一种基于整车道路试验的水箱新型试验方法

施 杰，伍 晋，张 汝，濮龙锋，王树荣

（1. 泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201； 2. 苏州广博力学环境实验室有限公司，苏州 215122）

一种基于整车道路试验的水箱新型试验方法

施 杰1，伍 晋1，张 汝1，濮龙锋2，王树荣2

（1. 泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201； 2. 苏州广博力学环境实验室有限公司，苏州 215122）

本文基于M公司的整车道路耐久试验中水箱的失效模式,综合考虑外部激振,包括水箱在发动机舱内的环境温度应力影响、水箱内冷却液的压力脉冲以及车辆振动影响,设计了一种针对水箱试验的新型综合试验台架和试验方法。试验结果表明本综合试验台架能对失效模式进行很好的复现。通过台架试验和实车对比，证明了本方法的工程应用性。

水箱；损伤；道路试验；台架工况

引言

近年来，主机厂对包括道路试验和台架试验的投入越来越大，开展实际道路路试是开发步骤不可或缺的一环，但是道路试验有着时间长，试验样本数量有限，投入人力、物力、资本大，可重复性差等缺陷，因此有必要对台架试验模拟路试进行研究，以便快速发现缺陷点和失效模式,第一时间找到解决方案来响应市场需求。

中国石油大学王东、高德利、张克坚、周仕明搭建脉冲振动试验台[1]，在0.25～9Hz的振动条件下模拟脉冲振动条件对材料性能的影响；南京工程学院任成龙、王俭朴在汽车悬架振动的拟脉冲激励试验研究中[2]，针对各工况下的悬架特性曲线，绘制出功率谱密度图形；李小春、高桥学、吴智深、小出仁研究了瞬态压力脉冲法，完成20Mpa高压脉冲的理论研究和装置设计[3]；上海理工大学刘世红、赵高晖、童正明、刘福群针对耐高温压力脉冲试验中实际最小压力值无法达到零表压的问题，采用工控机和PCI板卡控制，以VB为编程环境，研究设计了一种新型的高性能压力脉冲试验台[4]。

目前国内各大整车厂和研究机构针对温度交变、压力交变和振动的研究通常是单独进行的，不能很好地复现零件在车辆上同时接收多种外部激振的实际工况。本文基于M公司V型水箱的失效现象,在道路耐久中所呈现的泄漏模式，综合考虑外部激振随机振动试验条件、管内压力脉冲应力以及水箱所处的温度环境应力来考虑对试验样件的影响,从而设计一种振动、温度交变、压力交变同时作用的新型台架和试验方法，真实模拟水箱在汽车行驶过程中的实际工况，使水箱的失效模式得到良好的复现。

1 产品结构和产品失效模式

汽车水箱又称散热器，是汽车前端冷却系统重要部件，其位于前车架上，和冷凝器以及风扇安装在一起,并作为吸震元件,其主要功用是散发发动机和变速箱的工作热量，冷却水在水套中吸收热量，流到散热器后通过风扇将热量散去，再回到水套内继续循环。

水箱的结构如图1所示，主要由芯体主片、密封垫圈和塑料水室组成，其中铝制芯体管道钎焊在主板上,主板上的扣押翅片再经过压缩后压接在水室周围形成腔体。

因此水箱的工艺构成上可以看出，芯体和主片钎焊刚性连接，主片与水室塑性连接,这也是容易出现失效的地方。翅片压接边缘由于压接尺寸控制不均，芯体片和主片焊接处由于焊接强度等问题都会造成乙二醇冷却液的泄漏。

水箱的流动方向可分为垂直流和平行流两种,平行流是冷却液的流动方向从进口单向流动到水箱出口处,而垂直流是冷却液从水箱顶部流向底部,从内部冷却阻力来说,垂直流是有优势的,减少了流量泵的耗能.

