乘用車半軸隔熱罩的隔熱性能試驗方法研究

褚偉萍，秦高峰

(泛亞汽車技術中心有限公司,上海 201288)

0 引言

發動機排氣歧管隔熱罩(簡稱隔熱罩)廣泛應用于汽車生產中，因車輛在極端工況下排氣歧管廢氣溫度會達到850 ℃，為保護周圍零件免受高溫損壞，此時隔熱罩對排氣歧管周圍零件尤為重要，例如半軸隔熱罩/轉向機隔熱罩等，能有效防護半軸護套和轉向機電機/護套。隔熱罩一般采用沖壓成型，且形狀是典型不規則的薄壁結構[1]，設計及成型的好壞直接影響其防護性能。目前，國內隔熱罩生產企業大多模仿國外產品進行設計制造[2]。近年來對隔熱罩的隔熱性能和抗震性能要求越來越高，但隔熱效率無具體臺架測試方法，相關研究較少[3]。

本文作者通過分析某款乘用車前艙溫度場，得出排氣歧管對周邊零件熱輻射影響情況，結合整車工況搭建物理試驗臺架，同時進行CAE虛擬建模分析，對比CAE虛擬分析溫度場和物理試驗結果，對隔熱罩的隔熱性能進行研究。

圖1 汽車底盤常用隔熱罩

1 整車發動機前艙溫度分布

汽車在不同工況和環境溫度下行駛，由于車輛運行工況不同，導致發動機排氣溫度不同，使發動機艙內溫度有較大變化。作者在溫度為40 ℃時，采集穩定爬坡工況下發動機艙內溫度分布情況，其熱場分布見圖2。可知：由于發動機排氣溫度較高，導致其周圍零件溫度明顯較高。通過整車熱場分布，可以看出發動機排氣歧管通過熱輻射對其周圍零件進行影響。從圖3看出：排氣歧管對半軸護套和半軸減震橡膠塊影響較大，橡膠長期處在高溫環境中，會加速橡膠零部件老化，大大縮短其使用壽命，此時凸顯出隔熱罩的必要性和重要性。

圖2 發動機艙溫度場分布

圖3 排氣歧管及半軸周圍溫度場

2 臺架試驗方法和原理

根據整車熱場分布情況，以半軸護套隔熱罩為測試實例，進行隔熱罩隔熱效率臺架測試(如圖4所示)。測量實車排氣歧管與隔熱罩的間距及隔熱罩與護套的最近距離。搭建測試臺架，利用燃燒管來模擬排氣歧管，并在燃燒管表面、隔熱罩內表面和半軸護套表面布置熱電偶采集溫度。

圖4 隔熱效率試驗臺架

不同位置溫度定義如下：將燃燒管作為熱源模擬排氣歧管溫度T1；隔熱罩內表面溫度為T2；半軸護套表面溫度為T3；自動記錄儀記錄加熱時間-溫度曲線(T1、T2、T3)。

隔熱效率定義：

式中：E1表示熱源經過隔熱罩后溫度衰減效率；E2表示熱源到零件表面溫度衰減效率。

因為實車隔熱罩初始狀態處于底盤處，無需進行溫度預處理，但是需要在隔熱罩表面測試點進行標記，并且使用支架工裝固定隔熱罩。根據實車測量隔熱罩與半軸護套間距固定半軸位置。臺架搭建完成后，設定熱源溫度使之達到額定溫度值，穩定5 min左右，讀取3個位置溫度并記錄；然后調節熱源溫度復測T1、T2、T3。

利用半軸及其隔熱罩等零件，根據文中測試方法，搭建試驗臺架，將熱源分別設置為350、500、650、750和850 ℃，在每個溫度點穩定5 min，分別測試T1、T2、T3并計算隔熱效率。具體結果詳見表1。

表1 試驗記錄

通過物理測試可以看出，隔熱罩能很好地阻斷排氣歧管的熱輻射，經過隔熱罩后隔斷61.6%的熱量，再經過10 mm空氣后到半軸護套表面溫度，相對于熱源溫度已經衰減了79.1%，隔熱罩起到了良好作用。通過隔熱效率能更加直觀地反映隔熱罩隔熱性能的好壞，更有利于把控零件質量。

