汽車暖風機芯子失效分析及優化設計

摘要：文章針對某車型暖風芯子漏水問題進行了分析，在成本、周期及效率的綜合考慮下，采取了在暖風芯子水管根部加焊一鋁板的改進措施。通過試驗驗證，改進措施有效，同時也為后續車型暖風芯子的開發提供了借鑒。

關鍵詞：汽車；暖風芯子；失效分析；優化設計；漏水問題 文獻標識碼：A

中圖分類號：U471 文章編號：1009-2374（2015）03-0032-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0209

汽車駕駛室內的制暖主要以發動機的冷卻水為熱源，通過暖風機中的熱交換器（一般稱為暖風芯子），把鼓風機送來的空氣與發動機冷卻水進行熱交換，空氣加熱后送入車廂內，以達到取暖及除霜、除霧的功能，其簡化的過程如圖1所示。暖風機一般由暖風芯子、風機及外殼組成，殼體上有吹向腳部、臉部的出風口及吹向車窗起除霜作用的出風口，其中暖風芯子作為很關鍵的部件實現了發動機冷卻液在汽車乘員艙向空氣的的散熱。

暖風芯子的樣式較多，從生產工藝來區分，主要為銅水箱、鋁水箱和片管式水箱等三類。在微車和轎車中，一般使用的為鋁水箱。鋁水箱式主要使用復合鋁材，通過釬焊工藝進行制造。

1 問題描述

在跟蹤零件的售后三包退件記錄時，發現某車型的暖風芯子三包退件數量快速增加，見圖2。經確認故障現象主要表現為暖風芯子泄露。泄露的冷卻液會污染車內前排座椅下的地板覆蓋物等，同時引起發動機水溫高等一系列癥狀，將會引起客戶的極大抱怨。

根據維修數據，確定故障周期主要為大于12個月，故障里程在10000公里以上。根據故障件統計，發現進水管根部開裂的故障件占93%，如圖3，出水管根部開裂2%，其他部位開裂5%。

2 原因分析

2.1 零件符合性調查

經過問題解決小組共同確認，零部件的尺寸滿足技術規范要求，材料及分供方也未發生變異。其為鋁合金，在供應商內部的材料代碼為：芯材合金為FA5577（AA3003），復合層2為10%FA6671（AA4343），鋁材供應商為上海Sapa。

暖風芯子生產的主要工藝流程為：芯體裝配（主板、邊板、扁管和翅片組裝在一起）→進出口管鉚接（進出口管與上水室鉚合）→涂釬劑（手工涂抹，釬劑濃度25%～35%）→翻邊（翻邊機自動翻邊）→釬焊（釬焊爐按釬焊工藝參數運行）→芯體打磨（去掉釬焊后的殘余雜質）→干式檢漏（干式檢漏儀按壓力及泄露值要求進行測試，合格后自動打印合格標識）→粘貼密封條（粘貼密封墊外觀滿足要求）。確認相關的設備和參數未發現變異，同時操作員工也沒有變化。

小結：排除零件的一致性波動，即非零件質量問題。

2.2 零件裝配過程調查

在整車裝配車間現場確認暖風芯子的裝配過程，發動機進出水管的裝配工藝主要為：（1）發動機進水管：操作工用手將發動機進水管（膠管）套在暖風芯子的進水鋁管上；（2）發動機出水管：操作工用特制的鉗子將發動機出水管（膠管）套在暖風芯子的出水鋁管上。發動機進水、出水膠管的裝配方式不同，進水管為手動裝配，出水管為用鉗子裝配。由于暖風芯子的鋁管和發動機進出水管為過盈配合，裝配有一定阻力，裝配過程中存在員工上下用力搖晃來安裝的現象?，F場也偶爾發生暖風芯子根部開裂的問題，但進水管和出水管都有發生，故障模式不集中，和售后規律不一致，故排除該原因或非主因。

小結：裝配手法的差異，可能導致部分零件受損，但與售后表現不一致，故排除裝配工藝的影響。

2.3 零件結構分析

經分析，發動機進水、出水膠管走向和尺寸等不同，如圖4所示。相比出水膠管，進水膠管更長，重量更大，在發動機的固有振動及整車在特殊工況的振動下，其振幅更大。故暖風芯子進水管根部承受的剪切力更大，更易導致疲勞開裂。

該車型暖風芯子上的鋁管是和上水室釬焊為一個整體，沒有相對活動余量，看上去較“脆弱”。對比其他車型的暖風芯子：GP50車型的暖風芯子的鋁管和上水室是鉚合在一起，通過密封圈進行密封，類似于萬向節形式，有一定活動余量；N1/CN100車型的暖風芯子鋁管較短，且用螺栓螺母進行了緊固，強度較大。在整車總裝車間使用了相同的裝配工藝方式，但其他車型的售后表現良好。

2.4 結論

問題解決小組判斷該問題的原因是：由于暖風機芯子進、出水管根部的焊縫周圍應力集中，在外力長時間振動作用下，易造成疲勞斷裂，導致暖風機芯子漏水。而斷裂基本集中在芯子進水管，是由于與芯子進、出水管對接的膠管結構及布置不一樣，受力有差異導致。

3 優化設計

3.1 改進方案選擇

暖風芯子的改進方案有很多，可以直接參考GP50或N1車型的結構，也可以對膠管走向進行重新布局，但鑒于成本、周期、效率等因素，初步選擇了如圖5的改進方案，即在鋁管根部增加一方形焊片25×25mm，以增加其抗彎強度。

3.2 改進方案試驗驗證

為了驗證該改進方案的有效性，安排了以下兩組試驗，見圖6所示。試驗方式1：用夾具豎直固定好暖風芯子，在鋁管端部施一水平拉力，拉力逐漸增大，直到鋁管根部開裂為止，記錄此時拉力大??；試驗方式2：固定方式及施力方式同試驗方式1，當鋁管變形至一特定位移L=20mm時，記錄此時拉力大小。試驗結果如表1所示。

通過試驗發現，改進后的暖風芯子鋁管根部的抗彎強度明顯增強。

3.3 改進方案確定

通過驗證，該改進方案可有效提高暖風芯子鋁管根部的抗彎強度，同時在暖風芯子生產過程中增加該方形鋁板對工藝影響不大，便于實施。另外，該方形鋁板尺寸較小，可利用一些板材的邊角料進行生產，可有效降低成本，供應商可內部消化該成本變化。最終，該改進方案獲得了批準實施。

4 結語

圖7 暖風芯子改進后三包退件返回狀態

通過對措施斷點后零件的市場表現跟蹤，發現改進效果良好，見圖7。在該問題改進過程中，得到了產品工程師和供應商的大力支持，使問題得到了快速斷點。該改進措施只是在現零件結構上的局部優化，雖沒完全杜絕該問題，但已取得了很大進步。該問題的解決，也為后續車型暖風芯子的設計選型提供了借鑒作用。

參考文獻

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作者簡介：馮振杰（1981-），河北邢臺人，上海交通大學工程碩士，研究方向：車輛工程。

（責任編輯：周 瓊）