基于整車道路試驗的水箱新型熱循環試驗方法

武文超，伍 晉，李 婕

（1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201； 2.上汽通用汽車有限公司武漢分公司，武漢 430200）

基于整車道路試驗的水箱新型熱循環試驗方法

武文超1，伍 晉1，李 婕2

（1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201； 2.上汽通用汽車有限公司武漢分公司，武漢 430200）

基于B公司的整車道路耐久試驗中水箱的失效模式，綜合分析熱應力導致的失效機理，結合實車水箱內部實際溫度交變幅度和溫度交變頻率,設計了一種針對水箱熱應力失效的新型熱循環臺架試驗方法。試驗結果表明本新型熱循環試驗工況能對失效模式進行很好的復現。通過臺架試驗，證明了本方法的可行性。

水箱；熱應力；道路試驗；熱循環試驗

引言

近年來，各個主機廠整車道路試驗有關水箱失效泄露的案例愈發頻繁，有的失效集中發生在某一款車型中的某一種發動機上，經分析得出是由于發動機導致水溫快速波動，因此水箱在熱應力的作用下發生泄露。改進設計后，需要再次驗證，但是道路試驗有著時間長，試驗樣本數量有限，投入成本大等缺陷，因此需要將水箱整車路試工況轉化為臺架試驗工況來進行研究，以便快速復現失效以及驗證新設計方案，第一時間找到解決辦法。

目前的臺架熱循環試驗規范對于熱應力的考察是基于以往的水溫波動數據，工況比較平穩，因此臺架上并未探測到失效，而實車上水箱的熱應力損傷要遠遠大于目前的臺架損傷，這樣就出現了臺架試驗與耐久路試不能匹配的情況。因此本文基于B公司H型水箱的失效模式，結合熱應力分析結果，調整臺架水箱內部溫度交變時的溫差及交變頻率,設計了一種新型熱循環試驗方法，真實模擬水箱在道路試驗過程中的熱應力損傷，使水箱的失效模式得到良好的復現。

1 水箱結構及失效模式

1.1 水箱結構

水箱又稱散熱器，由進水室、出水室、散熱芯體、主片以及側板端蓋構成，如圖1所示。塑料水室通過主片咬邊與芯體連在一起，通過密封圈來密封。芯體由散熱扁管和散熱翅片帶相間釬焊而成。根據冷卻液在水箱芯體內的流動方向，水箱分為平行流和垂直流兩類。由于水箱的主要功用是將發動機工作時產生的熱量散發掉，其工作環境與發動機熱負荷直接相關，熱環境比較惡劣，水箱也一直承受著冷卻液的溫度交變所帶來的熱應力。

1.2 失效模式

水箱的失效模式也多種多樣，有由于振動導致的水箱開裂，有由于壓力脈沖導致的咬邊失效等，由圖2可以看出，其具體的失效機理中占比最大的是熱應力，本文主要關注由于熱應力導致的水箱泄露，失效模式主要是位于散熱芯體的四個角落的散熱扁管根部拉裂。

圖3是H型水箱經過B公司的整車道路耐久試驗后的泄漏圖。泄漏點為扁管根部，靠近與主片釬焊處。

2 冷卻系統原理及熱應力分析

2.1 冷卻系統原理及水箱熱應力的產生

發動機冷卻系統保證發動機在最適宜的溫度狀態下工作，主要通過水泵使環繞在氣缸水套中的冷卻液加快流動，帶走發動機燃燒所產生的熱量，并通過行駛中的自然風和電動風扇，使冷卻液在散熱器中進行冷卻，冷卻后的冷卻液再次引入到水套中，周而復始，實現對發動機的冷卻。

另外冷卻系統除了對發動機有冷卻作用外，還有“保溫”的作用，因為“過冷”或“過熱”，都會影響發動機的正常工作。這個過程主要是通過節溫器實現發動機冷卻系統“大小循環”的切換，冷卻液溫度低時進行小循環，冷卻液溫度高了大循環打開。小循環的冷卻液是不通過水箱的，而大循環的冷卻液是通過水箱進行冷卻的。因此水箱中的冷卻液溫度會隨著發動機負荷而產生一定的波動，并且節溫器的開啟關閉也會影響到水溫的變化。

