基于整車道路試驗(yàn)的水箱新型熱循環(huán)試驗(yàn)方法

武文超，伍 晉，李 婕

（1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201； 2.上汽通用汽車有限公司武漢分公司，武漢 430200）

基于整車道路試驗(yàn)的水箱新型熱循環(huán)試驗(yàn)方法

武文超1，伍 晉1，李 婕2

（1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201； 2.上汽通用汽車有限公司武漢分公司，武漢 430200）

基于B公司的整車道路耐久試驗(yàn)中水箱的失效模式，綜合分析熱應(yīng)力導(dǎo)致的失效機(jī)理，結(jié)合實(shí)車水箱內(nèi)部實(shí)際溫度交變幅度和溫度交變頻率,設(shè)計(jì)了一種針對(duì)水箱熱應(yīng)力失效的新型熱循環(huán)臺(tái)架試驗(yàn)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明本新型熱循環(huán)試驗(yàn)工況能對(duì)失效模式進(jìn)行很好的復(fù)現(xiàn)。通過臺(tái)架試驗(yàn)，證明了本方法的可行性。

水箱；熱應(yīng)力；道路試驗(yàn)；熱循環(huán)試驗(yàn)

引言

近年來，各個(gè)主機(jī)廠整車道路試驗(yàn)有關(guān)水箱失效泄露的案例愈發(fā)頻繁，有的失效集中發(fā)生在某一款車型中的某一種發(fā)動(dòng)機(jī)上，經(jīng)分析得出是由于發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)致水溫快速波動(dòng)，因此水箱在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生泄露。改進(jìn)設(shè)計(jì)后，需要再次驗(yàn)證，但是道路試驗(yàn)有著時(shí)間長(zhǎng)，試驗(yàn)樣本數(shù)量有限，投入成本大等缺陷，因此需要將水箱整車路試工況轉(zhuǎn)化為臺(tái)架試驗(yàn)工況來進(jìn)行研究，以便快速?gòu)?fù)現(xiàn)失效以及驗(yàn)證新設(shè)計(jì)方案，第一時(shí)間找到解決辦法。

目前的臺(tái)架熱循環(huán)試驗(yàn)規(guī)范對(duì)于熱應(yīng)力的考察是基于以往的水溫波動(dòng)數(shù)據(jù)，工況比較平穩(wěn)，因此臺(tái)架上并未探測(cè)到失效，而實(shí)車上水箱的熱應(yīng)力損傷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前的臺(tái)架損傷，這樣就出現(xiàn)了臺(tái)架試驗(yàn)與耐久路試不能匹配的情況。因此本文基于B公司H型水箱的失效模式，結(jié)合熱應(yīng)力分析結(jié)果，調(diào)整臺(tái)架水箱內(nèi)部溫度交變時(shí)的溫差及交變頻率,設(shè)計(jì)了一種新型熱循環(huán)試驗(yàn)方法，真實(shí)模擬水箱在道路試驗(yàn)過程中的熱應(yīng)力損傷，使水箱的失效模式得到良好的復(fù)現(xiàn)。

1 水箱結(jié)構(gòu)及失效模式

1.1 水箱結(jié)構(gòu)

水箱又稱散熱器，由進(jìn)水室、出水室、散熱芯體、主片以及側(cè)板端蓋構(gòu)成，如圖1所示。塑料水室通過主片咬邊與芯體連在一起，通過密封圈來密封。芯體由散熱扁管和散熱翅片帶相間釬焊而成。根據(jù)冷卻液在水箱芯體內(nèi)的流動(dòng)方向，水箱分為平行流和垂直流兩類。由于水箱的主要功用是將發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量散發(fā)掉，其工作環(huán)境與發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷直接相關(guān)，熱環(huán)境比較惡劣，水箱也一直承受著冷卻液的溫度交變所帶來的熱應(yīng)力。

