某載貨汽車(chē)打氣泵出氣鋼管斷裂原因分析

陳偉，牟云峰

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

某載貨汽車(chē)打氣泵出氣鋼管斷裂原因分析

陳偉，牟云峰

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

針對(duì)某載貨汽車(chē)在市場(chǎng)上發(fā)生的打氣泵出氣鋼管斷裂問(wèn)題，對(duì)可能導(dǎo)致的原因進(jìn)行分析并一一排查，最終發(fā)現(xiàn)鋼管與發(fā)動(dòng)機(jī)共振是導(dǎo)致鋼管斷裂的主要原因?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化鋼管中間固定位置與調(diào)整鋼管的形狀來(lái)提高鋼管的固有頻率，建議通過(guò)CAE對(duì)打氣泵出氣鋼管進(jìn)行模態(tài)分析，建議其固有頻率大于300Hz。

鋼管斷裂；共振；固有頻率；模態(tài)分析

CLC NO.:U472 Docum en t Code: B A rticle ID: 1671-7988(2014)06-94-04

引言

汽車(chē)的制動(dòng)性是汽車(chē)的主要性能之一，直接關(guān)系著交通安全。氣壓制動(dòng)系憑借其可提供較大的制動(dòng)驅(qū)動(dòng)力而廣泛應(yīng)用于各類(lèi)中、重型載貨汽車(chē)中。打氣泵出氣鋼管作為氣源傳輸?shù)钠鹗細(xì)饴?，是氣壓制?dòng)系重要的組成部分。由于打氣泵出氣鋼管直接與發(fā)動(dòng)機(jī)打氣泵相連，其不停的承受著振動(dòng)、高溫等惡劣環(huán)境的影響。市場(chǎng)上，氣壓制動(dòng)載貨汽車(chē)打氣泵鋼管斷裂已經(jīng)成為常見(jiàn)的故障之一。

本司某載貨汽車(chē)自2011年5月份至2012年2月份市場(chǎng)反饋發(fā)生打氣泵出氣鋼管斷裂故障52起（共銷(xiāo)售2200輛），故障率2.36%，故障平均里程不到7500km。

1、故障描述

通過(guò)對(duì)返回的故障件進(jìn)行觀察，鋼管斷裂均發(fā)生在距離壓縮機(jī)口30mm～40mm的范圍內(nèi)。

2、原因分析

對(duì)鋼管斷裂故障進(jìn)行FTA分析。

本司已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的三維化設(shè)計(jì)，該打氣泵出氣鋼管已經(jīng)至于整車(chē)環(huán)境中進(jìn)行過(guò)專(zhuān)業(yè)的尺寸校核與DMU檢查，可以排除理論設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和鋼管與其他部件干涉的可能性（圖3）。鋼管材料選用國(guó)內(nèi)普遍使用的符合標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4164雙層銅焊鋼管，在對(duì)鋼管的抽樣檢查中，其力學(xué)性能均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。制造部門(mén)嚴(yán)格根據(jù)裝配作業(yè)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行裝配，裝配誤差可以很好的處于控制范圍內(nèi)，裝配誤差也不是影響該車(chē)大面積斷裂的主因。下文將主要從制造誤差以及鋼管與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生共振兩個(gè)方便進(jìn)行驗(yàn)證，找出壓縮機(jī)出氣鋼管斷裂的主因并實(shí)施有效對(duì)策。

3、制造誤差

鋼管使用專(zhuān)用的數(shù)控彎管設(shè)備折彎成型，生產(chǎn)時(shí)受車(chē)床自身因素、夾具精度、工藝因素、操作因素等原因的影響，不可避免的存在制造誤差。鋼管的成型過(guò)程是一個(gè)多次連續(xù)折彎的過(guò)程，正是這鋼管連續(xù)折彎的特點(diǎn)導(dǎo)致前一個(gè)折彎點(diǎn)產(chǎn)生的誤差向下一個(gè)折彎點(diǎn)傳遞放大。如每一個(gè)折彎點(diǎn)的折彎角度產(chǎn)生0.5°的制造誤差，該壓縮機(jī)出氣鋼管存在7個(gè)折彎點(diǎn)，最后的一次折彎與理論值將相差3.5°。

