車用冷卻風扇斷裂原因分析及改進

楊曉明江小柯徐金成朱學華孫金其徐芙蓉

（1.南京汽車集團有限公司汽車工程研究院；2.南京依維柯汽車有限公司）

汽車發動機和傳動裝置所散發的熱量，除少量通過傳導和輻射方式傳播外，大部分熱量依靠冷卻風扇產生的強制對流來散發，故其零部件性能及可靠性尤為重要。某款車在整車試驗項目進行壞路試驗和非正常路面行駛時，冷卻風扇出現斷裂，直接造成相關零部件乃至整車散熱功能的失效，危及發動機的正常工作。為解決冷卻風扇斷裂問題，文章針對冷卻風扇的疲勞壽命及工作狀態穩定性進行了分析，應用疲勞分析技術及檢測手段分析查找斷裂原因，確保冷卻風扇性能及可靠性符合使用要求[1]。

1 冷卻風扇工作原理

冷卻風扇通常安裝在散熱器后面，由皮帶帶動的風扇與水泵同軸，與水泵一起轉動。一般汽車冷卻風扇采用軸流式扇葉，因軸流式扇葉通常用在流量要求較高而壓力要求較低的場合，所以當風扇啟動的瞬間，流體沿著扇葉的中心軸向進出扇葉。扇葉運作運用柏努利原理，利用扇葉的仰角，在扇葉上方形成局部的真空，因壓力差的關系，將扇葉上方的空氣吸入扇葉下方，產生空氣流動的現象，形成強制氣流，達到送風的效果。葉片間距角度產生較低的流量，而增加間距則可產生較高的流量[2]。因此改變葉片角度或間距是軸流式扇葉的主要優勢之一。

在風扇工作過程中，葉片形狀會從加工葉型（冷態）變為工作葉型（熱態），而工作葉型要與氣動設計的熱態葉型吻合，才能獲得葉片的最佳氣動性能。

2 冷卻風扇故障描述

2.1 壞路試驗[3]

在壞路試驗行駛時冷卻風扇出現斷裂，拆開散熱器后發現：1）將斷裂的風扇葉片依次編號為1～9#，其中4#和5#為斷裂葉片，4#葉片整個斷裂；5#的1/2葉片受到撞擊后破碎；其他葉片邊緣均有明顯磨損痕跡，如圖1所示。2）散熱器與冷卻葉片工作的區域，有明顯撞擊和磨損痕跡，如圖2所示。

2.2 非正常路面行駛[3]

在非正常路面行駛時冷卻風扇出現斷裂，拆開散熱器后發現：1）將斷裂的風扇葉片依次編號為1～9#，其中5～7#為斷裂葉片，5#和6#葉片斷裂掉葉片的2/3；7#從外緣斷裂，1/2葉片受到撞擊后破碎；其他葉片邊緣均有明顯磨損痕跡，如圖3所示。2）散熱器與冷卻葉片工作的區域，有多處明顯撞擊和磨損痕跡，如圖4所示。

3 冷卻風扇斷裂因素分析

3.1 冷卻風扇振動幅度

冷卻風扇為高速旋轉件，整個冷卻風扇安裝在發動機前端，汽車在行駛過程中，該位置振動幅度最大，如果冷卻風扇到散熱器間距控制不好，會使冷卻風扇振動過大。大幅波動會造成冷卻風扇與散熱器發生撞擊的嚴重后果。因此需要分析振動產生的原因和振動性質，查找引起振動過大的部位，并采取相應的處理措施，使振動幅度達到設計的安全范圍。

3.2 冷卻風扇材料

冷卻風扇一般使用PA（聚酰胺樹脂）材料進行注塑，其具有良好的力學性能、耐磨性、自潤滑性、耐腐蝕性、氣體阻隔性、電絕緣性和成型加工性能，但是還存在著強度和剛度較低，吸水率達到3%以上，在一定程度上影響尺寸穩定性。所以需要進行吸水率的試驗，并檢查風扇的尺寸變化。

3.3 裝配工藝

在裝配時，若零部件之間的配合不符合規定的技術要求，或者各零部件之間的相互位置不正確，裝配后必將影響整個冷卻系統的工作性能，使之無法正常運轉，從而影響冷卻風扇離散熱器帶中冷器總成的安全距離，也會出現冷卻風扇斷裂現象。

4 試驗檢測及分析

4.1 冷卻風扇變形量臺架試驗

按照技術要求布置測量點，如圖5所示，分別以1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500 r/min的轉速，測量A，B兩點的變形量。試驗后得出風扇最大變形量為9 mm，如圖6所示。

