汽车电动真空泵隔热罩开裂故障分析.docxVIP

汽车电动真空泵隔热罩开裂故障分析

徐文冰屈新田谌胜李季崔玉涛

（东风汽车公司技术中心武汉430058）

摘要：某汽车电动真空泵隔热罩在整车耐久试验过程中出现开裂现象，通过分析此隔热罩的应用环境和共

振特性，发现隔热罩开裂并不是由高温引起的热应力所致，而是共振原因。随机振动仿真结果最大应力值

出现的位置与试验开裂位置一致，且最大应力值超过了其材料的屈服极限。通过模态分析法和形貌优化，

分别对原设计方案进行优化，找到了最佳的更改方案，且更改方案也通过了整车耐久试验。

关键词：隔热罩；热应力；随机振动；模态分析；形貌优化

HeatShieldFatigueanalysisofVehicle

ElectricVacuumPump

XuWenbing,QuXintian,ShenSheng,LiJi,CuiYutao

(DongfengMotorCompanyTechnologyCenter,Wuhan,430058)

1引言

电动真空泵被广泛应用在汽车制动助力系统中，它能通过真空度传感器实时监测助力器

内的真空度变化，可以保证驾驶者在各种工况下，都能获得足够的助力效果。电动真空泵依

据结构方面的差异，可分为膜片式、叶片式和摇摆活塞式三种，其布置要素需考虑安装角度、

安装高度和噪音等，一般布置在远离驾驶员的动力总成一端，且不允许倒置安装。本文中用

到的是叶片式电动真空泵，其通过安装支架直接固定在发动机壳体上，且靠近排气歧管。

发动机排气歧管产生的废气温度非常高，其表面均会做隔热处理，以降低排气歧管高温

对机舱其它零部件的影响。为了进一步减少热辐射对电动真空泵的影响，在电动真空泵上安

装了隔热罩。隔热罩由于自身的结构特点，刚度不足，又经常工作在高温、强振动的环境下，

经长时间运行后容易发生开裂破坏现象[1]。

2故障描述

某汽车电动真空泵隔热罩在整车耐久试验过程中出现开裂现象，如图1所示。开裂位置

发生在倒角折弯处。隔热罩为冲压成型件，表面做了特殊处理，隔热罩壁厚为0.5mm，其

材料为铝1060-0，屈服强度不超过35MPa。

电动真空泵隔热罩一端通过螺栓固定在电动真空泵安装支架上，另一端则与电动真空泵

及其安装支架相连，电动真空泵安装支架通过分布于同侧的三个螺栓孔与发动机壳体（靠近

排气歧管端）相连，如图2所示。

图1隔热罩路试开裂位置图2电动真空泵隔热罩模型介绍

3失效排查分析

根据电动真空泵隔热罩的应用环境，初步可以判断其开裂是由热应力或者共振所致。

电动真空泵隔热罩紧靠排气歧管，受其热辐射影响，隔热罩工作温度较高，产生的热应

力较大。可以通过仿真分析，计算隔热罩受热后的应力分布图，对比其材料屈服强度，明确

开裂原因是否为热应力所致。

电动真空泵直接安装在发动机壳体上，发动机最高转速为5500r/min，在全负荷运行时

振动强度非常大，若发生共振，破坏能力是非常大的。因此隔热罩设计时其固有频率应避开

四缸发动机的二阶激励频率，一般有1.2倍的安全系数。发动机二阶激励频率为183Hz，所

以隔热罩固有频率要求大于220Hz。采用模态分析法，根据电动真空泵隔热罩一阶模态值和最大应变能出现的位置，可以判定隔热罩是否为共振破裂[2]。

3.1有限元建模

采用HyperWorks软件进行建模，其中隔热罩和电动真空泵安装支架均采用壳单元模拟，

而电动真空泵则采用mass单元简化处理，安装支架与发动机端连接处全约束，如图3所示。

材料清单如表1所示。

图3电动真空泵隔热罩有限元建模

表1材料清单

部件材料名称密度/t.mm-3弹性模量/GPa泊松比屈服强度/MPa

安装支架08AL7.9e-92100.3325

隔热罩Al1060-02.7e-9690.33≤35

3.2热应力分析

电动真空泵隔热罩离排气歧管比较近，排气歧管本体已做隔热处理，考虑其热辐射影

响，对有限元模型整体施加150℃的温度载荷，采用Abaqus软件进行分析，计算结果如图

4所示。

图4电动真空泵隔热罩热分析结果

最大应力为308MPa，发生在隔热罩上，虽然超过了其材料屈服强度，但是仿真最大应

力值出现的位置与试验断裂位置并不一致，因此可以判断隔热罩开裂并非由热应力所致。

3.3约束模态分析

安装支架与发动机端连接处均全约束，采用Abaqus模态分析法计算约束模态。

图5电动真空泵隔热罩热约束模态分析结果

通过约束模态分析，可知隔热罩的固有频率为191Hz，略大于四缸发动机二阶激励频率

183Hz，安全系数小于1.2，且电动真空泵隔热罩最大应变能出现的位置与试验断裂位置一

致。因此电动真