某商用車散熱器面罩開裂分析與改進(jìn)

孟兵，胡啟龍，蔡明，夏軍民，張路

（1.南京汽車集團(tuán)公司汽車工程研究院，江蘇南京210028；2.南京依維柯汽車有限公司,江蘇南京210028）

輕型卡車作為運(yùn)輸各類生產(chǎn)資料和勞動(dòng)工具的重要載體，以其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、承載超載能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、工作快捷高效的特點(diǎn)，成為商用車領(lǐng)域最暢銷的產(chǎn)品之一[1]。為了提高市場(chǎng)占有率，公司在“G”系列普通輕卡基礎(chǔ)上開發(fā)了針對(duì)山區(qū)、丘陵地帶等道路不便地區(qū)的新產(chǎn)品。該產(chǎn)品為提高復(fù)雜路況的適應(yīng)性，在整車設(shè)計(jì)上進(jìn)行了減震、防沖擊等處理措施，以適應(yīng)復(fù)雜路況的挑戰(zhàn)。

為了更好地驗(yàn)證產(chǎn)品性能，公司將產(chǎn)品路試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了相應(yīng)提升。產(chǎn)品在路試中經(jīng)受了更多挑戰(zhàn)，反饋回一些設(shè)計(jì)驗(yàn)證初期未出現(xiàn)的質(zhì)量問題。其中，散熱器面罩開裂問題尤其嚴(yán)重，對(duì)整車美觀性及車輛安全性均造成重大影響。按照產(chǎn)品道路試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，通過改善車身工藝及車身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等措施，對(duì)出現(xiàn)的散熱器面罩開裂問題進(jìn)行改進(jìn)，徹底解決該質(zhì)量問題。在項(xiàng)目改進(jìn)實(shí)施后，通過實(shí)車路試驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性。

1 散熱器面罩開裂問題分析

1.1 散熱器面罩開裂問題產(chǎn)生

由于產(chǎn)品上市之后的路況條件極其險(xiǎn)峻，為了更好得驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性，公司將產(chǎn)品路試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了相應(yīng)提升，將可靠性路試總里程從10000 km 增加為20000 km，強(qiáng)化路路試?yán)锍虖?000 km 增加為7000 km。經(jīng)過磨合、高環(huán)、城市道路、場(chǎng)內(nèi)山路等階段路試，強(qiáng)化路里程達(dá)到6700 km時(shí)，散熱器面罩機(jī)罩鎖區(qū)域發(fā)生開裂問題，開裂情況見圖1。

圖1 散熱器面罩開裂

如圖1所示，在路試中散熱器面罩安裝機(jī)罩鎖區(qū)域開裂較為嚴(yán)重。靠近鎖孔處的2個(gè)焊接螺栓周邊板材形成的裂紋已經(jīng)連通，其中外側(cè)位置處裂紋呈現(xiàn)放射狀，面罩外板折彎處出現(xiàn)裂紋。整個(gè)開裂狀態(tài)呈現(xiàn)巨大的T 字形。如果車輛在同等路況下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，散熱器面罩安裝機(jī)罩鎖區(qū)域有發(fā)生整體斷裂的可能，機(jī)罩鎖甚至可能發(fā)生躥動(dòng)，給行車安全造成巨大隱患。

1.2 散熱器面罩CAE分析結(jié)果

針對(duì)散熱器面罩出現(xiàn)的開裂問題，需要從工藝、材料、結(jié)構(gòu)等方面入手，綜合分析開裂的原因。從該件尺寸方面來講，面罩框外板與左右側(cè)圍外板直接相連，采用HR380F 鋼板一體成型方式，Y向尺寸比較大，但其料厚為1.0mm，造成彎曲剛度較差；從工藝方面來講，安裝機(jī)罩鎖斷面處工藝缺口尺寸較大，降低了散熱器面罩外板的抗彎強(qiáng)度；從安裝方式來講，散熱器面罩上由于裝有機(jī)罩鎖，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前側(cè)全部靠面罩卡位，而發(fā)動(dòng)機(jī)罩重量較大，對(duì)面罩框中部產(chǎn)生巨大的交變應(yīng)力。針對(duì)該問題，必須進(jìn)行有限元分析，模擬車輛運(yùn)行時(shí)散熱器面罩的工況，研究開裂區(qū)域的應(yīng)力狀況，找到導(dǎo)致開裂的原因。

