汽車散熱器散熱管漏水故障分析

尤曉東 侯寧

摘 要：現(xiàn)如今，經(jīng)濟(jì)在快速的發(fā)展，時(shí)代在進(jìn)步，我國的汽車發(fā)展迅速，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，燃燒室周圍的零部件（缸套、缸蓋、氣門等）必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻裝置以防凍液冷卻為主，用氣缸通道內(nèi)的循環(huán)防凍液冷卻，把通道內(nèi)受熱的防凍液引入散熱器（水箱），通過風(fēng)冷卻后再返回到通道內(nèi)。散熱器作為發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)零部件冷卻的一個(gè)重要部件。本文以故障件外觀、水檢、解剖分析等分析手段為基礎(chǔ)，把散熱器故障點(diǎn)劃分為四個(gè)故障形式，來說明散熱器在出現(xiàn)故障時(shí)的原因，同時(shí)提出相關(guān)預(yù)防建議。

關(guān)鍵詞：散熱器；模態(tài)試驗(yàn)；動(dòng)態(tài)應(yīng)力；有限元分析

引言

為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，燃燒室周圍的零部件（缸套、缸蓋、氣門等）必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻裝置以防凍液冷卻為主，用氣缸通道內(nèi)的循環(huán)防凍液冷卻，把通道內(nèi)受熱的防凍液引入散熱器（水箱），通過風(fēng)冷卻后再返回到通道內(nèi)。散熱器作為發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)零部件冷卻的一個(gè)重要部件。本文以故障件外觀、水檢、解剖分析等分析手段為基礎(chǔ)，把散熱器故障點(diǎn)劃分為四個(gè)故障形式，來說明散熱器在出現(xiàn)故障時(shí)的原因，同時(shí)提出相關(guān)預(yù)防建議。

1汽車散熱器產(chǎn)品介紹

最常見的汽車散熱器的結(jié)構(gòu)形式可分為直流型和橫流型兩類。散熱器芯部的結(jié)構(gòu)形式主要有管片式和管帶式兩大類。管片式散熱器芯部是由許多細(xì)的冷卻管和散熱片構(gòu)成，冷卻管大多采用扁圓形截面，以減小空氣阻力，增加傳熱面積。散熱器芯部應(yīng)具有足夠的通流面積，讓冷卻液通過，同時(shí)也應(yīng)具備足夠的空氣通流面積，讓足量的空氣通過以帶走冷卻液傳給散熱器的熱量。同時(shí)還必須具有足夠的散熱面積，來完成冷卻液、空氣和散熱片之間的熱量交換。管帶式散熱器是由波紋狀散熱帶和冷卻管相間排列經(jīng)焊接而成。與管片式散熱器相比，管帶式散熱器在同樣的條件下，散熱面積可以增加12%左右，另外散熱帶上開有擾動(dòng)氣流的類似百葉窗的孔，以破壞流動(dòng)空氣在散熱帶表面上的附著層，提高散熱能力。

2建立散熱器有限元模型

散熱器由主片、散熱管、散熱帶、護(hù)板、水室及側(cè)板等零件構(gòu)成，其芯體高度為640mm，寬度為540mm，厚度為50mm。水室材料為尼龍，側(cè)板材料為鋼材，其他部件材料為鋁合金。首先利用CATIA軟件建立散熱器三維模型，再將散熱器三維模型導(dǎo)入到Hy-perMesh中，對散熱器模型的圓角、倒角進(jìn)行幾何清理，考慮到計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，對易發(fā)生破壞的散熱管和主片連接部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，適當(dāng)增加其他部位的網(wǎng)格尺寸。上、下水室形狀復(fù)雜，用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主片和護(hù)板結(jié)構(gòu)相對簡單且主片是主要分析對象之一，用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，散熱管、散熱帶和側(cè)板屬于薄壁件，用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該散熱器總成主要是由螺栓、釬焊和鎖扣連接而成，采用梁單元和RBE2單元來模擬側(cè)板與水室的螺栓連接，采用節(jié)點(diǎn)耦合的方法來模擬散熱管與主片和散熱帶的釬焊連接，采用綁定接觸來模擬水室與主片的鎖扣連接。散熱器實(shí)體模型如圖1所示，散熱器有限元模型如圖2所示。有限元模型共有1405976個(gè)單元，1272557個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3散熱器有限元模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證散熱器有限元模型的正確性，對散熱器總成進(jìn)行了模態(tài)測試。模態(tài)測試方法主要有“錘擊法”和“激振器法”，前者的主要優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，只需在某一測點(diǎn)布置加速度傳感器，移動(dòng)力錘即可，并且不影響試件本身的固有頻率，主要缺點(diǎn)是能量集中在短時(shí)間內(nèi)，容易引起過載或非線性問題，而且對于大試件需要多次敲擊。后者的主要優(yōu)點(diǎn)是可以采用多種激勵(lì)信號，但在測點(diǎn)很多時(shí)需要多次地移動(dòng)傳感器，并且存在附加質(zhì)量影響問題。針對汽車散熱器這樣一個(gè)由多種材料組成，并且散熱帶和散熱管都屬于薄壁構(gòu)件的裝配體而言，敲擊過程很困難，而且很容易造成雙擊現(xiàn)象，綜合考慮使用激振器激勵(lì)模態(tài)實(shí)驗(yàn)法。響應(yīng)點(diǎn)的數(shù)目和位置取決于期望的模態(tài)數(shù)、試件上關(guān)心的區(qū)域，同時(shí)響應(yīng)點(diǎn)的均勻分布可以減少漏掉模態(tài)的機(jī)會(huì)。對于該型散熱器而言，側(cè)板的剛度遠(yuǎn)大于其他部件，為了能激發(fā)出側(cè)板的局部模態(tài)，需要在側(cè)板上均勻分布多個(gè)響應(yīng)點(diǎn)。散熱器自由模態(tài)測試采用LMS公司的振動(dòng)模態(tài)測試設(shè)備，其模態(tài)測試系統(tǒng)組成如圖3所示。試驗(yàn)前在Test.lab中創(chuàng)建散熱器的試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵员悴榭凑裥徒Y(jié)果，在散熱器結(jié)構(gòu)上標(biāo)明與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鄬?yīng)的測點(diǎn)位置以便貼傳感器。利用柔性繩吊掛散熱器，在散熱器水室表面某一個(gè)標(biāo)注點(diǎn)布置一個(gè)力傳感器并用激振器激勵(lì)該標(biāo)注點(diǎn)，加速度傳感器測量測試點(diǎn)響應(yīng)。采用PolyMax算法分析和處理測試數(shù)據(jù)，得到散熱器結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞特性曲線，如圖4所示。

