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        汽車暖風(fēng)機(jī)芯子失效分析及優(yōu)化設(shè)計

        2015-03-26 18:45:43馮振杰
        中國高新技術(shù)企業(yè) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:失效分析優(yōu)化設(shè)計汽車

        摘要:文章針對某車型暖風(fēng)芯子漏水問題進(jìn)行了分析,在成本、周期及效率的綜合考慮下,采取了在暖風(fēng)芯子水管根部加焊一鋁板的改進(jìn)措施。通過試驗驗證,改進(jìn)措施有效,同時也為后續(xù)車型暖風(fēng)芯子的開發(fā)提供了借鑒。

        關(guān)鍵詞:汽車;暖風(fēng)芯子;失效分析;優(yōu)化設(shè)計;漏水問題 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        中圖分類號:U471 文章編號:1009-2374(2015)03-0032-03 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0209

        汽車駕駛室內(nèi)的制暖主要以發(fā)動機(jī)的冷卻水為熱源,通過暖風(fēng)機(jī)中的熱交換器(一般稱為暖風(fēng)芯子),把鼓風(fēng)機(jī)送來的空氣與發(fā)動機(jī)冷卻水進(jìn)行熱交換,空氣加熱后送入車廂內(nèi),以達(dá)到取暖及除霜、除霧的功能,其簡化的過程如圖1所示。暖風(fēng)機(jī)一般由暖風(fēng)芯子、風(fēng)機(jī)及外殼組成,殼體上有吹向腳部、臉部的出風(fēng)口及吹向車窗起除霜作用的出風(fēng)口,其中暖風(fēng)芯子作為很關(guān)鍵的部件實現(xiàn)了發(fā)動機(jī)冷卻液在汽車乘員艙向空氣的的散熱。

        暖風(fēng)芯子的樣式較多,從生產(chǎn)工藝來區(qū)分,主要為銅水箱、鋁水箱和片管式水箱等三類。在微車和轎車中,一般使用的為鋁水箱。鋁水箱式主要使用復(fù)合鋁材,通過釬焊工藝進(jìn)行制造。

        1 問題描述

        在跟蹤零件的售后三包退件記錄時,發(fā)現(xiàn)某車型的暖風(fēng)芯子三包退件數(shù)量快速增加,見圖2。經(jīng)確認(rèn)故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為暖風(fēng)芯子泄露。泄露的冷卻液會污染車內(nèi)前排座椅下的地板覆蓋物等,同時引起發(fā)動機(jī)水溫高等一系列癥狀,將會引起客戶的極大抱怨。

        根據(jù)維修數(shù)據(jù),確定故障周期主要為大于12個月,故障里程在10000公里以上。根據(jù)故障件統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)進(jìn)水管根部開裂的故障件占93%,如圖3,出水管根部開裂2%,其他部位開裂5%。

        2 原因分析

        2.1 零件符合性調(diào)查

        經(jīng)過問題解決小組共同確認(rèn),零部件的尺寸滿足技術(shù)規(guī)范要求,材料及分供方也未發(fā)生變異。其為鋁合金,在供應(yīng)商內(nèi)部的材料代碼為:芯材合金為FA5577(AA3003),復(fù)合層2為10%FA6671(AA4343),鋁材供應(yīng)商為上海Sapa。

        暖風(fēng)芯子生產(chǎn)的主要工藝流程為:芯體裝配(主板、邊板、扁管和翅片組裝在一起)→進(jìn)出口管鉚接(進(jìn)出口管與上水室鉚合)→涂釬劑(手工涂抹,釬劑濃度25%~35%)→翻邊(翻邊機(jī)自動翻邊)→釬焊(釬焊爐按釬焊工藝參數(shù)運行)→芯體打磨(去掉釬焊后的殘余雜質(zhì))→干式檢漏(干式檢漏儀按壓力及泄露值要求進(jìn)行測試,合格后自動打印合格標(biāo)識)→粘貼密封條(粘貼密封墊外觀滿足要求)。確認(rèn)相關(guān)的設(shè)備和參數(shù)未發(fā)現(xiàn)變異,同時操作員工也沒有變化。

        小結(jié):排除零件的一致性波動,即非零件質(zhì)量問題。

        2.2 零件裝配過程調(diào)查

        在整車裝配車間現(xiàn)場確認(rèn)暖風(fēng)芯子的裝配過程,發(fā)動機(jī)進(jìn)出水管的裝配工藝主要為:(1)發(fā)動機(jī)進(jìn)水管:操作工用手將發(fā)動機(jī)進(jìn)水管(膠管)套在暖風(fēng)芯子的進(jìn)水鋁管上;(2)發(fā)動機(jī)出水管:操作工用特制的鉗子將發(fā)動機(jī)出水管(膠管)套在暖風(fēng)芯子的出水鋁管上。發(fā)動機(jī)進(jìn)水、出水膠管的裝配方式不同,進(jìn)水管為手動裝配,出水管為用鉗子裝配。由于暖風(fēng)芯子的鋁管和發(fā)動機(jī)進(jìn)出水管為過盈配合,裝配有一定阻力,裝配過程中存在員工上下用力搖晃來安裝的現(xiàn)象?,F(xiàn)場也偶爾發(fā)生暖風(fēng)芯子根部開裂的問題,但進(jìn)水管和出水管都有發(fā)生,故障模式不集中,和售后規(guī)律不一致,故排除該原因或非主因。