在有限元分析時(shí)建立更加精確的前處理模型，優(yōu)化模型邊界條件，用線性靜力計(jì)算方法對(duì)開裂區(qū)域進(jìn)行工程分析[2]。前處理網(wǎng)格劃分采用Hypermesh軟件，后處理應(yīng)用MSC NASTRAN軟件[3]。因?yàn)檐嚿頌殁k金件，散熱器外板在網(wǎng)格劃分時(shí)按照殼體單元進(jìn)行，在機(jī)罩鎖安裝孔區(qū)域附近單元?jiǎng)澐中枰敿?xì)一些，單元尺寸0.5 mm左右，而原未開裂部位單位尺寸控制為2 mm左右。散熱器面罩外板材料HR380F 泊松比為0.3，彈性模量為260 GPa，密度為7830 kg·m-3。邊界條件：約束車身截面所有自由度，約束面罩板中間位置的所有自由度，如圖2所示。載荷：在散熱器面罩外板位置施加Z+方向700 N的力（圖3）。CAE分析結(jié)果如圖4所示。

圖2 散熱器面罩開裂

圖3 施加載荷

圖4 散熱器面罩開裂CAE分析結(jié)果

CAE分析結(jié)果表明，在3G重力場(chǎng)靜載工況下，散熱器面罩機(jī)罩鎖區(qū)域由于工藝缺口等原因?qū)е麓嬖诰植繎?yīng)力集中現(xiàn)象，其中開裂區(qū)域周邊應(yīng)力極值達(dá)到441 MPa。而散熱器面罩外板材料為HR380F，屈服強(qiáng)度僅為380 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于計(jì)算應(yīng)力值。從圖4可以看出，機(jī)罩鎖鎖孔周邊是應(yīng)力集中的核心區(qū)域，危險(xiǎn)區(qū)域直接延伸到右側(cè)機(jī)罩鎖2個(gè)安裝孔處。在大片區(qū)域內(nèi)，散熱器面罩受到的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了自身材料的屈服極限，在受到較大應(yīng)力作用下出現(xiàn)開裂問題。

2 散熱器面罩開裂改進(jìn)方案

針對(duì)出現(xiàn)的質(zhì)量問題，需要從導(dǎo)致開裂的原因入手，針對(duì)性地制定解決方案，包括優(yōu)化開裂件結(jié)構(gòu)、增加加強(qiáng)件、改進(jìn)零部件加工工藝等；采用優(yōu)化應(yīng)力集中區(qū)域周邊焊點(diǎn)數(shù)量及位置的辦法，不需要增加投入，現(xiàn)生產(chǎn)可操作性好[4]。在散熱器面罩機(jī)罩鎖開裂區(qū)域增加鈑金加強(qiáng)板的改進(jìn)辦法，只需要新開發(fā)加強(qiáng)板自身，開發(fā)后期工裝改進(jìn)量也比較小，改進(jìn)成本相對(duì)較低。但是，由于散熱器面罩上固定了前照燈、喇叭等器件，零件結(jié)構(gòu)改進(jìn)會(huì)造成大范圍零部件設(shè)計(jì)更改，改進(jìn)成本比較高，周期也很長(zhǎng)，采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)的辦法可行性較差。

2.1 焊點(diǎn)優(yōu)化方案

該型車散熱器面罩主體為內(nèi)骨架外覆蓋件的結(jié)構(gòu)形式，其中散熱器面罩外板為一體化成型，與散熱器內(nèi)骨架焊接總成在邊緣處均勻點(diǎn)焊。由于兩者合成時(shí)只通過點(diǎn)焊連接，焊點(diǎn)的數(shù)量和位置對(duì)散熱器面罩總成的應(yīng)力狀態(tài)影響較大。散熱器面罩在車輛振動(dòng)工況下，應(yīng)力分布不均，面罩外板機(jī)罩鎖安裝區(qū)域應(yīng)力集中明顯，在交變載荷下容易發(fā)生疲勞破壞導(dǎo)致零件開裂。因此，可以從增加焊點(diǎn)數(shù)量和優(yōu)化焊點(diǎn)分布等方面，提出緩解應(yīng)力集中的措施。該方案針對(duì)性較強(qiáng)，工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，可以較快的應(yīng)用于現(xiàn)生產(chǎn)。

