施 杰，伍 晉，張 汝，濮龍鋒，王樹榮

（1. 泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201； 2. 蘇州廣博力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室有限公司，蘇州 215122）

一種基于整車道路試驗(yàn)的水箱新型試驗(yàn)方法

施 杰1，伍 晉1，張 汝1，濮龍鋒2，王樹榮2

（1. 泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201； 2. 蘇州廣博力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室有限公司，蘇州 215122）

本文基于M公司的整車道路耐久試驗(yàn)中水箱的失效模式,綜合考慮外部激振,包括水箱在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的環(huán)境溫度應(yīng)力影響、水箱內(nèi)冷卻液的壓力脈沖以及車輛振動(dòng)影響,設(shè)計(jì)了一種針對(duì)水箱試驗(yàn)的新型綜合試驗(yàn)臺(tái)架和試驗(yàn)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明本綜合試驗(yàn)臺(tái)架能對(duì)失效模式進(jìn)行很好的復(fù)現(xiàn)。通過臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車對(duì)比，證明了本方法的工程應(yīng)用性。

水箱；損傷；道路試驗(yàn)；臺(tái)架工況

引言

近年來，主機(jī)廠對(duì)包括道路試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)的投入越來越大，開展實(shí)際道路路試是開發(fā)步驟不可或缺的一環(huán)，但是道路試驗(yàn)有著時(shí)間長(zhǎng)，試驗(yàn)樣本數(shù)量有限，投入人力、物力、資本大，可重復(fù)性差等缺陷，因此有必要對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M路試進(jìn)行研究，以便快速發(fā)現(xiàn)缺陷點(diǎn)和失效模式,第一時(shí)間找到解決方案來響應(yīng)市場(chǎng)需求。

中國(guó)石油大學(xué)王東、高德利、張克堅(jiān)、周仕明搭建脈沖振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)[1]，在0.25～9Hz的振動(dòng)條件下模擬脈沖振動(dòng)條件對(duì)材料性能的影響；南京工程學(xué)院任成龍、王儉樸在汽車懸架振動(dòng)的擬脈沖激勵(lì)試驗(yàn)研究中[2]，針對(duì)各工況下的懸架特性曲線，繪制出功率譜密度圖形；李小春、高橋?qū)W、吳智深、小出仁研究了瞬態(tài)壓力脈沖法，完成20Mpa高壓脈沖的理論研究和裝置設(shè)計(jì)[3]；上海理工大學(xué)劉世紅、趙高暉、童正明、劉福群針對(duì)耐高溫壓力脈沖試驗(yàn)中實(shí)際最小壓力值無法達(dá)到零表壓的問題，采用工控機(jī)和PCI板卡控制，以VB為編程環(huán)境，研究設(shè)計(jì)了一種新型的高性能壓力脈沖試驗(yàn)臺(tái)[4]。

目前國(guó)內(nèi)各大整車廠和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)溫度交變、壓力交變和振動(dòng)的研究通常是單獨(dú)進(jìn)行的，不能很好地復(fù)現(xiàn)零件在車輛上同時(shí)接收多種外部激振的實(shí)際工況。本文基于M公司V型水箱的失效現(xiàn)象,在道路耐久中所呈現(xiàn)的泄漏模式，綜合考慮外部激振隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件、管內(nèi)壓力脈沖應(yīng)力以及水箱所處的溫度環(huán)境應(yīng)力來考慮對(duì)試驗(yàn)樣件的影響,從而設(shè)計(jì)一種振動(dòng)、溫度交變、壓力交變同時(shí)作用的新型臺(tái)架和試驗(yàn)方法，真實(shí)模擬水箱在汽車行駛過程中的實(shí)際工況，使水箱的失效模式得到良好的復(fù)現(xiàn)。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品失效模式

汽車水箱又稱散熱器，是汽車前端冷卻系統(tǒng)重要部件，其位于前車架上，和冷凝器以及風(fēng)扇安裝在一起,并作為吸震元件,其主要功用是散發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的工作熱量，冷卻水在水套中吸收熱量，流到散熱器后通過風(fēng)扇將熱量散去，再回到水套內(nèi)繼續(xù)循環(huán)。

水箱的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由芯體主片、密封墊圈和塑料水室組成，其中鋁制芯體管道釬焊在主板上,主板上的扣押翅片再經(jīng)過壓縮后壓接在水室周圍形成腔體。

因此水箱的工藝構(gòu)成上可以看出，芯體和主片釬焊剛性連接，主片與水室塑性連接,這也是容易出現(xiàn)失效的地方。翅片壓接邊緣由于壓接尺寸控制不均，芯體片和主片焊接處由于焊接強(qiáng)度等問題都會(huì)造成乙二醇冷卻液的泄漏。

水箱的流動(dòng)方向可分為垂直流和平行流兩種,平行流是冷卻液的流動(dòng)方向從進(jìn)口單向流動(dòng)到水箱出口處,而垂直流是冷卻液從水箱頂部流向底部,從內(nèi)部冷卻阻力來說,垂直流是有優(yōu)勢(shì)的,減少了流量泵的耗能.