4.2 整車上冷卻風扇與中冷器間隙試驗

發動機冷卻風扇是高速旋轉件，由于受轉速頻率的影響，會發生振動，嚴重時風扇葉片斷裂，影響可靠性，因此限制其振動幅度或提高其抗振性能成為合理設計的關鍵。在分析發動機冷卻風扇的振動特性時，除理論分析外，直接進行發動機振動的測量試驗是一個重要手段，可以通過試驗測得發動機冷卻風扇的振動特性數據，設計可以接受的振幅和頻率范圍，并依據試驗積累的數據和經驗，來判斷其安全距離（10 mm）是否滿足使用要求[4]。未工作時風扇離散熱器帶中冷器總成數模最小間隙為31 mm，經測試，工作時發動機最大前向位移為7.2 mm，因工作時風扇最大變形量為9 mm，可計算得出，工作時風扇離散熱器帶中冷器總成理論最小間隙為14.8 mm，此距離大于安全距離4.8 mm，故排除風扇變形量和發動機振動對風扇斷裂的影響。

4.3 冷卻風扇含水率試驗

在炎熱潮濕的夏季會出現冷卻風扇破損的情況，原因是葉片吸收空氣中的水分后產生彎曲。根據ISO 3451標準，對斷裂風扇進行含水率檢測，標準要求含水率在1.5%～2.2%，檢測出冷卻風扇含水率偏大，達到2.06%，但滿足標準要求，并且其變形量不是很大，故可以排除冷卻風扇含水率對風扇斷裂的影響。

對新樣件冷卻風扇進行300 h鹽霧試驗，然后進行整車環境模擬試驗。

4.4 整車環境模擬試驗

根據分析后的試驗方法要求，將新風扇安裝在整車上，并在40℃環境艙內，將整車放置5 h，然后啟動發動機，當轉速達到4 500 r/min時使風扇轉動20 min。試驗后觀察風扇扇葉無明顯可見外觀損壞。

更換鹽霧試驗后的樣件，重新進行上述步驟，試驗后風扇扇葉也無明顯可見外觀損壞。

4.5 裝配工藝流程排查分析及改進

在排除上述因素后，在組裝線上進行排查。按照裝配工藝流程，應先擰緊支架1處，再擰緊輔助支撐2處，如圖7所示。但在實際組裝過程中安裝順序顛倒，導致安裝后的風扇離散熱器帶中冷器總成的距離偏差很大。為了解決此問題，設計一種防呆裝置，如圖8所示。在安裝過程中加裝一個夾具，利用散熱器前面的部件1上的方孔和面進行定位，用推拉夾緊裝置來保證散熱器與風扇之間所需要的距離，使用完畢后松開夾緊裝置（如圖8中“2”所示）就可以取下。主要目的是保證風扇離散熱器帶中冷器總成的距離是安全距離[5]。

5 試驗驗證

安裝防呆裝置后，對改進的冷卻風扇進行臺架和道路試驗。

5.1 臺架試驗

根據文獻[6]的要求，進行強化耐久性試驗。風扇按實際裝車方式安裝，按運轉45 s，停15 s為1次循環，共進行1 000 h耐久試驗。試驗電壓為13 V，在溫度為50℃時運轉600 h，在溫度為100℃時運轉400 h。試驗后風扇扇葉無明顯可見外觀損壞，無功能失效。

5.2 道路試驗

根據某汽車試驗場《汽車產品定型可靠性試驗規程》，進行可靠性試驗，合計行駛里程為12 000 km。試驗后風扇扇葉無明顯可見外觀損壞，無功能失效。試驗項目與里程，如表1所示。

表1 試制汽車可靠性行駛工況統計

6 結論

1）整車上風扇與中冷器間隙試驗中，測試距離是安全距離，故排除風扇變形量和發動機振動對風扇斷裂的影響；

2）風扇含水率試驗后，風扇含水率滿足標準要求，且風扇變形量不大，故可以排除風扇含水率對風扇斷裂的影響；

3）整車環境模擬試驗后，新風扇和鹽霧后風扇的扇葉無明顯可見外觀損壞；

4）經裝配工藝流程排查，找到影響因素為安裝順序顛倒，通過加裝防呆裝置，保證了安裝過程中裝配間隙的安全距離。

改進后的冷卻風扇與各部件之間匹配良好，滿足汽車設計要求、系統要求、可靠性要求及使用要求，并通過了臺架和道路試驗的考核，冷卻風扇斷裂問題得到解決。