某載貨汽車打氣泵出氣鋼管斷裂原因分析

陳偉，牟云峰

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

某載貨汽車打氣泵出氣鋼管斷裂原因分析

陳偉，牟云峰

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

針對某載貨汽車在市場上發生的打氣泵出氣鋼管斷裂問題，對可能導致的原因進行分析并一一排查，最終發現鋼管與發動機共振是導致鋼管斷裂的主要原因。可以通過優化鋼管中間固定位置與調整鋼管的形狀來提高鋼管的固有頻率，建議通過CAE對打氣泵出氣鋼管進行模態分析，建議其固有頻率大于300Hz。

鋼管斷裂；共振；固有頻率；模態分析

CLC NO.:U472 Docum en t Code: B A rticle ID: 1671-7988(2014)06-94-04

引言

汽車的制動性是汽車的主要性能之一，直接關系著交通安全。氣壓制動系憑借其可提供較大的制動驅動力而廣泛應用于各類中、重型載貨汽車中。打氣泵出氣鋼管作為氣源傳輸的起始氣路，是氣壓制動系重要的組成部分。由于打氣泵出氣鋼管直接與發動機打氣泵相連，其不停的承受著振動、高溫等惡劣環境的影響。市場上，氣壓制動載貨汽車打氣泵鋼管斷裂已經成為常見的故障之一。

本司某載貨汽車自2011年5月份至2012年2月份市場反饋發生打氣泵出氣鋼管斷裂故障52起（共銷售2200輛），故障率2.36%，故障平均里程不到7500km。

1、故障描述

通過對返回的故障件進行觀察，鋼管斷裂均發生在距離壓縮機口30mm～40mm的范圍內。

2、原因分析

對鋼管斷裂故障進行FTA分析。

本司已經全面實現了數據的三維化設計，該打氣泵出氣鋼管已經至于整車環境中進行過專業的尺寸校核與DMU檢查，可以排除理論設計錯誤和鋼管與其他部件干涉的可能性（圖3）。鋼管材料選用國內普遍使用的符合標準YB/T 4164雙層銅焊鋼管，在對鋼管的抽樣檢查中，其力學性能均滿足標準要求。制造部門嚴格根據裝配作業指導書進行裝配，裝配誤差可以很好的處于控制范圍內，裝配誤差也不是影響該車大面積斷裂的主因。下文將主要從制造誤差以及鋼管與發動機發生共振兩個方便進行驗證，找出壓縮機出氣鋼管斷裂的主因并實施有效對策。

3、制造誤差

鋼管使用專用的數控彎管設備折彎成型，生產時受車床自身因素、夾具精度、工藝因素、操作因素等原因的影響，不可避免的存在制造誤差。鋼管的成型過程是一個多次連續折彎的過程，正是這鋼管連續折彎的特點導致前一個折彎點產生的誤差向下一個折彎點傳遞放大。如每一個折彎點的折彎角度產生0.5°的制造誤差，該壓縮機出氣鋼管存在7個折彎點，最后的一次折彎與理論值將相差3.5°。

隨機選取的一根已生產的打氣泵出氣鋼管進行掃描后，把采集的數據通過軟件CATIA實現三維逆向建模。逆向數據與理論數據進行對比，保持一個端口重疊，另一端發生了明顯的偏差，如圖4所示。

較大的制造誤差導致鋼管安裝后產生較大的內應力，會大大縮短鋼管的使用壽命。為了保證打氣泵出氣鋼管的尺寸處于設計誤差范圍內，我司根據理論數據制作了專用檢具，在進廠檢驗中，外形尺寸納入必檢項。

所有使用的鋼管制造誤差均在設計誤差的范圍內，雖然制造誤差是導致鋼管斷裂的一個因素，但并不是主要因素。

4、鋼管與發動機共振

共振是指一物理系統在特定頻率下，比其他頻率以更大的振幅做振動的情形，此些特定頻率稱之為共振頻率。當阻尼很小時，共振頻率約等于系統的固有頻率。在共振頻率下，很小的周期振動便可產生很大的振動。

在出氣鋼管上加載使其變形后，突然去除載荷時，出氣鋼管產生振動。此時的頻率為出氣鋼管的固有頻率，該頻率由鋼管重量與剛度決定的。

固有頻率的公式一般如下表示：

f＝（K/M）1/2/（2×π） （1）

式中，f：固有頻率；K：剛度；M：重量。

4缸發動機的情況下，曲軸轉動一次發動機燃燒（爆發）2次，所以發動機振動頻率是曲軸轉速的2倍。

當鋼管長度較長時，其剛度會下降，鋼管的固有頻率下降。因此，當鋼管兩個固定點之間間隔大時，鋼管的固有頻率就有可能降到發動機的使用轉速內，從而產生共振，如圖6所示。

選取該載貨汽車打氣泵出氣鋼管的三個點（測點1、測點2、測點3）進行振動加速度數據采集，如圖7所示。采集數據如圖8所示。

由圖8可以看出，在發動機轉速為1300r/m in和2600r/m in時，測點2的X、Y、Z三個方向振動加速度均突然增大，發生共振。其中Y方向振動最大，與實際斷裂方向一致。1300r/m in為發動機常用轉速，因此該鋼管經常在較大的振動加速度下工作，易發生疲勞斷裂。