水箱的典型失效模式主要由應(yīng)力集中引起產(chǎn)品變形和開裂而造成冷卻液泄漏,導(dǎo)致冷卻液系統(tǒng)缺液,車用水表高溫報(bào)警，嚴(yán)重影響客戶的正常使用。

圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)2000rpm時(shí)水箱工作時(shí)內(nèi)部熱成像圖，從水箱的內(nèi)部溫度分布來看，水箱進(jìn)水處頂部溫度比較高，流速應(yīng)力比較集中，到水箱底部時(shí)溫度已經(jīng)經(jīng)過風(fēng)扇冷卻，沒有應(yīng)力集中。

圖1 一般水箱結(jié)構(gòu)

圖2 平行流和垂直流水箱的一般布置

圖4是V型水箱經(jīng)過M公司的整車道路耐久試驗(yàn)后的泄漏圖。檢測(cè)方法為向腔體通入200～250kpa氮?dú)獠⒄w浸潤(rùn)常溫自來水中。泄漏點(diǎn)為芯體和主片焊接處,靠近上水室進(jìn)水口，從圖3的熱成像來看此處正處于應(yīng)力集中區(qū)域。

2 試驗(yàn)損傷分析和臺(tái)架設(shè)計(jì)

基于前面的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，泄漏是水箱的主要失效模式。水箱、冷凝器、冷卻風(fēng)扇通過支架螺栓連接成一體，成為前端冷卻模塊，如圖5所示。

前端冷卻模塊整體通過左右側(cè)兩個(gè)上支架連接在前車架上。因此振動(dòng)所造成的損傷是比較巨大的。其中振動(dòng)對(duì)水箱芯體和主板的應(yīng)力表現(xiàn)為剪切力、扭轉(zhuǎn)力，損傷累積到焊接處最終造成裂紋。

本文選擇隨機(jī)振動(dòng)作為振動(dòng)主要表現(xiàn)形式，因?yàn)檫@種振動(dòng)方式主要考核零部件在行駛路面的適應(yīng)性，同時(shí)又可以用頻率范圍、加速度譜密度、加速度譜的頻譜、總均方根加速度、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間5個(gè)參數(shù)共同描述和控制，工程應(yīng)用便捷。

圖3 水箱熱成像

圖4 水箱泄漏照片

總均方根加速度代表了隨機(jī)振動(dòng)平均作用能量，一般的振動(dòng)損傷可以描述為下式

其中：Dvib——隨機(jī)振動(dòng)損傷；

T——試驗(yàn)時(shí)間 h；

Grms——總均方根加速度 m/s2；

n——產(chǎn)品壽命倒冪曲線在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的斜率。

本文在V型水箱的支架部分采用三向加速度計(jì)(10 mV/g的靈敏度)采集了水箱振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)，并通過快速傅立葉變換轉(zhuǎn)化為頻域譜，并且發(fā)現(xiàn)Z方向加速度功率譜值高于X和Y方向的數(shù)值，如圖6所示。圖6是M公司整車試驗(yàn)B工況路面X/Y/Z三方向加速度信號(hào)的頻域功率譜。

圖5 前端冷卻模塊

圖6 M公司B工況路面隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度比較

最后通過能量比較選擇苛刻路面的加速度掃頻功率譜如表1。

根據(jù)路譜掃頻時(shí)間，本試驗(yàn)方法時(shí)間為一倍壽命周期144h。

同時(shí)需要關(guān)注水箱內(nèi)部的壓力變化給產(chǎn)品帶來的損傷。表2為道路耐久試驗(yàn)后，V型水箱水室和主片咬合處壓接量的變化，主要考核頂部進(jìn)水處內(nèi)側(cè)壓接的高度。

水箱扁管內(nèi)的壓力脈沖變化將促使水箱的水室和主片之間的壓接有不均勻的變形,進(jìn)而使水箱產(chǎn)生泄漏。本文在水箱進(jìn)口處采用壓力傳感器進(jìn)行了進(jìn)口水壓的測(cè)量最終得到圖7，如下所示。

