膨胀水箱失效分析及改进

陈承　罗雪丰　孟国栋　李华荣　杨洋

通过对故障件拆解分析，确定造成上述故障的原因主要有以下四点：

1. 膨胀水箱内部加强筋结构设计不合理；

2. 箱体局部应力集中，受振动冲击后开裂；

3. 除气接头与除气胶管相连，在长期振动拉扯下，根部应力集中，疲劳断裂；

4. 水位传感器根部应力集中，引起开裂。

由于膨胀水箱在工作状态时，需要承受高温高压，必须是正规的模具件才能够满足性能要求。所以通过CAE分析来提出改进方案是节约时间和成本最有效的手段。针对箱体加强筋结构不合理的问题，结合膨胀水箱的材料属性和工作时所承受的温度压力情况，提出CAE分析的工况：爆破压力工况、可靠性工况、极限载荷工况、一般工作工况，膨胀水箱的评价指标为箱体变形量≤5%。故障件膨胀水箱内部加强筋结构见图3所示，可以看出膨胀水箱内部加强筋稀疏，在工作过程中极易造成箱体应力集中开裂。各工况的应力及变形见图4所示，计算结果见表2所示。

由上述分析结果可以看出，故障膨胀水箱在爆破压力工况下，箱体的整体应力值最大，所以需要对爆破压力工况下箱体变形进行校核。由图4可以看出，爆破压力工况下箱体的底部和顶部都存在较大变形，箱体变形量>5%，不满足设计要求。

针对除气接头、水位传感器根部应力集中的问题，通过CAE分析进行了分析计算，为后续改进提出了方向，具体分析图片见图5所示，计算结果见表3所示。由分析结果可以看出，除气接头、水位传感器根部存在应力集中，应力值已经超过设定的安全系数值，相应安全系数下所对应的极限应力值为23 Mpa。

3 膨胀水箱改进方案

1. 针对膨胀水箱内部加强筋结构设计不合理和箱体开裂的问题，提出改善方案需要满足以下要求：

（1）保持膨胀箱现有安装接口位置、外形尺寸不变，直接互换；

（2）保持型腔不变，优化型芯加强筋结构；

（3）在薄弱的地方增加加强筋。

针对上述改进原则，考虑到整车轻量化、成本等因素，提出了3种改进方案，具体改进方案见图6所示。

由图6可以看出，改进方案采用了十字型和T字型加强筋结构，可以能够有效增加强度箱体强度。同时，左右半模加强筋结构相同，可以有效对焊在一起，进一步增加强度。

2. 针对除气管接头和水位传感器接口根部开裂的问题，提出了相应的改进措施。除气接头根部过渡圆角为R0.5，由于圆角太小，容易产生应力集中。因此，将除气接头根部的圆角增大到R5以减少应力集中，同时增加一条斜拉加强筋以进一步提高强度，具体见图7所示。在水位传感器接口处增加3条加强筋以提高强度，具体见图8所示。

4 改进膨胀水箱CAE分析

1. 针对上述提出的改进措施，对膨胀箱箱体进行CAE分析，分析示意图见图9所示，变形量见图10所示，具体的分析结果见表3所示：

由上述结果可以看出，相对于故障件方案，3个改进方案在各个工况下整体应力水平均有明显的降低，但是方案一和方案二顶部和底部均有变形，方案一和方案二变形量均>5%，方案三只有底部有变形，变形量<5%，满足设计要求。故最后确定选择对方案三进行试制样件，并且进行试验验证。

2. 对除气接头根部和水位传感器根部进行CAE分析，分析示意图见图11所示，具体的分析结果见表5所示。

由上述分析结果可以看出，三种方案的根部应力都≤23Mpa，都可以满足设计要求。最后选择了应力更小的除气接头增加圆角、加强筋，水位传感器根部增加加强筋的方案。

5 试验验证

针对上述CAE分析可以看出，膨胀水箱对于爆破压力工况载荷最敏感。所以在试验时，主要考核膨胀水箱所能承受的爆破压力值和爆破压力工况下箱体的变形量。对故障件进行爆破压力试验时，在压力为260kPa时膨胀水箱就已经开裂。对改进后的膨胀水箱进行爆破压力试验，得到膨胀水箱的爆破压力可以达到400kPa，膨胀水箱的变形变形量<5%。

改进后的膨胀水箱应用在具体车型后，经过一年的市场考验，售后索赔率下降到0.15%，索赔金额降低到5.3万元，索赔改善率达到90%以上，超过预期目标，消除了用户抱怨，降低索赔率减少了公司损失。

6 结论

本文对市场上反馈的膨胀水箱箱体开裂、除气接头和水位传感器接口部位局部断裂等问题，进行了原因分析、方案改进、CAE分析、试验验证，得到如下结论：

1. 造成膨胀水箱箱体开裂的原因是由于箱体内部加强筋不合理。在今后膨胀水箱开发时，要采用十字型和T型加强筋相结合的内部筋结构，从而提高箱体的强度；

2. 造成除气接头和水位传感器接口部位局部断裂的原因，是由于接头与箱体连接的根部过渡圆角小，并且外部无加强筋结构。所以在后续膨胀水箱设计时，所有水管和气管根部均需增加圆角和加强筋；

3. 由CAE分析可以看出，膨胀水箱对爆破压力的敏感度最高，爆破压力的设定值直接影响了膨胀水箱的功能。本文改进后的膨胀水箱爆破压力高于400kPa，已经能够满足绝大多数大马力发动机的要求；

4. 经过试验验证，本文改进后的膨胀箱已经大幅度降低了售后索赔，提升了用户满意度。

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