張丹，劉帥帥

（陜西華臻車輛部件有限公司，陜西 西安 710200）

1 前言

在車輛制造和使用過(guò)程中，冷卻系統(tǒng)中不可避免地會(huì)殘留一定量的空氣。車輛正常工作時(shí)，殘留的氣體導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)散熱性能降低，內(nèi)部零件腐蝕損壞，水泵進(jìn)水量減少，發(fā)生氣蝕[1]。膨脹水箱作為冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是有效去除冷卻系統(tǒng)中的氣體，調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部壓力，保證水泵進(jìn)水口壓力，防止氣蝕發(fā)生，同時(shí)為冷卻液受熱提供膨脹空間[2-3]。因此，保證膨脹水箱的正常工作尤為重要。

某重型卡車用膨脹水箱在使用過(guò)程中出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫報(bào)警，經(jīng)排查后發(fā)現(xiàn)膨脹水箱開裂漏液等多處故障，對(duì)市場(chǎng)失效件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，平均故障率高達(dá)12.08%，累計(jì)索賠金額110余萬(wàn)。為降低產(chǎn)品質(zhì)量損失，對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行失效分析，從材料及工藝入手，對(duì)該產(chǎn)品及安裝支架重新設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以降低產(chǎn)品售后故障率。

2 膨脹水箱失效分析

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品舊件故障統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品故障件中漏液占到90%以上，主要的損壞形式有：大平面處鼓包開裂、進(jìn)氣管傾斜或斷裂、安裝孔處開裂、回水口發(fā)白或斷裂。失效原因分析如下：

2.1 平面鼓包開裂

該產(chǎn)品采用HDPE，吹塑成型工藝，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及成型工藝限制，無(wú)法準(zhǔn)確控制產(chǎn)品厚度，產(chǎn)品厚度不均，且產(chǎn)品內(nèi)部中空無(wú)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，受冷卻系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的高溫氣流反復(fù)沖擊，大平面處易產(chǎn)生鼓包，導(dǎo)致局部薄弱點(diǎn)開裂，泄露。如圖1 所示。

圖1 平面鼓包開裂

2.2 氣管傾斜或斷裂

膨脹水箱布置在駕駛室后方，且高于冷卻系統(tǒng)管路最高處[4]，進(jìn)氣管布置在膨脹水箱正上方，散熱器及發(fā)動(dòng)機(jī)軟管與膨脹水箱進(jìn)氣管反向連接，此布置不利于水氣通過(guò)，且在車輛行駛中，管路晃動(dòng)容易對(duì)進(jìn)氣管造成拉扯，導(dǎo)致傾斜，斷裂。如圖2 所示。

圖2 進(jìn)氣管斷裂

2.3 安裝孔處開裂

膨脹水箱與安裝支架通過(guò)螺栓固定，固定位置集中且處于產(chǎn)品中心，路面的顛簸傳遞到膨脹水箱及其安裝支架，安裝點(diǎn)集中且受到較大力矩，使膨脹水箱連接處開裂。如圖3所示。

圖3 安裝孔處開裂

2.4 回水口發(fā)白或斷裂

膨脹水箱回水管位于箱體右側(cè)，接口水平向右，水泵連接管路位于右下方，與回水管呈45°夾角，車輛運(yùn)行中不可避免地造成拉扯，導(dǎo)致回水口根部發(fā)白，斷裂，如圖4 所示。

圖4 回水口處發(fā)白斷裂

根據(jù)失效原因分析，該產(chǎn)品采用吹塑成型內(nèi)部中空導(dǎo)致強(qiáng)度不足，出現(xiàn)鼓包變形，局部結(jié)構(gòu)布置不合理，易引起斷裂失效，產(chǎn)品工藝及結(jié)構(gòu)不能滿足產(chǎn)品使用需求，因此需對(duì)產(chǎn)品重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，以從根本上解決該產(chǎn)品存在的問(wèn)題。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析結(jié)果，為解決產(chǎn)品開裂漏液的問(wèn)題，作出如下改進(jìn)措施：

3.1 膨脹水箱設(shè)計(jì)

3.1.1 材料與成型工藝

對(duì)膨脹水箱進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，分為內(nèi)殼體和外殼體，殼體采用半透明PP 材料，通過(guò)注塑成型，熱板焊接連接成為一個(gè)整體，產(chǎn)品表面平整，壁厚均勻一致，相比于HDPE 透明度更好，且具有更好的強(qiáng)度及耐熱性。

3.1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖5 所示，膨脹水箱內(nèi)殼體和外殼體內(nèi)部布置有十字型加強(qiáng)筋板，可增加焊接面積，提高焊縫可靠性；同時(shí)對(duì)內(nèi)部起到支撐作用，提高產(chǎn)品強(qiáng)度，防止出現(xiàn)局部變形；另一方面內(nèi)置加強(qiáng)筋板上布置有通孔，形成水流通道和氣流通道，從發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)排出的氣泡與筋板多次碰撞有利于氣體液化。通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)膨脹水箱內(nèi)部水氣分離，增強(qiáng)除氣效果。

