汽車散熱器散熱管漏水故障分析

尤曉東 侯寧

摘 要：現(xiàn)如今，經濟在快速的發(fā)展，時代在進步，我國的汽車發(fā)展迅速，為了避免發(fā)動機過熱，燃燒室周圍的零部件（缸套、缸蓋、氣門等）必須進行適當的冷卻。汽車發(fā)動機冷卻裝置以防凍液冷卻為主，用氣缸通道內的循環(huán)防凍液冷卻，把通道內受熱的防凍液引入散熱器（水箱），通過風冷卻后再返回到通道內。散熱器作為發(fā)動機相關零部件冷卻的一個重要部件。本文以故障件外觀、水檢、解剖分析等分析手段為基礎，把散熱器故障點劃分為四個故障形式，來說明散熱器在出現(xiàn)故障時的原因，同時提出相關預防建議。

關鍵詞：散熱器；模態(tài)試驗；動態(tài)應力；有限元分析

引言

為了避免發(fā)動機過熱，燃燒室周圍的零部件（缸套、缸蓋、氣門等）必須進行適當的冷卻。汽車發(fā)動機冷卻裝置以防凍液冷卻為主，用氣缸通道內的循環(huán)防凍液冷卻，把通道內受熱的防凍液引入散熱器（水箱），通過風冷卻后再返回到通道內。散熱器作為發(fā)動機相關零部件冷卻的一個重要部件。本文以故障件外觀、水檢、解剖分析等分析手段為基礎，把散熱器故障點劃分為四個故障形式，來說明散熱器在出現(xiàn)故障時的原因，同時提出相關預防建議。

1汽車散熱器產品介紹

最常見的汽車散熱器的結構形式可分為直流型和橫流型兩類。散熱器芯部的結構形式主要有管片式和管帶式兩大類。管片式散熱器芯部是由許多細的冷卻管和散熱片構成，冷卻管大多采用扁圓形截面，以減小空氣阻力，增加傳熱面積。散熱器芯部應具有足夠的通流面積，讓冷卻液通過，同時也應具備足夠的空氣通流面積，讓足量的空氣通過以帶走冷卻液傳給散熱器的熱量。同時還必須具有足夠的散熱面積，來完成冷卻液、空氣和散熱片之間的熱量交換。管帶式散熱器是由波紋狀散熱帶和冷卻管相間排列經焊接而成。與管片式散熱器相比，管帶式散熱器在同樣的條件下，散熱面積可以增加12%左右，另外散熱帶上開有擾動氣流的類似百葉窗的孔，以破壞流動空氣在散熱帶表面上的附著層，提高散熱能力。

2建立散熱器有限元模型

散熱器由主片、散熱管、散熱帶、護板、水室及側板等零件構成，其芯體高度為640mm，寬度為540mm，厚度為50mm。水室材料為尼龍，側板材料為鋼材，其他部件材料為鋁合金。首先利用CATIA軟件建立散熱器三維模型，再將散熱器三維模型導入到Hy-perMesh中，對散熱器模型的圓角、倒角進行幾何清理，考慮到計算精度和計算時間，對易發(fā)生破壞的散熱管和主片連接部位進行網格細化，適當增加其他部位的網格尺寸。上、下水室形狀復雜，用四面體單元進行網格劃分，主片和護板結構相對簡單且主片是主要分析對象之一，用六面體單元進行網格劃分，散熱管、散熱帶和側板屬于薄壁件，用殼單元進行網格劃分。該散熱器總成主要是由螺栓、釬焊和鎖扣連接而成，采用梁單元和RBE2單元來模擬側板與水室的螺栓連接，采用節(jié)點耦合的方法來模擬散熱管與主片和散熱帶的釬焊連接，采用綁定接觸來模擬水室與主片的鎖扣連接。散熱器實體模型如圖1所示，散熱器有限元模型如圖2所示。有限元模型共有1405976個單元，1272557個節(jié)點。

