發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管支架疲勞開裂分析與優(yōu)化

王振 張育春 李文輝 賀禮

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，寧波 315336）

1 前言

汽車在使用過程中會(huì)出現(xiàn)零部件失效的情況，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的失效占比高達(dá)41%，如鍛造夾雜異物導(dǎo)致曲軸油道內(nèi)壁扭轉(zhuǎn)疲勞開裂[1]、排氣管支架焊接螺母疲勞開裂[2]等。疲勞斷裂導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件失效已成為汽車零部件失效的主要類型。

進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件，基于輕量化的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)氣歧管普遍采用尼龍材料，同時(shí)，尼龍進(jìn)氣歧管還具有改善熱起動(dòng)性能、減小空氣流動(dòng)阻力等優(yōu)點(diǎn)。但受其穩(wěn)壓分流作用及成型工藝影響，尼龍進(jìn)氣歧管的體積較大，進(jìn)氣歧管及附屬零件在設(shè)計(jì)及應(yīng)用過程中需考慮振動(dòng)模態(tài)，避免出現(xiàn)振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞失效。

某1.5 L 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)階段進(jìn)行臺(tái)架耐久試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)氣歧管固定支架多次出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。針對(duì)此問題，本文結(jié)合CAE 仿真計(jì)算及實(shí)物驗(yàn)證等措施確定故障原因，提出解決方案并通過仿真計(jì)算和多樣本量臺(tái)架實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證了方案的有效性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及故障描述

該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管為尼龍材料，通過螺栓固定在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋上，其固定采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，為提高可靠性，在進(jìn)氣歧管下端增加固定支架并與氣缸體連接，如圖1所示。

圖1 進(jìn)氣歧管支架布置

該機(jī)型在發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性測(cè)試臺(tái)架上運(yùn)行174 h后，進(jìn)行臺(tái)架日常巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣歧管固定支架開裂，如圖2所示，其他正在進(jìn)行同類型試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)同一支架也出現(xiàn)了開裂的問題，如圖3所示，且裂紋在同一區(qū)域，屬同類問題。

圖2 首發(fā)支架開裂

圖3 同類型試驗(yàn)支架開裂

3 故障分析

3.1 材料分析

失效件斷裂位置均出現(xiàn)在支架折彎處，支架斷口部位存在表面腐蝕，如圖4所示，對(duì)支架斷口進(jìn)行電鏡分析，如圖5所示，由裂紋源頭處的微觀斷口形貌可知，支架開裂始于折彎內(nèi)邊緣（“7”字型邊緣），裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌可見疲勞輝紋，為疲勞斷裂特征。

圖4 支架斷口表面銹蝕

圖5 支架斷口電鏡分析結(jié)果

支架材料為SUH409L，為排除失效件材料問題，對(duì)失效件進(jìn)行材料成分檢測(cè)，結(jié)果如表1 所示，未發(fā)現(xiàn)異常。

表1 失效件材料檢測(cè)結(jié)果

3.2 設(shè)計(jì)確認(rèn)

為確認(rèn)支架設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)支架方案進(jìn)行CAE 仿真計(jì)算，參考數(shù)據(jù)庫信息，振動(dòng)加速度按照15g帶入1 階模態(tài)計(jì)算模型，結(jié)果顯示，支架最薄弱位置與失效件斷口分析結(jié)果相吻合，但薄弱處疲勞安全系數(shù)為1.21，大于1.10，符合設(shè)計(jì)要求，如圖6所示。

圖6 支架疲勞安全系數(shù)仿真計(jì)算結(jié)果

對(duì)比相同制造商其他發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)氣歧管模態(tài)計(jì)算結(jié)果，失效發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管模態(tài)頻率為142 Hz，處于中等水平，如表2所示。

表2 進(jìn)氣歧管整機(jī)模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果Hz

3.3 試驗(yàn)邊界排查

對(duì)失效發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)邊界進(jìn)行排查以確認(rèn)邊界環(huán)境是否存在異常。由于失效形式為疲勞開裂，考慮到試驗(yàn)時(shí)臺(tái)架的振動(dòng)作用，測(cè)試臺(tái)架的振動(dòng)加速度，結(jié)果如表3所示，實(shí)測(cè)結(jié)果高于仿真計(jì)算結(jié)果（15g），初步說明試驗(yàn)邊界與仿真計(jì)算邊界不符。

表3 臺(tái)架振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果g

為進(jìn)一步確認(rèn)臺(tái)架振動(dòng)的影響，對(duì)其他臺(tái)架進(jìn)行共振測(cè)試，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管共振情況，結(jié)果如圖7 所示，進(jìn)氣歧管在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5 960 r/min時(shí)的振動(dòng)加速度為36.35g，遠(yuǎn)高于仿真計(jì)算結(jié)果（15g），故可確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速條件下存在明顯的共振現(xiàn)象。