水箱的典型失效模式主要由应力集中引起产品变形和开裂而造成冷却液泄漏,导致冷却液系统缺液,车用水表高温报警，严重影响客户的正常使用。

图3是发动机2000rpm时水箱工作时内部热成像图，从水箱的内部温度分布来看，水箱进水处顶部温度比较高，流速应力比较集中，到水箱底部时温度已经经过风扇冷却，没有应力集中。

图1 一般水箱结构

图2 平行流和垂直流水箱的一般布置

图4是V型水箱经过M公司的整车道路耐久试验后的泄漏图。检测方法为向腔体通入200～250kpa氮气并整体浸润常温自来水中。泄漏点为芯体和主片焊接处,靠近上水室进水口，从图3的热成像来看此处正处于应力集中区域。

2 试验损伤分析和台架设计

基于前面的产品结构分析，泄漏是水箱的主要失效模式。水箱、冷凝器、冷却风扇通过支架螺栓连接成一体，成为前端冷却模块，如图5所示。

前端冷却模块整体通过左右侧两个上支架连接在前车架上。因此振动所造成的损伤是比较巨大的。其中振动对水箱芯体和主板的应力表现为剪切力、扭转力，损伤累积到焊接处最终造成裂纹。

本文选择随机振动作为振动主要表现形式，因为这种振动方式主要考核零部件在行驶路面的适应性，同时又可以用频率范围、加速度谱密度、加速度谱的频谱、总均方根加速度、试验持续时间5个参数共同描述和控制，工程应用便捷。

图3 水箱热成像

图4 水箱泄漏照片

总均方根加速度代表了随机振动平均作用能量，一般的振动损伤可以描述为下式

其中：Dvib——随机振动损伤；

T——试验时间 h；

Grms——总均方根加速度 m/s2；

n——产品寿命倒幂曲线在对数坐标系下的斜率。

本文在V型水箱的支架部分采用三向加速度计(10 mV/g的灵敏度)采集了水箱振动的时域信号，并通过快速傅立叶变换转化为频域谱，并且发现Z方向加速度功率谱值高于X和Y方向的数值，如图6所示。图6是M公司整车试验B工况路面X/Y/Z三方向加速度信号的频域功率谱。

图5 前端冷却模块

图6 M公司B工况路面随机振动功率谱密度比较

最后通过能量比较选择苛刻路面的加速度扫频功率谱如表1。

根据路谱扫频时间，本试验方法时间为一倍寿命周期144h。

同时需要关注水箱内部的压力变化给产品带来的损伤。表2为道路耐久试验后，V型水箱水室和主片咬合处压接量的变化，主要考核顶部进水处内侧压接的高度。

水箱扁管内的压力脉冲变化将促使水箱的水室和主片之间的压接有不均匀的变形,进而使水箱产生泄漏。本文在水箱进口处采用压力传感器进行了进口水压的测量最终得到图7，如下所示。

另外，温度的变化也是需要考虑的，尤其是管内水温从低温到高温的变化。对于不同温度膨胀系数的塑料水室和铝材芯片势必会产生材料变形不均，并形成对压接处拉伸力,从而最终导致水箱泄漏失效。本文在水箱进口处采用温度传感器进行了进口水温的测量最终得到图8，如图所示。

表1 试验选择的功率谱密度

表2 耐久试验后V型水箱的压接量的变化

图7 进口压力变化图

水箱的环境温度也是需要考虑的因素。根据经验数据，水箱正常工作时周围空气温度达105℃，极端峰值可达125℃，是实际产品的应力条件之一。

如果上述所有的试验应力都转化为台架输入，试验方法的经济性势必很差，需要有所取舍。

参考贝萨艾尔海克的著述[6]，如果把不同的试验应力条件下的产品失效作为输出响应的话，那么我们的模型如图9。

那么对产品，应力之间的交互作用，即一 个因素对另一个因素的影响强度，或者是其他因素的组合对单一因素的影响，都需要考虑到对输出的影响，所以一个响应的完整输出表达如下式：

式中，Y为输出响应；f1(x1)是应力A的主要影响；f2(x2)是应力B的主要影响；f3(x3)是应力C的主要影响；f4(x4)是应力D的主要影响。

图8 进口水温变化图

图9 不同试验应力条件下产品失效图

本文对比了不同试验条件的组合发现，水箱在最大压力250kpa和最高进口水温120摄氏度工况下，环境温度变化对样件失效的影响如图10。试件寿命变化从400h（在30C环境温度应力）到430h（在125C环境温度应力），变化甚微，可以在试验中忽略环境温度对产品的影响。