另外，溫度的變化也是需要考慮的，尤其是管內(nèi)水溫從低溫到高溫的變化。對(duì)于不同溫度膨脹系數(shù)的塑料水室和鋁材芯片勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生材料變形不均，并形成對(duì)壓接處拉伸力,從而最終導(dǎo)致水箱泄漏失效。本文在水箱進(jìn)口處采用溫度傳感器進(jìn)行了進(jìn)口水溫的測(cè)量最終得到圖8，如圖所示。

表1 試驗(yàn)選擇的功率譜密度

表2 耐久試驗(yàn)后V型水箱的壓接量的變化

圖7 進(jìn)口壓力變化圖

水箱的環(huán)境溫度也是需要考慮的因素。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，水箱正常工作時(shí)周圍空氣溫度達(dá)105℃，極端峰值可達(dá)125℃，是實(shí)際產(chǎn)品的應(yīng)力條件之一。

如果上述所有的試驗(yàn)應(yīng)力都轉(zhuǎn)化為臺(tái)架輸入，試驗(yàn)方法的經(jīng)濟(jì)性勢(shì)必很差，需要有所取舍。

參考貝薩艾爾海克的著述[6]，如果把不同的試驗(yàn)應(yīng)力條件下的產(chǎn)品失效作為輸出響應(yīng)的話，那么我們的模型如圖9。

那么對(duì)產(chǎn)品，應(yīng)力之間的交互作用，即一 個(gè)因素對(duì)另一個(gè)因素的影響強(qiáng)度，或者是其他因素的組合對(duì)單一因素的影響，都需要考慮到對(duì)輸出的影響，所以一個(gè)響應(yīng)的完整輸出表達(dá)如下式：

式中，Y為輸出響應(yīng)；f1(x1)是應(yīng)力A的主要影響；f2(x2)是應(yīng)力B的主要影響；f3(x3)是應(yīng)力C的主要影響；f4(x4)是應(yīng)力D的主要影響。

圖8 進(jìn)口水溫變化圖

圖9 不同試驗(yàn)應(yīng)力條件下產(chǎn)品失效圖

本文對(duì)比了不同試驗(yàn)條件的組合發(fā)現(xiàn)，水箱在最大壓力250kpa和最高進(jìn)口水溫120攝氏度工況下，環(huán)境溫度變化對(duì)樣件失效的影響如圖10。試件壽命變化從400h（在30C環(huán)境溫度應(yīng)力）到430h（在125C環(huán)境溫度應(yīng)力），變化甚微，可以在試驗(yàn)中忽略環(huán)境溫度對(duì)產(chǎn)品的影響。

3 臺(tái)架設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析

壓力脈沖臺(tái)架結(jié)構(gòu)方面,采用閉環(huán)控制，在冷卻液水箱處加熱，在樣品進(jìn)水口布熱電偶測(cè)量溫度。加熱部件擬采用電加熱管，功率約在6kW左右（此處僅是經(jīng)驗(yàn)，具體執(zhí)行時(shí)需試驗(yàn)確定）。箱中需有冷卻液循環(huán)裝置，以確保水箱中冷卻液溫度的一致性。冷卻液的降溫?cái)M采用混合常溫冷卻液的方式實(shí)現(xiàn)，通過電磁閥控制將常溫的冷卻液引入水箱實(shí)現(xiàn)。水箱容積暫定50升，需制作保溫層以減少熱量損失，水箱需安裝高低液位保護(hù)(液位開關(guān)需耐高溫）、過壓保護(hù)以及超溫保護(hù)。臺(tái)架控制見圖如圖9所示。

圖10 環(huán)境溫度變化圖

圖11 試驗(yàn)臺(tái)架控制簡(jiǎn)圖

控制策略方面采用閉環(huán)控制，在通過變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)水壓的控制，在樣品的進(jìn)水口設(shè)置壓力傳感器作為閉環(huán)控制的反饋。與樣品連接處需采用車用接頭及軟管，冷卻液管道需做保溫處理，以減少熱量損失,選擇耐高溫的壓力傳感器。

設(shè)備操作軟件方面采用Labview編寫上位機(jī)控制程序,通過RS232控制振動(dòng)臺(tái)環(huán)境箱,并通過數(shù)字輸出控制振動(dòng)臺(tái)的意外停止，模擬量輸出控制變頻器與溫度控制器。試驗(yàn)中采集環(huán)境箱溫度以及壓力傳感器的數(shù)據(jù)以進(jìn)行意外情況的處理。

