基于环境舱温度补偿的转向高压油管冬季试验方法研究

范韬 王晖 武文超 王海沛

（泛亚汽车技术中心有限公司）

基于环境舱温度补偿的转向高压油管冬季试验方法研究

范韬 王晖 武文超 王海沛

（泛亚汽车技术中心有限公司）

通过对环境温度以及转向高压油管性能的分析，提出了基于环境舱温度补偿的转向高压油管冬季试验方法。该试验将低温环境舱与道路试验相结合，可以对错失自然环境冬季试验周期的相关零件进行有效验证。试验结果表明，利用环境舱温度补偿方法进行的转向高压油管冬季试验，与在真实低温环境下进行的冬季试验具有很好的相关性。

1 前言

在整车研发过程中，经常会遇到整车开发试验周期与冬季耐候性试验认证周期存在差异的情况，因此需要研究一种特殊的试验方法以对整车或零部件进行冬季认证试验。为此，本文以转向高压油管为例，研究了基于环境舱温度补偿的冬季试验方法，有效解决了上述问题，满足了对相关零部件的认证要求。

2 转向高压油管特性

转向高压油管是液压助力转向系统的重要管路，在冬季环境下承受着较大的系统工作压力，也是易发生转向液渗漏问题之处[1，2]。高压油管由多层材料构成，其最内层、中间层及最外层均为橡胶层，每两层橡胶层之间各有1层加强层（编织层）[3，4]。

根据某车型的设计需求，其转向系统工作压力约为8.3 MPa，工作温度约为-40～135℃，瞬时温度为150℃，因此其转向高压油管的橡胶层选用氯磺化聚乙烯橡胶CSM（Chloro Sulfonated Polyethylene Rubber），编织层选用尼龙PA66（Nylon），如图1所示。CSM的化学结构完全饱和，具有优异的耐候性、耐热性、难燃性、耐磨性等，在-30℃低温条件下具有一定屈挠性[5～7]。

该车转向系统使用DEXRON某型油液作为转向油，其低温粘度特性用布氏粘度进行描述，图2为其布氏粘度与温度关系曲线。由图2可看出，布氏粘度在-40～-20℃时变化明显。因布氏粘度越高，转向系统工作时转向高压油管内的压力越大，越容易出现质量缺陷，所以应重点考核转向高压油管在-40～-20℃时的耐低温特性。

3 冬季试验与环境温度

为得到基于环境舱温度补偿的转向高压油管冬季试验认证方法，以充分验证其耐低温性能，需要对整车冬季试验规范以及试验环境温度进行分析。

3.1 整车冬季试验规范

冬季耐候性试验是利用低温及天然的冰雪路面，对车辆进行低温起动、除霜除雾、冷热冲击、路面颠簸或振动等方面的测试[8]，以考核整车耐低温性能。整车冬季试验约持续2个多月，要按一定规范比例执行环境温度低于-20℃和-30℃[9]的试验规范。整个试验规范由一些子规范组成，目的是用来模拟客户实际的使用状况，如两地之间的长距离行驶、颠簸路面行驶或城市道路行驶等。每个子规范试验之间穿插整车静置来模拟客户日常用车行为。

3.2 环境温度分析

我国比较典型的冬季试验场位于黑龙江省的黑河市，图3为2009年～2013年黑河市冬季气温分布。从图3可看出，每年11月下旬到次年2月底为日平均气温≤-20℃的严寒时段，约100天左右；一年中约40天左右最低温度≤-30℃。

整车冬季试验要求环境温度分布于低于-30℃、-30～-20℃等几个区间[9]。根据黑河市某地区温度实测统计，2012年～2013年度出现-30℃及低于-30℃的天数、每天持续的时间如图4所示，平均约为4.5 h/天。由图4可看出，在温度低于-30℃的时间段内，平均降温速率为1℃/51 min，即每3 h平均降温3.5℃，4 h平均降温4.7℃。

根据图3的数据可知，从3月中旬开始环境最低温度总体呈上升趋势，可达-15℃以上，此时对整车零部件耐低温性能的考核效果减弱，为保证试验车辆交付周期，需要用环境舱进行温度补偿，以便能够继续对整车及零部件耐低温性能进行验证。

4 环境舱温度补偿试验方法

4.1 低温环境舱

试验采用的某型低温环境舱的最大功率为66 kW，降温速率如表1所列。

表1 某型低温环境舱降温速率

根据历年黑河市某地区温度统计结果，设定环境舱内最低温度为-35℃，实测该环境舱的降温情况如图5所示。由图5可看出，环境舱第1次开启时，由于环境舱内温度基本与室外温度一致，因此降温至-35℃所需时间偏长。当车辆完成静置并出舱执行完试验子规范再次入舱静置后，虽然发动机散发余热，但由于环境舱具有一定的保温作用，每次重新启动比初次启动可提前30 min左右降温至-35℃。实测第1次进舱降温速率为0.26℃/min，后续进舱的降温速率约为0.18℃/min。

低温环境舱与室外环境温度降温速率对比如表2所列。由表2可知，受发动机余热的影响，环境舱的降温速率小于无热源时的降温速率，但是远大于室外环境温度的降温速率。根据整车实际进舱降温速率统计，试验车辆在进舱1 h左右舱内温度可达-35℃。

