汽車暖風機芯子失效分析及優(yōu)化設(shè)計

摘要：文章針對某車型暖風芯子漏水問題進行了分析，在成本、周期及效率的綜合考慮下，采取了在暖風芯子水管根部加焊一鋁板的改進措施。通過試驗驗證，改進措施有效，同時也為后續(xù)車型暖風芯子的開發(fā)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：汽車；暖風芯子；失效分析；優(yōu)化設(shè)計；漏水問題 文獻標識碼：A

中圖分類號：U471 文章編號：1009-2374（2015）03-0032-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0209

汽車駕駛室內(nèi)的制暖主要以發(fā)動機的冷卻水為熱源，通過暖風機中的熱交換器（一般稱為暖風芯子），把鼓風機送來的空氣與發(fā)動機冷卻水進行熱交換，空氣加熱后送入車廂內(nèi)，以達到取暖及除霜、除霧的功能，其簡化的過程如圖1所示。暖風機一般由暖風芯子、風機及外殼組成，殼體上有吹向腳部、臉部的出風口及吹向車窗起除霜作用的出風口，其中暖風芯子作為很關(guān)鍵的部件實現(xiàn)了發(fā)動機冷卻液在汽車乘員艙向空氣的的散熱。

暖風芯子的樣式較多，從生產(chǎn)工藝來區(qū)分，主要為銅水箱、鋁水箱和片管式水箱等三類。在微車和轎車中，一般使用的為鋁水箱。鋁水箱式主要使用復(fù)合鋁材，通過釬焊工藝進行制造。

1 問題描述

在跟蹤零件的售后三包退件記錄時，發(fā)現(xiàn)某車型的暖風芯子三包退件數(shù)量快速增加，見圖2。經(jīng)確認故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為暖風芯子泄露。泄露的冷卻液會污染車內(nèi)前排座椅下的地板覆蓋物等，同時引起發(fā)動機水溫高等一系列癥狀，將會引起客戶的極大抱怨。

根據(jù)維修數(shù)據(jù)，確定故障周期主要為大于12個月，故障里程在10000公里以上。根據(jù)故障件統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)進水管根部開裂的故障件占93%，如圖3，出水管根部開裂2%，其他部位開裂5%。

2 原因分析

2.1 零件符合性調(diào)查

經(jīng)過問題解決小組共同確認，零部件的尺寸滿足技術(shù)規(guī)范要求，材料及分供方也未發(fā)生變異。其為鋁合金，在供應(yīng)商內(nèi)部的材料代碼為：芯材合金為FA5577（AA3003），復(fù)合層2為10%FA6671（AA4343），鋁材供應(yīng)商為上海Sapa。

暖風芯子生產(chǎn)的主要工藝流程為：芯體裝配（主板、邊板、扁管和翅片組裝在一起）→進出口管鉚接（進出口管與上水室鉚合）→涂釬劑（手工涂抹，釬劑濃度25%～35%）→翻邊（翻邊機自動翻邊）→釬焊（釬焊爐按釬焊工藝參數(shù)運行）→芯體打磨（去掉釬焊后的殘余雜質(zhì)）→干式檢漏（干式檢漏儀按壓力及泄露值要求進行測試，合格后自動打印合格標識）→粘貼密封條（粘貼密封墊外觀滿足要求）。確認相關(guān)的設(shè)備和參數(shù)未發(fā)現(xiàn)變異，同時操作員工也沒有變化。

小結(jié)：排除零件的一致性波動，即非零件質(zhì)量問題。

2.2 零件裝配過程調(diào)查

在整車裝配車間現(xiàn)場確認暖風芯子的裝配過程，發(fā)動機進出水管的裝配工藝主要為：（1）發(fā)動機進水管：操作工用手將發(fā)動機進水管（膠管）套在暖風芯子的進水鋁管上；（2）發(fā)動機出水管：操作工用特制的鉗子將發(fā)動機出水管（膠管）套在暖風芯子的出水鋁管上。發(fā)動機進水、出水膠管的裝配方式不同，進水管為手動裝配，出水管為用鉗子裝配。由于暖風芯子的鋁管和發(fā)動機進出水管為過盈配合，裝配有一定阻力，裝配過程中存在員工上下用力搖晃來安裝的現(xiàn)象?，F(xiàn)場也偶爾發(fā)生暖風芯子根部開裂的問題，但進水管和出水管都有發(fā)生，故障模式不集中，和售后規(guī)律不一致，故排除該原因或非主因。

