基于客戶數(shù)據(jù)的混動車散熱器熱疲勞性能優(yōu)化與認(rèn)證

邱宇，王磊，張皓清

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

0 引言

新能源汽車由于在動力能量來源方面比傳統(tǒng)內(nèi)燃機車更清潔，最近幾年得到了大力的發(fā)展。目前主要的量產(chǎn)新能源汽車包括純電動車、燃料電池車和混合動力汽車。純電動車和燃料電池車目前受制于成本、安全及公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等，沒有辦法在全國范圍內(nèi)廣泛地推廣。而混合動力作為介于純電動車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機車之間的一種動力行駛，兼具了實用和環(huán)保的優(yōu)點，是目前國內(nèi)市場上主要的新能源車型。

目前國內(nèi)主流的混合動力車型是插電式油電強混，內(nèi)燃機和動力電池作為兩種動力源同時存在。在城市道路等低負(fù)荷工況中，主要以動力電池作為動力源，而當(dāng)遇到爬坡、高速等大負(fù)荷工況，則內(nèi)燃機介入動力輸出。這種動力分配方式稱為并聯(lián)混合動力，是目前國內(nèi)主機廠普遍選用的混動方式。

在并聯(lián)混動模式下，內(nèi)燃機的工作狀態(tài)與傳動內(nèi)燃機車有很大的不同。首先，由于內(nèi)燃機工作時需要給動力電池充電，因此怠速轉(zhuǎn)速比較高，而且在混動狀態(tài)下，內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速并不與油門開度呈線性關(guān)系。其次，混動車上內(nèi)燃機會因為車輛工況的變化而頻繁啟停。頻繁啟停會對內(nèi)燃機各個系統(tǒng)產(chǎn)生比較大的影響，比如冷卻系統(tǒng)。散熱器是冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，在內(nèi)燃機頻繁啟停的狀態(tài)下，散熱器的性能表現(xiàn)和傳統(tǒng)內(nèi)燃機車有很大的差異。而當(dāng)前國內(nèi)混合動力車開發(fā)經(jīng)驗相對欠缺，并沒有針對混動車的特點來設(shè)計相應(yīng)的零件。因此一些在傳統(tǒng)內(nèi)燃機車上完全滿足使用要求的零件，在混動車上往往會出現(xiàn)一些問題。某主機廠已經(jīng)上市的混合動力車型就出現(xiàn)了多例發(fā)動機散熱器冷卻液泄漏的問題，而同款散熱器在傳統(tǒng)內(nèi)燃機車上就沒有類似問題出現(xiàn)。

作者利用試驗的方法，對發(fā)動機散熱器在混合動力狀態(tài)下的性能進(jìn)行研究，明確造成散熱器在客戶實際使用過程中產(chǎn)生失效的原因，并針對該失效模式，制定臺架試驗規(guī)范，以在產(chǎn)品開發(fā)過程中對該問題進(jìn)行考核，防止類似的問題繼續(xù)流入市場。

1 混合動力車散熱器運行工況特點

如前文所述，發(fā)動機在混動車上的工作模式與傳動內(nèi)燃機車有很大差別，最主要的差別之一就是發(fā)動機在混動車上會頻繁地啟停。這種差異對散熱器的影響是很大的，如圖1所示。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機車在正常行駛時，發(fā)動機持續(xù)工作，待水溫穩(wěn)定之后冷卻系統(tǒng)大循環(huán)開啟，散熱器的溫度分布也趨于穩(wěn)定。而混合動力車在行駛時，會由于負(fù)荷的變化，使得發(fā)動機時而工作時而停機。當(dāng)發(fā)動機停機時，由于冷卻系統(tǒng)循環(huán)停止，散熱器處的水溫就會因為風(fēng)扇和迎面風(fēng)的作用而下降，等下次發(fā)動機啟動時，發(fā)動機內(nèi)部的高溫冷卻液會立刻沖入散熱器，從而使得散熱器水溫立刻升高。長此以往，隨著發(fā)動機頻繁的啟停，混動車散熱器就會承受反復(fù)的冷熱沖擊。

