汽车散热器耐压力交变疲劳性研究

张丽英

法雷奥企业管理（上海）有限公司 上海市 200240

1 引言

汽车散热器作为发动机冷却回路最重要的换热器，随着对整车的轻量化，经济，高效的要求不断提升，汽车散热器的结构设计和材料选型要求也随之不断增严。同时，随着质量三包和零部件设计寿命的不断提升：三包从3年10万公里 或提升至8年12万公里等，设计寿命从10年或提升至15年，对散热器的耐疲劳特性的要求也越来越高。耐压力交变疲劳实验作为模拟和检测散热器实际使用工况的测试，是对散热器芯体设计，芯体组装或钎焊工艺，以及材料抗拉伸的一个综合考验。

2 散热器耐压力交变实验标准解析

目前国内外大多数车企耐压力交变分为高低压2个分段，低压范围在0Kpa-200Kpa，次数10-20万次；高压范围在25Kpa-325Kpa，次数1万-2万次。其中频率0.1-2HZ。

另外压力交变波形一般分为梯形和正弦两种，对于压力爬升速率有较高的要求。如图1所示：分别为美系车企1的正弦波形和美系车企2的梯形波形，在2S之内需要完成从低压爬升至高压。

最后对于实验结果的接受标准，绝大数车企或者国标都以散热器的密封性作为实验合格的评判标准。但是部分美系车企和欧系车企，除了密封性要求，还有置信度和可靠度的要求。

以目前比较严苛的某美系车企标准为例展开讨论，其公式1为置信度，可靠度，样件数量和循环次数的换算关系。其中可靠度R要求为0.99，置信度C要求为0.5，wellbul计算B斜率为3.由公式1可以计算得出在确定样件数量n的前提下，可以得出实验循环次数（Test life）

一般由于实验设备容量能力限制，设备一次能放置的样件数量基本在6-8件。以6件为例代入上述公式中，则得出实验循环次数为 337500（即2.25倍高低压循环，其中1倍循环为150000次，总的实验时间为21天）。如此高的循环次数，不仅是对产品的耐久性提出高要求，相应的实验测试和时间成本都比较高，因此需要在前期设计上来降低或者避免失效的风险。

2.1 散热器耐压力交变实验机理和失效模式分析

如1.1章节所述，耐压力交变实验是通过冷却液以高低压不断循环的方式对散热器进行交替冲击。当高温高压的冷却液从进口水室冲入散热器芯体，如图2右边红色区域显示，塑料水室会在弹性变形范围之内，进行交替膨胀和收缩，随之主片也会跟着相应的弹性变形，尤其是在水室进出口处的压力冲击尤其严重。

随着循环次数的不断增加，主片或者水室局部位置的疲劳损伤不断累积从而导致材料失去弹性变形而后进入塑性变形阶段，最终塑料水室开裂者主片咬边脱齿以及开裂。图3是常见的几种失效模式图片。

2.2 耐压力交变失效设计改进

如何防止压力交变疲劳试验失效，需要考虑经济性以及可制造性的前提下，在水室和主片的设计上进行综合权衡。

2.2.1 水室设计改进

当压力冲入散热器的时，首先受到变形的为塑料水室。从物理学上来看，变形即为材料应变量，疲劳损伤则为材料抗变形产生的应力积累。目前常用的散热器水室材料为PA66-GF30，材料厚度在2.0-3.5mm之间。材料在弹性变形阶段，应力和应变基本为线性，杨氏模量为常量。具体计算见公式2，可见减少水室变形量则可以直接减少应力值。

公式2

那么如何减少水室变形量主要方法有如下几种：

（1）水室整体加厚：以3mm和3.5mm PA66-GF30材料水室作为分析案例，用FEA仿真结果得出3.5mm水室产生的主片最大应力同比3mm水室约减少10%，但是对于局部应力减少不是相当明显，约减少4%。如图4所示。

（2）水室局部加强：一般水室受到冲击最强烈的地方往往都发生在进出口水管背面，那么此处需要局部加强筋来增加抗冲击能力。加强筋方式有内部加强筋和外部加强筋两种，外部加强筋还要特别注意注塑模具脱模可行性，内部加强筋会影响散热器内部阻力，因此需要综合权衡以后确定筋位位置和设计。其中内部加强筋对于抗水室变形有非常明显的作用，图5为某设计案例中，表明带内部加强筋应力为不带内部内部加强筋的72%。

针对外部加强筋设计时，主要的设计参数有加强筋的高度，间隔距离，位置以及形状。图6为某水室管口位置加强筋设计案例，管口正面和背面做特别加强处理-加了一些横向筋位。同时和水室底部的连接筋位因为要考虑主片咬边行程，筋位间隔和高度都有要求。

除此之外，水室外部局部加强需要特别注意水室本身某些应力集中点，应力过大也是水室局部开裂的原因。特别是加强筋倒角的大小也会直接影响应力是否集中，图7表明，当倒角从R1变成R2时，局部应力可减少40%，因此筋部倒角也是设计中需要着重注意的因素之一。

2.2.2 主片设计改进

当受到各种因素限制，水室不可避免的产生较大变形量以后，那么需要同时考虑如何加强主片的抗拉伸能力。主片加强主要为同材料增加厚度或者替换为高强度材料。目前行业普遍用到的钎焊式散热器中主片材料为3系铝合金（单面复合4045），机械式散热器为5系铝合金（无复合层）或者镀锌钢板材料，具体的材料属性见表2。从表1可以得出，钢材的机械强度最高，优于5系和3系铝合金材料。但是从冲压特性，化学成分以及钎焊特性来说，钎焊式散热器主片基本只能用3系材料，因此切换材料不可盲目选择。

对于同一种材料，其厚度对于抗机械应变有直接联系。以5系材料为例，图8为相同水室设计下的不同主片厚度的FEA应力分析结果，2mm主片应力减少为1.2mm主片的30% 左右。

以镀锌钢板为例，图9为相同水室设计下的不同主片厚度的FEA应力分析结果，1mm主片应力为0.8mm主片的88% 左右。

综上所述，对于解决压力交变失效方法，考虑到设计限制、工艺可行性包括注塑模具、冲压模具、钎焊工艺、以及成本角度等因素，推荐优先选择优化水室结构设计。 改变主片材料和厚度，对于散热器的标准化生产将会产生影响，因此可作为第二考虑方向。

表1 不同主片材料的机械性能

3 结语

将目前大部分车企散热器耐压力交变的标准进行汇总类比，列举了几种主要的失效模式和如何从水室和主片设计上解决失效问题而提出了不同的方案，并且结合一些FEA分析结果来论证了解决方案的可行性。