基于環境艙溫度補償的轉向高壓油管冬季試驗方法研究

范韜 王暉 武文超 王海沛

（泛亞汽車技術中心有限公司）

基于環境艙溫度補償的轉向高壓油管冬季試驗方法研究

范韜 王暉 武文超 王海沛

（泛亞汽車技術中心有限公司）

通過對環境溫度以及轉向高壓油管性能的分析，提出了基于環境艙溫度補償的轉向高壓油管冬季試驗方法。該試驗將低溫環境艙與道路試驗相結合，可以對錯失自然環境冬季試驗周期的相關零件進行有效驗證。試驗結果表明，利用環境艙溫度補償方法進行的轉向高壓油管冬季試驗，與在真實低溫環境下進行的冬季試驗具有很好的相關性。

1 前言

在整車研發過程中，經常會遇到整車開發試驗周期與冬季耐候性試驗認證周期存在差異的情況，因此需要研究一種特殊的試驗方法以對整車或零部件進行冬季認證試驗。為此，本文以轉向高壓油管為例，研究了基于環境艙溫度補償的冬季試驗方法，有效解決了上述問題，滿足了對相關零部件的認證要求。

2 轉向高壓油管特性

轉向高壓油管是液壓助力轉向系統的重要管路，在冬季環境下承受著較大的系統工作壓力，也是易發生轉向液滲漏問題之處[1，2]。高壓油管由多層材料構成，其最內層、中間層及最外層均為橡膠層，每兩層橡膠層之間各有1層加強層（編織層）[3，4]。

根據某車型的設計需求，其轉向系統工作壓力約為8.3 MPa，工作溫度約為-40～135℃，瞬時溫度為150℃，因此其轉向高壓油管的橡膠層選用氯磺化聚乙烯橡膠CSM（Chloro Sulfonated Polyethylene Rubber），編織層選用尼龍PA66（Nylon），如圖1所示。CSM的化學結構完全飽和，具有優異的耐候性、耐熱性、難燃性、耐磨性等，在-30℃低溫條件下具有一定屈撓性[5～7]。

該車轉向系統使用DEXRON某型油液作為轉向油，其低溫粘度特性用布氏粘度進行描述，圖2為其布氏粘度與溫度關系曲線。由圖2可看出，布氏粘度在-40～-20℃時變化明顯。因布氏粘度越高，轉向系統工作時轉向高壓油管內的壓力越大，越容易出現質量缺陷，所以應重點考核轉向高壓油管在-40～-20℃時的耐低溫特性。

3 冬季試驗與環境溫度

為得到基于環境艙溫度補償的轉向高壓油管冬季試驗認證方法，以充分驗證其耐低溫性能，需要對整車冬季試驗規范以及試驗環境溫度進行分析。

3.1 整車冬季試驗規范

冬季耐候性試驗是利用低溫及天然的冰雪路面，對車輛進行低溫起動、除霜除霧、冷熱沖擊、路面顛簸或振動等方面的測試[8]，以考核整車耐低溫性能。整車冬季試驗約持續2個多月，要按一定規范比例執行環境溫度低于-20℃和-30℃[9]的試驗規范。整個試驗規范由一些子規范組成，目的是用來模擬客戶實際的使用狀況，如兩地之間的長距離行駛、顛簸路面行駛或城市道路行駛等。每個子規范試驗之間穿插整車靜置來模擬客戶日常用車行為。

3.2 環境溫度分析

我國比較典型的冬季試驗場位于黑龍江省的黑河市，圖3為2009年～2013年黑河市冬季氣溫分布。從圖3可看出，每年11月下旬到次年2月底為日平均氣溫≤-20℃的嚴寒時段，約100天左右；一年中約40天左右最低溫度≤-30℃。

整車冬季試驗要求環境溫度分布于低于-30℃、-30～-20℃等幾個區間[9]。根據黑河市某地區溫度實測統計，2012年～2013年度出現-30℃及低于-30℃的天數、每天持續的時間如圖4所示，平均約為4.5 h/天。由圖4可看出，在溫度低于-30℃的時間段內，平均降溫速率為1℃/51 min，即每3 h平均降溫3.5℃，4 h平均降溫4.7℃。