如圖12和圖13分別是實(shí)體臺(tái)架照片和軟件操作界面

對(duì)于振動(dòng)控制和溫度控制,本文采用了某公司帶有溫度交變箱的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),環(huán)境艙的溫度控制范圍-40℃到150℃。振動(dòng)臺(tái)型號(hào)為DC-3200電磁振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其額定激振力為3.2kN，額定位移為51mm p-p，額定速度為2m/s，額定加速度為100g，額定頻率范圍為5Hz～2000Hz。

如圖14和圖15分別是帶有環(huán)境艙的艙內(nèi)樣件布置工裝姿態(tài)和振動(dòng)臺(tái)整體圖。

本文再次對(duì)同批次其他良好的V型水箱樣件同時(shí)進(jìn)行了內(nèi)部冷卻液壓力曲線輸出,外部隨機(jī)振動(dòng)和環(huán)境高低溫三綜合實(shí)驗(yàn)。在垂直方向31.5h(試驗(yàn)設(shè)計(jì)周期144h)發(fā)現(xiàn)失效，占試驗(yàn)百分比為21.8%，此值與實(shí)車道路失效百分比接近，并很好的復(fù)現(xiàn)了失效模式,臺(tái)架試驗(yàn)樣件的失效點(diǎn)也發(fā)生在水箱頂部芯體和主片焊接處如圖16所示。

圖12 試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)體照片

圖13 軟件操作界面

圖14 水箱環(huán)境艙內(nèi)安裝姿態(tài)

圖16 三綜合31.5h試驗(yàn)后水檢照片

4 結(jié)論

通過以上的設(shè)計(jì)計(jì)算分析，可以得到如下結(jié)論：

1）從實(shí)車道路試驗(yàn)中，采集苛刻路面的路譜輸入振動(dòng)臺(tái)架，可較好地模擬出車載水箱的振動(dòng)受力狀態(tài)。

2）溫度和壓力交變是水箱所受的主要應(yīng)力，本文根據(jù)實(shí)車路試獲取溫度和壓力交變的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，并輸入試驗(yàn)臺(tái)架的樣件中，可很好地模擬水箱實(shí)際的運(yùn)行工況。

3）本文將溫度交變、壓力交變以及振動(dòng)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)出一種新型試驗(yàn)方法以及實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)架搭建，能使水箱在試驗(yàn)時(shí)，各狀態(tài)均接近實(shí)車狀態(tài)，可以早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷。

[1] 王東、高德利、張克堅(jiān)、周仕明, 脈沖振動(dòng)對(duì)水泥漿性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].自然科學(xué)進(jìn)展，2007，17（9）.

[2] 任成龍、王儉樸.汽車懸架振動(dòng)的擬脈沖激勵(lì)試驗(yàn)研究[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào),2013,11(2).

[3] 李小春、高橋?qū)W、吳智深、小出仁.瞬態(tài)壓力脈沖法及其在巖石三軸試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20.

[4] 劉世紅、趙高暉、童正明、劉福群.新型壓力脈沖試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2011,27(5).

[5] Jack Erjavec. Autom a tive heating and Air Conditioning[C]. Boyce H.Dwiggins.

[6] 貝薩艾爾?？?大衛(wèi)M羅.六西格瑪服務(wù)設(shè)計(jì)—走向卓越之路線圖[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,2008,1.

施杰(1966-):男，上海市人，工學(xué)博士、高級(jí)工程師，泛亞汽車技術(shù)中心有限公司試驗(yàn)認(rèn)證部總監(jiān)，一直從事制造技術(shù)-精密加工，汽車結(jié)構(gòu)CAE分析，動(dòng)力總成標(biāo)定匹配，電控集成等領(lǐng)域的開發(fā)和研究工作。

Introduction of a New General Test Bench of Radiator Based on Vehicle Road Test

SHI Jie1, WU Jin1, ZHANG Ru1, PU Long-Feng2, WANG Shu-rong2
（1. Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201; 2. Suzhou Guangbo Mechanics Environment Laboratory, Suzhou 215122）

The paper is based on failure mode of vehicle radiator in vehicle road durability test of M company. A new general test bench and test method for vehicle radiator is designed for all external stress including temperature effect under hood, pressure pulsation of coolant and vehicle vibration. The test results indicate that the new general test bench can simulate actual failure mode, and the method is feasible through bench test by contrast with actual vehicle results.

radiator; damage; road test; bench test condition

TK268.+1

B

1004-7204（2014）03-0016-06