1.2 失效模式

水箱的失效模式也多種多樣，有由于振動(dòng)導(dǎo)致的水箱開裂，有由于壓力脈沖導(dǎo)致的咬邊失效等，由圖2可以看出，其具體的失效機(jī)理中占比最大的是熱應(yīng)力，本文主要關(guān)注由于熱應(yīng)力導(dǎo)致的水箱泄露，失效模式主要是位于散熱芯體的四個(gè)角落的散熱扁管根部拉裂。

圖3是H型水箱經(jīng)過B公司的整車道路耐久試驗(yàn)后的泄漏圖。泄漏點(diǎn)為扁管根部，靠近與主片釬焊處。

2 冷卻系統(tǒng)原理及熱應(yīng)力分析

2.1 冷卻系統(tǒng)原理及水箱熱應(yīng)力的產(chǎn)生

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作，主要通過水泵使環(huán)繞在氣缸水套中的冷卻液加快流動(dòng)，帶走發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒所產(chǎn)生的熱量，并通過行駛中的自然風(fēng)和電動(dòng)風(fēng)扇，使冷卻液在散熱器中進(jìn)行冷卻，冷卻后的冷卻液再次引入到水套中，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻。

另外冷卻系統(tǒng)除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有冷卻作用外，還有“保溫”的作用，因?yàn)椤斑^冷”或“過熱”，都會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。這個(gè)過程主要是通過節(jié)溫器實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)“大小循環(huán)”的切換，冷卻液溫度低時(shí)進(jìn)行小循環(huán)，冷卻液溫度高了大循環(huán)打開。小循環(huán)的冷卻液是不通過水箱的，而大循環(huán)的冷卻液是通過水箱進(jìn)行冷卻的。因此水箱中的冷卻液溫度會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷而產(chǎn)生一定的波動(dòng)，并且節(jié)溫器的開啟關(guān)閉也會(huì)影響到水溫的變化。

熱應(yīng)力的產(chǎn)生主要來自兩方面。

一是每次發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)后，隨著熱車的進(jìn)行，機(jī)油溫度逐漸上升，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫到達(dá)80 ℃左右時(shí)，節(jié)溫器控制大循環(huán)打開，熱水涌入到水箱。如圖4所示，由于此前小循環(huán)時(shí)迎面風(fēng)把水箱冷卻液的溫度越吹越低，因此水箱中冷卻液溫度在1 min內(nèi)從零下竄升到90 ℃左右。水溫交變會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，溫差越大、溫度交變?cè)娇?，熱?yīng)力越大。主要造成的損傷是扁管撕裂、釬焊處泄露等。

圖1 水箱結(jié)構(gòu)

圖2 失效機(jī)理分類

圖3 水箱失效照片

二是在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況或者節(jié)溫器開啟關(guān)閉，也會(huì)導(dǎo)致水溫會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，其具體原理為發(fā)動(dòng)機(jī)溫度由節(jié)溫器控制，節(jié)溫器的頻繁開啟關(guān)閉，會(huì)導(dǎo)致散熱器內(nèi)的水溫頻繁波動(dòng)；另外水溫還受電子風(fēng)扇調(diào)節(jié)，溫度達(dá)到一定高度的時(shí)候控制電子風(fēng)扇進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)來加快散熱，以降低水溫，一般分為低、中、高速，風(fēng)扇的檔位調(diào)節(jié)也會(huì)使水溫產(chǎn)生波動(dòng)；還有就是水溫與發(fā)動(dòng)機(jī)工況和負(fù)荷有一定關(guān)系，工況和負(fù)荷的變化也會(huì)導(dǎo)致水溫變化，負(fù)荷越大，如重載爬坡等，水溫會(huì)迅速升高。水溫一般都是輕微的波動(dòng)，但有一些情況下波動(dòng)也會(huì)達(dá)到10~20℃，甚至超過20 ℃，如圖5所示。連續(xù)快速的溫度交變也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，不斷作用在扁管上，導(dǎo)致扁管根部開裂。

