溫在冰點以下的情況，每兩周吹掃車輛表面浮塵。每周至少啟動發(fā)動機一次，檢查并操作車輛電器設(shè)備。每兩個月對車輛內(nèi)外飾件和電器功能進(jìn)行全面的主觀評價( 即車輛檢查)，記錄車輛零部件劣化現(xiàn)象。車輛檢查由兩名( 或以上)環(huán)境老化試驗工程師參與。
試驗車輛
高配車型通常配備更為豐富的內(nèi)、外飾件，使用更高檔的材料，在耐候性方面值得重點考察。因此，大氣暴曬試驗車輛一般選取車型的頂級配置。為達(dá)到最大的溫度載荷，車身和內(nèi)飾均選取全系最深的顏色。本文以32輛試驗車為分析樣本，試驗開始時間在2018年5月至2020年7月期 間，最后一次車輛檢查時間為2021年8月。
為了觀測汽車主要區(qū)域在暴曬條件下的主要溫度變化，在其中1輛試驗車上布置了熱電偶溫度傳感器，持續(xù)1年監(jiān)測測點附近的溫度變化。溫度采集頻次為1次/min。
結(jié)果與討論
溫度監(jiān)測結(jié)果顯示(見圖2) ，車內(nèi)空氣溫度(駕駛員頭部區(qū)域)和車頂外部表面夏季最高溫度在80℃左右，遠(yuǎn)高于室外環(huán)境溫度；汽車儀表板靠近擋風(fēng)玻璃區(qū)域夏季最高氣溫在 110℃左右，遠(yuǎn)高于車內(nèi)空氣溫度。這主要是由于白天陽光透過前擋玻璃引起的附加溫升，造成汽車內(nèi)部密閉空間溫度較高，而儀表板直接承受輻射載荷較大。因此，在進(jìn)行儀表板材料設(shè)計選型時應(yīng)充分考慮這一因素。所有測點冬季最低溫度均在－20℃以下，與環(huán)境溫度接近。
汽車飾件的材料和結(jié)構(gòu)各異，試驗車呈現(xiàn)出數(shù)十種形態(tài)的劣化現(xiàn)象。在這些劣化現(xiàn)象中，總結(jié)了10種出現(xiàn)頻次較高且較為典型的劣化問題，這些問題的總數(shù)量為509次，如圖 3所示。
耐候性表現(xiàn)及分析
為了充分利用夏季高溫強輻射的氣候環(huán)境，車輛試驗通常開始于夏季初，結(jié)束于次年夏季末，因此在夏季進(jìn)行的車輛檢查次數(shù)明顯多于冬季。為了客觀反映劣化現(xiàn)象在不同月份出現(xiàn)(新增)的概率，以車輛檢查發(fā)現(xiàn)新增問題的頻次( 在不同年份、不同車輛新增問題數(shù)量除以該月份車輛檢查 車次)作為評判要素。
變形、松動和異響問題主要由結(jié)構(gòu)熱變形導(dǎo)致且相互影響，因此，對這3種形態(tài)的劣化現(xiàn)象進(jìn)行合并分析。
現(xiàn)象一: 變形、松動和異響的劣化現(xiàn)象在全年持續(xù)出現(xiàn)，未出現(xiàn)明顯波峰
如圖4所示，全年頻次數(shù)值始終維持在2.5附近。由此表明夏季高溫強輻射并不是導(dǎo)致汽車內(nèi)外飾件結(jié)構(gòu)性能變化的唯一因素。冬季嚴(yán)寒、春秋季晝夜溫差沖擊，都會引起飾件產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性能變化。試驗中還發(fā)現(xiàn):經(jīng)歷冬季低溫環(huán)境暴露之后，汽車硬質(zhì)內(nèi)飾板(如后蓋內(nèi)飾板、門內(nèi)飾 板)之間匹配易出現(xiàn)松動現(xiàn)象;夏季高溫條件下，不同零部件的裝配接觸面( 如車門內(nèi)扶手與門板 之間) 易出現(xiàn)擠壓異響的問題，隨著車體溫度的恢 復(fù)，部分異響問題有所緩解。
現(xiàn)象二: 變色、助劑析出和脫膠的劣化現(xiàn)象集中出現(xiàn)在夏季