3 台架设计和试验分析

压力脉冲台架结构方面,采用闭环控制，在冷却液水箱处加热，在样品进水口布热电偶测量温度。加热部件拟采用电加热管，功率约在6kW左右（此处仅是经验，具体执行时需试验确定）。箱中需有冷却液循环装置，以确保水箱中冷却液温度的一致性。冷却液的降温拟采用混合常温冷却液的方式实现，通过电磁阀控制将常温的冷却液引入水箱实现。水箱容积暂定50升，需制作保温层以减少热量损失，水箱需安装高低液位保护(液位开关需耐高温）、过压保护以及超温保护。台架控制见图如图9所示。

图10 环境温度变化图

图11 试验台架控制简图

控制策略方面采用闭环控制，在通过变频器控制水泵转速实现水压的控制，在样品的进水口设置压力传感器作为闭环控制的反馈。与样品连接处需采用车用接头及软管，冷却液管道需做保温处理，以减少热量损失,选择耐高温的压力传感器。

设备操作软件方面采用Labview编写上位机控制程序,通过RS232控制振动台环境箱,并通过数字输出控制振动台的意外停止，模拟量输出控制变频器与温度控制器。试验中采集环境箱温度以及压力传感器的数据以进行意外情况的处理。

如图12和图13分别是实体台架照片和软件操作界面

对于振动控制和温度控制,本文采用了某公司带有温度交变箱的振动试验台,环境舱的温度控制范围-40℃到150℃。振动台型号为DC-3200电磁振动试验系统，其额定激振力为3.2kN，额定位移为51mm p-p，额定速度为2m/s，额定加速度为100g，额定频率范围为5Hz～2000Hz。

如图14和图15分别是带有环境舱的舱内样件布置工装姿态和振动台整体图。

本文再次对同批次其他良好的V型水箱样件同时进行了内部冷却液压力曲线输出,外部随机振动和环境高低温三综合实验。在垂直方向31.5h(试验设计周期144h)发现失效，占试验百分比为21.8%，此值与实车道路失效百分比接近，并很好的复现了失效模式,台架试验样件的失效点也发生在水箱顶部芯体和主片焊接处如图16所示。

图12 试验台架实体照片

图13 软件操作界面

图14 水箱环境舱内安装姿态

图16 三综合31.5h试验后水检照片

4 结论

通过以上的设计计算分析，可以得到如下结论：

1）从实车道路试验中，采集苛刻路面的路谱输入振动台架，可较好地模拟出车载水箱的振动受力状态。

2）温度和压力交变是水箱所受的主要应力，本文根据实车路试获取温度和压力交变的经验数值，并输入试验台架的样件中，可很好地模拟水箱实际的运行工况。

3）本文将温度交变、压力交变以及振动结合起来，设计出一种新型试验方法以及实现试验台架搭建，能使水箱在试验时，各状态均接近实车状态，可以早期发现设计缺陷。

[1] 王东、高德利、张克坚、周仕明, 脉冲振动对水泥浆性能影响的实验研究[J].自然科学进展，2007，17（9）.

[2] 任成龙、王俭朴.汽车悬架振动的拟脉冲激励试验研究[J].南京工程学院学报,2013,11(2).

[3] 李小春、高桥学、吴智深、小出仁.瞬态压力脉冲法及其在岩石三轴试验中的应用[J].岩石力学与工程学报，2001，20.

[4] 刘世红、赵高晖、童正明、刘福群.新型压力脉冲试验台的设计分析[J].机械设计与研究,2011,27(5).

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

[6] 贝萨艾尔海克,大卫M罗.六西格玛服务设计—走向卓越之路线图[M].西安：西安交通大学出版社,2008,1.

施杰(1966-):男，上海市人，工学博士、高级工程师，泛亚汽车技术中心有限公司试验认证部总监，一直从事制造技术-精密加工，汽车结构CAE分析，动力总成标定匹配，电控集成等领域的开发和研究工作。

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