一種基于整車道路試驗的水箱新型試驗方法

施 杰，伍 晉，張 汝，濮龍鋒，王樹榮

（1. 泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201； 2. 蘇州廣博力學環境實驗室有限公司，蘇州 215122）

一種基于整車道路試驗的水箱新型試驗方法

施 杰1，伍 晉1，張 汝1，濮龍鋒2，王樹榮2

（1. 泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201； 2. 蘇州廣博力學環境實驗室有限公司，蘇州 215122）

本文基于M公司的整車道路耐久試驗中水箱的失效模式,綜合考慮外部激振,包括水箱在發動機艙內的環境溫度應力影響、水箱內冷卻液的壓力脈沖以及車輛振動影響,設計了一種針對水箱試驗的新型綜合試驗臺架和試驗方法。試驗結果表明本綜合試驗臺架能對失效模式進行很好的復現。通過臺架試驗和實車對比，證明了本方法的工程應用性。

水箱；損傷；道路試驗；臺架工況

引言

近年來，主機廠對包括道路試驗和臺架試驗的投入越來越大，開展實際道路路試是開發步驟不可或缺的一環，但是道路試驗有著時間長，試驗樣本數量有限，投入人力、物力、資本大，可重復性差等缺陷，因此有必要對臺架試驗模擬路試進行研究，以便快速發現缺陷點和失效模式,第一時間找到解決方案來響應市場需求。

中國石油大學王東、高德利、張克堅、周仕明搭建脈沖振動試驗臺[1]，在0.25～9Hz的振動條件下模擬脈沖振動條件對材料性能的影響；南京工程學院任成龍、王儉樸在汽車懸架振動的擬脈沖激勵試驗研究中[2]，針對各工況下的懸架特性曲線，繪制出功率譜密度圖形；李小春、高橋學、吳智深、小出仁研究了瞬態壓力脈沖法，完成20Mpa高壓脈沖的理論研究和裝置設計[3]；上海理工大學劉世紅、趙高暉、童正明、劉福群針對耐高溫壓力脈沖試驗中實際最小壓力值無法達到零表壓的問題，采用工控機和PCI板卡控制，以VB為編程環境，研究設計了一種新型的高性能壓力脈沖試驗臺[4]。

目前國內各大整車廠和研究機構針對溫度交變、壓力交變和振動的研究通常是單獨進行的，不能很好地復現零件在車輛上同時接收多種外部激振的實際工況。本文基于M公司V型水箱的失效現象,在道路耐久中所呈現的泄漏模式，綜合考慮外部激振隨機振動試驗條件、管內壓力脈沖應力以及水箱所處的溫度環境應力來考慮對試驗樣件的影響,從而設計一種振動、溫度交變、壓力交變同時作用的新型臺架和試驗方法，真實模擬水箱在汽車行駛過程中的實際工況，使水箱的失效模式得到良好的復現。

1 產品結構和產品失效模式

汽車水箱又稱散熱器，是汽車前端冷卻系統重要部件，其位于前車架上，和冷凝器以及風扇安裝在一起,并作為吸震元件,其主要功用是散發發動機和變速箱的工作熱量，冷卻水在水套中吸收熱量，流到散熱器后通過風扇將熱量散去，再回到水套內繼續循環。

水箱的結構如圖1所示，主要由芯體主片、密封墊圈和塑料水室組成，其中鋁制芯體管道釬焊在主板上,主板上的扣押翅片再經過壓縮后壓接在水室周圍形成腔體。

因此水箱的工藝構成上可以看出，芯體和主片釬焊剛性連接，主片與水室塑性連接,這也是容易出現失效的地方。翅片壓接邊緣由于壓接尺寸控制不均，芯體片和主片焊接處由于焊接強度等問題都會造成乙二醇冷卻液的泄漏。

水箱的流動方向可分為垂直流和平行流兩種,平行流是冷卻液的流動方向從進口單向流動到水箱出口處,而垂直流是冷卻液從水箱頂部流向底部,從內部冷卻阻力來說,垂直流是有優勢的,減少了流量泵的耗能.