根據圖3的數據可知，從3月中旬開始環境最低溫度總體呈上升趨勢，可達-15℃以上，此時對整車零部件耐低溫性能的考核效果減弱，為保證試驗車輛交付周期，需要用環境艙進行溫度補償，以便能夠繼續對整車及零部件耐低溫性能進行驗證。

4 環境艙溫度補償試驗方法

4.1 低溫環境艙

試驗采用的某型低溫環境艙的最大功率為66 kW，降溫速率如表1所列。

表1 某型低溫環境艙降溫速率

根據歷年黑河市某地區溫度統計結果，設定環境艙內最低溫度為-35℃，實測該環境艙的降溫情況如圖5所示。由圖5可看出，環境艙第1次開啟時，由于環境艙內溫度基本與室外溫度一致，因此降溫至-35℃所需時間偏長。當車輛完成靜置并出艙執行完試驗子規范再次入艙靜置后，雖然發動機散發余熱，但由于環境艙具有一定的保溫作用，每次重新啟動比初次啟動可提前30 min左右降溫至-35℃。實測第1次進艙降溫速率為0.26℃/min，后續進艙的降溫速率約為0.18℃/min。

低溫環境艙與室外環境溫度降溫速率對比如表2所列。由表2可知，受發動機余熱的影響，環境艙的降溫速率小于無熱源時的降溫速率，但是遠大于室外環境溫度的降溫速率。根據整車實際進艙降溫速率統計，試驗車輛在進艙1 h左右艙內溫度可達-35℃。

表2 環境艙與室外環境溫度降溫速率對比

4.2 試驗流程

對比整車冬季試驗方法，鑒于該試驗重點考核轉向高壓油管的冬季耐低溫性能，依據對轉向高壓油管、環境艙及自然環境溫度的分析，制定環境艙溫度補償試驗流程。試驗時，首先將車輛靜置在環境艙內模擬自然環境的靜置，補償自然環境不能達到溫度要求的靜置規范。完成靜置后，在環境艙內起動車輛并立即左、右轉向到下止點，當轉向油布氏粘度最大、轉向高壓管內壓力最高時考核轉向高壓油管性能。在環境艙外，重點執行轉向工作頻次高、強度大的規范，有針對性地對轉向高壓油管進行考核。試驗完成后，將試驗結果進行對比，判斷該溫度補償方法是否可行。環境艙溫度補償試驗流程如圖7所示。

4.3 補償溫度設定

基于整車冬季試驗的溫度要求，轉向高壓油管冬季試驗溫度補償需要設定的最低溫度（黑河市某地區自然環境能夠達到的平均最低溫度的最大概率）可以通過Weibull分布概率理論計算得出。Weibull分布是可靠性分析及壽命檢驗的理論基礎，Weibull分布能通過不同的參數擬合出各種概率曲線，包含多種不同的典型分布，如正態分布、指數分布、伽瑪分布、瑞萊分布等[10，11]。

圖7為黑河市某地區歷年最低平均溫度數據，以1月份溫度數據為例，運用最大似然估計（式（1））以及完整似然函數（式（2）），可推算出1月份最低平均溫度符合兩參數Weibull分布概率密度函數（式（3））。

圖8為根據Weibull軟件分析出的1月份平均最低溫度的概率分布，直方圖表示平均最低溫度出現頻次，曲線是依據頻次擬合出的平均最低溫度概率密度分布。依據概率密度函數，推算出1月份黑河市某地區平均最低氣溫出現-35℃的可能性為99%。

同理，可推算出黑河市某地區冬季其它月份99%可能達到的平均最低溫度。圖9為黑河市某地區歷年11月到次年3月99%可能達到的平均最低溫度分布曲線。

因此，參考環境艙的降溫速率以及黑河市某地區冬季99%可能達到的最低平均溫度（-35℃），設定環境艙溫度補償的最低目標溫度為-35℃；根據冬季試驗規范要求，在環境艙的降溫過程中，環境艙溫度從-20℃降至-30℃的時間段用于執行-20℃的整車靜置，環境艙溫度從-30℃降至-35℃的時間段用于執行低于-30℃的整車靜置，以補償冬季試驗的溫度要求。

4.4 試驗方案的制定和選擇

根據整車冬季試驗規范要求，整車在環境艙中降溫后需再出艙執行道路試驗規范。以2天的操作為例，基于環境艙溫度補償的轉向高壓油管冬季試驗設置了兩種試驗方案，如表3所列。

