某電動車低溫散熱器排氣管斷裂分析

摘" 要：本文以某電動車低溫散熱器排氣管在路試過程中斷裂為例進行故障分析，通過對排氣管斷口電鏡分析確定了裂紋性質及斷裂初步原因。然后使用故障樹分析法（FTA）工具，通過生產過程排查，確定了外力磕碰風險原因；通過對原材料進行紅外光譜檢測、灰分檢測及電鏡分析，確定使用了回用料原因；通過對散熱器排氣管應力模擬分析、軸向強度檢測試驗，確定了結構不良原因。針對以上原因制定了相應的整改措施，解決了散熱器通氣管斷裂的故障問題。對汽車從業人員在同類尼龍結構在整車上的設計、原材料使用及故障分析工作有一定指導意義。

關鍵詞：低溫散熱器；斷裂；電鏡分析；故障樹分析法；紅外光譜檢測；應力模擬分析

中圖分類號：U465" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2024）01-0070-06

Fracture Analysis of Exhaust Pipe of Low-temperature Radiator of an Electric Vehicle

ZHANG Chong-zi

（ Chongqing SERES New Energy Vehicle Design Institute Co.， Ltd. Range Extender System Department， Chongqing 401335， China）

Abstract： This paper takes the failure analysis of the fracture of the exhaust pipe of a low-temperature radiator of an electric vehicle during the road test process，the fracture electron microscopy analysis of the exhaust pipe was used to determine the crack properties and the preliminary cause of the fracture.then， using the fault tree analysis （FTA） tool， the cause of the risk of external collision was determined through the production process troubleshooting;through infrared spectroscopy， ash detection and electron microscopy analysis of raw materials， the reason for the use of recycled materials was determined; through the stress simulation analysis of the exhaust pipe of the radiator and the axial strength test of the radiator， the cause of the structural defect was determined. In view of the above reasons， corresponding corrective measures were formulated to solve the fault problem of broken radiator snorkel. It has certain guiding significance for automobile practitioners in the design， raw material use and failure analysis of similar nylon structures on the whole vehicle.

Key" Words： Low Temperature Radiator; Fracture; Electron Microscopy Analysis; Fault Tree Analysis; Infrared Spectroscopy Detection; Stress Simulation Analysis

引" " 言

傳統汽車上，散熱器是水冷發動機冷卻系統的重要部件， 其性能的好壞會影響發動機的散熱效果及其動力性、經濟性和可靠性， 乃至正常工作和行駛安全。散熱器故障會造成整車冷卻系統的功能失效， 嚴重時會危及發動機的正常工作[1]。在電動汽車上，低溫散熱器是電機、電池、甚至是間接式熱泵空調系統冷卻的重要部件，低溫散熱器故障同樣造成整車冷卻系統功能失效，嚴重時會危及電機的正常工作。自本世紀初高分子材料被大量用做工業品起，越來越多的金屬件被高分子材料件取代。尼龍材料具有質輕、優良的機械強度、耐磨性及較好的耐腐蝕性，而且有些性能更優于金屬件，在工業中廣泛應用。汽車散熱器水室就是從金屬水室逐漸演變到塑料水室的過程[2]。

1" " 問題背景

在進行綜合可靠性路試驗過程中，某電動車低溫散熱器連接蓄水壺排氣管的接頭處出現開裂漏水，試驗里程5000公里，車輛試驗環境溫度為19℃，低溫散熱器內防凍液最高工作溫度約70℃。故障示意圖如圖1所示：

2" " 故障分析

該款電動車同時路試車輛有3臺，其中1臺出現散熱器通氣管斷裂。

散熱器通氣管連接一根水管，水管總長1020mm，每隔300-400mm有一個固定點，水管包含防凍液重量100g。水管與散熱器端采用快插方式連接，如圖2所示：

散熱器通氣管斷裂方向為斜向上方向（從圖1左下-右上），而實車裝配后通氣管僅受通氣管重力作用，無向上受力。

水室材料需采用耐熱、耐長效冷凍液的改性30%玻纖增強尼龍材料。經研究分析，只有玻纖含量為30%時增強尼龍料的機械、耐熱性及尺寸穩定性最好 [3]。散熱器水室生產工藝流程為：領料烘干、注塑成型、修邊打磨、水煮清洗、安裝配件、終檢打包。散熱器總成生產工藝流程為：入庫檢驗、制管、滾翅、釬焊、芯子檢驗、扣壓、尺寸檢驗、氣密性檢驗、總成組裝、終檢、打包入庫、周轉運輸。