如圖5所示，在散熱器面罩總成中部區(qū)域，散熱器外板與內(nèi)骨架進(jìn)行焊接時(shí)，加密機(jī)罩鎖固定區(qū)域周邊焊點(diǎn)密度，在兩側(cè)焊接接合處增加4個(gè)焊點(diǎn)。該方案能有效限制零件微小形變，緩解應(yīng)力集中。該方案不增加成本，簡(jiǎn)便易行。

圖5 散熱器面罩焊點(diǎn)優(yōu)化方案

2.2 增加散熱器面罩加強(qiáng)板方案

針對(duì)出現(xiàn)的散熱器面罩開裂問題，增加鈑金加強(qiáng)板件是一種較為直接、有效的解決措施。由于散熱器面罩外板Y向尺寸過大，中間部位存在工藝缺口導(dǎo)致應(yīng)力極值超過材料強(qiáng)度極限，該措施能通過局部加強(qiáng)方式，增加應(yīng)力集中區(qū)域抗彎強(qiáng)度，緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象[5]。因此，可以把增加散熱器面罩加強(qiáng)板作為重要的解決思路應(yīng)用于問題改進(jìn)。由于散熱器面罩加強(qiáng)板可以應(yīng)用于不同部位，產(chǎn)生的加強(qiáng)效果也有較大差異，所以需要對(duì)該方案進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)與分析。

2.2.1 熱器面罩加強(qiáng)板外置方案

由于散熱器面罩外板內(nèi)側(cè)為焊接面，需要與內(nèi)骨架進(jìn)行焊接，因此，受結(jié)構(gòu)空間所限，散熱器面罩加強(qiáng)板可以放置于散熱器面罩外板外側(cè)。該方案的優(yōu)勢(shì)在于此部位沒有其他零部件干涉，加強(qiáng)板可以覆蓋全部機(jī)罩鎖固定區(qū)域，能夠達(dá)到較好的加強(qiáng)效果。該加強(qiáng)板能夠通過增加加強(qiáng)筋和設(shè)置翻邊，增加整體抗疲勞強(qiáng)度。具體設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

2.2.2 散熱器面罩加強(qiáng)板內(nèi)置方案

散熱器面罩外板與骨架焊接合成時(shí)，在中部機(jī)罩鎖區(qū)域形成的內(nèi)槽空間較大，用于安裝機(jī)罩鎖。散熱器面罩加強(qiáng)板可以做成階梯狀，焊于散熱器面罩外板的內(nèi)側(cè)，上部采用三層焊，下部為兩層焊。機(jī)罩鎖安裝于加強(qiáng)板上。這樣的加強(qiáng)方案可以更好的利用空間，并且對(duì)外觀不產(chǎn)生任何影響。在現(xiàn)生產(chǎn)中，利用現(xiàn)有工裝傾斜角度，首先對(duì)下部?jī)蓪雍更c(diǎn)進(jìn)行焊接，然后焊接上部三層焊點(diǎn)部位。具體設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖6 散熱器面罩加強(qiáng)板外置方案

圖7 散熱器面罩加強(qiáng)板內(nèi)置方案

3 散熱器面罩改進(jìn)措施有限元分析

在前期問題CAE分析基礎(chǔ)上，從導(dǎo)致問題產(chǎn)生的原因入手，制定了開裂問題解決措施。焊點(diǎn)優(yōu)化方案是在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下進(jìn)行的改進(jìn)，優(yōu)化焊點(diǎn)位置能改變應(yīng)力在散熱器外板上的分布，緩解局部應(yīng)力集中狀態(tài)。增加鈑金加強(qiáng)件方案，能針對(duì)性的增加機(jī)罩鎖斷面處抗彎曲疲勞強(qiáng)度，解決由于工藝缺口原因?qū)е碌木植繎?yīng)力過大狀況，對(duì)交變載荷作用下的疲勞破壞也有較好的抵抗作用。這兩種方案共同作用，作為綜合性解決措施，對(duì)散熱器面罩應(yīng)力提升意義重大。因此，整改分析時(shí)進(jìn)行了組合式設(shè)計(jì)，制定了兩組差異化改進(jìn)措施。

在改進(jìn)措施確定后，必須重新模擬車輛運(yùn)行時(shí)散熱器面罩的工況，分析開裂區(qū)域最新應(yīng)力狀況，對(duì)方案有效性進(jìn)行研究。在重新優(yōu)化數(shù)據(jù)前處理模型后，應(yīng)用相同的邊界條件，在同樣的位置施加相同的載荷值進(jìn)行計(jì)算。

