楊曉明江小柯徐金成朱學(xué)華孫金其徐芙蓉

（1.南京汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院；2.南京依維柯汽車有限公司）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置所散發(fā)的熱量，除少量通過傳導(dǎo)和輻射方式傳播外，大部分熱量依靠冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的強(qiáng)制對(duì)流來散發(fā)，故其零部件性能及可靠性尤為重要。某款車在整車試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行壞路試驗(yàn)和非正常路面行駛時(shí)，冷卻風(fēng)扇出現(xiàn)斷裂，直接造成相關(guān)零部件乃至整車散熱功能的失效，危及發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。為解決冷卻風(fēng)扇斷裂問題，文章針對(duì)冷卻風(fēng)扇的疲勞壽命及工作狀態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，應(yīng)用疲勞分析技術(shù)及檢測(cè)手段分析查找斷裂原因，確保冷卻風(fēng)扇性能及可靠性符合使用要求[1]。

1 冷卻風(fēng)扇工作原理

冷卻風(fēng)扇通常安裝在散熱器后面，由皮帶帶動(dòng)的風(fēng)扇與水泵同軸，與水泵一起轉(zhuǎn)動(dòng)。一般汽車?yán)鋮s風(fēng)扇采用軸流式扇葉，因軸流式扇葉通常用在流量要求較高而壓力要求較低的場(chǎng)合，所以當(dāng)風(fēng)扇啟動(dòng)的瞬間，流體沿著扇葉的中心軸向進(jìn)出扇葉。扇葉運(yùn)作運(yùn)用柏努利原理，利用扇葉的仰角，在扇葉上方形成局部的真空，因壓力差的關(guān)系，將扇葉上方的空氣吸入扇葉下方，產(chǎn)生空氣流動(dòng)的現(xiàn)象，形成強(qiáng)制氣流，達(dá)到送風(fēng)的效果。葉片間距角度產(chǎn)生較低的流量，而增加間距則可產(chǎn)生較高的流量[2]。因此改變?nèi)~片角度或間距是軸流式扇葉的主要優(yōu)勢(shì)之一。

在風(fēng)扇工作過程中，葉片形狀會(huì)從加工葉型（冷態(tài)）變?yōu)楣ぷ魅~型（熱態(tài)），而工作葉型要與氣動(dòng)設(shè)計(jì)的熱態(tài)葉型吻合，才能獲得葉片的最佳氣動(dòng)性能。

2 冷卻風(fēng)扇故障描述

2.1 壞路試驗(yàn)[3]

在壞路試驗(yàn)行駛時(shí)冷卻風(fēng)扇出現(xiàn)斷裂，拆開散熱器后發(fā)現(xiàn)：1）將斷裂的風(fēng)扇葉片依次編號(hào)為1～9#，其中4#和5#為斷裂葉片，4#葉片整個(gè)斷裂；5#的1/2葉片受到撞擊后破碎；其他葉片邊緣均有明顯磨損痕跡，如圖1所示。2）散熱器與冷卻葉片工作的區(qū)域，有明顯撞擊和磨損痕跡，如圖2所示。

2.2 非正常路面行駛[3]

在非正常路面行駛時(shí)冷卻風(fēng)扇出現(xiàn)斷裂，拆開散熱器后發(fā)現(xiàn)：1）將斷裂的風(fēng)扇葉片依次編號(hào)為1～9#，其中5～7#為斷裂葉片，5#和6#葉片斷裂掉葉片的2/3；7#從外緣斷裂，1/2葉片受到撞擊后破碎；其他葉片邊緣均有明顯磨損痕跡，如圖3所示。2）散熱器與冷卻葉片工作的區(qū)域，有多處明顯撞擊和磨損痕跡，如圖4所示。

