某重卡用膨脹水箱失效分析及改進設計

張丹，劉帥帥

（陜西華臻車輛部件有限公司，陜西 西安 710200）

1 前言

在車輛制造和使用過程中，冷卻系統中不可避免地會殘留一定量的空氣。車輛正常工作時，殘留的氣體導致冷卻系統散熱性能降低，內部零件腐蝕損壞，水泵進水量減少，發生氣蝕[1]。膨脹水箱作為冷卻系統的重要組成部分，其主要作用是有效去除冷卻系統中的氣體，調節系統內部壓力，保證水泵進水口壓力，防止氣蝕發生，同時為冷卻液受熱提供膨脹空間[2-3]。因此，保證膨脹水箱的正常工作尤為重要。

某重型卡車用膨脹水箱在使用過程中出現發動機高溫報警，經排查后發現膨脹水箱開裂漏液等多處故障，對市場失效件進行統計，平均故障率高達12.08%，累計索賠金額110余萬。為降低產品質量損失，對該產品進行失效分析，從材料及工藝入手，對該產品及安裝支架重新設計，并通過試驗對結果進行驗證，以降低產品售后故障率。

2 膨脹水箱失效分析

通過對產品舊件故障統計，發現產品故障件中漏液占到90%以上，主要的損壞形式有：大平面處鼓包開裂、進氣管傾斜或斷裂、安裝孔處開裂、回水口發白或斷裂。失效原因分析如下：

2.1 平面鼓包開裂

該產品采用HDPE，吹塑成型工藝，由于產品結構及成型工藝限制，無法準確控制產品厚度，產品厚度不均，且產品內部中空無增強結構，受冷卻系統內部產生的高溫氣流反復沖擊，大平面處易產生鼓包，導致局部薄弱點開裂，泄露。如圖1 所示。

圖1 平面鼓包開裂

2.2 氣管傾斜或斷裂

膨脹水箱布置在駕駛室后方，且高于冷卻系統管路最高處[4]，進氣管布置在膨脹水箱正上方，散熱器及發動機軟管與膨脹水箱進氣管反向連接，此布置不利于水氣通過，且在車輛行駛中，管路晃動容易對進氣管造成拉扯，導致傾斜，斷裂。如圖2 所示。

圖2 進氣管斷裂

2.3 安裝孔處開裂

膨脹水箱與安裝支架通過螺栓固定，固定位置集中且處于產品中心，路面的顛簸傳遞到膨脹水箱及其安裝支架，安裝點集中且受到較大力矩，使膨脹水箱連接處開裂。如圖3所示。

圖3 安裝孔處開裂

2.4 回水口發白或斷裂

膨脹水箱回水管位于箱體右側，接口水平向右，水泵連接管路位于右下方，與回水管呈45°夾角，車輛運行中不可避免地造成拉扯，導致回水口根部發白，斷裂，如圖4 所示。

圖4 回水口處發白斷裂

根據失效原因分析，該產品采用吹塑成型內部中空導致強度不足，出現鼓包變形，局部結構布置不合理，易引起斷裂失效，產品工藝及結構不能滿足產品使用需求，因此需對產品重新進行設計，以從根本上解決該產品存在的問題。

3 改進設計

根據上述分析結果，為解決產品開裂漏液的問題，作出如下改進措施：

3.1 膨脹水箱設計

3.1.1 材料與成型工藝

對膨脹水箱進行重新設計，分為內殼體和外殼體，殼體采用半透明PP 材料，通過注塑成型，熱板焊接連接成為一個整體，產品表面平整，壁厚均勻一致，相比于HDPE 透明度更好，且具有更好的強度及耐熱性。

3.1.2 產品結構設計

如圖5 所示，膨脹水箱內殼體和外殼體內部布置有十字型加強筋板，可增加焊接面積，提高焊縫可靠性；同時對內部起到支撐作用，提高產品強度，防止出現局部變形；另一方面內置加強筋板上布置有通孔，形成水流通道和氣流通道，從發動機散熱器及發動機內排出的氣泡與筋板多次碰撞有利于氣體液化。通過內部結構的設計，可實現膨脹水箱內部水氣分離，增強除氣效果。

