潘顯琦

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)排放以及油耗的要求日益提高，我國(guó)在2016 年12 月23 日發(fā)布了“輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）”（GB 18352.6—2016）[1，2]。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在由全球統(tǒng)一的輕型車測(cè)試循環(huán)（WLTC）工況下進(jìn)行整車油耗及排放物測(cè)試。這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)前所未有的挑戰(zhàn)，將廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）運(yùn)用到汽油機(jī)上是降低NOx的排放量、降低油耗的一個(gè)有效措施[3-6]。某汽油機(jī)在產(chǎn)品開發(fā)前期試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)EGR 進(jìn)氣管總成波紋管與直管過(guò)度位置斷裂失效。本文針對(duì)斷裂問(wèn)題，從斷口微觀、發(fā)動(dòng)機(jī)NVH 方面進(jìn)行原因分析，從制造工藝、結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化后模型運(yùn)用simlab 軟件進(jìn)行四面體二階單元網(wǎng)格劃分，運(yùn)用ABAQUS 有限元分析軟件進(jìn)行模態(tài)、強(qiáng)度分析，并且進(jìn)行了多次試驗(yàn)驗(yàn)證，以解決EGR 進(jìn)氣管總成斷裂問(wèn)題。

1 EGR 系統(tǒng)總布置

某汽油機(jī)EGR 系統(tǒng)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)后端，由EGR進(jìn)氣管總成、EGR 冷卻器、EGR 閥、EGR 出氣管總成組成，詳見圖1。廢氣從三元催化器引出，經(jīng)EGR 進(jìn)氣管總成、EGR 冷卻器、EGR 閥及出氣管總成進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管。

圖1 EGR 系統(tǒng)布置

2 故障描述

整車路試至累計(jì)里程27202 km 時(shí)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)EGR 進(jìn)氣管總成斷裂。斷裂部位位于波紋管與直管過(guò)度位置。發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架進(jìn)行可靠性試驗(yàn)約200 h 后檢查發(fā)現(xiàn)EGR 進(jìn)氣管總成斷裂。斷裂部位均位于波紋管與直管過(guò)度位置，詳見圖2。

圖2 EGR 進(jìn)氣管斷裂位置

3 原因分析

分別從斷口微觀分析、EGR 進(jìn)氣管總成工作環(huán)境振動(dòng)兩方面進(jìn)行分析。

斷口經(jīng)超聲波清洗后上電鏡觀測(cè)，整個(gè)斷口可觀測(cè)到疲勞輝紋，判定斷口類型為疲勞斷口（圖3）。該位置有應(yīng)力集中易產(chǎn)生疲勞裂紋最終導(dǎo)致疲勞斷裂。

圖3 斷口微觀形貌

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行NVH 測(cè)試，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置在缸體、EGR 閥體、缸蓋后端、冷卻器、EGR 進(jìn)氣管出氣口，詳見圖4。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架NVH 測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

EGR 冷卻器處測(cè)點(diǎn)存在約510 Hz、690 Hz 共振頻帶。加速工況時(shí)EGR 冷卻器測(cè)點(diǎn)Y方向的振動(dòng)幅值較大，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋處存在較大振動(dòng)；發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)以及共振都有可能導(dǎo)致EGR 進(jìn)氣管總成斷裂。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對(duì)斷口進(jìn)行電鏡微觀分析和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)分析得出：斷裂位置有應(yīng)力集中易產(chǎn)生疲勞裂紋最終導(dǎo)致疲勞斷裂；EGR 冷卻器處存在共振頻帶也可能導(dǎo)致斷裂。針對(duì)斷裂原因，對(duì)EGR 進(jìn)氣管總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，詳見表1，結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖5。

表1 波紋管優(yōu)化前后對(duì)比

圖5 EGR 進(jìn)氣管總成優(yōu)化前后對(duì)比

5 CAE 分析

對(duì)優(yōu)化后的EGR 進(jìn)氣管總成模型（不含金屬保護(hù)網(wǎng)套）運(yùn)用simlab 軟件進(jìn)行四面體二階單元網(wǎng)格劃分，運(yùn)用ABAQUS 有限元分析軟件進(jìn)行模態(tài)、強(qiáng)度分析。材料信息見表2。

表2 EGR 進(jìn)氣管總成材料信息

EGR 冷卻器結(jié)合面安裝孔全約束，三催側(cè)XYZ三向施加980 N/mm 彈性約束，與優(yōu)化前狀態(tài)邊界一致。一階模態(tài)為530 Hz，模態(tài)頻率、一階陣型見圖6、圖7。

圖6 模態(tài)頻率

隨機(jī)響應(yīng)分析，按表3 加速度功率譜密度加載，530 Hz 激勵(lì)時(shí)存在局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為144.91 MPa，小于屈服強(qiáng)度207 MPa，滿足要求，應(yīng)力云圖詳見圖8。

表3 功率譜密度

圖8 應(yīng)力云圖

CAE 分析結(jié)論：一階模態(tài)頻率為530 Hz，避開共振風(fēng)險(xiǎn)，可滿足要求。隨機(jī)響應(yīng)分析，在530 Hz 共振頻帶處存在局部應(yīng)力集中，最大為144.9 MPa，小于207 MPa 屈服強(qiáng)度，滿足要求。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

將優(yōu)化后EGR 進(jìn)氣管總成樣件5 件搭載發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行729 h 臺(tái)架可靠性試驗(yàn)、3 件搭載整車進(jìn)行58000 km 可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)樣件進(jìn)行清洗后目視檢查，EGR 進(jìn)氣管總成樣件無(wú)裂紋，對(duì)樣件加0.3 MPa壓縮空氣、持續(xù)60 s，無(wú)泄漏。

7 結(jié)語(yǔ)

波紋管在設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中主要考慮以下幾點(diǎn)：（1）從整機(jī)振動(dòng)角度考慮，波紋管一階模態(tài)頻率避開共振風(fēng)險(xiǎn)；（2）波紋管盡量布置在直線段，有利于吸收振動(dòng)能量，從而增加可靠性；（3）波紋管與直管過(guò)度區(qū)域避免應(yīng)力集中；（4）減小波紋管壁厚有利于增加柔韌性，可設(shè)計(jì)成雙層薄壁波紋管；（5）波紋管外部增加金屬保護(hù)網(wǎng)套，增加柔韌性，有效吸收發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)。