陳承　羅雪豐　孟國(guó)棟　李華榮　楊洋

通過(guò)對(duì)故障件拆解分析，確定造成上述故障的原因主要有以下四點(diǎn)：

1. 膨脹水箱內(nèi)部加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理；

2. 箱體局部應(yīng)力集中，受振動(dòng)沖擊后開(kāi)裂；

3. 除氣接頭與除氣膠管相連，在長(zhǎng)期振動(dòng)拉扯下，根部應(yīng)力集中，疲勞斷裂；

4. 水位傳感器根部應(yīng)力集中，引起開(kāi)裂。

由于膨脹水箱在工作狀態(tài)時(shí)，需要承受高溫高壓，必須是正規(guī)的模具件才能夠滿(mǎn)足性能要求。所以通過(guò)CAE分析來(lái)提出改進(jìn)方案是節(jié)約時(shí)間和成本最有效的手段。針對(duì)箱體加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)不合理的問(wèn)題，結(jié)合膨脹水箱的材料屬性和工作時(shí)所承受的溫度壓力情況，提出CAE分析的工況：爆破壓力工況、可靠性工況、極限載荷工況、一般工作工況，膨脹水箱的評(píng)價(jià)指標(biāo)為箱體變形量≤5%。故障件膨脹水箱內(nèi)部加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3所示，可以看出膨脹水箱內(nèi)部加強(qiáng)筋稀疏，在工作過(guò)程中極易造成箱體應(yīng)力集中開(kāi)裂。各工況的應(yīng)力及變形見(jiàn)圖4所示，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示。

由上述分析結(jié)果可以看出，故障膨脹水箱在爆破壓力工況下，箱體的整體應(yīng)力值最大，所以需要對(duì)爆破壓力工況下箱體變形進(jìn)行校核。由圖4可以看出，爆破壓力工況下箱體的底部和頂部都存在較大變形，箱體變形量>5%，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)除氣接頭、水位傳感器根部應(yīng)力集中的問(wèn)題，通過(guò)CAE分析進(jìn)行了分析計(jì)算，為后續(xù)改進(jìn)提出了方向，具體分析圖片見(jiàn)圖5所示，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所示。由分析結(jié)果可以看出，除氣接頭、水位傳感器根部存在應(yīng)力集中，應(yīng)力值已經(jīng)超過(guò)設(shè)定的安全系數(shù)值，相應(yīng)安全系數(shù)下所對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力值為23 Mpa。

3 膨脹水箱改進(jìn)方案

1. 針對(duì)膨脹水箱內(nèi)部加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理和箱體開(kāi)裂的問(wèn)題，提出改善方案需要滿(mǎn)足以下要求：

（1）保持膨脹箱現(xiàn)有安裝接口位置、外形尺寸不變，直接互換；

（2）保持型腔不變，優(yōu)化型芯加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)；

（3）在薄弱的地方增加加強(qiáng)筋。

針對(duì)上述改進(jìn)原則，考慮到整車(chē)輕量化、成本等因素，提出了3種改進(jìn)方案，具體改進(jìn)方案見(jiàn)圖6所示。

由圖6可以看出，改進(jìn)方案采用了十字型和T字型加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，可以能夠有效增加強(qiáng)度箱體強(qiáng)度。同時(shí)，左右半模加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)相同，可以有效對(duì)焊在一起，進(jìn)一步增加強(qiáng)度。

2. 針對(duì)除氣管接頭和水位傳感器接口根部開(kāi)裂的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。除氣接頭根部過(guò)渡圓角為R0.5，由于圓角太小，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，將除氣接頭根部的圓角增大到R5以減少應(yīng)力集中，同時(shí)增加一條斜拉加強(qiáng)筋以進(jìn)一步提高強(qiáng)度，具體見(jiàn)圖7所示。在水位傳感器接口處增加3條加強(qiáng)筋以提高強(qiáng)度，具體見(jiàn)圖8所示。

4 改進(jìn)膨脹水箱CAE分析

1. 針對(duì)上述提出的改進(jìn)措施，對(duì)膨脹箱箱體進(jìn)行CAE分析，分析示意圖見(jiàn)圖9所示，變形量見(jiàn)圖10所示，具體的分析結(jié)果見(jiàn)表3所示：

由上述結(jié)果可以看出，相對(duì)于故障件方案，3個(gè)改進(jìn)方案在各個(gè)工況下整體應(yīng)力水平均有明顯的降低，但是方案一和方案二頂部和底部均有變形，方案一和方案二變形量均>5%，方案三只有底部有變形，變形量<5%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。故最后確定選擇對(duì)方案三進(jìn)行試制樣件，并且進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2. 對(duì)除氣接頭根部和水位傳感器根部進(jìn)行CAE分析，分析示意圖見(jiàn)圖11所示，具體的分析結(jié)果見(jiàn)表5所示。

由上述分析結(jié)果可以看出，三種方案的根部應(yīng)力都≤23Mpa，都可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。最后選擇了應(yīng)力更小的除氣接頭增加圓角、加強(qiáng)筋，水位傳感器根部增加加強(qiáng)筋的方案。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)上述CAE分析可以看出，膨脹水箱對(duì)于爆破壓力工況載荷最敏感。所以在試驗(yàn)時(shí)，主要考核膨脹水箱所能承受的爆破壓力值和爆破壓力工況下箱體的變形量。對(duì)故障件進(jìn)行爆破壓力試驗(yàn)時(shí)，在壓力為260kPa時(shí)膨脹水箱就已經(jīng)開(kāi)裂。對(duì)改進(jìn)后的膨脹水箱進(jìn)行爆破壓力試驗(yàn)，得到膨脹水箱的爆破壓力可以達(dá)到400kPa，膨脹水箱的變形變形量<5%。

改進(jìn)后的膨脹水箱應(yīng)用在具體車(chē)型后，經(jīng)過(guò)一年的市場(chǎng)考驗(yàn)，售后索賠率下降到0.15%，索賠金額降低到5.3萬(wàn)元，索賠改善率達(dá)到90%以上，超過(guò)預(yù)期目標(biāo)，消除了用戶(hù)抱怨，降低索賠率減少了公司損失。

6 結(jié)論

本文對(duì)市場(chǎng)上反饋的膨脹水箱箱體開(kāi)裂、除氣接頭和水位傳感器接口部位局部斷裂等問(wèn)題，進(jìn)行了原因分析、方案改進(jìn)、CAE分析、試驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1. 造成膨脹水箱箱體開(kāi)裂的原因是由于箱體內(nèi)部加強(qiáng)筋不合理。在今后膨脹水箱開(kāi)發(fā)時(shí)，要采用十字型和T型加強(qiáng)筋相結(jié)合的內(nèi)部筋結(jié)構(gòu)，從而提高箱體的強(qiáng)度；

2. 造成除氣接頭和水位傳感器接口部位局部斷裂的原因，是由于接頭與箱體連接的根部過(guò)渡圓角小，并且外部無(wú)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。所以在后續(xù)膨脹水箱設(shè)計(jì)時(shí)，所有水管和氣管根部均需增加圓角和加強(qiáng)筋；

3. 由CAE分析可以看出，膨脹水箱對(duì)爆破壓力的敏感度最高，爆破壓力的設(shè)定值直接影響了膨脹水箱的功能。本文改進(jìn)后的膨脹水箱爆破壓力高于400kPa，已經(jīng)能夠滿(mǎn)足絕大多數(shù)大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)的要求；

4. 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，本文改進(jìn)后的膨脹箱已經(jīng)大幅度降低了售后索賠，提升了用戶(hù)滿(mǎn)意度。

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