3 冷卻風(fēng)扇斷裂因素分析

3.1 冷卻風(fēng)扇振動(dòng)幅度

冷卻風(fēng)扇為高速旋轉(zhuǎn)件，整個(gè)冷卻風(fēng)扇安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前端，汽車在行駛過程中，該位置振動(dòng)幅度最大，如果冷卻風(fēng)扇到散熱器間距控制不好，會(huì)使冷卻風(fēng)扇振動(dòng)過大。大幅波動(dòng)會(huì)造成冷卻風(fēng)扇與散熱器發(fā)生撞擊的嚴(yán)重后果。因此需要分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因和振動(dòng)性質(zhì)，查找引起振動(dòng)過大的部位，并采取相應(yīng)的處理措施，使振動(dòng)幅度達(dá)到設(shè)計(jì)的安全范圍。

3.2 冷卻風(fēng)扇材料

冷卻風(fēng)扇一般使用PA（聚酰胺樹脂）材料進(jìn)行注塑，其具有良好的力學(xué)性能、耐磨性、自潤(rùn)滑性、耐腐蝕性、氣體阻隔性、電絕緣性和成型加工性能，但是還存在著強(qiáng)度和剛度較低，吸水率達(dá)到3%以上，在一定程度上影響尺寸穩(wěn)定性。所以需要進(jìn)行吸水率的試驗(yàn)，并檢查風(fēng)扇的尺寸變化。

3.3 裝配工藝

在裝配時(shí)，若零部件之間的配合不符合規(guī)定的技術(shù)要求，或者各零部件之間的相互位置不正確，裝配后必將影響整個(gè)冷卻系統(tǒng)的工作性能，使之無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而影響冷卻風(fēng)扇離散熱器帶中冷器總成的安全距離，也會(huì)出現(xiàn)冷卻風(fēng)扇斷裂現(xiàn)象。

4 試驗(yàn)檢測(cè)及分析

4.1 冷卻風(fēng)扇變形量臺(tái)架試驗(yàn)

按照技術(shù)要求布置測(cè)量點(diǎn)，如圖5所示，分別以1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500 r/min的轉(zhuǎn)速，測(cè)量A，B兩點(diǎn)的變形量。試驗(yàn)后得出風(fēng)扇最大變形量為9 mm，如圖6所示。

4.2 整車上冷卻風(fēng)扇與中冷器間隙試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇是高速旋轉(zhuǎn)件，由于受轉(zhuǎn)速頻率的影響，會(huì)發(fā)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)風(fēng)扇葉片斷裂，影響可靠性，因此限制其振動(dòng)幅度或提高其抗振性能成為合理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在分析發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的振動(dòng)特性時(shí)，除理論分析外，直接進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的測(cè)量試驗(yàn)是一個(gè)重要手段，可以通過試驗(yàn)測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的振動(dòng)特性數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)可以接受的振幅和頻率范圍，并依據(jù)試驗(yàn)積累的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，來判斷其安全距離（10 mm）是否滿足使用要求[4]。未工作時(shí)風(fēng)扇離散熱器帶中冷器總成數(shù)模最小間隙為31 mm，經(jīng)測(cè)試，工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)最大前向位移為7.2 mm，因工作時(shí)風(fēng)扇最大變形量為9 mm，可計(jì)算得出，工作時(shí)風(fēng)扇離散熱器帶中冷器總成理論最小間隙為14.8 mm，此距離大于安全距離4.8 mm，故排除風(fēng)扇變形量和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)風(fēng)扇斷裂的影響。

4.3 冷卻風(fēng)扇含水率試驗(yàn)

在炎熱潮濕的夏季會(huì)出現(xiàn)冷卻風(fēng)扇破損的情況，原因是葉片吸收空氣中的水分后產(chǎn)生彎曲。根據(jù)ISO 3451標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)斷裂風(fēng)扇進(jìn)行含水率檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)要求含水率在1.5%～2.2%，檢測(cè)出冷卻風(fēng)扇含水率偏大，達(dá)到2.06%，但滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且其變形量不是很大，故可以排除冷卻風(fēng)扇含水率對(duì)風(fēng)扇斷裂的影響。