3散熱器有限元模型驗證

為了驗證散熱器有限元模型的正確性，對散熱器總成進行了模態(tài)測試。模態(tài)測試方法主要有“錘擊法”和“激振器法”，前者的主要優(yōu)點是操作簡單，只需在某一測點布置加速度傳感器，移動力錘即可，并且不影響試件本身的固有頻率，主要缺點是能量集中在短時間內，容易引起過載或非線性問題，而且對于大試件需要多次敲擊。后者的主要優(yōu)點是可以采用多種激勵信號，但在測點很多時需要多次地移動傳感器，并且存在附加質量影響問題。針對汽車散熱器這樣一個由多種材料組成，并且散熱帶和散熱管都屬于薄壁構件的裝配體而言，敲擊過程很困難，而且很容易造成雙擊現(xiàn)象，綜合考慮使用激振器激勵模態(tài)實驗法。響應點的數目和位置取決于期望的模態(tài)數、試件上關心的區(qū)域，同時響應點的均勻分布可以減少漏掉模態(tài)的機會。對于該型散熱器而言，側板的剛度遠大于其他部件，為了能激發(fā)出側板的局部模態(tài)，需要在側板上均勻分布多個響應點。散熱器自由模態(tài)測試采用LMS公司的振動模態(tài)測試設備，其模態(tài)測試系統(tǒng)組成如圖3所示。試驗前在Test.lab中創(chuàng)建散熱器的試驗模型以便查看振型結果，在散熱器結構上標明與試驗模型相對應的測點位置以便貼傳感器。利用柔性繩吊掛散熱器，在散熱器水室表面某一個標注點布置一個力傳感器并用激振器激勵該標注點，加速度傳感器測量測試點響應。采用PolyMax算法分析和處理測試數據，得到散熱器結構振動傳遞特性曲線，如圖4所示。

模態(tài)試驗結果與有限元分析結果對比如表1所示。從表1中可以看出，模態(tài)試驗與仿真計算的模態(tài)頻率最大誤差約為14%，平均誤差在10%以內，說明所建立的有限元模型能夠滿足結構應力分析要求。

4散熱器的動態(tài)應力分析

要分析引起散熱器散熱管疲勞裂紋的動態(tài)應力，需要有實車的散熱器載荷譜。在沒有散熱器實際載荷譜的情況下，本文根據QC/T468-2010散熱器試驗標準中散熱器振動性能試驗要求來研究散熱器的動態(tài)應力。試驗要求如表2所示。

考慮冷卻液質量的影響時，由于上、下水室結構形狀比較復雜，在有限元模型中通過在上、下水室質心處分配質量為0.8kg的質量單元來模擬上、下水室中水的質量，散熱管道內腔形狀比較規(guī)則，將散熱管的密度增加1.52×10-6kg/mm3來模擬散熱管中水的質量。用約束散熱器安裝孔的三個旋轉自由度和三個平動自由度來模擬散熱器在車上的安裝。找到冷卻風扇的質心位置，并使用RBE2單元將其連接到冷卻風扇四個支撐點，在冷卻風扇質心處分配一個4.45kg的CONMS質量單元來模擬風扇。配重設置完成后，散熱器總成的質量為10.79kg，滿足散熱器整體質量要求。阻尼是用來度量系統(tǒng)自身消耗振動能量能力的物理量。大多數系統(tǒng)都存在阻尼，因此動力學分析時應當指定阻尼。該散熱器的動態(tài)應力分析通過TAB-DAMP卡片將隨頻率變化的模態(tài)阻尼添加到該系統(tǒng)中。X（左右）向、Y（前后）向、Z（垂直）向激勵時散熱器散熱管的局部應力云圖如圖5所示。

5散熱器的結構改進

對于框架結構的散熱器，最大動態(tài)應力往往都出現(xiàn)在四角的散熱管處，通過對故障散熱器的結構分析發(fā)現(xiàn)，散熱器的護板在拐角處與主片之間存在一定間隙，護板與主片的連接關系如圖8所示。如果將散熱器兩個護板與主片完全焊接在一起，動態(tài)應力計算表明散熱管最大應力值明顯降低。由于護板與散熱管的工作溫度不同，因此兩者的熱膨脹是有差異的，當護板與主片焊接成一體后，在散熱管中會產生附加的熱應力，因此需要在護板兩端各開一切口，將護板分為三段，護板兩端切口。

結語

本文利用有限元分析方法對汽車散熱器的動態(tài)應力進行了計算和分析，結果表明，理論計算的散熱器散熱管所受最大應力的位置與故障散熱器的實際漏水點相吻合，故障散熱器散熱管漏水是散熱器在使用過程中因振動產生的疲勞裂紋所致。通過對散熱器原有結構的改進，使散熱器散熱管的最大應力下降了42%，提高了散熱器的使用壽命。

參考文獻

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（作者單位：長城汽車股份有限公司技術中心）