2.2 熱應(yīng)力分析

圖6是整個(gè)水箱的熱應(yīng)變?cè)茍D，可以看出在所有的散熱扁管中，位于四個(gè)角落的扁管熱應(yīng)變最大，所以位于四個(gè)角落的扁管最容易受熱應(yīng)力影響而發(fā)生失效。一般在芯體兩側(cè)的側(cè)板端蓋會(huì)開有熱應(yīng)力槽，當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到某種程度時(shí)，應(yīng)力槽會(huì)自動(dòng)斷裂掉，把熱應(yīng)力泄掉一部分來保護(hù)扁管，減少扁管的熱應(yīng)變。但有些熱應(yīng)力槽的設(shè)計(jì)不好時(shí)，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力槽過強(qiáng)而不斷裂，應(yīng)力傳遞并累計(jì)到扁管上導(dǎo)致扁管開裂。

3 損傷計(jì)算及臺(tái)架復(fù)現(xiàn)

圖4 冷啟動(dòng)水溫變化曲線圖

圖5 實(shí)際運(yùn)行中水溫變化曲線圖

圖6 熱應(yīng)變?cè)茍D

由上一節(jié)的分析可以看出，水箱會(huì)一直承受著水溫變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，其所帶來的損傷無法避免，而損傷的大小主要由溫度交變速率以及溫度波動(dòng)幅度決定的，一般的thermal cycle熱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)工況損傷可以描述為式（1）：

其中：

Dthermal—熱應(yīng)力相對(duì)損傷；

t—單位循環(huán)數(shù) cycle/h；

△T—高低溫的溫度波動(dòng)幅度℃；

n—產(chǎn)品壽命與溫度波動(dòng)應(yīng)力在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的直線斜率（一般取2到3的范圍內(nèi)）

由此可得出1 h的熱應(yīng)力損傷評(píng)價(jià)公式，1 h的應(yīng)力相對(duì)損傷=單位循環(huán)數(shù)×（溫度波動(dòng)幅度）^n，此處n可由Weibull分布斜率經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，這里取2。

以往的熱循環(huán)工況只考慮了冷啟動(dòng)時(shí)水箱的溫度交變，通過客戶使用數(shù)據(jù)分析，定義為2 000個(gè)循環(huán)為一倍壽命，溫度波動(dòng)由0℃~100 ℃，交變速率為45 s，0 ℃和100 ℃分別停留3.5 min，1 h交變7個(gè)循環(huán)，如表1中SPEC#1所示。

而在實(shí)際運(yùn)行過程中，也會(huì)碰到交變速率更快、交變次數(shù)更多、溫差更大的情況，通過實(shí)車水溫?cái)?shù)據(jù)采集后分析處理，得出表1中SPEC#2所示試驗(yàn)工況，溫度波動(dòng)由-10℃~100 ℃，交變速率為15 s，0 ℃和100 ℃分別停留55 s，1 h交變25個(gè)循環(huán)。

通過1 h熱應(yīng)力損傷評(píng)價(jià)公式，來進(jìn)行相對(duì)損傷計(jì)算對(duì)比。

SPEC#1熱應(yīng)力相對(duì)損傷=7×(100-0)^2= 7×10^4

SPEC#2熱應(yīng)力相對(duì)損傷=25×(100+ 10)^2=3×10^5

因此，SPEC#2的損傷為SPEC#1損傷的4.3倍，原來SPEC#1的損傷偏弱，導(dǎo)致在B公司H型水箱的臺(tái)架驗(yàn)證上沒有及時(shí)探測(cè)到失效。