圖1 混動車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機車散熱器工作狀態(tài)的差異

在我國某些特定的地區(qū)，混合動力車由于享有國家政策上的補貼，以及本身能源消耗成本方面的優(yōu)勢，往往會有一些特殊的用途。對市場上發(fā)生散熱器冷卻液泄漏的客戶進(jìn)行走訪，發(fā)現(xiàn)他們有一些共性的特點：首先，所有的問題車輛都集中在一個城市里；其次，這些問題車輛都具有“車齡短而里程長”的特點，即車輛使用時間都比較短，從購買到進(jìn)站維修的時間多為3～6個月，但里程卻達(dá)到了(2～4)×104km。進(jìn)一步調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，這些問題車輛主要從事運營行業(yè)，也就是我們俗稱的“專車”。對專車用戶和普通用戶的行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，如表1所示，專車用戶的日均行駛時間和里程都遠(yuǎn)大于普通用戶，發(fā)動機啟停次數(shù)更是遠(yuǎn)多于普通客戶。

表1 普通用戶與專車用戶的行駛特點對比

因此作者推斷導(dǎo)致市場上出現(xiàn)該問題的根本原因為溫度沖擊。為了驗證這一推論，利用整車轉(zhuǎn)鼓試驗臺專門模擬整車環(huán)境下散熱器溫度頻繁沖擊的工況。將試驗車置于轉(zhuǎn)轂試驗臺上，對散熱器水溫進(jìn)行監(jiān)控。試驗開始時，啟動發(fā)動機并讓車輛在轉(zhuǎn)轂上開始行駛，使冷卻水溫度升高，在散熱器水溫達(dá)到95 ℃以上時，發(fā)動機停機，同時啟動轉(zhuǎn)轂的迎面風(fēng)對散熱器進(jìn)行冷卻，當(dāng)散熱器溫度降至20 ℃以下時，迎面風(fēng)停止，發(fā)動機再次啟動升溫。轉(zhuǎn)轂試驗流程如圖2所示。在轉(zhuǎn)轂上“行駛”了20 000多公里，散熱器承受了10 000次左右的20～95 ℃的溫度沖擊之后，散熱器也出現(xiàn)了與客戶失效模式一樣的泄漏問題。所以頻繁且劇烈的溫度沖擊是導(dǎo)致混動車散熱器在市場上出現(xiàn)泄漏失效的根本原因。

圖2 整車耐久轉(zhuǎn)轂試驗流程圖

2 整車路譜采集試驗方案制定與實施

客戶數(shù)據(jù)雖然樣本數(shù)多，但僅能反映出車輛的行駛狀況，而能夠表征散熱器性能的數(shù)據(jù)幾乎沒有。因此，為了深入研究發(fā)動機散熱器在混合動力車日常行駛時的性能，需要在散熱器上布置足夠多的傳感器，并且進(jìn)行整車路譜采集試驗。

選擇某主機廠新款混合動力車作為試驗平臺，該車搭載1.5 T汽油機。該車的發(fā)動機散熱器扁管有49根，在散熱器底部、中部、上部等不同區(qū)域共選擇8根扁管，在所選扁管的進(jìn)水側(cè)、出水側(cè)的迎風(fēng)面和背風(fēng)面各分別布置應(yīng)變片和熱電偶，即總共布置32處應(yīng)變測點和32處溫度測點。

圖3 散熱器扁管上的溫度和應(yīng)變測點

除了散熱器各扁管上的溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，和整車行駛過程相關(guān)的數(shù)據(jù)包括車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等也需要記錄下來。除此之外，還要記錄經(jīng)緯度、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)。

客戶行駛車速分布圖如圖4所示。

圖4 客戶行駛車速分布圖

由于散熱器失效問題是發(fā)生在一些特定的客戶身上，因此路譜采集試驗方案就要針對這些特定客戶進(jìn)行制定。問題車輛的客戶行駛軌跡主要集中在城區(qū)及周邊，路面狀況比較良好，因此無需考慮路面激勵對散熱器損傷的貢獻(xiàn)。散熱器的運行狀態(tài)與發(fā)動機負(fù)荷密切相關(guān)，而在城市工況下，能夠表征負(fù)荷的主要是車速。從出現(xiàn)散熱器失效的客戶中隨機選取了多位客戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將客戶車速分成11個區(qū)段(5 km/h以內(nèi)，5～15 km/h，......，85～95 km/h，95 km/h以上)進(jìn)行統(tǒng)計，以中位數(shù)作為客戶行駛車速的參考指標(biāo)，同時以90%置信區(qū)間確定估計誤差的上下限，由此作為公共道路試驗的車速分布目標(biāo)，如圖4所示。