3.1 改進(jìn)措施

改進(jìn)措施1 采用優(yōu)化焊點(diǎn)方案和散熱器面罩加強(qiáng)板外置方案。對(duì)改進(jìn)后的狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖8a所示，此時(shí)開裂位置處最大應(yīng)力值為325 MPa。

改進(jìn)措施2 采用優(yōu)化焊點(diǎn)方案和散熱器面罩加強(qiáng)板內(nèi)置方案。對(duì)改進(jìn)后的狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖8b所示，此時(shí)開裂位置處最大應(yīng)力值為350 MPa。

圖8 改進(jìn)措施CAE分析結(jié)果

3.2 改進(jìn)措施比較

有限元分析結(jié)果對(duì)比如表1所示，2種改進(jìn)措施與原狀態(tài)相比，均能起到良好應(yīng)力改善效果：改進(jìn)措施1相比原狀態(tài)，應(yīng)力值下降26.3%，最終原開裂區(qū)域的應(yīng)力極值為325 MPa，小于最大應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)350 MPa；改進(jìn)措施2 相比原狀態(tài)，應(yīng)力值下降20.6%，最終原開裂區(qū)域的應(yīng)力極值為350 MPa，滿足最大應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)350 MPa。

改進(jìn)措施1采用的面罩加強(qiáng)板外置方案，與改進(jìn)措施2采用的面罩加強(qiáng)板內(nèi)置方案相比，改進(jìn)應(yīng)力效果具有優(yōu)勢(shì)，但是這種方案需要在車身正面位置“打補(bǔ)丁”，對(duì)外觀產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，進(jìn)而可能影響用戶的購(gòu)買欲望；另外，該方案需要為增加加強(qiáng)板制作獨(dú)立的工裝、夾具，不符合降本原則。而改進(jìn)措施2恰好達(dá)到了應(yīng)力要求標(biāo)準(zhǔn)，并且應(yīng)力最大值遠(yuǎn)離了原開裂區(qū)域，這種改進(jìn)措施也可以確保不再發(fā)生開裂問題。因此選擇改進(jìn)措施2，采用優(yōu)化焊點(diǎn)方案和散熱器面罩加強(qiáng)板內(nèi)置方案作為該車型散熱器面罩開裂問題的改進(jìn)措施。

表1 有限元分析結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)公司產(chǎn)品車在道路實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的散熱器面罩機(jī)罩鎖安裝區(qū)域開裂問題，分別從工藝、材料、結(jié)構(gòu)等方面入手，分析了可能導(dǎo)致開裂的原因[6]。并且在有限元分析的基礎(chǔ)上，從導(dǎo)致應(yīng)力集中的因素入手，制定了針對(duì)性的解決方案，包括焊點(diǎn)優(yōu)化方案和焊接加強(qiáng)板方案。

本文中設(shè)計(jì)了2套改進(jìn)措施，以焊點(diǎn)優(yōu)化方案和散熱器面罩加強(qiáng)板外置方案為改進(jìn)措施1；以焊點(diǎn)優(yōu)化方案和散熱器面罩加強(qiáng)板內(nèi)置方案為改進(jìn)措施2。通過模擬車輛運(yùn)行時(shí)散熱器面罩的工況，分析在兩種改進(jìn)措施下開裂區(qū)域最新應(yīng)力狀況，對(duì)改進(jìn)措施可行性進(jìn)行研究，并選擇其中更好的改進(jìn)措施作為改進(jìn)方案。

由有限元分析可得，2種改進(jìn)措施與原狀態(tài)相比，均能起到良好應(yīng)力改善效果，滿足散熱器面罩應(yīng)力要求標(biāo)準(zhǔn)。但是改進(jìn)措施1 對(duì)外觀可能產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，而改進(jìn)措施2 既能滿足應(yīng)力要求標(biāo)準(zhǔn)，又對(duì)外觀不產(chǎn)生任何影響，工裝投入較少。因此，選擇改進(jìn)措施2，即采用焊點(diǎn)優(yōu)化方案和散熱器面罩加強(qiáng)板內(nèi)置方案作為該商用輕型卡車散熱器面罩開裂問題的整改措施。

改進(jìn)措施在2014年第1 季度完成實(shí)施。在整改完成后，根據(jù)NJ2004-2006汽車整車產(chǎn)品綜合評(píng)價(jià)方法，對(duì)實(shí)施了改進(jìn)措施的樣車重新進(jìn)行了路試，路試后散熱器面罩未出現(xiàn)開裂問題。

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