工程塑料也可同金屬材料一樣進行斷口分析，常采用掃描電鏡法。塑料一般不導電因此要在試樣斷面上噴鍍很薄的一層金屬并降低加速電壓進行觀察。同一材料的斷裂機理不同時，其相應的斷口形貌特征往往不同 。

對故障件通氣管斷口進行電鏡分析，如圖3所示：

1）特征區近外壁開裂區域呈現非規則形貌，為外力導致裂縫；

2）特征區近內壁開裂區域呈現平整形貌、樹脂呈現屈服斷裂形態；為工作狀態（中高溫材料性能下降），外應力集中導致裂縫擴展逐漸開裂。

3）特征區開裂穿透后，在后續路試中，受振動沿穿透裂縫逐漸向兩側拓展形成開緩區。

綜上，初步判斷為試驗前受外力磕碰導致損傷但未斷裂，整車5000公里耐久后工作狀態下溫度和壓力及整車振動下最終斷裂。

3" "故障原因排查

下文采用故障樹分析法（FTA），從人、機、料、法、環、測等方面系統進行研討分析，由表及里、層層深入地查找造成“散熱器通氣管斷裂”的原因[4]。通過充分研討分析，識別出可能原因有四個：

（1）外力導致斷裂；

（2）原材料不良；

（3）注塑不良；

（4）強度不足。

進一步分析，共識別出造成出氣口斷裂的12個潛在因子，具體故障樹如圖4所示：

3.1" "外力導致斷裂

3.1.1 水室來料和試制包裝排查

水室擺放混亂，存在運輸磕碰的風險，如圖5所示：

3.1.2 總成包裝排查

對產品打包進行模擬，正常的包裝如圖6 c）所示，管口與紙板仍留有間隙（紙板間距min90mm＞管口高度84mm），但水管處為右水室的最高點，在打包過程中易與紙板接觸，產生如圖6 b）所示的磕碰現象，存在磕碰的風險。

3.1.3 扣壓刀干涉排查

此處水管口距離扣壓臺面的上平面為13.75mm，不為水室易干涉的最低高度處，如圖7所示。最低高度為方螺母處，為7.78mm，滿足扣壓刀干涉的標準≥7.5mm。

3.1.4 扣壓模具干涉排查

扣壓模具頂到了此處管口上沿的加強筋，對管口的下沿斷裂起點無干涉的情況，如圖8所示。當班的氣壓點檢為0.57kPa，符合標準0.4-0.8kPa。

3.1.5 干試堵頭安裝風險排查

安裝干試堵頭時，施壓方向與斷裂受力方向不一致。施壓大小進行檢測，先對樣品本身的重量進行“置零去皮”，模擬員工組裝堵頭的操作，施壓大小為50N-60N，小于管口強度檢測的130N，無風險，如圖9所示：

3.1.6 產品周轉排查

產品擺放符合作業規范，并且管口的擺放狀態無磕碰風險。

3.2" "原材料不良

3.2.1 原材料成分排查

紅外光譜技術具有制樣簡單、方法準確、快捷、靈敏度高等優點，在塑料材質檢驗中發揮著重要作用。紅外光譜技術雖然可以快速便捷、有效地鑒定塑料材質，但是當塑料中有填充無機物或者其他高分子材料時，紅外光譜圖復雜不能完整反映真實材質，因此需要溶解將其進行分離并采用其他輔助手段進行分析[5]。

紅外光譜檢測水室材料的熔融溫度，確認主要成分為PA66，如圖10a）所示；灰分檢測含量為32%左右，偏高，如圖10b）所示；通過甲酸熔解產品樹脂成分，提取不溶解的玻纖進行形貌觀察，發現碎玻纖較多，玻纖直徑差異較大的情況， 如圖10 c）和d）所示。