對(duì)新樣件冷卻風(fēng)扇進(jìn)行300 h鹽霧試驗(yàn)，然后進(jìn)行整車環(huán)境模擬試驗(yàn)。

4.4 整車環(huán)境模擬試驗(yàn)

根據(jù)分析后的試驗(yàn)方法要求，將新風(fēng)扇安裝在整車上，并在40℃環(huán)境艙內(nèi)，將整車放置5 h，然后啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到4 500 r/min時(shí)使風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)20 min。試驗(yàn)后觀察風(fēng)扇扇葉無明顯可見外觀損壞。

更換鹽霧試驗(yàn)后的樣件，重新進(jìn)行上述步驟，試驗(yàn)后風(fēng)扇扇葉也無明顯可見外觀損壞。

4.5 裝配工藝流程排查分析及改進(jìn)

在排除上述因素后，在組裝線上進(jìn)行排查。按照裝配工藝流程，應(yīng)先擰緊支架1處，再擰緊輔助支撐2處，如圖7所示。但在實(shí)際組裝過程中安裝順序顛倒，導(dǎo)致安裝后的風(fēng)扇離散熱器帶中冷器總成的距離偏差很大。為了解決此問題，設(shè)計(jì)一種防呆裝置，如圖8所示。在安裝過程中加裝一個(gè)夾具，利用散熱器前面的部件1上的方孔和面進(jìn)行定位，用推拉夾緊裝置來保證散熱器與風(fēng)扇之間所需要的距離，使用完畢后松開夾緊裝置（如圖8中“2”所示）就可以取下。主要目的是保證風(fēng)扇離散熱器帶中冷器總成的距離是安全距離[5]。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

安裝防呆裝置后，對(duì)改進(jìn)的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行臺(tái)架和道路試驗(yàn)。

5.1 臺(tái)架試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[6]的要求，進(jìn)行強(qiáng)化耐久性試驗(yàn)。風(fēng)扇按實(shí)際裝車方式安裝，按運(yùn)轉(zhuǎn)45 s，停15 s為1次循環(huán)，共進(jìn)行1 000 h耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)電壓為13 V，在溫度為50℃時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)600 h，在溫度為100℃時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)400 h。試驗(yàn)后風(fēng)扇扇葉無明顯可見外觀損壞，無功能失效。

5.2 道路試驗(yàn)

根據(jù)某汽車試驗(yàn)場(chǎng)《汽車產(chǎn)品定型可靠性試驗(yàn)規(guī)程》，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，合計(jì)行駛里程為12 000 km。試驗(yàn)后風(fēng)扇扇葉無明顯可見外觀損壞，無功能失效。試驗(yàn)項(xiàng)目與里程，如表1所示。

表1 試制汽車可靠性行駛工況統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)論

1）整車上風(fēng)扇與中冷器間隙試驗(yàn)中，測(cè)試距離是安全距離，故排除風(fēng)扇變形量和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)風(fēng)扇斷裂的影響；

2）風(fēng)扇含水率試驗(yàn)后，風(fēng)扇含水率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且風(fēng)扇變形量不大，故可以排除風(fēng)扇含水率對(duì)風(fēng)扇斷裂的影響；

3）整車環(huán)境模擬試驗(yàn)后，新風(fēng)扇和鹽霧后風(fēng)扇的扇葉無明顯可見外觀損壞；

4）經(jīng)裝配工藝流程排查，找到影響因素為安裝順序顛倒，通過加裝防呆裝置，保證了安裝過程中裝配間隙的安全距離。

改進(jìn)后的冷卻風(fēng)扇與各部件之間匹配良好，滿足汽車設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)要求、可靠性要求及使用要求，并通過了臺(tái)架和道路試驗(yàn)的考核，冷卻風(fēng)扇斷裂問題得到解決。