表1 熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)工況對(duì)比

圖7 SPEC#2熱循環(huán)臺(tái)架樣品安裝圖

圖8 SPEC#2熱循環(huán)溫度曲線

因此在后續(xù)臺(tái)架上也對(duì)SPEC#2的損傷進(jìn)行了模擬，設(shè)計(jì)了臺(tái)架試驗(yàn)來驗(yàn)證SPEC#2是否能得出與整車同樣的失效模式。所使用的熱循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)架為冷熱沖擊臺(tái)，共有兩個(gè)儲(chǔ)水罐進(jìn)行切換，可以快速切換水箱內(nèi)部介質(zhì)，一個(gè)是低溫水罐，一個(gè)是高溫水罐，儲(chǔ)水罐冷卻液預(yù)先已達(dá)到設(shè)到溫度，冷卻液溫度可以在短時(shí)間完成低溫和高溫的切換，能夠滿足SPEC#2的工況要求。為了增大樣本數(shù)來覆蓋產(chǎn)品自身的工藝波動(dòng)，臺(tái)架上一次安裝6個(gè)樣件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖7所示。水箱進(jìn)出口的溫度和壓力都有傳感器進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)驗(yàn)實(shí)際運(yùn)行過程中的溫度曲線如圖8所示。

表2 SPEC#2熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過本輪對(duì)于同批次其他良好的H型水箱樣件進(jìn)行了SPEC#2熱循環(huán)試驗(yàn)，得出表2所示的試驗(yàn)結(jié)果。6個(gè)樣件分別在1 605、1 231、1 098、1 311、1 486、1 309個(gè)cycle后發(fā)生了泄露（試驗(yàn)設(shè)計(jì)周期為2 000個(gè)cycle），分別占試驗(yàn)百分比為80 %、62 %、55 %、66 %、74 %、65 %，而多輛車在整車耐久路試中水箱發(fā)生泄露時(shí)的百分比也是集中在50 %至80 %之間，因此臺(tái)架與實(shí)車道路失效百分比接近。另一方面，從失效模式上看，臺(tái)架和整車的失效模式也是一致，通過水檢后，得出表2的6個(gè)樣件失效位置照片，可以看出都是在水箱芯體的角落處發(fā)生泄露，而且是多個(gè)角落同時(shí)發(fā)生泄露，具體泄露點(diǎn)為扁管根部靠近主片釬焊處，因此SPEC#2工況在此輪臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中很好地復(fù)現(xiàn)了整車上的失效模式。

4 結(jié)論

通過以上的設(shè)計(jì)計(jì)算分析，可以得到如下結(jié)論：

1）水箱的熱應(yīng)力主要來自于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度交變，熱應(yīng)力的大小取決于溫度交變幅度以及溫度交變頻率，交變幅度、頻率越大，熱應(yīng)力越大。

2）熱應(yīng)力導(dǎo)致的失效形式主要是靠近與主片釬焊處的扁管根部開裂，而且集中發(fā)生在芯體的四個(gè)角落，由熱應(yīng)變?cè)茍D可以看出四個(gè)角落的熱應(yīng)力最大。

3）本文根據(jù)實(shí)車路試水溫采集獲得的溫度交變數(shù)值，并結(jié)合熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的特點(diǎn)，開發(fā)出新型的熱循環(huán)臺(tái)架試驗(yàn)工況，可以很好地模擬水箱內(nèi)部實(shí)際的冷卻液溫度波動(dòng)工況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)及質(zhì)量缺陷。

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Application of A New Thermal Cycle Test for Radiator Based on Vehicle Road Test

WU Wen-chao1, WU Jin1, LI Jie2
(1. Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201; 2. SAIC General Motors Corporation Limited Wuhan Branch, Wuhan 430200)

Based on the failure mode of radiator in vehicle road durability test of company B, this paper comprehensively analyzes the failure mechanism resulting from thermal stress. Combined with actual temperature alternating range and frequency of the interior of radiator of vehicle, a new thermal cycle bench test is designed for radiator’s thermal stress failure. The test results indicate that the new thermal cycle test can reproduce actual failure mode, and the method is feasible through bench test.

radiator; thermal stress; vehicle durability test; thermal cycle test

U467.3

A

1004-7204（2016）06-0014-05

武文超（1979-），男，上海市人，泛亞汽車技術(shù)中心有限公司試驗(yàn)認(rèn)證部高級(jí)經(jīng)理，一直從事汽車產(chǎn)品檢測(cè)與認(rèn)證、環(huán)境與可靠性試驗(yàn)領(lǐng)域的研究。