水箱的典型失效模式主要由應力集中引起產品變形和開裂而造成冷卻液泄漏,導致冷卻液系統缺液,車用水表高溫報警，嚴重影響客戶的正常使用。

圖3是發動機2000rpm時水箱工作時內部熱成像圖，從水箱的內部溫度分布來看，水箱進水處頂部溫度比較高，流速應力比較集中，到水箱底部時溫度已經經過風扇冷卻，沒有應力集中。

圖1 一般水箱結構

圖2 平行流和垂直流水箱的一般布置

圖4是V型水箱經過M公司的整車道路耐久試驗后的泄漏圖。檢測方法為向腔體通入200～250kpa氮氣并整體浸潤常溫自來水中。泄漏點為芯體和主片焊接處,靠近上水室進水口，從圖3的熱成像來看此處正處于應力集中區域。

2 試驗損傷分析和臺架設計

基于前面的產品結構分析，泄漏是水箱的主要失效模式。水箱、冷凝器、冷卻風扇通過支架螺栓連接成一體，成為前端冷卻模塊，如圖5所示。

前端冷卻模塊整體通過左右側兩個上支架連接在前車架上。因此振動所造成的損傷是比較巨大的。其中振動對水箱芯體和主板的應力表現為剪切力、扭轉力，損傷累積到焊接處最終造成裂紋。

本文選擇隨機振動作為振動主要表現形式，因為這種振動方式主要考核零部件在行駛路面的適應性，同時又可以用頻率范圍、加速度譜密度、加速度譜的頻譜、總均方根加速度、試驗持續時間5個參數共同描述和控制，工程應用便捷。

圖3 水箱熱成像

圖4 水箱泄漏照片

總均方根加速度代表了隨機振動平均作用能量，一般的振動損傷可以描述為下式

其中：Dvib——隨機振動損傷；

T——試驗時間 h；

Grms——總均方根加速度 m/s2；

n——產品壽命倒冪曲線在對數坐標系下的斜率。

本文在V型水箱的支架部分采用三向加速度計(10 mV/g的靈敏度)采集了水箱振動的時域信號，并通過快速傅立葉變換轉化為頻域譜，并且發現Z方向加速度功率譜值高于X和Y方向的數值，如圖6所示。圖6是M公司整車試驗B工況路面X/Y/Z三方向加速度信號的頻域功率譜。

圖5 前端冷卻模塊

圖6 M公司B工況路面隨機振動功率譜密度比較

最后通過能量比較選擇苛刻路面的加速度掃頻功率譜如表1。

根據路譜掃頻時間，本試驗方法時間為一倍壽命周期144h。

同時需要關注水箱內部的壓力變化給產品帶來的損傷。表2為道路耐久試驗后，V型水箱水室和主片咬合處壓接量的變化，主要考核頂部進水處內側壓接的高度。

水箱扁管內的壓力脈沖變化將促使水箱的水室和主片之間的壓接有不均勻的變形,進而使水箱產生泄漏。本文在水箱進口處采用壓力傳感器進行了進口水壓的測量最終得到圖7，如下所示。

另外，溫度的變化也是需要考慮的，尤其是管內水溫從低溫到高溫的變化。對于不同溫度膨脹系數的塑料水室和鋁材芯片勢必會產生材料變形不均，并形成對壓接處拉伸力,從而最終導致水箱泄漏失效。本文在水箱進口處采用溫度傳感器進行了進口水溫的測量最終得到圖8，如圖所示。

表1 試驗選擇的功率譜密度

表2 耐久試驗后V型水箱的壓接量的變化

圖7 進口壓力變化圖

水箱的環境溫度也是需要考慮的因素。根據經驗數據，水箱正常工作時周圍空氣溫度達105℃，極端峰值可達125℃，是實際產品的應力條件之一。

如果上述所有的試驗應力都轉化為臺架輸入，試驗方法的經濟性勢必很差，需要有所取舍。

參考貝薩艾爾?？说闹鯷6]，如果把不同的試驗應力條件下的產品失效作為輸出響應的話，那么我們的模型如圖9。

那么對產品，應力之間的交互作用，即一 個因素對另一個因素的影響強度，或者是其他因素的組合對單一因素的影響，都需要考慮到對輸出的影響，所以一個響應的完整輸出表達如下式：

式中，Y為輸出響應；f1(x1)是應力A的主要影響；f2(x2)是應力B的主要影響；f3(x3)是應力C的主要影響；f4(x4)是應力D的主要影響。

圖8 進口水溫變化圖

圖9 不同試驗應力條件下產品失效圖

本文對比了不同試驗條件的組合發現，水箱在最大壓力250kpa和最高進口水溫120攝氏度工況下，環境溫度變化對樣件失效的影響如圖10。試件壽命變化從400h（在30C環境溫度應力）到430h（在125C環境溫度應力），變化甚微，可以在試驗中忽略環境溫度對產品的影響。

3 臺架設計和試驗分析

壓力脈沖臺架結構方面,采用閉環控制，在冷卻液水箱處加熱，在樣品進水口布熱電偶測量溫度。加熱部件擬采用電加熱管，功率約在6kW左右（此處僅是經驗，具體執行時需試驗確定）。箱中需有冷卻液循環裝置，以確保水箱中冷卻液溫度的一致性。冷卻液的降溫擬采用混合常溫冷卻液的方式實現，通過電磁閥控制將常溫的冷卻液引入水箱實現。水箱容積暫定50升，需制作保溫層以減少熱量損失，水箱需安裝高低液位保護(液位開關需耐高溫）、過壓保護以及超溫保護。臺架控制見圖如圖9所示。

