張麗英

法雷奧企業(yè)管理（上海）有限公司 上海市 200240

1 引言

汽車散熱器作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路最重要的換熱器，隨著對整車的輕量化，經(jīng)濟(jì)，高效的要求不斷提升，汽車散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選型要求也隨之不斷增嚴(yán)。同時(shí)，隨著質(zhì)量三包和零部件設(shè)計(jì)壽命的不斷提升：三包從3年10萬公里 或提升至8年12萬公里等，設(shè)計(jì)壽命從10年或提升至15年，對散熱器的耐疲勞特性的要求也越來越高。耐壓力交變疲勞實(shí)驗(yàn)作為模擬和檢測散熱器實(shí)際使用工況的測試，是對散熱器芯體設(shè)計(jì)，芯體組裝或釬焊工藝，以及材料抗拉伸的一個(gè)綜合考驗(yàn)。

2 散熱器耐壓力交變實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)解析

目前國內(nèi)外大多數(shù)車企耐壓力交變分為高低壓2個(gè)分段，低壓范圍在0Kpa-200Kpa，次數(shù)10-20萬次；高壓范圍在25Kpa-325Kpa，次數(shù)1萬-2萬次。其中頻率0.1-2HZ。

另外壓力交變波形一般分為梯形和正弦兩種，對于壓力爬升速率有較高的要求。如圖1所示：分別為美系車企1的正弦波形和美系車企2的梯形波形，在2S之內(nèi)需要完成從低壓爬升至高壓。

最后對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的接受標(biāo)準(zhǔn)，絕大數(shù)車企或者國標(biāo)都以散熱器的密封性作為實(shí)驗(yàn)合格的評判標(biāo)準(zhǔn)。但是部分美系車企和歐系車企，除了密封性要求，還有置信度和可靠度的要求。

以目前比較嚴(yán)苛的某美系車企標(biāo)準(zhǔn)為例展開討論，其公式1為置信度，可靠度，樣件數(shù)量和循環(huán)次數(shù)的換算關(guān)系。其中可靠度R要求為0.99，置信度C要求為0.5，wellbul計(jì)算B斜率為3.由公式1可以計(jì)算得出在確定樣件數(shù)量n的前提下，可以得出實(shí)驗(yàn)循環(huán)次數(shù)（Test life）

一般由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備容量能力限制，設(shè)備一次能放置的樣件數(shù)量基本在6-8件。以6件為例代入上述公式中，則得出實(shí)驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為 337500（即2.25倍高低壓循環(huán)，其中1倍循環(huán)為150000次，總的實(shí)驗(yàn)時(shí)間為21天）。如此高的循環(huán)次數(shù)，不僅是對產(chǎn)品的耐久性提出高要求，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測試和時(shí)間成本都比較高，因此需要在前期設(shè)計(jì)上來降低或者避免失效的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 散熱器耐壓力交變實(shí)驗(yàn)機(jī)理和失效模式分析

如1.1章節(jié)所述，耐壓力交變實(shí)驗(yàn)是通過冷卻液以高低壓不斷循環(huán)的方式對散熱器進(jìn)行交替沖擊。當(dāng)高溫高壓的冷卻液從進(jìn)口水室沖入散熱器芯體，如圖2右邊紅色區(qū)域顯示，塑料水室會(huì)在彈性變形范圍之內(nèi)，進(jìn)行交替膨脹和收縮，隨之主片也會(huì)跟著相應(yīng)的彈性變形，尤其是在水室進(jìn)出口處的壓力沖擊尤其嚴(yán)重。

隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，主片或者水室局部位置的疲勞損傷不斷累積從而導(dǎo)致材料失去彈性變形而后進(jìn)入塑性變形階段，最終塑料水室開裂者主片咬邊脫齒以及開裂。圖3是常見的幾種失效模式圖片。

2.2 耐壓力交變失效設(shè)計(jì)改進(jìn)

如何防止壓力交變疲勞試驗(yàn)失效，需要考慮經(jīng)濟(jì)性以及可制造性的前提下，在水室和主片的設(shè)計(jì)上進(jìn)行綜合權(quán)衡。

2.2.1 水室設(shè)計(jì)改進(jìn)

當(dāng)壓力沖入散熱器的時(shí)，首先受到變形的為塑料水室。從物理學(xué)上來看，變形即為材料應(yīng)變量，疲勞損傷則為材料抗變形產(chǎn)生的應(yīng)力積累。目前常用的散熱器水室材料為PA66-GF30，材料厚度在2.0-3.5mm之間。材料在彈性變形階段，應(yīng)力和應(yīng)變基本為線性，楊氏模量為常量。具體計(jì)算見公式2，可見減少水室變形量則可以直接減少應(yīng)力值。

