某機(jī)型增壓器隔熱罩開裂分析及優(yōu)化改進(jìn)

鄭洲洋 吳衛(wèi)鈺 劉向峰 張彩霞

摘 要：針對某機(jī)型增壓器隔熱罩在整車和臺架試驗(yàn)中開裂的問題，測試了隔熱罩開裂區(qū)域在整車和臺架上的實(shí)際溫度值，結(jié)合隔熱罩的耐溫測試數(shù)據(jù)，找出了隔熱罩開裂的原因;通過增大隔熱罩與增壓器之間的間隙以及優(yōu)化隔熱罩開裂區(qū)的結(jié)構(gòu)，來降低了隔熱罩內(nèi)表面的溫度和減少開裂區(qū)的應(yīng)力集中點(diǎn)，從而解決了隔熱罩開裂問題。

關(guān)鍵詞：隔熱罩;開裂;實(shí)際溫度值;間隙;應(yīng)力集中點(diǎn)

中圖分類號：U464.135+.01 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-88-03

Abstract： For the problem of cracked turbocharger heat shield in the whole vehicle and the bench test， test the actual temperature values of the heat shield s cracked area on the vehicle and the bench， combine the heat resistance test of the heat shield， and find out the reason of the heat shield cracked; by increasing the space between heat shield and turbocharger and optimizing the heat shield structure， to reduce the temperature of heat shield s internal surface and the stress concentration point in cracked area， and the heat shield cracking problem is solved.

Keywords： Heat shield; Cracking; actual temperature; Space; Stress concentration point

CLC NO.： U464.135+.01 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-88-03

1 引言

渦輪增壓器在汽油發(fā)動機(jī)和柴油發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，渦輪增壓器給發(fā)動機(jī)帶來更大動力的同時，其自身較大的重量和離發(fā)動機(jī)重心較遠(yuǎn)的特點(diǎn)，使安裝在增壓器上的隔熱罩在承受排氣帶來的高溫和發(fā)動機(jī)振動時開裂的風(fēng)險越來越大。隔熱罩開裂會降低隔熱罩的隔熱能力，使隔熱罩外側(cè)的溫度升高，溫度升高到超過周圍零件溫度設(shè)計(jì)要求最高值時，有可能導(dǎo)致零件功能異?；蚴?另一方面隔熱罩開裂會引起客戶抱怨，影響品牌的形象，降低市場口碑;隔熱罩開裂產(chǎn)生的碎片還有可能卷進(jìn)其他高速旋轉(zhuǎn)的零件上，造成很大的安全事故。因此解決增壓器隔熱罩開裂問題，對發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的可靠性，市場表現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

目前發(fā)動機(jī)排氣隔熱罩的研究，主要是應(yīng)用仿真軟件，通過提高低階模態(tài)，來增強(qiáng)隔熱罩的設(shè)計(jì)可靠性。如藍(lán)苑尤等[1] 使用ABAQUS軟件對隔熱罩進(jìn)行模態(tài)和熱應(yīng)力分析，預(yù)測隔熱罩頻率、振型和熱應(yīng)力分布及其變形情況，來判斷是否符合發(fā)動機(jī)NVH和耐熱性能要求;汪凱等[2]運(yùn)用OptiStruct 對隔熱罩進(jìn)行形貌優(yōu)化，找出最優(yōu)的加強(qiáng)筋布置方案，提高增壓器隔熱罩的模態(tài)，降低隔熱罩的頻率響應(yīng)應(yīng)力，提高增壓器的設(shè)計(jì)質(zhì)量;趙俊男等[3]運(yùn)用CATIA 軟件的有限元分析，對兩種方案的隔熱罩進(jìn)行模態(tài)分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析，得出了仿真結(jié)果較好的方案，并通過了整車道路耐久試驗(yàn)驗(yàn)證;劉鳳青等[4] 通過有限元分析確定了隔熱罩開焊原因?yàn)楦魺嵴帜B(tài)低，發(fā)動機(jī)工作頻段內(nèi)發(fā)生共振，增加固定點(diǎn)后，提高了模態(tài)，解決了和周邊零件發(fā)生共振開裂的問題;徐寶全等[5]對隔熱罩進(jìn)行了FEA 分析，包括模態(tài)分析和動響應(yīng)分析，根據(jù)分析結(jié)果對隔熱罩進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，新方案隔熱罩模態(tài)得到提高，振動響應(yīng)力下降，滿足設(shè)計(jì)要求;陳彥如等[6]基于CAE 分析軟件 ABAQUS分析此隔熱罩的共振特性、應(yīng)用環(huán)境、疲勞因素，找出了起筋處疲勞應(yīng)力超過了其材料的屈服極限是隔熱罩開裂的原因。以上研究均是依據(jù)仿真軟件進(jìn)行理論計(jì)算，模擬仿真的數(shù)據(jù)不能完全貼合實(shí)際。

針對上述問題，本文從實(shí)測的試驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)來尋找隔熱罩開裂的原因以及優(yōu)化方式。首先對增壓器隔熱罩開裂最嚴(yán)重區(qū)的內(nèi)表面以及對應(yīng)的增壓器排氣歧管外表面進(jìn)行臺架和整車溫度測試，然后對隔熱罩進(jìn)行耐溫測試，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了隔熱罩開裂的根本原因是隔熱罩內(nèi)表面環(huán)境溫度超過了內(nèi)層材料的最高耐溫，并提出了隔熱罩優(yōu)化方案，優(yōu)化后的隔熱罩在整車和臺架試驗(yàn)中均滿足要求，從而解決了隔熱罩開裂問題。