表3 兩種環境艙試驗方案設置對比

根據表3確定合理的試驗方案。

a.選擇靜置時間。方案1中,車輛每次在環境艙靜置時間為2 h，方案2中,車輛每次在環境艙靜置時間為1.5 h。因為環境艙實際的降溫速率是在約1.25 h達到-35℃，因此1.5 h的靜置時間能夠達到最低溫度要求。同時，方案2的環境艙靜置總時間（6 h）與方案1相同，但執行道路試驗規范數比方案1多1個，方案2充分利用了設備的使用時間，提高了試驗效率，縮短了試驗周期。因此，車輛進環境艙靜置時間設置為1.5 h。

b.首次靜置艙內溫度設置。由于自然環境溫度較高，降溫所需時間較長，因此將每天首次進入環境艙的靜置溫度設置為-30℃，快速降低至低溫即可，以利于后續進艙快速降溫至所需溫度，增加低溫靜置時間。

c.靜置后道路試驗規范選擇。因本試驗只考核轉向高壓油管，為更好地驗證油管在低溫環境下的可靠性，因此設定-35℃環境艙靜置之后執行的規范為轉向最頻繁的道路試驗規范，以最大程度驗證轉向高壓油管性能，提高試驗的執行效率。

綜上所述，選擇方案2為轉向高壓油管冬季試驗的執行方案，并依據此方案制訂試驗周期。

4.5 試驗結果分析

采用方案2進行了環境艙溫度補償的轉向高壓油管冬季試驗，結果表明，利用環境艙溫度補償進行的轉向高壓油管冬季試驗，與在真實低溫環境下進行的冬季試驗結果具有很好的相關性。

5 結束語

利用環境艙進行溫度補償的轉向高壓油管冬季試驗，是一種將低溫環境艙與道路試驗相結合的新方法，利用該方法可以對錯失自然環境冬季試驗周期的相關零件進行有效驗證。隨著該方法的應用和不斷完善，亦可應用于非高寒地區的試驗場，利用環境艙的低溫補償執行更多的冬季耐侯性道路試驗。

1 楊瑞峰.汽車試驗場概述.輪胎工業,2008（28）:757～766.

2 王繼光.汽車耐久性試驗.科技創新論壇,2013.

3 關文達.汽車構造.北京：機械工業出版社,2005.

4 陳燕，陳竹君，陳丹曄.汽車液壓助力轉向系統轉向液滲漏的分析及處理.潤滑與密封,2009（34）:114～116.

5 姜浩.橡膠管總成接頭的設計.全國橡膠工業信息發布暨首屆中國汽車橡膠制品技術與市場發展研討會論文集, 2007.

6 陳燕，余啟智.汽車液壓助力轉向系統高壓管軟管結構和扣壓類型分析.研究與開發,2008（8）:55～56.

7 袁彬彬，劉力，梁繼竹，等.3種增塑劑對氯磺化聚乙烯橡膠性能的影響.橡膠工業,2012（59）:213～216.

8 王作齡.氯磺化聚乙烯配方技術.世界橡膠工業,2000（27）:46～55.

9 謝鐘麟.汽車用膠管的技術進展.橡膠工業,2007（54）: 114～123.

10 曹祖劍.兩參數威布爾分布在汽車油泵失效預測中的應用.遼寧科技學院學報,2011（13）:23～24.

11 趙呈建，徐文青.Weibull分布的若干性質.河南工程學院學報,2010（22）:71～74.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年6月11日。

Cold Weather Test Method Research of High Pressure Steering Oil Hose Based on Temperature Compensation in Environmental Chamber

Fan Tao,Wang Hui,Wu Wenchao,Wang Haipei
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd）

According to the analysis of the ambient temperature and the performance of the high pressure steering oil hose,a winter test method of the high pressure steering oil hose is proposed based on temperature compensation of environment chamber.This test method combines the low temperature environmental chamber with road test to verify the components which miss the winter test cycles.The test results show that the winter test of high temperature steering oil pipe with environmental chamber temperature compensation has good correlation with winter test under real low temperature environment.

High Pressure Steering Oil Hose，Winter Tes，Environmental Chamber，Temperature Compensation

轉向高壓油管 冬季試驗 環境艙 溫度補償

U467.1+5

A

1000-3703（2015）10-0048-04