小結(jié)：裝配手法的差異，可能導(dǎo)致部分零件受損，但與售后表現(xiàn)不一致，故排除裝配工藝的影響。

2.3 零件結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)分析，發(fā)動機進水、出水膠管走向和尺寸等不同，如圖4所示。相比出水膠管，進水膠管更長，重量更大，在發(fā)動機的固有振動及整車在特殊工況的振動下，其振幅更大。故暖風芯子進水管根部承受的剪切力更大，更易導(dǎo)致疲勞開裂。

該車型暖風芯子上的鋁管是和上水室釬焊為一個整體，沒有相對活動余量，看上去較“脆弱”。對比其他車型的暖風芯子：GP50車型的暖風芯子的鋁管和上水室是鉚合在一起，通過密封圈進行密封，類似于萬向節(jié)形式，有一定活動余量；N1/CN100車型的暖風芯子鋁管較短，且用螺栓螺母進行了緊固，強度較大。在整車總裝車間使用了相同的裝配工藝方式，但其他車型的售后表現(xiàn)良好。

2.4 結(jié)論

問題解決小組判斷該問題的原因是：由于暖風機芯子進、出水管根部的焊縫周圍應(yīng)力集中，在外力長時間振動作用下，易造成疲勞斷裂，導(dǎo)致暖風機芯子漏水。而斷裂基本集中在芯子進水管，是由于與芯子進、出水管對接的膠管結(jié)構(gòu)及布置不一樣，受力有差異導(dǎo)致。

3 優(yōu)化設(shè)計

3.1 改進方案選擇

暖風芯子的改進方案有很多，可以直接參考GP50或N1車型的結(jié)構(gòu)，也可以對膠管走向進行重新布局，但鑒于成本、周期、效率等因素，初步選擇了如圖5的改進方案，即在鋁管根部增加一方形焊片25×25mm，以增加其抗彎強度。

3.2 改進方案試驗驗證

為了驗證該改進方案的有效性，安排了以下兩組試驗，見圖6所示。試驗方式1：用夾具豎直固定好暖風芯子，在鋁管端部施一水平拉力，拉力逐漸增大，直到鋁管根部開裂為止，記錄此時拉力大??；試驗方式2：固定方式及施力方式同試驗方式1，當鋁管變形至一特定位移L=20mm時，記錄此時拉力大小。試驗結(jié)果如表1所示。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，改進后的暖風芯子鋁管根部的抗彎強度明顯增強。

3.3 改進方案確定

通過驗證，該改進方案可有效提高暖風芯子鋁管根部的抗彎強度，同時在暖風芯子生產(chǎn)過程中增加該方形鋁板對工藝影響不大，便于實施。另外，該方形鋁板尺寸較小，可利用一些板材的邊角料進行生產(chǎn)，可有效降低成本，供應(yīng)商可內(nèi)部消化該成本變化。最終，該改進方案獲得了批準實施。

4 結(jié)語

圖7 暖風芯子改進后三包退件返回狀態(tài)

通過對措施斷點后零件的市場表現(xiàn)跟蹤，發(fā)現(xiàn)改進效果良好，見圖7。在該問題改進過程中，得到了產(chǎn)品工程師和供應(yīng)商的大力支持，使問題得到了快速斷點。該改進措施只是在現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)上的局部優(yōu)化，雖沒完全杜絕該問題，但已取得了很大進步。該問題的解決，也為后續(xù)車型暖風芯子的設(shè)計選型提供了借鑒作用。

參考文獻

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作者簡介：馮振杰（1981-），河北邢臺人，上海交通大學(xué)工程碩士，研究方向：車輛工程。

（責任編輯：周 瓊）