公式2

那么如何減少水室變形量主要方法有如下幾種：

（1）水室整體加厚：以3mm和3.5mm PA66-GF30材料水室作為分析案例，用FEA仿真結(jié)果得出3.5mm水室產(chǎn)生的主片最大應(yīng)力同比3mm水室約減少10%，但是對于局部應(yīng)力減少不是相當(dāng)明顯，約減少4%。如圖4所示。

（2）水室局部加強(qiáng)：一般水室受到?jīng)_擊最強(qiáng)烈的地方往往都發(fā)生在進(jìn)出口水管背面，那么此處需要局部加強(qiáng)筋來增加抗沖擊能力。加強(qiáng)筋方式有內(nèi)部加強(qiáng)筋和外部加強(qiáng)筋兩種，外部加強(qiáng)筋還要特別注意注塑模具脫?？尚行裕瑑?nèi)部加強(qiáng)筋會(huì)影響散熱器內(nèi)部阻力，因此需要綜合權(quán)衡以后確定筋位位置和設(shè)計(jì)。其中內(nèi)部加強(qiáng)筋對于抗水室變形有非常明顯的作用，圖5為某設(shè)計(jì)案例中，表明帶內(nèi)部加強(qiáng)筋應(yīng)力為不帶內(nèi)部內(nèi)部加強(qiáng)筋的72%。

針對外部加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)時(shí)，主要的設(shè)計(jì)參數(shù)有加強(qiáng)筋的高度，間隔距離，位置以及形狀。圖6為某水室管口位置加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)案例，管口正面和背面做特別加強(qiáng)處理-加了一些橫向筋位。同時(shí)和水室底部的連接筋位因?yàn)橐紤]主片咬邊行程，筋位間隔和高度都有要求。

除此之外，水室外部局部加強(qiáng)需要特別注意水室本身某些應(yīng)力集中點(diǎn)，應(yīng)力過大也是水室局部開裂的原因。特別是加強(qiáng)筋倒角的大小也會(huì)直接影響應(yīng)力是否集中，圖7表明，當(dāng)?shù)菇菑腞1變成R2時(shí)，局部應(yīng)力可減少40%，因此筋部倒角也是設(shè)計(jì)中需要著重注意的因素之一。

2.2.2 主片設(shè)計(jì)改進(jìn)

當(dāng)受到各種因素限制，水室不可避免的產(chǎn)生較大變形量以后，那么需要同時(shí)考慮如何加強(qiáng)主片的抗拉伸能力。主片加強(qiáng)主要為同材料增加厚度或者替換為高強(qiáng)度材料。目前行業(yè)普遍用到的釬焊式散熱器中主片材料為3系鋁合金（單面復(fù)合4045），機(jī)械式散熱器為5系鋁合金（無復(fù)合層）或者鍍鋅鋼板材料，具體的材料屬性見表2。從表1可以得出，鋼材的機(jī)械強(qiáng)度最高，優(yōu)于5系和3系鋁合金材料。但是從沖壓特性，化學(xué)成分以及釬焊特性來說，釬焊式散熱器主片基本只能用3系材料，因此切換材料不可盲目選擇。

對于同一種材料，其厚度對于抗機(jī)械應(yīng)變有直接聯(lián)系。以5系材料為例，圖8為相同水室設(shè)計(jì)下的不同主片厚度的FEA應(yīng)力分析結(jié)果，2mm主片應(yīng)力減少為1.2mm主片的30% 左右。

以鍍鋅鋼板為例，圖9為相同水室設(shè)計(jì)下的不同主片厚度的FEA應(yīng)力分析結(jié)果，1mm主片應(yīng)力為0.8mm主片的88% 左右。

綜上所述，對于解決壓力交變失效方法，考慮到設(shè)計(jì)限制、工藝可行性包括注塑模具、沖壓模具、釬焊工藝、以及成本角度等因素，推薦優(yōu)先選擇優(yōu)化水室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 改變主片材料和厚度，對于散熱器的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)將會(huì)產(chǎn)生影響，因此可作為第二考慮方向。

表1 不同主片材料的機(jī)械性能

3 結(jié)語

將目前大部分車企散熱器耐壓力交變的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匯總類比，列舉了幾種主要的失效模式和如何從水室和主片設(shè)計(jì)上解決失效問題而提出了不同的方案，并且結(jié)合一些FEA分析結(jié)果來論證了解決方案的可行性。