公共道路數(shù)據(jù)采集試驗將以此為目標(biāo)開展，選擇不同時間段、不同的司機、行駛不同的路面進(jìn)行試驗，以達(dá)到充分隨機的試驗原則。最終試驗里程達(dá)到了1 100 km。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 路譜數(shù)據(jù)里程系數(shù)優(yōu)化

由于公共道路數(shù)據(jù)采集試驗的進(jìn)行是充分隨機的，車速分布必定與客戶的目標(biāo)車速有所差別，但一定要使試驗車速分布與目標(biāo)一致才能達(dá)到模擬客戶使用情況的目的。為了符合客戶的車速分布目標(biāo)，必須對各組試驗數(shù)據(jù)的權(quán)重進(jìn)行調(diào)整。

首先將1 100 km數(shù)據(jù)按10 km每段進(jìn)行等里程劃分，得到110個數(shù)據(jù)組。然后和第2節(jié)的描述一樣，將車速分成11個區(qū)段進(jìn)行分析。各區(qū)段車速百分比記為ai,j，其中i表示第i組數(shù)據(jù)(i=1, 2,......,n)，j表示第j個車速區(qū)段(j=1, 2, ......,m)，如表2所示。

表2 路譜數(shù)據(jù)各速度區(qū)段百分比

各組數(shù)據(jù)的各區(qū)段車速百分比可記錄在矩陣A中，稱之為車速百分比矩陣：

(1)

圖4中目標(biāo)車速的上限和下限分別記為BU和BL：

(2)

(3)

各組試驗的權(quán)重可稱之為里程系數(shù)，記為xi:

(4)

這樣，里程系數(shù)的優(yōu)化可描述成一個線性規(guī)劃問題：

(5)

Const:

A·X≤BU

A·X≥BL

xi≥0

其中：qi>0為隨機數(shù)。文中n=110，m=11，經(jīng)過優(yōu)化，試驗數(shù)據(jù)的車速分布如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的路譜與客戶車速分布對比

3.2 溫度沖擊次數(shù)統(tǒng)計

里程系數(shù)優(yōu)化后的路譜數(shù)據(jù)可以代表用戶的實際使用情況。對散熱器各扁管的溫度變化時間歷程進(jìn)行分析，如圖6所示，用雨流計數(shù)法統(tǒng)計散熱器各個扁管承受的不同范圍的溫度沖擊次數(shù)，可獲得各個扁管溫度沖擊次數(shù)的雨流矩陣，如圖7所示。

圖6 不同散熱器扁管的溫度時間歷程

圖7 散熱器扁管溫度沖擊次數(shù)雨流矩陣

整理所有扁管的溫度沖擊次數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)水側(cè)的溫度沖擊次數(shù)明顯多于排水側(cè)。而且進(jìn)水側(cè)上部扁管所承受的溫度沖擊也要高于進(jìn)水側(cè)下部扁管，如圖8所示。而客戶車輛散熱器失效的位置也多集中在進(jìn)水側(cè)上部扁管，而且是進(jìn)水側(cè)最上面一個扁管發(fā)生失效的頻率最高。溫度沖擊次數(shù)的統(tǒng)計證明了溫度沖擊即是客戶車輛散熱器失效的主要原因。

圖8 散熱器各扁管溫度沖擊次數(shù)

3.3 應(yīng)變熱輸出修正

溫度沖擊是導(dǎo)致散熱器失效的原因，但表征疲勞損傷程度的直接指標(biāo)還是要依據(jù)應(yīng)變來計算。文中所采集的散熱器扁管應(yīng)變主要是由于溫度變化所導(dǎo)致的，即熱應(yīng)變。被測零件處于溫度變化的環(huán)境中時，零件也會產(chǎn)生變形，這種變形如果受到約束，就會在零件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)力抵抗這種變形，這種內(nèi)力稱之為熱應(yīng)力，導(dǎo)致這種內(nèi)力的變形稱之為熱應(yīng)變。

但應(yīng)變片本身的屬性，比如電阻和應(yīng)變系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，也會受到溫度變化的影響。在沒有外部激勵的情況下，由于溫度變化導(dǎo)致應(yīng)變片產(chǎn)生了應(yīng)變輸出信號，這種輸出信號稱之為應(yīng)變片的“熱輸出”。熱輸出不等于熱應(yīng)變。εI為應(yīng)變片的實際讀數(shù)，εT/O為應(yīng)變片的熱輸出，實際熱應(yīng)變εT應(yīng)該由下式計算：