如圖5，變色、助劑析出和脫膠的老化現(xiàn)象主要出現(xiàn)在夏季，其他季節(jié)極少新增此類劣化問題。變色部位主要是受陽光直射的表面，如門柱外飾蓋板、進(jìn)氣格柵、車門下護(hù)板，多呈現(xiàn)為材料局部表面褪色或發(fā)白，說明太陽輻射產(chǎn)生的光效應(yīng)和熱效應(yīng)是造成塑料材料老化的主要因素。
助劑析出現(xiàn)象主要出現(xiàn)在汽車內(nèi)飾板和橡膠表面，呈現(xiàn)為白色污濁或者霜狀。在車用復(fù)合材料改性過程中，會添加一些小分子量助劑，如增白劑、爽滑劑、阻燃劑、塑化劑、穩(wěn)定劑、抗沖擊劑，但這類助劑與基體材料相容性較差。車用復(fù)合材料的助劑析出，是指這類小分子量添加助劑隨著時間的推移，從基體內(nèi)慢慢遷移至材料表面。當(dāng)溫度升高，無定形鏈段熱運動將會變快，這時相容性較差的阻燃劑會克服內(nèi)在的阻力，逐漸地遷移到表面形成析出現(xiàn)象。故在材料設(shè)計選型時，需考慮應(yīng)用中的溫度載荷。
脫膠主要存在于車門橡膠密封條與車門鈑金之間的雙面膠粘帶連接。試驗研究表明，橡膠密封條在高溫環(huán)境下受熱伸長明顯，而車門鈑金受熱伸長有限，它們之間顯著的伸長差異使雙面膠粘帶承受較大的剪切應(yīng)力，這是導(dǎo)致橡膠密封條脫膠的重要因素。有文章指出，在車門橡膠密封條與膠粘帶粘合的部位增置玻璃纖維繩可以有效減少橡膠密封條脫膠現(xiàn)象。
現(xiàn)象三: 在冬季低溫狀態(tài)下易出現(xiàn)操作力異常的現(xiàn)象
如圖6所示，操作力異常(如出風(fēng)口撥片和滑軌式座椅頭枕調(diào)節(jié)力度高于正常值)的劣化現(xiàn)象主要集中在冬季。這些劣化現(xiàn)象通常由材料的硬化、機械強度降低和不同程度的收縮變形、低溫環(huán)境潤滑脂性能降低等多種因素綜合導(dǎo)致。需要指出的是，操作力異常現(xiàn)象多半會隨著環(huán)境溫度的升高而恢復(fù)正常。
現(xiàn)象四: 電鍍裝飾表面裂紋主要在夏季高溫條件 下發(fā)生，冬季塑料件出現(xiàn)開裂
中高級汽車常在外飾塑料件(如車頂行李架、車窗外壓條、進(jìn)氣格柵等)和內(nèi)飾塑料件(如內(nèi)開扳手、嵌飾條等)表面增加電鍍層(通常為鍍鉻或鍍鋅)，從而提高美觀度。試驗中發(fā)現(xiàn)，外飾電鍍涂層在夏季高溫強輻射條件下可能出現(xiàn)不規(guī)則裂紋，且部分裂紋只有在特定陽光照射角度下才會呈現(xiàn)，如圖7所示。
試驗中還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷冬季嚴(yán)寒的氣候環(huán)境，少數(shù)試驗車遮陽板轉(zhuǎn)側(cè)向翻轉(zhuǎn)阻力幾乎降為零。阻力的消失可能導(dǎo)致車輛在轉(zhuǎn)彎行駛過程中遮陽板突然拍打前排人員頭部，引起用戶抱怨。對問題件進(jìn)行拆解分析，發(fā)現(xiàn)遮陽板支撐腳導(dǎo)套開裂，進(jìn)而導(dǎo)致阻力大大降低或消失，如圖8所示。這是 由于在冬季低溫環(huán)境下導(dǎo)套材料力學(xué)性能下降， 同時由于熱脹冷縮導(dǎo)致應(yīng)力過大，從而引起導(dǎo)套開裂。
由于上述問題出現(xiàn)頻次較低，不具備統(tǒng)計意義，不繪制相應(yīng)的時間－頻次曲線。
相關(guān)性分析
皮爾遜相關(guān)系數(shù)法是一種度量兩個變量之間的關(guān)系密切程度的統(tǒng)計學(xué)的方法，對于兩個變量x和y，通過試驗可以得到N組數(shù)據(jù)，其皮爾遜相關(guān)系數(shù)的表達(dá)式為