表2 环境舱与室外环境温度降温速率对比

4.2 试验流程

对比整车冬季试验方法，鉴于该试验重点考核转向高压油管的冬季耐低温性能，依据对转向高压油管、环境舱及自然环境温度的分析，制定环境舱温度补偿试验流程。试验时，首先将车辆静置在环境舱内模拟自然环境的静置，补偿自然环境不能达到温度要求的静置规范。完成静置后，在环境舱内起动车辆并立即左、右转向到下止点，当转向油布氏粘度最大、转向高压管内压力最高时考核转向高压油管性能。在环境舱外，重点执行转向工作频次高、强度大的规范，有针对性地对转向高压油管进行考核。试验完成后，将试验结果进行对比，判断该温度补偿方法是否可行。环境舱温度补偿试验流程如图7所示。

4.3 补偿温度设定

基于整车冬季试验的温度要求，转向高压油管冬季试验温度补偿需要设定的最低温度（黑河市某地区自然环境能够达到的平均最低温度的最大概率）可以通过Weibull分布概率理论计算得出。Weibull分布是可靠性分析及寿命检验的理论基础，Weibull分布能通过不同的参数拟合出各种概率曲线，包含多种不同的典型分布，如正态分布、指数分布、伽玛分布、瑞莱分布等[10，11]。

图7为黑河市某地区历年最低平均温度数据，以1月份温度数据为例，运用最大似然估计（式（1））以及完整似然函数（式（2）），可推算出1月份最低平均温度符合两参数Weibull分布概率密度函数（式（3））。

图8为根据Weibull软件分析出的1月份平均最低温度的概率分布，直方图表示平均最低温度出现频次，曲线是依据频次拟合出的平均最低温度概率密度分布。依据概率密度函数，推算出1月份黑河市某地区平均最低气温出现-35℃的可能性为99%。

同理，可推算出黑河市某地区冬季其它月份99%可能达到的平均最低温度。图9为黑河市某地区历年11月到次年3月99%可能达到的平均最低温度分布曲线。

因此，参考环境舱的降温速率以及黑河市某地区冬季99%可能达到的最低平均温度（-35℃），设定环境舱温度补偿的最低目标温度为-35℃；根据冬季试验规范要求，在环境舱的降温过程中，环境舱温度从-20℃降至-30℃的时间段用于执行-20℃的整车静置，环境舱温度从-30℃降至-35℃的时间段用于执行低于-30℃的整车静置，以补偿冬季试验的温度要求。

4.4 试验方案的制定和选择

根据整车冬季试验规范要求，整车在环境舱中降温后需再出舱执行道路试验规范。以2天的操作为例，基于环境舱温度补偿的转向高压油管冬季试验设置了两种试验方案，如表3所列。

表3 两种环境舱试验方案设置对比

根据表3确定合理的试验方案。

a.选择静置时间。方案1中,车辆每次在环境舱静置时间为2 h，方案2中,车辆每次在环境舱静置时间为1.5 h。因为环境舱实际的降温速率是在约1.25 h达到-35℃，因此1.5 h的静置时间能够达到最低温度要求。同时，方案2的环境舱静置总时间（6 h）与方案1相同，但执行道路试验规范数比方案1多1个，方案2充分利用了设备的使用时间，提高了试验效率，缩短了试验周期。因此，车辆进环境舱静置时间设置为1.5 h。

b.首次静置舱内温度设置。由于自然环境温度较高，降温所需时间较长，因此将每天首次进入环境舱的静置温度设置为-30℃，快速降低至低温即可，以利于后续进舱快速降温至所需温度，增加低温静置时间。

c.静置后道路试验规范选择。因本试验只考核转向高压油管，为更好地验证油管在低温环境下的可靠性，因此设定-35℃环境舱静置之后执行的规范为转向最频繁的道路试验规范，以最大程度验证转向高压油管性能，提高试验的执行效率。

综上所述，选择方案2为转向高压油管冬季试验的执行方案，并依据此方案制订试验周期。

4.5 试验结果分析

采用方案2进行了环境舱温度补偿的转向高压油管冬季试验，结果表明，利用环境舱温度补偿进行的转向高压油管冬季试验，与在真实低温环境下进行的冬季试验结果具有很好的相关性。

5 结束语

利用环境舱进行温度补偿的转向高压油管冬季试验，是一种将低温环境舱与道路试验相结合的新方法，利用该方法可以对错失自然环境冬季试验周期的相关零件进行有效验证。随着该方法的应用和不断完善，亦可应用于非高寒地区的试验场，利用环境舱的低温补偿执行更多的冬季耐侯性道路试验。

1 杨瑞峰.汽车试验场概述.轮胎工业,2008（28）:757～766.

2 王继光.汽车耐久性试验.科技创新论坛,2013.

3 关文达.汽车构造.北京：机械工业出版社,2005.

4 陈燕，陈竹君，陈丹晔.汽车液压助力转向系统转向液渗漏的分析及处理.润滑与密封,2009（34）:114～116.

5 姜浩.橡胶管总成接头的设计.全国橡胶工业信息发布暨首届中国汽车橡胶制品技术与市场发展研讨会论文集, 2007.

6 陈燕，余启智.汽车液压助力转向系统高压管软管结构和扣压类型分析.研究与开发,2008（8）:55～56.

7 袁彬彬，刘力，梁继竹，等.3种增塑剂对氯磺化聚乙烯橡胶性能的影响.橡胶工业,2012（59）:213～216.

8 王作龄.氯磺化聚乙烯配方技术.世界橡胶工业,2000（27）:46～55.

9 谢钟麟.汽车用胶管的技术进展.橡胶工业,2007（54）: 114～123.

10 曹祖剑.两参数威布尔分布在汽车油泵失效预测中的应用.辽宁科技学院学报,2011（13）:23～24.

11 赵呈建，徐文青.Weibull分布的若干性质.河南工程学院学报,2010（22）:71～74.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为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

转向高压油管 冬季试验 环境舱 温度补偿

U467.1+5

A

1000-3703（2015）10-0048-04