隨機(jī)選取的一根已生產(chǎn)的打氣泵出氣鋼管進(jìn)行掃描后，把采集的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件CATIA實(shí)現(xiàn)三維逆向建模。逆向數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，保持一個(gè)端口重疊，另一端發(fā)生了明顯的偏差，如圖4所示。

較大的制造誤差導(dǎo)致鋼管安裝后產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，會(huì)大大縮短鋼管的使用壽命。為了保證打氣泵出氣鋼管的尺寸處于設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi)，我司根據(jù)理論數(shù)據(jù)制作了專(zhuān)用檢具，在進(jìn)廠檢驗(yàn)中，外形尺寸納入必檢項(xiàng)。

所有使用的鋼管制造誤差均在設(shè)計(jì)誤差的范圍內(nèi)，雖然制造誤差是導(dǎo)致鋼管斷裂的一個(gè)因素，但并不是主要因素。

4、鋼管與發(fā)動(dòng)機(jī)共振

共振是指一物理系統(tǒng)在特定頻率下，比其他頻率以更大的振幅做振動(dòng)的情形，此些特定頻率稱(chēng)之為共振頻率。當(dāng)阻尼很小時(shí)，共振頻率約等于系統(tǒng)的固有頻率。在共振頻率下，很小的周期振動(dòng)便可產(chǎn)生很大的振動(dòng)。

在出氣鋼管上加載使其變形后，突然去除載荷時(shí)，出氣鋼管產(chǎn)生振動(dòng)。此時(shí)的頻率為出氣鋼管的固有頻率，該頻率由鋼管重量與剛度決定的。

固有頻率的公式一般如下表示：

f＝（K/M）1/2/（2×π） （1）

式中，f：固有頻率；K：剛度；M：重量。

4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一次發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒（爆發(fā)）2次，所以發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率是曲軸轉(zhuǎn)速的2倍。

當(dāng)鋼管長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，其剛度會(huì)下降，鋼管的固有頻率下降。因此，當(dāng)鋼管兩個(gè)固定點(diǎn)之間間隔大時(shí)，鋼管的固有頻率就有可能降到發(fā)動(dòng)機(jī)的使用轉(zhuǎn)速內(nèi)，從而產(chǎn)生共振，如圖6所示。

選取該載貨汽車(chē)打氣泵出氣鋼管的三個(gè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3）進(jìn)行振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集，如圖7所示。采集數(shù)據(jù)如圖8所示。

由圖8可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1300r/m in和2600r/m in時(shí)，測(cè)點(diǎn)2的X、Y、Z三個(gè)方向振動(dòng)加速度均突然增大，發(fā)生共振。其中Y方向振動(dòng)最大，與實(shí)際斷裂方向一致。1300r/m in為發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速，因此該鋼管經(jīng)常在較大的振動(dòng)加速度下工作，易發(fā)生疲勞斷裂。

為了對(duì)比說(shuō)明共振是該載貨汽車(chē)打氣泵鋼管發(fā)生斷裂的主要因素，特選擇了我司另一款打氣泵出氣鋼管故障率低（市場(chǎng)銷(xiāo)售1200輛，故障1輛）的載貨汽車(chē)用相同的方法進(jìn)行振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集，如圖9所示。

可以看出，試驗(yàn)車(chē)輛的鋼管振動(dòng)加速度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升而平滑上升，沒(méi)有發(fā)生共振。

由固有頻率公式可知，增加鋼管的剛度可以提高其固有頻率。我們拿出了兩種修改方案，一是在對(duì)現(xiàn)有鋼管再增加一處中間固定（原先已有一處固定，新增固定位于圖7測(cè)點(diǎn)2附近），驗(yàn)證效果如圖10所示。

此方案消除了測(cè)點(diǎn)2的共振，但測(cè)點(diǎn)3的Y方向出現(xiàn)了振動(dòng)陡增，也就是說(shuō)消除了測(cè)點(diǎn)1的斷裂共振因素但新增固定點(diǎn)2成為了新的潛在斷裂點(diǎn)。方案一不可行。

二是調(diào)整鋼管的外形以提高其剛度，如圖11所示。驗(yàn)證效果如圖12所示。

可以看出，整改后的鋼管在發(fā)動(dòng)機(jī)升速過(guò)程中隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升振動(dòng)加速度上升平滑，并沒(méi)有發(fā)生共振，狀態(tài)良好。也就是現(xiàn)在鋼管的共振點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速之外。