εT=εI-εT/O

(6)

為了獲得真正的熱應(yīng)變εT，在進(jìn)行分析之前，需要把應(yīng)變片熱輸出剔除，即對應(yīng)變片的熱輸出進(jìn)行修正。

圖9 應(yīng)變片熱輸出特性

每個應(yīng)變片都會有對應(yīng)的熱輸出曲線，如圖9所示，一般熱輸出應(yīng)變會被擬合成一個5階多項式：

εT/O=a0+a1·T+a2·T2+a3·T3+a4·T4+a5·T5

(7)

其中：ai(i=0,1,......,5)為常數(shù)。對所采集的應(yīng)變進(jìn)行熱輸出修正，如圖10所示。按修正后的應(yīng)變數(shù)據(jù)所計算的損傷相比修正前的數(shù)據(jù)會發(fā)生變化，以進(jìn)水側(cè)第49根扁管為例，經(jīng)過修正后，偽損傷減小了3.2%。后續(xù)的分析應(yīng)以消除熱輸出影響的應(yīng)變值來進(jìn)行計算。

圖10 應(yīng)變片的熱輸出修正

3.4 散熱器偽損傷統(tǒng)計

對各扁管進(jìn)行偽損傷分析，選擇斜率k=3.5的SN曲線，再進(jìn)行對比。如圖11所示：進(jìn)水側(cè)最上面一根扁管，即第49根扁管的損傷最大，這和客戶車輛的失效位置一致。

圖11 散熱器各扁管偽損傷對比

整個散熱器最薄弱的位置就是第49根扁管，將所采集的1 100 km路譜數(shù)據(jù)按照第3.1節(jié)優(yōu)化的里程系數(shù)重新整合，然后再外推至16×104km，如圖12和圖13所示，形成散熱器在客戶使用條件下的溫度沖擊壽命目標(biāo)。

圖12 累積循環(huán)數(shù)外推結(jié)果

圖13 偽損傷外推結(jié)果

4 散熱器冷熱沖擊臺架試驗方案的制定

經(jīng)文中的研究，已經(jīng)可以確定劇烈且頻繁的溫度沖擊是導(dǎo)致混動車發(fā)動機散熱器出現(xiàn)泄漏失效的主要原因。為了杜絕該問題在后續(xù)產(chǎn)品上繼續(xù)出現(xiàn)，需要在產(chǎn)品開發(fā)早期就對該問題進(jìn)行驗證。從成本的角度考慮，臺架試驗相對于整車試驗的優(yōu)勢是很明顯的，因此制定一個合理的臺架試驗規(guī)范十分有必要。

臺架試驗應(yīng)能夠模擬散熱器在整車上的使用情況，即冷熱溫度交替沖擊，且能夠?qū)φ嚬r進(jìn)行加強。具體的試驗臺架參數(shù)因涉及企業(yè)機密，文中不進(jìn)行闡述。對臺架試驗進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，散熱器扁管處的溫度變化如圖14所示。

圖14 臺架試驗中散熱器扁管溫度和應(yīng)變時間歷程

臺架試驗以第3.4節(jié)確立的等效整車使用16×104km的損傷為目標(biāo)。基于損傷等效的原則，可確定在如圖14所示的臺架試驗條件下，試驗?zāi)繕?biāo)循環(huán)數(shù)為3 100次，如圖15所示。

圖15 臺架試驗循環(huán)次數(shù)確定

臺架試驗結(jié)果需要進(jìn)行可靠性的評估。可靠性R、置信水平C和試驗樣本數(shù)n之間的關(guān)系可由下式確定:

Rn≤1-C

(8)

如果要求達(dá)到R90C90(可靠度90%，置信水平90%)的可靠性要求，則至少要做22個樣本的試驗。

如果要將樣本數(shù)量縮減為n′=6個，假設(shè)試驗結(jié)果服從Weibull分布，則可靠度可表達(dá)為

R=e-(t/θ)/β

(9)

其中：β為形狀參數(shù)；θ為尺度參數(shù)；t為試驗?zāi)繕?biāo)循環(huán)數(shù)，此例中t=3 100。置信水平為C時，在t時刻的可靠度為

R=(1-C)1/n=e-(t/θ)/β

(10)

在t′時刻的可靠度為

R′=(1-C)1/n′=e-(t′/θ)/β

(11)