圖5 內(nèi)部筋板及通孔

如圖6 所示，對(duì)膨脹水箱進(jìn)氣管位置及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在膨脹水箱側(cè)面設(shè)計(jì)凸臺(tái)，將進(jìn)氣管布置在凸臺(tái)上，進(jìn)氣管開口向下，保證與進(jìn)氣管路方向一致，利于水氣通過(guò)且不易拉扯斷裂；在進(jìn)氣管頭部設(shè)計(jì)防脫結(jié)構(gòu)，利于卡箍固定軟管，保證安裝可靠。

圖6 進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖7 所示，回水管布置在箱體最底面，最大程度防止水泵工作時(shí)將氣體卷入冷卻系統(tǒng)，設(shè)置開口向下，與回水方向一致，防止與連接軟管折彎拉扯導(dǎo)致開裂，頭部設(shè)計(jì)防脫結(jié)構(gòu)。

圖7 回水管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.3 固定方式

該膨脹水箱安裝于駕駛室后方支架上，呈Z 向安裝，如圖8 所示，產(chǎn)品內(nèi)殼體安裝面設(shè)計(jì)一體成型安裝點(diǎn)，分布于產(chǎn)品兩側(cè)及底部，底部安裝板根部設(shè)計(jì)筋板增加強(qiáng)度，箱體背部設(shè)置支架固定槽，將安裝支架固定于槽內(nèi)。通過(guò)分散固定點(diǎn)，布置固定槽，減少車輛晃動(dòng)對(duì)膨脹水箱安裝點(diǎn)的影響。

圖8 安裝支架固定槽

3.2 支架設(shè)計(jì)

根據(jù)膨脹水箱外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專用固定支架，如圖9 所示，支架連接板通過(guò)四個(gè)螺栓與車身固定，對(duì)支架在垂向沖擊工況，轉(zhuǎn)彎工況，制動(dòng)工況下的強(qiáng)度進(jìn)行CAE 分析，如下圖10，圖11，圖12 所示，各工況應(yīng)力及安全系數(shù)分析結(jié)果見表1：

表1 支架各工況應(yīng)力及安全系數(shù)

圖9 固定支架

圖10 垂向沖擊工況

圖11 轉(zhuǎn)彎工況

圖12 制動(dòng)工況

通過(guò)計(jì)算機(jī)CAE 模擬分析軟件，對(duì)支架在各工況（垂向沖擊轉(zhuǎn)彎制動(dòng)）進(jìn)行受力分析，安全系數(shù)均大于1.5，支架滿足使用強(qiáng)度要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

冷卻系統(tǒng)能夠正常工作，需要建立足夠的系統(tǒng)壓力來(lái)保證冷卻液循環(huán)，從而帶走發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量，冷卻液吸收熱量后通過(guò)散熱器散熱，同時(shí)受熱膨脹后的冷卻液及產(chǎn)生的氣體進(jìn)入膨脹水箱[5]。膨脹水箱使冷卻系統(tǒng)與外界隔離，通過(guò)壓力蓋維持系統(tǒng)內(nèi)部壓力動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，因此膨脹水箱需具有良好的耐壓性。另外該膨脹水箱為駕駛室后背式，車輛行駛中晃動(dòng)較大，需對(duì)產(chǎn)品安裝支架及固定方式可靠性進(jìn)行試驗(yàn)?；谝陨戏治?，對(duì)膨脹水箱進(jìn)行爆破試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)。

4.1 爆破試驗(yàn)

對(duì)改進(jìn)后產(chǎn)品進(jìn)行密封保壓測(cè)試后，進(jìn)行爆破試驗(yàn)，密封性合格，爆破壓力＞600kPa，如圖13，圖14 所示，完全滿足主機(jī)廠使用要求。

圖13 爆破試驗(yàn)

圖14 爆破壓力

4.2 振動(dòng)試驗(yàn)

圖15 振動(dòng)試驗(yàn)

將膨脹箱固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架上，密封好所有開口，頻率20Hz，加速度30m/s2，X/Y/Z 三個(gè)方向各振動(dòng)5×106次，不產(chǎn)生龜裂等異?，F(xiàn)象，重復(fù)密封實(shí)驗(yàn)，無(wú)滲漏現(xiàn)象。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)市場(chǎng)驗(yàn)證，該膨脹水箱目前索賠率降至1%以內(nèi)，質(zhì)量明顯改進(jìn)，大大降低了產(chǎn)品索賠。通過(guò)以上案例得到以下結(jié)論：

（1）吹塑類膨脹水箱產(chǎn)品可從材料/工藝/結(jié)構(gòu)三方面入手，優(yōu)化改進(jìn)產(chǎn)品性能；

（2）產(chǎn)品內(nèi)部可設(shè)計(jì)筋板提高強(qiáng)度，同時(shí)設(shè)置水通道和氣通道，有利于水氣分離，且筋板利于氣體液化；

（3）膨脹水箱外部進(jìn)氣管，回水管設(shè)計(jì)時(shí)盡量與連接管路方向保持一致，降低斷裂風(fēng)險(xiǎn)；

（4）后背式膨脹水箱一般邊界限制條件少，產(chǎn)品外觀規(guī)則，可與支架配合進(jìn)行設(shè)計(jì)，且通過(guò)支架改型設(shè)計(jì)，可通用于其他后背式膨脹水箱車型。