利用軟件Hyper Mesh對(duì)方案二調(diào)整前后的鋼管進(jìn)行模態(tài)分析，整改前鋼管的固有頻率為145Hz，整改后鋼管的固有頻率為332Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了該車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速的固有頻率范圍。

5、總結(jié)

筆者對(duì)可能導(dǎo)致打氣泵鋼管斷裂的因素進(jìn)行一一排查驗(yàn)證，最終發(fā)現(xiàn)打氣泵出氣鋼管與發(fā)動(dòng)機(jī)共振是導(dǎo)致該載貨汽車(chē)打氣泵出氣鋼管斷裂的主要原因。經(jīng)過(guò)總結(jié)，筆者得到如下經(jīng)驗(yàn)：

A、發(fā)生共振的概率與鋼管最高處和打氣泵出氣口處的距離有直接關(guān)系，距離遠(yuǎn)則質(zhì)量變大，容易降低鋼管固有頻率，直到接近發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率，從而發(fā)生共振；

B、發(fā)生共振的概率與固定點(diǎn)數(shù)量關(guān)系不大，與固定點(diǎn)的位置關(guān)系較大，如本案例所示，故障件與發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)共振點(diǎn)，新增一處固定后可以消除發(fā)動(dòng)機(jī)1300轉(zhuǎn)時(shí)的共振但無(wú)法消除發(fā)動(dòng)機(jī)2600轉(zhuǎn)時(shí)的共振。所以設(shè)計(jì)中需要合理布置鋼管的固定點(diǎn)。

C、管路設(shè)計(jì)完成后需要進(jìn)行CAE模態(tài)分析，確認(rèn)其固有頻率，并與發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速的頻率對(duì)比，避免發(fā)生共振，建議打氣泵出氣鋼管的固有頻率在300HZ以上。

參考資料

[1] 余志生.汽車(chē)?yán)碚?機(jī)械工業(yè)出版社.2000.

[2] 現(xiàn)代振動(dòng)與噪聲技術(shù)（第7卷）.航空工業(yè)出版社.2009.1.

[3] 基于HYPERWORKS的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社.2007.11.

無(wú)線充電系統(tǒng)市場(chǎng)將在6年內(nèi)大幅增長(zhǎng)

W ireless charging systems market w ill grow substantially in six years

近日，F(xiàn)rost & Sullivan咨詢(xún)公司發(fā)布了一份分析報(bào)告，指出2012-2020年間，無(wú)線充電技術(shù)的市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到126.6%，期間將有351,900套無(wú)線充電系統(tǒng)被售出。同時(shí)，無(wú)線充電系統(tǒng)將占北美家用住宅費(fèi)用的1.2%，占?xì)W洲家用住宅費(fèi)用2.6%。而到2020年無(wú)線充電系統(tǒng)將占據(jù)所有電動(dòng)車(chē)充電方式的70%。

由于歐洲政府部門(mén)、整車(chē)廠、充電站制造商正在合作推行多個(gè)無(wú)線充電項(xiàng)目，因此歐洲地區(qū)無(wú)線充電市場(chǎng)增長(zhǎng)將最快。

Frost & Sullivan公司汽車(chē)和運(yùn)輸高級(jí)研究分析師Prajyot Sathe表示：“雷諾、日產(chǎn)、戴姆勒、沃爾沃、寶馬、豐田都在進(jìn)行電動(dòng)車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的研發(fā)，并且已經(jīng)有許多車(chē)企宣布無(wú)線充電技術(shù)已經(jīng)投入測(cè)試階段。

An Analytical Study of the Pump Outlet Pipe Fracture about Truck

Chen Wei, Mou Yunfeng
（Technique center, Anhui Jianghuai Automobile CO., LTD, Anhui Hefei 230601）

A truck in the market place of the pump outlet pipe fracture problems, to analyze the causes and investigation, finally found the steel pipe and the engine resonance tube fracture is the main reason leading to. By optimizing the pipe is fixed in the m iddle position and adjusting the pipe shape to improve the natural frequency of pipe, as suggested by the CAE rally the air outlet of the air pump pipe modal analysis, the natural frequency is more than 300Hz.

Steel pipe Fracture; Resonance; Natural Frequency; Modal Analysis

U472

B

1671-7988(2014)06-94-04

陳偉，就職于安徽江淮汽車(chē)技術(shù)中心商用車(chē)研究院。