        小結(jié):裝配手法的差異,可能導(dǎo)致部分零件受損,但與售后表現(xiàn)不一致,故排除裝配工藝的影響。

        2.3 零件結(jié)構(gòu)分析

        經(jīng)分析,發(fā)動機(jī)進(jìn)水、出水膠管走向和尺寸等不同,如圖4所示。相比出水膠管,進(jìn)水膠管更長,重量更大,在發(fā)動機(jī)的固有振動及整車在特殊工況的振動下,其振幅更大。故暖風(fēng)芯子進(jìn)水管根部承受的剪切力更大,更易導(dǎo)致疲勞開裂。

        該車型暖風(fēng)芯子上的鋁管是和上水室釬焊為一個整體,沒有相對活動余量,看上去較“脆弱”。對比其他車型的暖風(fēng)芯子:GP50車型的暖風(fēng)芯子的鋁管和上水室是鉚合在一起,通過密封圈進(jìn)行密封,類似于萬向節(jié)形式,有一定活動余量;N1/CN100車型的暖風(fēng)芯子鋁管較短,且用螺栓螺母進(jìn)行了緊固,強(qiáng)度較大。在整車總裝車間使用了相同的裝配工藝方式,但其他車型的售后表現(xiàn)良好。

        2.4 結(jié)論

        問題解決小組判斷該問題的原因是:由于暖風(fēng)機(jī)芯子進(jìn)、出水管根部的焊縫周圍應(yīng)力集中,在外力長時間振動作用下,易造成疲勞斷裂,導(dǎo)致暖風(fēng)機(jī)芯子漏水。而斷裂基本集中在芯子進(jìn)水管,是由于與芯子進(jìn)、出水管對接的膠管結(jié)構(gòu)及布置不一樣,受力有差異導(dǎo)致。

        3 優(yōu)化設(shè)計

        3.1 改進(jìn)方案選擇

        暖風(fēng)芯子的改進(jìn)方案有很多,可以直接參考GP50或N1車型的結(jié)構(gòu),也可以對膠管走向進(jìn)行重新布局,但鑒于成本、周期、效率等因素,初步選擇了如圖5的改進(jìn)方案,即在鋁管根部增加一方形焊片25×25mm,以增加其抗彎強(qiáng)度。

        3.2 改進(jìn)方案試驗驗證

        為了驗證該改進(jìn)方案的有效性,安排了以下兩組試驗,見圖6所示。試驗方式1:用夾具豎直固定好暖風(fēng)芯子,在鋁管端部施一水平拉力,拉力逐漸增大,直到鋁管根部開裂為止,記錄此時拉力大??;試驗方式2:固定方式及施力方式同試驗方式1,當(dāng)鋁管變形至一特定位移L=20mm時,記錄此時拉力大小。試驗結(jié)果如表1所示。

        通過試驗發(fā)現(xiàn),改進(jìn)后的暖風(fēng)芯子鋁管根部的抗彎強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。

        3.3 改進(jìn)方案確定

        通過驗證,該改進(jìn)方案可有效提高暖風(fēng)芯子鋁管根部的抗彎強(qiáng)度,同時在暖風(fēng)芯子生產(chǎn)過程中增加該方形鋁板對工藝影響不大,便于實施。另外,該方形鋁板尺寸較小,可利用一些板材的邊角料進(jìn)行生產(chǎn),可有效降低成本,供應(yīng)商可內(nèi)部消化該成本變化。最終,該改進(jìn)方案獲得了批準(zhǔn)實施。

        4 結(jié)語

        圖7 暖風(fēng)芯子改進(jìn)后三包退件返回狀態(tài)

        通過對措施斷點后零件的市場表現(xiàn)跟蹤,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)效果良好,見圖7。在該問題改進(jìn)過程中,得到了產(chǎn)品工程師和供應(yīng)商的大力支持,使問題得到了快速斷點。該改進(jìn)措施只是在現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)上的局部優(yōu)化,雖沒完全杜絕該問題,但已取得了很大進(jìn)步。該問題的解決,也為后續(xù)車型暖風(fēng)芯子的設(shè)計選型提供了借鑒作用。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 汽車空調(diào)介紹.百度文庫[引用日期2014-8-22].http://wenku.baidu.com/view/9777b610b90d6c85ec3ac68d.html.

        [2] 李鵬飛,林建中.暖風(fēng)芯體水室裝配機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程,2012,(1).

        [3] 楊光.車用暖風(fēng)機(jī)及其新技術(shù)[J].城市公共交通,2007,(3).

        [4] 解劍英.汽車散熱器用多層復(fù)合鋁合金薄壁高頻焊管制造技術(shù)的研究[D].浙江大學(xué),2005.

        [5] 周慶輝,紀(jì)威,王奪.汽車空調(diào)暖風(fēng)機(jī)熱交換器的優(yōu)化設(shè)計[J].工程設(shè)計學(xué)報,2012,(2).

        作者簡介:馮振杰(1981-),河北邢臺人,上海交通大學(xué)工程碩士,研究方向:車輛工程。

        (責(zé)任編輯:周 瓊)

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