3 建模計算

3.1 網格化分

模型簡化主要關注試驗臺架中的熱源及隔熱罩和半軸護套。首先以加熱管表面為基準簡化為片體，因為加熱管用來模擬排氣歧管進行熱輻射，模型簡化時加熱管半徑及弧度均與物理尺寸保持一致，且它與隔熱罩的間距參考實車工況間距設置為10 mm；其次隔熱罩是影響隔熱效率的關鍵零件，在模型簡化時保證隔熱罩輪廓形狀與實際相符，這樣可以更好地計算溫度值，本文作者選取常用的鋁合金板材隔熱罩進行網格劃分；最后是半軸護套，它與隔熱罩間距為10 mm，材料為氟橡膠。對幾何模型簡化后，再利用UG軟件進行面網格化分，利用四邊形殼單元，網格節點數53 598，單元格數27 434，在確保結果無誤的情況下，使網格數量盡可能地少，如圖5所示。

圖5 試驗模型網絡化

3.2 材料定義

隔熱罩采用兩層鍍鋁板，隔熱罩厚為1 mm，材料密度為7.80×103kg/m3，彈性模量為1.65×1011N/m2，泊松比為0.340。目前半軸護套材料主流以TPE(Thermoplastic Elastomer)為主，它是一種熱塑性彈性體材料，具有高強度、高回彈性、可注塑加工的特征，環保無毒安全，兼顧了橡膠和塑料的優點。

圖6 半軸隔熱罩

圖7 半軸護套

3.3 幾何模型

根據第3.1節和第3.2節，構建幾何模型如圖8所示，利用該模型分別模擬熱源溫度為350、500、650、750、850 ℃，計算熱源的溫度場，并計算隔熱罩內表面、半軸護套表面溫度，根據公式(1)和(2)計算不同溫度下、隔熱罩隔熱效率，見表2。

圖8 隔熱罩溫度測試模型表2 模型計算溫度

測試點溫度/℃ 隔熱效率/% T1T2T3E1E23501468958.2974.5750022011456.0077.2065034321047.2367.6975042026244.0065.0785049731441.5363.06平均隔熱效率49.4169.52

設置溫度為350 ℃時，通過Thermal仿真可以看出半軸/隔熱罩及排氣歧管溫度分布，如圖9—圖11，其中隔熱罩表面最高溫度為146 ℃，護套表面溫度為89 ℃。

圖9 CAE模擬溫度分布圖(設置模型溫度為350 ℃)

圖10 隔熱罩溫度分布圖(設置模型溫度為350 ℃)

圖11 半軸溫度分布圖(設置模型溫度為350 ℃)

當溫度模型設置為650 ℃，通過Thermal仿真可以得出零件及隔熱罩溫度分布，具體溫度如圖12—圖14所示，其中隔熱罩表面最高溫度為343 ℃，護套表面溫度為210 ℃。

圖12 CAE模擬溫度分布圖(設置模型溫度為650 ℃)

圖13 隔熱罩溫度分布圖(設置模型溫度為650 ℃)

圖14 半軸溫度分布圖(設置模型溫度為650 ℃)

設置模型測試溫度為750 ℃，通過Thermal仿真可以得出零件溫度場分布，如圖15—圖17所示，其中隔熱罩表面最高溫度為420 ℃，護套表面溫度為262 ℃。

圖15 CAE模擬溫度分布圖(設置模型溫度為750 ℃)

圖16 隔熱罩溫度分布圖(設置模型溫度為750 ℃)

圖17 半軸溫度分布圖(設置模型溫度為750 ℃)

對比表1和表2的隔熱效率計算結果，可以看出：在低溫時物理模型與仿真偏差較大，在高溫區域750和850 ℃時物理測試差別較小。對比物理測試和仿真條件差異性，影響因素有環境溫度、排氣流速大小、半軸零件熱電偶位置等，為提高試驗準確性，需要進一步進行物理試驗，調整仿真模型參數。

4 結論

通過物理臺架試驗能提前探知隔熱罩的隔熱效率，提前識別排氣歧管的溫度對周圍零件的影響。通過整車前艙溫度場分析，制定一個半軸隔熱罩隔熱效率試驗及計算方法，同時使用CAE建模并進行模擬。通過數據分析可以看出：物理實驗和虛擬仿真在高溫區域試驗結果匹配較好，但是在低溫區域350～550 ℃，物理模型試驗結果與虛擬仿真計算結果出入較大。接下來將對不同材質、不同形狀的隔熱罩形成穩健的虛擬模型，最終用虛擬計算代替物理試驗，進而節約成本。