熱應力的產生主要來自兩方面。

一是每次發動機冷啟動后，隨著熱車的進行，機油溫度逐漸上升，發動機水溫到達80 ℃左右時，節溫器控制大循環打開，熱水涌入到水箱。如圖4所示，由于此前小循環時迎面風把水箱冷卻液的溫度越吹越低，因此水箱中冷卻液溫度在1 min內從零下竄升到90 ℃左右。水溫交變會產生熱應力，溫差越大、溫度交變越快，熱應力越大。主要造成的損傷是扁管撕裂、釬焊處泄露等。

圖1 水箱結構

圖2 失效機理分類

圖3 水箱失效照片

二是在實際運行過程中，由于發動機的不同工況或者節溫器開啟關閉，也會導致水溫會產生波動，其具體原理為發動機溫度由節溫器控制，節溫器的頻繁開啟關閉，會導致散熱器內的水溫頻繁波動；另外水溫還受電子風扇調節，溫度達到一定高度的時候控制電子風扇進行運轉來加快散熱，以降低水溫，一般分為低、中、高速，風扇的檔位調節也會使水溫產生波動；還有就是水溫與發動機工況和負荷有一定關系，工況和負荷的變化也會導致水溫變化，負荷越大，如重載爬坡等，水溫會迅速升高。水溫一般都是輕微的波動，但有一些情況下波動也會達到10~20℃，甚至超過20 ℃，如圖5所示。連續快速的溫度交變也會產生熱應力，不斷作用在扁管上，導致扁管根部開裂。

2.2 熱應力分析

圖6是整個水箱的熱應變云圖，可以看出在所有的散熱扁管中，位于四個角落的扁管熱應變最大，所以位于四個角落的扁管最容易受熱應力影響而發生失效。一般在芯體兩側的側板端蓋會開有熱應力槽，當熱應力達到某種程度時，應力槽會自動斷裂掉，把熱應力泄掉一部分來保護扁管，減少扁管的熱應變。但有些熱應力槽的設計不好時，會導致應力槽過強而不斷裂，應力傳遞并累計到扁管上導致扁管開裂。

3 損傷計算及臺架復現

圖4 冷啟動水溫變化曲線圖

圖5 實際運行中水溫變化曲線圖

圖6 熱應變云圖

由上一節的分析可以看出，水箱會一直承受著水溫變化所產生的熱應力，其所帶來的損傷無法避免，而損傷的大小主要由溫度交變速率以及溫度波動幅度決定的，一般的thermal cycle熱應力實驗工況損傷可以描述為式（1）：

其中：

Dthermal—熱應力相對損傷；

t—單位循環數 cycle/h；

△T—高低溫的溫度波動幅度℃；

n—產品壽命與溫度波動應力在雙對數坐標系下的直線斜率（一般取2到3的范圍內）

由此可得出1 h的熱應力損傷評價公式，1 h的應力相對損傷=單位循環數×（溫度波動幅度）^n，此處n可由Weibull分布斜率經驗數據得出，這里取2。

以往的熱循環工況只考慮了冷啟動時水箱的溫度交變，通過客戶使用數據分析，定義為2 000個循環為一倍壽命，溫度波動由0℃~100 ℃，交變速率為45 s，0 ℃和100 ℃分別停留3.5 min，1 h交變7個循環，如表1中SPEC#1所示。

而在實際運行過程中，也會碰到交變速率更快、交變次數更多、溫差更大的情況，通過實車水溫數據采集后分析處理，得出表1中SPEC#2所示試驗工況，溫度波動由-10℃~100 ℃，交變速率為15 s，0 ℃和100 ℃分別停留55 s，1 h交變25個循環。

