汽車散熱器耐壓力交變疲勞性研究

張麗英

法雷奧企業管理（上海）有限公司 上海市 200240

1 引言

汽車散熱器作為發動機冷卻回路最重要的換熱器，隨著對整車的輕量化，經濟，高效的要求不斷提升，汽車散熱器的結構設計和材料選型要求也隨之不斷增嚴。同時，隨著質量三包和零部件設計壽命的不斷提升：三包從3年10萬公里 或提升至8年12萬公里等，設計壽命從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。耐壓力交變疲勞實驗作為模擬和檢測散熱器實際使用工況的測試，是對散熱器芯體設計，芯體組裝或釬焊工藝，以及材料抗拉伸的一個綜合考驗。

2 散熱器耐壓力交變實驗標準解析

目前國內外大多數車企耐壓力交變分為高低壓2個分段，低壓范圍在0Kpa-200Kpa，次數10-20萬次；高壓范圍在25Kpa-325Kpa，次數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之內需要完成從低壓爬升至高壓。

最后對于實驗結果的接受標準，絕大數車企或者國標都以散熱器的密封性作為實驗合格的評判標準。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。

以目前比較嚴苛的某美系車企標準為例展開討論，其公式1為置信度，可靠度，樣件數量和循環次數的換算關系。其中可靠度R要求為0.99，置信度C要求為0.5，wellbul計算B斜率為3.由公式1可以計算得出在確定樣件數量n的前提下，可以得出實驗循環次數（Test life）

一般由于實驗設備容量能力限制，設備一次能放置的樣件數量基本在6-8件。以6件為例代入上述公式中，則得出實驗循環次數為 337500（即2.25倍高低壓循環，其中1倍循環為150000次，總的實驗時間為21天）。如此高的循環次數，不僅是對產品的耐久性提出高要求，相應的實驗測試和時間成本都比較高，因此需要在前期設計上來降低或者避免失效的風險。

2.1 散熱器耐壓力交變實驗機理和失效模式分析

如1.1章節所述，耐壓力交變實驗是通過冷卻液以高低壓不斷循環的方式對散熱器進行交替沖擊。當高溫高壓的冷卻液從進口水室沖入散熱器芯體，如圖2右邊紅色區域顯示，塑料水室會在彈性變形范圍之內，進行交替膨脹和收縮，隨之主片也會跟著相應的彈性變形，尤其是在水室進出口處的壓力沖擊尤其嚴重。

隨著循環次數的不斷增加，主片或者水室局部位置的疲勞損傷不斷累積從而導致材料失去彈性變形而后進入塑性變形階段，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 耐壓力交變失效設計改進

如何防止壓力交變疲勞試驗失效，需要考慮經濟性以及可制造性的前提下，在水室和主片的設計上進行綜合權衡。

2.2.1 水室設計改進

當壓力沖入散熱器的時，首先受到變形的為塑料水室。從物理學上來看，變形即為材料應變量，疲勞損傷則為材料抗變形產生的應力積累。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，應力和應變基本為線性，楊氏模量為常量。具體計算見公式2，可見減少水室變形量則可以直接減少應力值。

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仿真結果得出3.5mm水室產生的主片最大應力同比3mm水室約減少10%，但是對于局部應力減少不是相當明顯，約減少4%。如圖4所示。

（2）水室局部加強：一般水室受到沖擊最強烈的地方往往都發生在進出口水管背面，那么此處需要局部加強筋來增加抗沖擊能力。加強筋方式有內部加強筋和外部加強筋兩種，外部加強筋還要特別注意注塑模具脫模可行性，內部加強筋會影響散熱器內部阻力，因此需要綜合權衡以后確定筋位位置和設計。其中內部加強筋對于抗水室變形有非常明顯的作用，圖5為某設計案例中，表明帶內部加強筋應力為不帶內部內部加強筋的72%。

針對外部加強筋設計時，主要的設計參數有加強筋的高度，間隔距離，位置以及形狀。圖6為某水室管口位置加強筋設計案例，管口正面和背面做特別加強處理-加了一些橫向筋位。同時和水室底部的連接筋位因為要考慮主片咬邊行程，筋位間隔和高度都有要求。

除此之外，水室外部局部加強需要特別注意水室本身某些應力集中點，應力過大也是水室局部開裂的原因。特別是加強筋倒角的大小也會直接影響應力是否集中，圖7表明，當倒角從R1變成R2時，局部應力可減少40%，因此筋部倒角也是設計中需要著重注意的因素之一。

2.2.2 主片設計改進

當受到各種因素限制，水室不可避免的產生較大變形量以后，那么需要同時考慮如何加強主片的抗拉伸能力。主片加強主要為同材料增加厚度或者替換為高強度材料。目前行業普遍用到的釬焊式散熱器中主片材料為3系鋁合金（單面復合4045），機械式散熱器為5系鋁合金（無復合層）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，鋼材的機械強度最高，優于5系和3系鋁合金材料。但是從沖壓特性，化學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，其厚度對于抗機械應變有直接聯系。以5系材料為例，圖8為相同水室設計下的不同主片厚度的FEA應力分析結果，2mm主片應力減少為1.2mm主片的30% 左右。

以鍍鋅鋼板為例，圖9為相同水室設計下的不同主片厚度的FEA應力分析結果，1mm主片應力為0.8mm主片的88% 左右。

綜上所述，對于解決壓力交變失效方法，考慮到設計限制、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，推薦優先選擇優化水室結構設計。 改變主片材料和厚度，對于散熱器的標準化生產將會產生影響，因此可作為第二考慮方向。

表1 不同主片材料的機械性能

3 結語

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