柴油机电子控制单元支架断裂故障分析与改进

杨英振 史家涛 赵光亮 仉佃伟

（潍柴动力股份有限公司 山东省潍坊市 261061）

柴油机电子控制单元是柴油机燃油系统中的重要零部件，根据自身存储的程序对发动机各传感器输入的各种信息进行运算、处理、判断、然后输出指令，控制有关执行器动作，达到快速、准确、自动控制发动机工作的目的。电子控制单元的支架实现了电子控制单元与柴油机机体之间的连接与固定，直接影响柴油机电子控制单元的固定、密封与防护。

本文针对某型号柴油机电子控制单元出现的直接断裂故障，通过软件仿真、硬度计检测、压力测试、设计改进以及振动试验等有效手段，找到支架故障的根本原因，并确认改进方案的有效性。

1 故障描述

某型号柴油机电子控制单元研发过程中，需要对其各项环境可靠性试验的考核。ISO16750-3:Mechanical loads 中振动试验分为两种类型：

—由气缸不平衡质量作用于连杆上产生的正弦振动；

—由发动机其他振动源产生的随机噪声。

而在这两种类型的振动试验中尤以正弦振动试验最为恶劣。

支架作为电子控制单元的相关附件在运行中会产生一定的振动，加上柴油机本体的振动，因此支架会受到较大的激励和强烈的振动。本次施加于柴油机电子控制单元的正弦振动数据如表1所示。其在进行正弦振动试验时，发生支架断裂的故障情况，电子控制单元支架断裂位置如图1所示。

2 故障分析

2.1 X-Ray检测

该电子控制单元的外壳及支架部位采用ADC12 铸造铝合金，其化学成分主要含铜、锌、锰、铁、铝、碳等。由于其流动性好、韧性强、硬度高、可塑性强、耐腐蚀性强等优点，广泛应用于航天、汽车等领域中，生产用铸件。为验证铸件内部是否存在质量问题，且不破坏支架的初始状态，决定采用X-Ray 金属探测仪对电子控制单元支架进行内部致密度检测。

X-Ray 探伤检测一种比较常用的无损检测手段，利用X 射线波穿透被检测零件，根据X 射线穿过被检测材料时衰减的程度来找到被检测材料内部缺陷的探伤方法。可以清晰、准确、直观地三维立体图像形式显示出被检测物体内部的结构、组成、材质及缺陷情况。

本次X-Ray 检测结果如图2所示，断裂部位材质的致密性良好，未发现有砂孔或砂孔群的存在，电子控制单元的支架符合设计人员参数要求。

2.2 硬度计检测

硬度计的基本原理是对有一定质量的冲击体，采用实验力的方法，进行材料硬度测量。硬度计包含了显示装置和冲击装置，利用电磁原理在测量冲击体进行表面1mm 的冲击过程中，根据冲击速度和反弹速度比值得出金属材料的硬度示值。硬件计具备重量轻，体积小等优势，不需要工作台，可以直接手持操作。

采用硬度计测量电子控制单元支架，得出硬度值HB80.7，材料硬度符合要求。

表1：正弦振动曲线

表2：支架压力测试结果

图1：电子控制单元支架断裂位置示意图

图2：电子控制单元支架X-Ray 检测结果图

图3：电子控制单元支架压力测试结果图

图4：改进前后的模态稳态动力学效果图

图5：外壳支架加强肋位置示意图

图6：外壳支架厚度增加位置示意图

2.3 压力测试

推拉力计作为一种工作测力计，是进行小力值推力和拉力测量的计量仪器。推拉力计可用于各种产品的推拉符合测试和破坏性试验等，应用行业比较广泛。

通过推拉力计对电子控制单元支架进行压力测试，当产品受压面积接近点压，且靠近外侧边缘时，外壳支架在150kg 和120kg 压力时均在内腔凹槽处断裂，说明当产品出现点接触受力时就会断裂，且断裂位置基本一致，与振动试验断裂处接近，如图3所示。

通过更改外壳支架的铸件材质,采用性能更好的铸铝ALSI12，重新采用推拉力计对电子控制单元的支架进行抗压测试，相同位置同样出现断裂。

3 仿真分析

现有的有限元分析软件ANSYS，因为它的综合性能和较强的分析能力，无论是任何复杂的特殊结构，它都能满足外载荷作用下的机械结构的分析，已然成为一个非常常见的数值计算方法、工程数学物理问题的有效求解方式。本文中应用ANSYS，对电子控制单元外壳支架进行有限元的建模及模态分析，希望能够为外壳支架下一步展开的整改设计提供指导和理论依据。

仿真结果显示，一阶应力在断裂处有应力集中现象，结构改进后一阶应力在断裂处得到了很大改进，改进前后的模态稳态动力学效果图如图4所示。

通过仿真分析计算可知，改进后结构在频域内最大Mises 应力由改进前的58MPa 降低至改进后的31MPa，从而有效的降低了电子控制单元支架断裂处的应力值。

根据振动试验载荷，采用模态稳态动力学计算方法对改进后的电子控制单元支架进行模态计算分析，仿真结果显示，其一阶固有频率为499.98Hz，振型为沿垂面摇摆。

4 改进方案

通过以上仿真分析，结合电子控制单元支架的结构及断裂位置，对支架的结构设计提出如下的改进措施：在支架位置做加强肋的处理，增加支架断裂处的厚度。

加强肋可以有效地增加产品的刚性和强度而无需大幅增加产品切面面积，故而在外壳易断裂处增加加强肋做支撑，加强肋需要延伸连接到柱子上或需要超过断裂位置，如图5所示。

增加外壳断裂处的材料厚度，如图6所示。

5 改进方案验证与措施固化

重新对改进后的电子控制单元的支架进行150kg 的推拉力计压力测试，未发生断裂，其形变量数据如表2所示，符合电子控制单元支架设计要求。

结构改进后的电子控制单元进行正弦振动和随机振动试验考核，并最终考核通过。

6 结束语

通过对电子控制单元支架进行X-Ray 探伤检测、硬度计检测、压力检测，确定支架振动试验断裂的原因为：

（1）支架壁厚度偏薄；

（2）应力集中。

通过对支架进行模态稳态动力学分析，发现断裂处存在较大的预应力，在振动试验过程中，极易发生疲劳断裂。

本故障案例说明，在电子控制单元支架设计开发过程中，要关注应力集中处的可靠性，可采取加强肋以及加强壁厚等一系列的措施手段来保障控制单元外壳的可靠性。