圖10 環境溫度變化圖

圖11 試驗臺架控制簡圖

控制策略方面采用閉環控制，在通過變頻器控制水泵轉速實現水壓的控制，在樣品的進水口設置壓力傳感器作為閉環控制的反饋。與樣品連接處需采用車用接頭及軟管，冷卻液管道需做保溫處理，以減少熱量損失,選擇耐高溫的壓力傳感器。

設備操作軟件方面采用Labview編寫上位機控制程序,通過RS232控制振動臺環境箱,并通過數字輸出控制振動臺的意外停止，模擬量輸出控制變頻器與溫度控制器。試驗中采集環境箱溫度以及壓力傳感器的數據以進行意外情況的處理。

如圖12和圖13分別是實體臺架照片和軟件操作界面

對于振動控制和溫度控制,本文采用了某公司帶有溫度交變箱的振動試驗臺,環境艙的溫度控制范圍-40℃到150℃。振動臺型號為DC-3200電磁振動試驗系統，其額定激振力為3.2kN，額定位移為51mm p-p，額定速度為2m/s，額定加速度為100g，額定頻率范圍為5Hz～2000Hz。

如圖14和圖15分別是帶有環境艙的艙內樣件布置工裝姿態和振動臺整體圖。

本文再次對同批次其他良好的V型水箱樣件同時進行了內部冷卻液壓力曲線輸出,外部隨機振動和環境高低溫三綜合實驗。在垂直方向31.5h(試驗設計周期144h)發現失效，占試驗百分比為21.8%，此值與實車道路失效百分比接近，并很好的復現了失效模式,臺架試驗樣件的失效點也發生在水箱頂部芯體和主片焊接處如圖16所示。

圖12 試驗臺架實體照片

圖13 軟件操作界面

圖14 水箱環境艙內安裝姿態

圖16 三綜合31.5h試驗后水檢照片

4 結論

通過以上的設計計算分析，可以得到如下結論：

1）從實車道路試驗中，采集苛刻路面的路譜輸入振動臺架，可較好地模擬出車載水箱的振動受力狀態。

2）溫度和壓力交變是水箱所受的主要應力，本文根據實車路試獲取溫度和壓力交變的經驗數值，并輸入試驗臺架的樣件中，可很好地模擬水箱實際的運行工況。

3）本文將溫度交變、壓力交變以及振動結合起來，設計出一種新型試驗方法以及實現試驗臺架搭建，能使水箱在試驗時，各狀態均接近實車狀態，可以早期發現設計缺陷。

[1] 王東、高德利、張克堅、周仕明, 脈沖振動對水泥漿性能影響的實驗研究[J].自然科學進展，2007，17（9）.

[2] 任成龍、王儉樸.汽車懸架振動的擬脈沖激勵試驗研究[J].南京工程學院學報,2013,11(2).

[3] 李小春、高橋學、吳智深、小出仁.瞬態壓力脈沖法及其在巖石三軸試驗中的應用[J].巖石力學與工程學報，2001，20.

[4] 劉世紅、趙高暉、童正明、劉福群.新型壓力脈沖試驗臺的設計分析[J].機械設計與研究,2011,27(5).

[5] Jack Erjavec. Autom a tive heating and Air Conditioning[C]. Boyce H.Dwiggins.

[6] 貝薩艾爾海克,大衛M羅.六西格瑪服務設計—走向卓越之路線圖[M].西安：西安交通大學出版社,2008,1.

施杰(1966-):男，上海市人，工學博士、高級工程師，泛亞汽車技術中心有限公司試驗認證部總監，一直從事制造技術-精密加工，汽車結構CAE分析，動力總成標定匹配，電控集成等領域的開發和研究工作。

Introduction of a New General Test Bench of Radiator Based on Vehicle Road Test

SHI Jie1, WU Jin1, ZHANG Ru1, PU Long-Feng2, WANG Shu-rong2
（1. Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201; 2. Suzhou Guangbo Mechanics Environment Laboratory, Suzhou 215122）

The paper is based on failure mode of vehicle radiator in vehicle road durability test of M company. A new general test bench and test method for vehicle radiator is designed for all external stress including temperature effect under hood, pressure pulsation of coolant and vehicle vibration. The test results indicate that the new general test bench can simulate actual failure mode, and the method is feasible through bench test by contrast with actual vehicle results.

radiator; damage; road test; bench test condition

TK268.+1

B

1004-7204（2014）03-0016-06