某輕型車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇支架斷裂分析

摘要：針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇支架在使用過(guò)程中出現(xiàn)異常斷裂的問(wèn)題，采用疲勞試驗(yàn)測(cè)試分析方法，采集了風(fēng)扇支架的應(yīng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析。通過(guò)color-map圖分析出支架應(yīng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，并對(duì)不同階次進(jìn)行切片，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、支架應(yīng)力以及模態(tài)頻率之間的關(guān)系，利用提高風(fēng)扇支架模態(tài)頻率的方法改善了原方案并達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：輕型車；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇支架；color-map圖；斷裂分析

中圖分類號(hào)：U464收稿日期：2024-11-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.015

1前言

車輛行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)及其構(gòu)件不僅受到路面不平度的激勵(lì)，還有發(fā)動(dòng)機(jī)本身的振動(dòng)激勵(lì)，因此在分析發(fā)動(dòng)機(jī)附件的故障問(wèn)題時(shí)，不僅要考慮零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因素，還要考慮零部件的振動(dòng)頻率、模態(tài)等可能存在的影響因素。以某款輕型商用車為例，汽車鋁合金風(fēng)扇支架在使用行駛約2萬(wàn)km時(shí)，支架斷裂情況發(fā)生了4起，全部發(fā)生在新疆地區(qū)。支架斷裂前，無(wú)異常情況，工作正常，支架斷裂后，皮帶脫落，車輛失去動(dòng)力，停止工作，給用戶的正常使用帶來(lái)較大的困擾和危險(xiǎn)，斷裂形式如圖1所示。

傳統(tǒng)有限元分析方法和材料微觀組織分析方法只能對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行分析，未能對(duì)樣件損壞地區(qū)多發(fā)生在新疆進(jìn)行一個(gè)有效的解釋。本文首先通過(guò)對(duì)斷口的材料進(jìn)行宏觀分析和金相組織分析，確定樣件斷裂的直接原因，然后通過(guò)對(duì)斷裂部件的應(yīng)力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的測(cè)量，利用color-map圖[1]，分析支架應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程，研究風(fēng)扇支架的振動(dòng)機(jī)理，找出其斷裂的主要因素，提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。

2斷裂原因分析

2.1斷口宏觀分析

從圖1中可以看出，風(fēng)扇支架的開裂位置位于支架中部，緊聯(lián)支架圓弧部位，呈貫穿性開裂。同時(shí)根據(jù)CAE分析計(jì)算，得出支架在工作狀態(tài)受外力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生輕微位移，斷裂位置是所受應(yīng)力最大區(qū)域。對(duì)圖1中S1～S4位置的斷面進(jìn)行放大分析（圖2），發(fā)現(xiàn)斷面區(qū)有以下共同特點(diǎn)：端口呈現(xiàn)宏觀脆性、斷面比較粗糙、斷面中間區(qū)域存在明顯顆粒狀，顏色呈銀灰色。裂紋由表面向?qū)?cè)擴(kuò)展，呈現(xiàn)出明顯的放射狀條紋，根據(jù)放射狀條紋走向，判斷S3處筋條最早開裂，并牽動(dòng)其他幾個(gè)筋條一起向本體平面區(qū)域擴(kuò)展，在較短時(shí)間內(nèi)引起支架斷裂。

2.2材料金相組織分析

對(duì)開裂樣件，分別在開裂區(qū)域表面和中心區(qū)域取樣做金相，先進(jìn)行拋光，再經(jīng)過(guò)5%氫氟酸水溶液腐蝕后，由2.5X、20X和50X高倍鏡進(jìn)行拍攝，如圖3所示。圖3（a）、圖3（b）為拋光未腐蝕，在2.5X顯微鏡下觀察，可發(fā)現(xiàn)在表層和心部區(qū)域存在熱裂紋和孔洞。圖3（c）、圖3（d）為腐蝕后，20X顯微鏡下觀察，心部區(qū)域存在壓鑄疏松缺陷，并且晶粒較大。圖3（e）、圖3（f）為腐蝕后，50X顯微鏡下觀察，表層固溶體a和共晶硅均很細(xì)小，心部固溶體a晶粒大，共晶硅呈粗大針狀。

綜上，通過(guò)對(duì)風(fēng)扇支架的組織分析，其開裂的直接原因：一是金相組織均勻性較差，二是材料存在大量的疏松和孔洞等鑄造缺陷，破壞了金屬基體的連續(xù)性，致使材料強(qiáng)度明顯下降，當(dāng)支架在受到外力作用時(shí)，在支架圓弧部位造成應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生微裂紋，并在隨后過(guò)程中，微裂紋迅速擴(kuò)展，表面的裂紋與心部的疏松匯合，隨后不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致整個(gè)截面開裂。上述分析雖然解釋了風(fēng)扇支架開裂的材料工藝原因，但未能對(duì)何種工況能夠引起支架應(yīng)力較大、為何斷裂位置多發(fā)生在新疆地區(qū)進(jìn)行一個(gè)有效解釋。因此，后續(xù)采用測(cè)試支架應(yīng)力的方法做進(jìn)一步分析。

2.3試驗(yàn)方法分析

采用與客戶使用中相同的風(fēng)扇支架，在斷裂位置粘貼應(yīng)變片，選取圖1上面S1～S4四個(gè)點(diǎn)，通道描述和通道號(hào)如表1所示。在所有傳感器調(diào)試完成后，首先采集了路面負(fù)荷的強(qiáng)化路，發(fā)現(xiàn)支架斷裂點(diǎn)應(yīng)力很小，然后采集了高速路況，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力較大，此外斷裂的樣件直接與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)皮帶相連，因此判斷風(fēng)扇支架的斷裂與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。