為了對比說明共振是該載貨汽車打氣泵鋼管發生斷裂的主要因素，特選擇了我司另一款打氣泵出氣鋼管故障率低（市場銷售1200輛，故障1輛）的載貨汽車用相同的方法進行振動加速度數據采集，如圖9所示。

可以看出，試驗車輛的鋼管振動加速度隨著發動機轉速的上升而平滑上升，沒有發生共振。

由固有頻率公式可知，增加鋼管的剛度可以提高其固有頻率。我們拿出了兩種修改方案，一是在對現有鋼管再增加一處中間固定（原先已有一處固定，新增固定位于圖7測點2附近），驗證效果如圖10所示。

此方案消除了測點2的共振，但測點3的Y方向出現了振動陡增，也就是說消除了測點1的斷裂共振因素但新增固定點2成為了新的潛在斷裂點。方案一不可行。

二是調整鋼管的外形以提高其剛度，如圖11所示。驗證效果如圖12所示。

可以看出，整改后的鋼管在發動機升速過程中隨發動機轉速上升振動加速度上升平滑，并沒有發生共振，狀態良好。也就是現在鋼管的共振點位于發動機常用轉速之外。

利用軟件Hyper Mesh對方案二調整前后的鋼管進行模態分析，整改前鋼管的固有頻率為145Hz，整改后鋼管的固有頻率為332Hz，遠遠超過了該車發動機常用轉速的固有頻率范圍。

5、總結

筆者對可能導致打氣泵鋼管斷裂的因素進行一一排查驗證，最終發現打氣泵出氣鋼管與發動機共振是導致該載貨汽車打氣泵出氣鋼管斷裂的主要原因。經過總結，筆者得到如下經驗：

A、發生共振的概率與鋼管最高處和打氣泵出氣口處的距離有直接關系，距離遠則質量變大，容易降低鋼管固有頻率，直到接近發動機振動頻率，從而發生共振；

B、發生共振的概率與固定點數量關系不大，與固定點的位置關系較大，如本案例所示，故障件與發動機有兩個共振點，新增一處固定后可以消除發動機1300轉時的共振但無法消除發動機2600轉時的共振。所以設計中需要合理布置鋼管的固定點。

C、管路設計完成后需要進行CAE模態分析，確認其固有頻率，并與發動機常用轉速的頻率對比，避免發生共振，建議打氣泵出氣鋼管的固有頻率在300HZ以上。

參考資料

[1] 余志生.汽車理論.機械工業出版社.2000.

[2] 現代振動與噪聲技術（第7卷）.航空工業出版社.2009.1.

[3] 基于HYPERWORKS的結構優化設計技術. 機械工業出版社.2007.11.

無線充電系統市場將在6年內大幅增長

W ireless charging systems market w ill grow substantially in six years

近日，Frost & Sullivan咨詢公司發布了一份分析報告，指出2012-2020年間，無線充電技術的市場年復合增長率將達到126.6%，期間將有351,900套無線充電系統被售出。同時，無線充電系統將占北美家用住宅費用的1.2%，占歐洲家用住宅費用2.6%。而到2020年無線充電系統將占據所有電動車充電方式的70%。

由于歐洲政府部門、整車廠、充電站制造商正在合作推行多個無線充電項目，因此歐洲地區無線充電市場增長將最快。

Frost & Sullivan公司汽車和運輸高級研究分析師Prajyot Sathe表示：“雷諾、日產、戴姆勒、沃爾沃、寶馬、豐田都在進行電動車無線充電技術的研發，并且已經有許多車企宣布無線充電技術已經投入測試階段。

An Analytical Study of the Pump Outlet Pipe Fracture about Truck

Chen Wei, Mou Yunfeng
（Technique center, Anhui Jianghuai Automobile CO., LTD, Anhui Hefei 230601）

A truck in the market place of the pump outlet pipe fracture problems, to analyze the causes and investigation, finally found the steel pipe and the engine resonance tube fracture is the main reason leading to. By optimizing the pipe is fixed in the m iddle position and adjusting the pipe shape to improve the natural frequency of pipe, as suggested by the CAE rally the air outlet of the air pump pipe modal analysis, the natural frequency is more than 300Hz.

Steel pipe Fracture; Resonance; Natural Frequency; Modal Analysis

U472

B

1671-7988(2014)06-94-04

陳偉，就職于安徽江淮汽車技術中心商用車研究院。