基于实测的全年车内温度数据确定热疲劳试验设计用现场等效温度范围的方法研究

《Engineering Science and Technology, an International Journal》：A measurement-based methodology for determining field equivalent temperature ranges for designing thermal fatigue tests through year-round in-vehicle measurements

　　

在设计旨在诱发热疲劳的加速试验时，现场等效温度范围（field equivalent temperature range）——一个反映车辆使用实际环境的关键试验设计参数——难以从现有文献中获取。大多数相关信息为车辆制造商专有，公开可用的数据仅限于ISO 16750-1附录中提供的简要参考。本研究的目的是提出一种基于实际测量数据确定现场等效温度范围的方法。为确保数据稳健性，研究人员在一年内进行了车内温度测量。分析了发动机舱主要部件随季节环境变化的热特性，并应用帕尔姆格伦-迈纳（Palmgren-Miner）线性累积疲劳损伤模型计算了现场等效温度范围。与依赖气候或天气数据的传统方法不同，所提出的方法基于直接测量的温度历史，从而最大限度地减少了对统计和热力学假设的依赖。因此，研究人员通过实验证明，现场等效温度范围随部件的安装位置而变化——这一发现证实并完善了现有关于位置依赖热暴露的理解。本研究中获得的主要汽车发动机舱部件的现场等效温度范围，可作为设计热疲劳加速试验和确定适当试验条件的实用参考。

**论文解读：基于实测数据的发动机舱部件热疲劳试验现场等效温度范围确定方法**

**研究背景、问题与意义**

汽车部件的热疲劳失效是导致发动机舱内电子元件、传感器及执行器故障的主要原因之一。热疲劳的驱动力主要源于不同材料间热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）的不匹配，在校核经受周期性温度变化的连接界面处产生热应力，进而导致裂纹萌生与扩展。为评估此类失效，热疲劳试验（如功率温度循环试验和热冲击试验）被广泛采用。然而，在试验设计中，一个核心参数——现场等效温度范围（field equivalent temperature range），即能够产生与实际不规则温度历史等效热疲劳损伤的恒定温度循环的温度范围，却极难获取。该参数通常为车辆制造商的核心商业秘密，公开可用的参考数据几乎仅限于ISO 16750-1附录中的简要信息。现有研究多依赖气候模型、太阳辐射估算和工程假设来推断该参数，这不可避免地引入了统计不确定性，可能导致对热疲劳损伤的高估或低估，从而影响试验设计的准确性与效率。因此，开展这项研究旨在提出一种基于实际测量数据的、能够更真实反映部件实际服役热环境的方法，以确定发动机舱各主要部件的现场等效温度范围，为热疲劳试验的合理设计提供可靠依据，并提升部件可靠性验证的效率与准确性。该论文发表在《Engineering Science and Technology, an International Journal》。

**主要关键技术方法**

研究人员为此采用了一种基于实车现场测量的方法。首先，在一年内（横跨春、夏、秋、冬四季）进行了104次实际驾驶测量，每次行程包含约30%的城市驾驶和70%的高速公路驾驶，以获取发动机舱关键部件的真实温度历史。其次，通过K型热电偶在发电机、进气歧管、点火线圈和电子节气门控制（Electronic Throttle Control, ETC）等部件上布置了9个测量通道，并使用数据记录仪（LR8431-20, HIOKI）及车载电源适配器（SDR-100W, VANSON）确保了长期连续、稳定的数据采集。最后，基于帕尔姆格伦-迈纳（Palmgren-Miner）线性累积疲劳损伤规则，对采集到的各部件温度历史数据进行计算，从而直接推导出各自的现场等效温度范围。

**研究结果**

**3.1 温度分布**

通过分析四季代表性的驾驶数据，研究人员发现：发动机舱各部件的温度变化呈现共同趋势，但细节存在差异。首先，初始温度随季节变化，冬季最低，春季/秋季居中，夏季最高。其次，每次行程结束时的温度高于起始温度，这是因为在低速城市驾驶和怠速时，车辆诱导气流（冲压空气冷却）的冷却效果减弱，同时发电机在怠速时仍持续运行产生热量。第三，发电机转子壳体的温度最高且变化范围最大，这是由于发电机转子的摩擦热叠加在发动机运行产生的热量之上。相反，节气门体（ETC）孔内的温度最低且变化范围最小，因为持续流动的新鲜进气带走了热量，产生了对流冷却效应。通过箱线图和直方图，研究进一步确认了发电机（CH5）和点火线圈（CH3）在所有测量部件中展现了最大的温度变化范围。

**3.2 现场等效温度范围的计算**

研究人员引入疲劳损伤概念，应用帕尔姆格伦-迈纳（Palmgren-Miner）线性累积疲劳损伤规则，并利用柯芬-曼森（Coffin-Manson）方程中与失效机制相关的指数m，推导出计算现场等效温度范围（ΔT_eq）的公式。该公式基于各次行程的温度循环范围（ΔT_i）和循环次数（n_i）进行计算。通过绘制不同m值下的现场等效温度范围，研究人员发现，对应同一部件的不同通道（如发电机的两个通道CH4和CH5）数据被合理分组，并计算出了各部件在特定m值下的现场等效温度范围。

**总结讨论与结论**

在讨论部分，研究人员首先回顾了描述热疲劳损伤的加速寿命模型，特别是柯芬-曼森（Coffin-Manson）方程及其修正形式，该修正形式考虑了驻留时间、最高温度和斜率（ramp rate）的影响。通过与通用汽车（GM）测试规范中不同年份版本（2014、2018和2023）的数据进行对比，验证了本研究中计算出的现场等效温度范围的有效性。对比结果显示，发电机（CH5）、点火线圈（CH3）和电子节气门控制（ETC）壳体（CH1）的计算值与GM规范值的偏差分别为约2.6%、19.4%和41.7%。其中，CH1的较大偏差主要归因于热电偶安装在ETC壳体的外部可接触位置，而非内部传感器盖附近，因此未能完全反映内部封闭区域的热条件。总体而言，研究结果与文献中逐渐降低的现场等效温度范围趋势一致，证明了所提方法的物理一致性。

**结论部分翻译如下：** 在本研究中，通过跨四个季节的现场测量，对发动机舱主要部件的实际温度变化进行了为期一年的调查。研究人员在电子节气门控制（ETC）壳体、进气歧管、点火线圈、发电机和ETC孔内共九个测量通道安装了K型热电偶，并在包含约30%城市和70%高速公路驾驶的104次行程中记录了温度数据。发电机因旋转运动产生摩擦热，表现出最高的最高温度和最大的温度变化范围；而ETC孔内因持续流动的进气对流冷却，表现出最低的最高温度和最小的变化范围。基于帕尔姆格伦-迈纳（Palmgren-Miner）线性累积疲劳损伤规则，利用疲劳指数m推导出了每个测量通道的现场等效温度范围，计算值与GM热疲劳规范推导值分别相差约2.6%（CH5）、41.7%（CH1）和19.4%（CH3），表明所提方法与GM验证方法总体上具有物理一致性。CH1观察到的较大差异主要归因于热电偶安装在ETC壳体的外部可接触位置，而非内部传感器盖附近。与依赖气候数据和工程假设构建代表性温度分布的传统方法相比，本研究方法基于直接测量的现场数据，能够更真实地反映实际部件所经历的热条件，并通过应用部件特定的等效温度范围，具有防止过度验证和过度测试的实用优势。未来的工作可以通过对峰值温度快速上升的部件有选择地应用雨流计数法，而对温度变化较平缓的部件采用基于T_max-T_min的等效温度范围，来进一步完善试验设计过程。