2 隔熱罩開裂情況

如圖1所示，隔熱罩在進(jìn)行臺架3000次冷熱沖擊試驗(yàn)、臺架800h循環(huán)負(fù)荷試驗(yàn)、整車6萬公里耐久試驗(yàn)后，均出現(xiàn)了內(nèi)層表面變黑并且開裂的現(xiàn)象。根據(jù)隔熱罩開裂情況，初步判斷可能是因?yàn)楦魺嵴衷谧兒诘膮^(qū)域溫度過高，超過了內(nèi)層材料SA1D（鍍鋁鋼板）的最高耐溫值，內(nèi)層鋼板變脆，在再加上發(fā)動機(jī)的振動，就會在應(yīng)力集中點(diǎn)開裂，為了驗(yàn)證上述猜測是否正確，對隔熱罩開裂區(qū)域進(jìn)行了溫度測試。

3 試驗(yàn)測試

3.1 臺架溫度場測試

隔熱罩開裂位置有可能是溫度最高點(diǎn)，因此將兩個溫度傳感器布置在了隔熱罩開裂區(qū)，傳感器布置示意圖如圖4所示。同時在對應(yīng)開裂區(qū)的增壓器排氣歧管上也布置溫度傳感器，布置示意圖如圖5所示。

為得到最高溫度值，先讓發(fā)動機(jī)預(yù)熱30分鐘，然后在全速全負(fù)荷的狀態(tài)下運(yùn)行，采集溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度趨于平穩(wěn)時停止試驗(yàn)，采集的溫度數(shù)據(jù)如圖6所示。因臺架的風(fēng)機(jī)是從測點(diǎn)2一側(cè)吹風(fēng)的，測點(diǎn)2一側(cè)的熱氣被吹走的較多，所以增壓器和隔熱罩的測點(diǎn)1比測點(diǎn)2溫度要高。由數(shù)據(jù)可知隔熱罩內(nèi)層表面溫度最高可以達(dá)到480℃。

3.2 整車溫度場測試

因臺架試驗(yàn)工況較實(shí)際惡劣很多，且隔熱罩一般在整車上考核，所以有必要在整車上進(jìn)行溫度場測試。將整套設(shè)備和樣件裝在整車上進(jìn)行試驗(yàn)，為測出隔熱罩開裂區(qū)域在整車上的最高溫度，在3#、城市工況、住宅坡、20%坡道、變速工況、190km/h最高車速、變速工況（10-14）加怠速浸車和熄火浸車7種工況下進(jìn)行溫度測試，測試結(jié)果如表1所示，可以看到在最高速行駛的過程中隔熱罩內(nèi)表面的溫度最高，溫度可達(dá)到470.8℃。

3.3 隔熱罩耐溫測試

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，SA1D材料最高耐溫一般在450℃左右，為研究隔熱罩內(nèi)層材料SA1D的實(shí)際最高耐溫，現(xiàn)將隔熱罩放在溫度為450℃、470℃、480℃、490℃的溫度箱中各24h，觀察隔熱罩的變化情況，結(jié)果如圖7所示，可以看出隔熱罩在450℃以上的溫度環(huán)境下，表面材料會發(fā)生氧化變黑，材料力學(xué)性能變差，抗振動能力變?nèi)酢?/p>

4 開裂分析與優(yōu)化

由溫度測試試驗(yàn)和耐溫試驗(yàn)可知，隔熱罩內(nèi)表面的溫度有超過450℃的現(xiàn)象，長時間處在該環(huán)境下，隔熱罩會氧化變脆，加上發(fā)動機(jī)及車身的振動，隔熱罩就會出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。

可以從增加隔熱罩與排氣歧管間隙以及減少隔熱罩開裂區(qū)應(yīng)力集中點(diǎn)兩方面來解決隔熱罩開裂問題，最小間隙由原來的9.8mm增加到16.9mm，優(yōu)化開裂區(qū)造型來減少應(yīng)力集中點(diǎn)，優(yōu)化前后隔熱罩如圖8所示。

為節(jié)約試驗(yàn)資源，針對更改后的隔熱罩，在臺架上重新測試了溫度，溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示，對比隔熱罩優(yōu)化前圖6的數(shù)據(jù)，排氣溫度、增壓器外表面溫度均相仿的情況下，優(yōu)化后的隔熱罩內(nèi)表面溫度最高436℃，比優(yōu)化前溫度降了44℃，且小于隔熱罩的最高耐溫450℃，證明優(yōu)化方案有效。為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后的隔熱罩會不會開裂，對其進(jìn)行整車6萬公里耐久試驗(yàn)，耐久后的隔熱罩沒有開裂現(xiàn)象，如圖10所示，再次證實(shí)了優(yōu)化方案的有效性。

5 結(jié)語

（1）本文從實(shí)測的試驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，通過對增壓器隔熱罩開裂最嚴(yán)重區(qū)的內(nèi)表面以及對應(yīng)的增壓器排氣歧管外表面進(jìn)行臺架和整車溫度測試，然后對隔熱罩進(jìn)行耐溫測試，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了隔熱罩開裂的根本原因是隔熱罩內(nèi)表面環(huán)境溫度超過了內(nèi)層材料的最高耐溫，并提出了隔熱罩優(yōu)化方案，優(yōu)化后的隔熱罩在整車和臺架試驗(yàn)中均滿足要求，從而解決了隔熱罩開裂問題。

（2）本文的優(yōu)化方法以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)對發(fā)動機(jī)隔熱罩產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要參考價值。

參考文獻(xiàn)

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