皮爾遜相關(guān)系數(shù)值介于－1和1之間，絕對值越接近1，表明相關(guān)性越強。一般認(rèn)為，皮爾遜相關(guān)系數(shù)在0. 8－1之間，表明相關(guān)性極強;在0. 6－0. 8之間，表明強相關(guān);在0. 4－0. 6之間，表明中等程度相關(guān);低于0. 4，表明兩者弱相關(guān)或不相關(guān);系數(shù)為正，表明正相關(guān);為負(fù)，表明負(fù)相關(guān)。
溫度與輻射本身呈現(xiàn)極強的相關(guān)性。由于相關(guān)性具有傳遞性，因此，難以從數(shù)學(xué)角度區(qū)分劣化現(xiàn)象與這兩種因素的相關(guān)性，這里只分析劣化現(xiàn)象與溫度的關(guān)系。以月平均氣溫作為x變量，計算得到不同y變量與氣溫的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，從而驗證不同老化現(xiàn)象與月平均氣溫的關(guān)系。計算結(jié)果見表1。從表1可看出:
( 1) 變色、析出物和脫膠現(xiàn)象與氣溫呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性，更容易在夏季高溫/強輻射環(huán)境下出現(xiàn);
( 2) 操作力異?，F(xiàn)象與氣溫呈現(xiàn)出較強的負(fù)相關(guān)性，傾向于在冬季低溫條件下出現(xiàn);
( 3) 結(jié)構(gòu)熱變形所產(chǎn)生的“變形+松動+異響”現(xiàn)象總體與氣溫相關(guān)性較弱，在季節(jié)上沒有明顯的偏向性。
由于電鍍層裂紋和塑料件開裂案例較少，在此不進(jìn)行相關(guān)性計算分析。
結(jié)語
在吐魯番盆地艾丁湖區(qū)域進(jìn)行的整車大氣暴曬試驗結(jié)果顯示，高溫和強輻射是汽車內(nèi)外飾件材料老化的最主要因素，尤其變色、助劑析出和脫膠等劣化現(xiàn)象主要發(fā)生在夏季。結(jié)構(gòu)熱變形所引起的非金屬飾件變形、松動和異響等劣化現(xiàn)象，除了夏季高溫以外，冬季的嚴(yán)寒和較大的晝夜溫差也是其影響因素。除了個別零部件材料在冬季出現(xiàn)開裂等極端情況以外，大多數(shù)在冬季所特有的劣化現(xiàn)象對于大部分用戶而言尚可接受，冬季嚴(yán)寒環(huán)境對全年大氣暴曬試驗影響相對較小。
近年來，我國整車自然環(huán)境試驗正在不斷完善。早在 2005 年頒布實施了汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 728－2005《汽車整車大氣暴露試驗方法》，長期以來對國內(nèi)汽車行業(yè)的老化試驗有著重大指導(dǎo)意義。2021年8月，國家標(biāo)準(zhǔn)委員會公布了GB/T 40512－2021《汽車整車大氣暴露試驗方法》并 將于2022年3月實施，進(jìn)一步優(yōu)化了整車自然環(huán)境試驗方法。正是因為汽車企業(yè)對于自然環(huán)境老化試驗的重視和試驗方法的不斷完善，出現(xiàn)在試驗車上的老化問題有逐年改善的趨勢。大面積褪色、電鍍層氧化斑點或脫落、塑料件開裂、結(jié)構(gòu)件嚴(yán)重變形等以往較為典型且惡劣的老化現(xiàn)象在整車上已不復(fù)存在或者極少出現(xiàn)。
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