在保證可靠度不變的前提下，即R=R′

(12)

假設(shè)β=4，則試驗樣本數(shù)只有6個時，每個樣本應(yīng)達(dá)到的循環(huán)數(shù)應(yīng)為4 300次。

5 散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與認(rèn)證

根據(jù)散熱器的開發(fā)經(jīng)驗，列舉出5個影響散熱器冷熱沖擊疲勞性能的主要控制因子，分別是主板材料、局部扁管加強片、扁管厚度、散熱翅片厚度、邊板應(yīng)力釋放槽等。每個因子選定兩個水平，如表3所示。

表3 散熱器熱疲勞能力控制因子及設(shè)計值

基于上述控制因子及水平進(jìn)行DOE(Design of Experiment)，用部分因子實驗設(shè)計方法，制定了DOE試驗方案，利用前面所建立的散熱器溫度沖擊臺架試驗方法進(jìn)行試驗，共計進(jìn)行了8組試驗，記錄每組試驗中散熱器所承受的冷熱沖擊次數(shù)，結(jié)果如表4所示。試驗結(jié)果如表5所示。試驗結(jié)果表明：因子B和因子E對散熱器冷熱沖擊疲勞性能的影響最大，即通過增加局部加強片結(jié)構(gòu)，并在散熱器框架上增加應(yīng)力釋放槽，從提高局部結(jié)構(gòu)強度和釋放局部應(yīng)力兩個角度，可以有效提高散熱器的冷熱沖擊疲勞性能。

最后進(jìn)行試驗驗證。老狀態(tài)的散熱器(即市場上出現(xiàn)故障的散熱器)和新狀態(tài)的散熱器(即經(jīng)過局部結(jié)構(gòu)加強的散熱器)各6個樣本進(jìn)行臺架試驗，試驗結(jié)果如圖16和圖17所示。試驗結(jié)果表明：新狀態(tài)的散熱器全部滿足4 300次的臺架試驗要求，而且可靠性可以達(dá)到99.965 5%(置信水平90%)，也滿足了散熱器的可靠性要求。

表4 散熱器熱疲勞性能部分因子DOE

表5 散熱器熱疲勞性能DOE結(jié)果匯總

圖16 散熱器臺架試驗累積失效圖

圖17 散熱器臺架試驗概率密度圖

經(jīng)過質(zhì)量提升之后，新狀態(tài)的散熱器更換至之前失效的客戶車輛上，并推廣至全市場。經(jīng)過兩年多的跟蹤調(diào)研，沒有發(fā)現(xiàn)類似的散熱器泄漏問題再次出現(xiàn)，這說明新狀態(tài)的散熱器已經(jīng)能夠承受客戶的使用強度，說明整個散熱器質(zhì)量提升方案行之有效。

6 結(jié)論

利用新能源汽車的互聯(lián)網(wǎng)屬性采集了大量的客戶數(shù)據(jù)，通過分析客戶的使用習(xí)慣，發(fā)現(xiàn)了混動車散熱器出現(xiàn)失效的根本原因，并且利用路譜采集試驗的方法對散熱器性能進(jìn)行研究，明確了混動車散熱器在客戶使用條件下的真實壽命目標(biāo)，以此為依據(jù)建立了散熱器冷熱溫度沖擊臺架試驗規(guī)范對后續(xù)產(chǎn)品進(jìn)行考核。有如下結(jié)論：

(1)由于發(fā)動機運行工況的特殊性，油電混合動力車的發(fā)動機散熱器和傳動內(nèi)燃機車相比，其工作模式有很大的差異。

(2)頻繁且劇烈的冷、熱溫度沖擊是導(dǎo)致混動車散熱器在客戶使用過程中出現(xiàn)泄漏失效的主要原因。

(3)散熱器進(jìn)水側(cè)各扁管承受的溫度沖擊次數(shù)要多于排水側(cè)各扁管。

(4)熱應(yīng)力最大的位置是進(jìn)水側(cè)最上面一根扁管，這與客戶車輛散熱器失效的位置一致?？赏ㄟ^局部結(jié)構(gòu)加強的方法提高該位置的疲勞壽命。

(5)散熱器冷、熱溫度沖擊臺架試驗可在產(chǎn)品開發(fā)階段對該問題進(jìn)行有效的驗證。通過該臺架試驗驗證的產(chǎn)品，在市場上不會再出現(xiàn)類似的散熱器泄漏問題。