模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比如表1所示。從表1中可以看出，模態(tài)試驗(yàn)與仿真計(jì)算的模態(tài)頻率最大誤差約為14%，平均誤差在10%以內(nèi)，說明所建立的有限元模型能夠滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析要求。

4散熱器的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析

要分析引起散熱器散熱管疲勞裂紋的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，需要有實(shí)車的散熱器載荷譜。在沒有散熱器實(shí)際載荷譜的情況下，本文根據(jù)QC/T468-2010散熱器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中散熱器振動(dòng)性能試驗(yàn)要求來研究散熱器的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。試驗(yàn)要求如表2所示。

考慮冷卻液質(zhì)量的影響時(shí)，由于上、下水室結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜，在有限元模型中通過在上、下水室質(zhì)心處分配質(zhì)量為0.8kg的質(zhì)量單元來模擬上、下水室中水的質(zhì)量，散熱管道內(nèi)腔形狀比較規(guī)則，將散熱管的密度增加1.52×10-6kg/mm3來模擬散熱管中水的質(zhì)量。用約束散熱器安裝孔的三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和三個(gè)平動(dòng)自由度來模擬散熱器在車上的安裝。找到冷卻風(fēng)扇的質(zhì)心位置，并使用RBE2單元將其連接到冷卻風(fēng)扇四個(gè)支撐點(diǎn)，在冷卻風(fēng)扇質(zhì)心處分配一個(gè)4.45kg的CONMS質(zhì)量單元來模擬風(fēng)扇。配重設(shè)置完成后，散熱器總成的質(zhì)量為10.79kg，滿足散熱器整體質(zhì)量要求。阻尼是用來度量系統(tǒng)自身消耗振動(dòng)能量能力的物理量。大多數(shù)系統(tǒng)都存在阻尼，因此動(dòng)力學(xué)分析時(shí)應(yīng)當(dāng)指定阻尼。該散熱器的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析通過TAB-DAMP卡片將隨頻率變化的模態(tài)阻尼添加到該系統(tǒng)中。X（左右）向、Y（前后）向、Z（垂直）向激勵(lì)時(shí)散熱器散熱管的局部應(yīng)力云圖如圖5所示。

5散熱器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對于框架結(jié)構(gòu)的散熱器，最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力往往都出現(xiàn)在四角的散熱管處，通過對故障散熱器的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，散熱器的護(hù)板在拐角處與主片之間存在一定間隙，護(hù)板與主片的連接關(guān)系如圖8所示。如果將散熱器兩個(gè)護(hù)板與主片完全焊接在一起，動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算表明散熱管最大應(yīng)力值明顯降低。由于護(hù)板與散熱管的工作溫度不同，因此兩者的熱膨脹是有差異的，當(dāng)護(hù)板與主片焊接成一體后，在散熱管中會(huì)產(chǎn)生附加的熱應(yīng)力，因此需要在護(hù)板兩端各開一切口，將護(hù)板分為三段，護(hù)板兩端切口。

結(jié)語

本文利用有限元分析方法對汽車散熱器的動(dòng)態(tài)應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算和分析，結(jié)果表明，理論計(jì)算的散熱器散熱管所受最大應(yīng)力的位置與故障散熱器的實(shí)際漏水點(diǎn)相吻合，故障散熱器散熱管漏水是散熱器在使用過程中因振動(dòng)產(chǎn)生的疲勞裂紋所致。通過對散熱器原有結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使散熱器散熱管的最大應(yīng)力下降了42%，提高了散熱器的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：長城汽車股份有限公司技術(shù)中心）