為測(cè)試風(fēng)扇支架應(yīng)力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，測(cè)試方法如下：?jiǎn)?dòng)車輛，緩慢踩下油門踏板直至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，穩(wěn)定一段時(shí)間后，再緩慢松開油門，使發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)到怠速狀態(tài)，記錄整個(gè)過(guò)程中的風(fēng)扇支架應(yīng)變隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化數(shù)據(jù)，為保證信號(hào)的有效性，將上述過(guò)程重復(fù)多次，最少測(cè)得三次有效數(shù)據(jù)。此外，也做了該部件在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝時(shí)的自由模態(tài)試驗(yàn)。

將采集的信號(hào)利用GlyphWorks軟件進(jìn)行預(yù)處理，鑒別信號(hào)的有效性，對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行修正，使其能夠表征真實(shí)的工況信息，測(cè)試結(jié)果如圖4（a）所示，其中S3點(diǎn)的應(yīng)力最大，與斷口分析結(jié)果相吻合。以S3為例，預(yù)處理后的應(yīng)變和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)如圖4所示。通過(guò)應(yīng)變時(shí)域數(shù)據(jù)可以看出風(fēng)扇支架在發(fā)動(dòng)機(jī)2100r/min、2500r/min和3150r/min轉(zhuǎn)速時(shí)有共振現(xiàn)象，應(yīng)力增加顯著，并且轉(zhuǎn)速在3150r/min時(shí)應(yīng)力為73.67MPa，超出了材料的許用應(yīng)力58MPa。

將應(yīng)變數(shù)據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)生成color-map圖合并分析，如圖5所示?？擅黠@看出有兩個(gè)階次應(yīng)力較大，分別為1.38階次和2階次。1.38階次是由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與風(fēng)扇支架之間皮帶連接引起的，速比為1.38，2階次是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)是4缸，曲軸每轉(zhuǎn)一周發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火兩次，因此2階次振動(dòng)比較明顯。1.38階次上振動(dòng)峰值對(duì)應(yīng)的頻率為74Hz，2階次上振動(dòng)峰值對(duì)應(yīng)的頻率為63.5Hz、87.5Hz和105Hz，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3150r/min時(shí)，1.38階次和2階次上同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)峰值，造成風(fēng)扇支架振動(dòng)加劇，應(yīng)力值較大。此外，對(duì)風(fēng)扇支架進(jìn)行模態(tài)分析，其1階模態(tài)頻率和2階模態(tài)頻率分別為88Hz和110Hz，因此在87.5Hz和105Hz容易引起共振現(xiàn)象。而在新疆地區(qū)，其地域比較遼闊，路面戈壁和沙漠較多，客戶在車輛行駛過(guò)程中多采用較高的轉(zhuǎn)速來(lái)駕駛車輛，因此比較容易引起皮帶和曲軸的階次峰值，造成風(fēng)扇支架應(yīng)力較大，發(fā)生支架斷裂這種嚴(yán)重事故。

3改進(jìn)優(yōu)化

通過(guò)上述分析，首先在風(fēng)扇支架的生產(chǎn)工藝過(guò)程中，要嚴(yán)格控制或調(diào)整鑄造工藝，改善組織的均勻性，減少疏松和孔洞等缺陷。而在結(jié)構(gòu)上，1.38階次和2階次上發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3150r/min時(shí)，74Hz和105Hz的頻率均被激起，因此，可通過(guò)改變風(fēng)扇皮帶輪支架的剛度，提高其模態(tài)頻率，使得在3150r/min時(shí)兩個(gè)階次的振動(dòng)不能同時(shí)激起，則可降低其振動(dòng)時(shí)的應(yīng)力。改進(jìn)方案為在支架正面增加筋的厚度，支架背面增加4個(gè)筋條，降低其他受力較小區(qū)域的厚度，保證支架總重不變，如圖6所示。改進(jìn)優(yōu)化后經(jīng)測(cè)試，支架的第1階、第2階模態(tài)頻率分別為97Hz和176.5Hz，最大應(yīng)力為46MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，改進(jìn)方案實(shí)施后，兩年內(nèi)未發(fā)現(xiàn)類似問(wèn)題。

4結(jié)語(yǔ)

本文首先通過(guò)對(duì)風(fēng)扇支架材料進(jìn)行分析，找出支架斷裂的直接原因，同時(shí)采集了多種路面工況的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇支架應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)在高速情況下應(yīng)變較大，判斷出支架斷裂與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、轉(zhuǎn)速有關(guān)，通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與支架應(yīng)力以及模態(tài)頻率之間的關(guān)系，利用加強(qiáng)風(fēng)扇支架模態(tài)頻率和改善支架生產(chǎn)過(guò)程的工藝，完善原方案達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文對(duì)風(fēng)扇皮帶支架的相似斷裂模式分析具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚祥軍.從這里學(xué)NVH：噪聲，振動(dòng)，模態(tài)分析的入門與進(jìn)階[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021.

[2]Yung-Li，Lee.疲勞試驗(yàn)測(cè)試分析理論與實(shí)踐[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

作者簡(jiǎn)介：

李安民，男，1991年生，工程師，研究方向?yàn)檎嚨缆沸阅茉囼?yàn)技術(shù)、車輛路譜數(shù)據(jù)處理。