通過1 h熱應力損傷評價公式，來進行相對損傷計算對比。

SPEC#1熱應力相對損傷=7×(100-0)^2= 7×10^4

SPEC#2熱應力相對損傷=25×(100+ 10)^2=3×10^5

因此，SPEC#2的損傷為SPEC#1損傷的4.3倍，原來SPEC#1的損傷偏弱，導致在B公司H型水箱的臺架驗證上沒有及時探測到失效。

表1 熱循環實驗工況對比

圖7 SPEC#2熱循環臺架樣品安裝圖

圖8 SPEC#2熱循環溫度曲線

因此在后續臺架上也對SPEC#2的損傷進行了模擬，設計了臺架試驗來驗證SPEC#2是否能得出與整車同樣的失效模式。所使用的熱循環試驗臺架為冷熱沖擊臺，共有兩個儲水罐進行切換，可以快速切換水箱內部介質，一個是低溫水罐，一個是高溫水罐，儲水罐冷卻液預先已達到設到溫度，冷卻液溫度可以在短時間完成低溫和高溫的切換，能夠滿足SPEC#2的工況要求。為了增大樣本數來覆蓋產品自身的工藝波動，臺架上一次安裝6個樣件進行實驗，如圖7所示。水箱進出口的溫度和壓力都有傳感器進行監控，實驗實際運行過程中的溫度曲線如圖8所示。

表2 SPEC#2熱循環實驗結果

通過本輪對于同批次其他良好的H型水箱樣件進行了SPEC#2熱循環試驗，得出表2所示的試驗結果。6個樣件分別在1 605、1 231、1 098、1 311、1 486、1 309個cycle后發生了泄露（試驗設計周期為2 000個cycle），分別占試驗百分比為80 %、62 %、55 %、66 %、74 %、65 %，而多輛車在整車耐久路試中水箱發生泄露時的百分比也是集中在50 %至80 %之間，因此臺架與實車道路失效百分比接近。另一方面，從失效模式上看，臺架和整車的失效模式也是一致，通過水檢后，得出表2的6個樣件失效位置照片，可以看出都是在水箱芯體的角落處發生泄露，而且是多個角落同時發生泄露，具體泄露點為扁管根部靠近主片釬焊處，因此SPEC#2工況在此輪臺架實驗中很好地復現了整車上的失效模式。

4 結論

通過以上的設計計算分析，可以得到如下結論：

1）水箱的熱應力主要來自于發動機冷卻液的溫度交變，熱應力的大小取決于溫度交變幅度以及溫度交變頻率，交變幅度、頻率越大，熱應力越大。

2）熱應力導致的失效形式主要是靠近與主片釬焊處的扁管根部開裂，而且集中發生在芯體的四個角落，由熱應變云圖可以看出四個角落的熱應力最大。

3）本文根據實車路試水溫采集獲得的溫度交變數值，并結合熱循環實驗臺架的特點，開發出新型的熱循環臺架試驗工況，可以很好地模擬水箱內部實際的冷卻液溫度波動工況，及時發現設計及質量缺陷。

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Application of A New Thermal Cycle Test for Radiator Based on Vehicle Road Test

WU Wen-chao1, WU Jin1, LI Jie2
(1. Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201; 2. SAIC General Motors Corporation Limited Wuhan Branch, Wuhan 430200)

Based on the failure mode of radiator in vehicle road durability test of company B, this paper comprehensively analyzes the failure mechanism resulting from thermal stress. Combined with actual temperature alternating range and frequency of the interior of radiator of vehicle, a new thermal cycle bench test is designed for radiator’s thermal stress failure. The test results indicate that the new thermal cycle test can reproduce actual failure mode, and the method is feasible through bench test.

radiator; thermal stress; vehicle durability test; thermal cycle test

U467.3

A

1004-7204（2016）06-0014-05

武文超（1979-），男，上海市人，泛亞汽車技術中心有限公司試驗認證部高級經理，一直從事汽車產品檢測與認證、環境與可靠性試驗領域的研究。