斷面電鏡分析，斷口局部放大500倍時，材料存在玻纖較多、玻纖直徑大小不一致的情況，如圖10 e）和f）所示。

綜上，通過對失效件進行原材料分析，發現存在碎玻纖較多、玻纖直徑不一致的情況，判定為使用了回用料。

3.2.2 材料配比排查

水室供應商使用回用料，回收料與原料按比例不大于8：100配比。

3.2.3 原材料攪拌排查

對攪拌不同時長的樣品進行觀測，當攪拌1min時，失效件斷裂位置有觀測到明顯的碎玻纖現象，與失效件的碎玻纖集中現象類似，因此判定失效件存在攪拌不均勻性的情況。

3.3" "注塑不良

注塑工藝的歷史記錄未排查出不符合作業標準項，如表1所示。

3.4" "強度不足

3.4.1 壁厚排查

排查5月份和3月份批次的水管料厚為1.34-1.52mm，滿足標準（1.5±0.2mm），測量數據詳見表2，測試位置如圖11所示。失效的位置②料厚為1.43-1.48mm，對失效件的料厚進行測量，厚度在1.39-1.44mm，滿足壁厚設計要求，排除壁厚不良的問題。

3.4.2 結構強度排查

管口的頂端位置正向、反向分別做一個軸向推力試驗，以0.5mm/min的速率垂直下壓直至排氣管斷裂，記錄推力強度。正向力峰值148.95N。反向力峰值137.70N。經試驗確認反向區域的結構強度較弱，與失效件斷裂方向類似，如圖12所示：

對總成模擬整車固定的狀態，在管子頂端垂直載荷150N的力，檢測到與加強筋的轉折區為應力集中位置，最大應力為188.2MPa，此處未設計R角進行應力分解，如圖13所示：

4" " 改進措施

文中通過分析確認，低溫散熱器通氣管斷裂的原因為：散熱器通氣管生產過程中受到外力磕碰損傷；散熱器水室生產過程中使用了回用料且存在攪拌不均勻情況；散熱器通氣管與加強筋的轉折區未設計R角。為防止再發，總結經驗，制定相應的整改措施如下：

（1）對水室來料和試制包裝進行規范，要求水室排列整齊、朝向一致、管口向上，每層放置固定數量的水室，層與層中間使用紙板進行隔離。總成包裝方案更改為管口朝上的落包方式來有效規避產品在落包過程中管口與紙板磕碰的風險，并且針對易晃動的位置通過增加紙板和泡沫的方式填充間隙。

（2）通過不使用回用料的方法規避回用料的問題。

（3）應力集中點增加R角進行應力分解，并通過增加壁厚來加強管口的強度。

5" " 結束語

文中針對某電動車低溫散熱器通氣管斷裂問題，結合失效的試驗環境、斷裂方向、失效件電鏡分析，確定初步失效原因，即試驗前受外力磕碰導致損傷但未斷裂，整車5000公里耐久后工作狀態下溫度和壓力及整車振動下最終斷裂。引入故障樹分析法作為排查的方法，結合紅外光譜檢測、灰分檢測、電鏡分析、應力模擬分析手段，鎖定斷裂問題的根本原因。最終制定出防止同類問題再發生的措施， 對同類尼龍結構在整車上的設計、原材料使用及故障分析工作有一定指導意義。

參考文獻：

[1]李萬龍，王新超，李睿哲，石計紅.汽車散熱器滲漏問題分析[J].檢測與維修，2021，10：93-96.

[2]黃華椿.淺談汽車散熱器塑料水室的設計過程[J].車輛與動力工程，2017，4月上：142-143.

[3]趙崴.散熱器水室耐防凍液開裂的原因分析及解決方案[J].國外塑料，2014.32（4）：41-43.

[4]吳懷偉.汽車線束接插件進水故障分析與改進[J].汽車實用技術，2021，16：79-81.

[5]秦倩倩，孫發哲，高志. 紅外光譜技術在塑料中的應用[J].2021，22（48）：112-113.

專家推薦語

王華武

東風商用車技術中心

新能源平臺總師" 研究員級高級工程師

在初步確定部件受外力影響的情況下，作者通過人機料法環測的傳統故障樹分析方法對某電動車低溫散熱器排氣管斷裂開展進一步全要素分析，數據翔實，論據充分。

張沖子

畢業于燕山大學，交通運輸專業，本科學歷，現就職于重慶賽力斯新能源汽車設計院有限公司，從事新能源熱管理系統開發工作。