圖5 內部筋板及通孔

如圖6 所示，對膨脹水箱進氣管位置及結構進行優化，在膨脹水箱側面設計凸臺，將進氣管布置在凸臺上，進氣管開口向下，保證與進氣管路方向一致，利于水氣通過且不易拉扯斷裂；在進氣管頭部設計防脫結構，利于卡箍固定軟管，保證安裝可靠。

圖6 進氣管結構設計

如圖7 所示，回水管布置在箱體最底面，最大程度防止水泵工作時將氣體卷入冷卻系統，設置開口向下，與回水方向一致，防止與連接軟管折彎拉扯導致開裂，頭部設計防脫結構。

圖7 回水管結構設計

3.1.3 固定方式

該膨脹水箱安裝于駕駛室后方支架上，呈Z 向安裝，如圖8 所示，產品內殼體安裝面設計一體成型安裝點，分布于產品兩側及底部，底部安裝板根部設計筋板增加強度，箱體背部設置支架固定槽，將安裝支架固定于槽內。通過分散固定點，布置固定槽，減少車輛晃動對膨脹水箱安裝點的影響。

圖8 安裝支架固定槽

3.2 支架設計

根據膨脹水箱外形結構設計專用固定支架，如圖9 所示，支架連接板通過四個螺栓與車身固定，對支架在垂向沖擊工況，轉彎工況，制動工況下的強度進行CAE 分析，如下圖10，圖11，圖12 所示，各工況應力及安全系數分析結果見表1：

表1 支架各工況應力及安全系數

圖9 固定支架

圖10 垂向沖擊工況

圖11 轉彎工況

圖12 制動工況

通過計算機CAE 模擬分析軟件，對支架在各工況（垂向沖擊轉彎制動）進行受力分析，安全系數均大于1.5，支架滿足使用強度要求。

4 試驗驗證

冷卻系統能夠正常工作，需要建立足夠的系統壓力來保證冷卻液循環，從而帶走發動機產生的熱量，冷卻液吸收熱量后通過散熱器散熱，同時受熱膨脹后的冷卻液及產生的氣體進入膨脹水箱[5]。膨脹水箱使冷卻系統與外界隔離，通過壓力蓋維持系統內部壓力動態穩定，因此膨脹水箱需具有良好的耐壓性。另外該膨脹水箱為駕駛室后背式，車輛行駛中晃動較大，需對產品安裝支架及固定方式可靠性進行試驗。基于以上分析，對膨脹水箱進行爆破試驗和振動試驗。

4.1 爆破試驗

對改進后產品進行密封保壓測試后，進行爆破試驗，密封性合格，爆破壓力＞600kPa，如圖13，圖14 所示，完全滿足主機廠使用要求。

圖13 爆破試驗

圖14 爆破壓力

4.2 振動試驗

圖15 振動試驗

將膨脹箱固定在振動試驗臺架上，密封好所有開口，頻率20Hz，加速度30m/s2，X/Y/Z 三個方向各振動5×106次，不產生龜裂等異常現象，重復密封實驗，無滲漏現象。

5 結論

經過市場驗證，該膨脹水箱目前索賠率降至1%以內，質量明顯改進，大大降低了產品索賠。通過以上案例得到以下結論：

（1）吹塑類膨脹水箱產品可從材料/工藝/結構三方面入手，優化改進產品性能；

（2）產品內部可設計筋板提高強度，同時設置水通道和氣通道，有利于水氣分離，且筋板利于氣體液化；

（3）膨脹水箱外部進氣管，回水管設計時盡量與連接管路方向保持一致，降低斷裂風險；

（4）后背式膨脹水箱一般邊界限制條件少，產品外觀規則，可與支架配合進行設計，且通過支架改型設計，可通用于其他后背式膨脹水箱車型。