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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
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