膨脹水箱失效分析及改進

陳承　羅雪豐　孟國棟　李華榮　楊洋

通過對故障件拆解分析，確定造成上述故障的原因主要有以下四點：

1. 膨脹水箱內部加強筋結構設計不合理；

2. 箱體局部應力集中，受振動沖擊后開裂；

3. 除氣接頭與除氣膠管相連，在長期振動拉扯下，根部應力集中，疲勞斷裂；

4. 水位傳感器根部應力集中，引起開裂。

由于膨脹水箱在工作狀態時，需要承受高溫高壓，必須是正規的模具件才能夠滿足性能要求。所以通過CAE分析來提出改進方案是節約時間和成本最有效的手段。針對箱體加強筋結構不合理的問題，結合膨脹水箱的材料屬性和工作時所承受的溫度壓力情況，提出CAE分析的工況：爆破壓力工況、可靠性工況、極限載荷工況、一般工作工況，膨脹水箱的評價指標為箱體變形量≤5%。故障件膨脹水箱內部加強筋結構見圖3所示，可以看出膨脹水箱內部加強筋稀疏，在工作過程中極易造成箱體應力集中開裂。各工況的應力及變形見圖4所示，計算結果見表2所示。

由上述分析結果可以看出，故障膨脹水箱在爆破壓力工況下，箱體的整體應力值最大，所以需要對爆破壓力工況下箱體變形進行校核。由圖4可以看出，爆破壓力工況下箱體的底部和頂部都存在較大變形，箱體變形量>5%，不滿足設計要求。

針對除氣接頭、水位傳感器根部應力集中的問題，通過CAE分析進行了分析計算，為后續改進提出了方向，具體分析圖片見圖5所示，計算結果見表3所示。由分析結果可以看出，除氣接頭、水位傳感器根部存在應力集中，應力值已經超過設定的安全系數值，相應安全系數下所對應的極限應力值為23 Mpa。

3 膨脹水箱改進方案

1. 針對膨脹水箱內部加強筋結構設計不合理和箱體開裂的問題，提出改善方案需要滿足以下要求：

（1）保持膨脹箱現有安裝接口位置、外形尺寸不變，直接互換；

（2）保持型腔不變，優化型芯加強筋結構；

（3）在薄弱的地方增加加強筋。

針對上述改進原則，考慮到整車輕量化、成本等因素，提出了3種改進方案，具體改進方案見圖6所示。

由圖6可以看出，改進方案采用了十字型和T字型加強筋結構，可以能夠有效增加強度箱體強度。同時，左右半模加強筋結構相同，可以有效對焊在一起，進一步增加強度。

2. 針對除氣管接頭和水位傳感器接口根部開裂的問題，提出了相應的改進措施。除氣接頭根部過渡圓角為R0.5，由于圓角太小，容易產生應力集中。因此，將除氣接頭根部的圓角增大到R5以減少應力集中，同時增加一條斜拉加強筋以進一步提高強度，具體見圖7所示。在水位傳感器接口處增加3條加強筋以提高強度，具體見圖8所示。

4 改進膨脹水箱CAE分析

1. 針對上述提出的改進措施，對膨脹箱箱體進行CAE分析，分析示意圖見圖9所示，變形量見圖10所示，具體的分析結果見表3所示：

由上述結果可以看出，相對于故障件方案，3個改進方案在各個工況下整體應力水平均有明顯的降低，但是方案一和方案二頂部和底部均有變形，方案一和方案二變形量均>5%，方案三只有底部有變形，變形量<5%，滿足設計要求。故最后確定選擇對方案三進行試制樣件，并且進行試驗驗證。

2. 對除氣接頭根部和水位傳感器根部進行CAE分析，分析示意圖見圖11所示，具體的分析結果見表5所示。

由上述分析結果可以看出，三種方案的根部應力都≤23Mpa，都可以滿足設計要求。最后選擇了應力更小的除氣接頭增加圓角、加強筋，水位傳感器根部增加加強筋的方案。

5 試驗驗證

針對上述CAE分析可以看出，膨脹水箱對于爆破壓力工況載荷最敏感。所以在試驗時，主要考核膨脹水箱所能承受的爆破壓力值和爆破壓力工況下箱體的變形量。對故障件進行爆破壓力試驗時，在壓力為260kPa時膨脹水箱就已經開裂。對改進后的膨脹水箱進行爆破壓力試驗，得到膨脹水箱的爆破壓力可以達到400kPa，膨脹水箱的變形變形量<5%。

改進后的膨脹水箱應用在具體車型后，經過一年的市場考驗，售后索賠率下降到0.15%，索賠金額降低到5.3萬元，索賠改善率達到90%以上，超過預期目標，消除了用戶抱怨，降低索賠率減少了公司損失。

6 結論

本文對市場上反饋的膨脹水箱箱體開裂、除氣接頭和水位傳感器接口部位局部斷裂等問題，進行了原因分析、方案改進、CAE分析、試驗驗證，得到如下結論：

1. 造成膨脹水箱箱體開裂的原因是由于箱體內部加強筋不合理。在今后膨脹水箱開發時，要采用十字型和T型加強筋相結合的內部筋結構，從而提高箱體的強度；

2. 造成除氣接頭和水位傳感器接口部位局部斷裂的原因，是由于接頭與箱體連接的根部過渡圓角小，并且外部無加強筋結構。所以在后續膨脹水箱設計時，所有水管和氣管根部均需增加圓角和加強筋；

3. 由CAE分析可以看出，膨脹水箱對爆破壓力的敏感度最高，爆破壓力的設定值直接影響了膨脹水箱的功能。本文改進后的膨脹水箱爆破壓力高于400kPa，已經能夠滿足絕大多數大馬力發動機的要求；

4. 經過試驗驗證，本文改進后的膨脹箱已經大幅度降低了售后索賠，提升了用戶滿意度。

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