按照臺(tái)架實(shí)測(cè)結(jié)果重新計(jì)算CAE 仿真模型的振動(dòng)邊界，結(jié)果顯示，支架折彎處最小疲勞安全系數(shù)為0.82，不滿足設(shè)計(jì)要求，與失效件故障吻合，如圖8 所示。因此，可以確定支架開裂的原因是試驗(yàn)臺(tái)架在發(fā)動(dòng)機(jī)高速工作條件下產(chǎn)生的共振超過零件設(shè)計(jì)要求。

圖8 試驗(yàn)邊界更新后疲勞安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.4 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

經(jīng)確認(rèn)，試驗(yàn)用臺(tái)架自身的振動(dòng)符合要求，且搭載其他類型發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)未出現(xiàn)異常共振，因此，對(duì)支架進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

在不更改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下，將支架材料更換為Q235B 進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真振動(dòng)邊界更新為臺(tái)架實(shí)測(cè)結(jié)果，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。折彎處的平均應(yīng)力高于Q235B的疲勞應(yīng)力極限（175.5 MPa），存在疲勞斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

表4 更換材料前、后疲勞安全系數(shù)和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

繼續(xù)對(duì)支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，沿用原設(shè)計(jì)方案的材料，支架結(jié)構(gòu)由單翻邊更改為雙翻邊，如圖9 所示，分別對(duì)翻邊高度為3 mm、5 mm 的狀態(tài)進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果顯示，翻邊高度為5 mm 時(shí)各階次模態(tài)頻率仿真結(jié)果均優(yōu)于翻邊高度為3 mm 時(shí)的結(jié)果，其中3階模態(tài)頻率提升4 Hz，如表5所示。

表5 雙翻邊支架模態(tài)仿真結(jié)果

圖9 支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將發(fā)動(dòng)機(jī)更換雙翻邊支架樣件并搭載到原臺(tái)架上進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖10所示，進(jìn)氣歧管振動(dòng)加速度最大值減小為30.52g，但共振仍然偏大，支架存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 雙翻邊支架臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

由于以上方案均無法滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)支架采用QT500 鑄造工藝方案進(jìn)行評(píng)估，其模態(tài)仿真結(jié)果均優(yōu)于雙翻邊方案，如表6所示。

表6 QT500鑄造支架模態(tài)分析結(jié)果Hz

采用QT500 鑄造工藝方案制作支架快速樣件，搭載于整機(jī)進(jìn)行臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試，結(jié)果如圖11 所示，進(jìn)氣歧管振動(dòng)加速度最大值減小至15.75g，接近15g正常設(shè)計(jì)水平，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 QT500鑄造支架臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

將原狀態(tài)的支架樣件和QT500 鑄造工藝方案的支架樣件在NVH 專用臺(tái)架上進(jìn)行全負(fù)荷加速工況專項(xiàng)測(cè)試，對(duì)比結(jié)果如圖12所示。

圖12 鑄鐵支架與原方案振動(dòng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

繼續(xù)測(cè)試進(jìn)氣歧管近端振動(dòng)加速度，結(jié)果如表7所示，可知歧管近端振動(dòng)處于正常水平，滿足設(shè)計(jì)要求。

表7 進(jìn)氣歧管近端與遠(yuǎn)端振動(dòng)測(cè)試結(jié)果g

對(duì)QT500 鑄造工藝方案的進(jìn)氣歧管支架進(jìn)行5輪次臺(tái)架耐久驗(yàn)證，試驗(yàn)后均未發(fā)生支架開裂現(xiàn)象，如圖13所示，改善措施有效。

圖13 鑄鐵支架臺(tái)架耐久測(cè)試后狀態(tài)

4 結(jié)束語

本文針對(duì)進(jìn)氣歧管固定支架開裂問題進(jìn)行了分析及優(yōu)化。首先，對(duì)失效支架的理化特性、斷口金相進(jìn)行確認(rèn)，排除了材料及零部件質(zhì)量問題。然后，在設(shè)計(jì)改動(dòng)量最小的前提下，分別對(duì)更改材料、雙翻邊的方案進(jìn)行了仿真計(jì)算及樣件快速驗(yàn)證。最后，在確認(rèn)支架斷裂主要原因?yàn)檫M(jìn)氣歧管遠(yuǎn)端振動(dòng)大導(dǎo)致的固定支架共振斷裂后，采用QT500 鑄造工藝制作樣件并安裝于整機(jī)進(jìn)行臺(tái)架耐久測(cè)試，通過驗(yàn)證。