某载货汽车打气泵出气钢管断裂原因分析

陈伟，牟云峰

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

某载货汽车打气泵出气钢管断裂原因分析

陈伟，牟云峰

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

针对某载货汽车在市场上发生的打气泵出气钢管断裂问题，对可能导致的原因进行分析并一一排查，最终发现钢管与发动机共振是导致钢管断裂的主要原因。可以通过优化钢管中间固定位置与调整钢管的形状来提高钢管的固有频率，建议通过CAE对打气泵出气钢管进行模态分析，建议其固有频率大于300Hz。

钢管断裂；共振；固有频率；模态分析

CLC NO.:U472 Docum en t Code: B A rticle ID: 1671-7988(2014)06-94-04

引言

汽车的制动性是汽车的主要性能之一，直接关系着交通安全。气压制动系凭借其可提供较大的制动驱动力而广泛应用于各类中、重型载货汽车中。打气泵出气钢管作为气源传输的起始气路，是气压制动系重要的组成部分。由于打气泵出气钢管直接与发动机打气泵相连，其不停的承受着振动、高温等恶劣环境的影响。市场上，气压制动载货汽车打气泵钢管断裂已经成为常见的故障之一。

本司某载货汽车自2011年5月份至2012年2月份市场反馈发生打气泵出气钢管断裂故障52起（共销售2200辆），故障率2.36%，故障平均里程不到7500km。

1、故障描述

通过对返回的故障件进行观察，钢管断裂均发生在距离压缩机口30mm～40mm的范围内。

2、原因分析

对钢管断裂故障进行FTA分析。

本司已经全面实现了数据的三维化设计，该打气泵出气钢管已经至于整车环境中进行过专业的尺寸校核与DMU检查，可以排除理论设计错误和钢管与其他部件干涉的可能性（图3）。钢管材料选用国内普遍使用的符合标准YB/T 4164双层铜焊钢管，在对钢管的抽样检查中，其力学性能均满足标准要求。制造部门严格根据装配作业指导书进行装配，装配误差可以很好的处于控制范围内，装配误差也不是影响该车大面积断裂的主因。下文将主要从制造误差以及钢管与发动机发生共振两个方便进行验证，找出压缩机出气钢管断裂的主因并实施有效对策。

3、制造误差

钢管使用专用的数控弯管设备折弯成型，生产时受车床自身因素、夹具精度、工艺因素、操作因素等原因的影响，不可避免的存在制造误差。钢管的成型过程是一个多次连续折弯的过程，正是这钢管连续折弯的特点导致前一个折弯点产生的误差向下一个折弯点传递放大。如每一个折弯点的折弯角度产生0.5°的制造误差，该压缩机出气钢管存在7个折弯点，最后的一次折弯与理论值将相差3.5°。

随机选取的一根已生产的打气泵出气钢管进行扫描后，把采集的数据通过软件CATIA实现三维逆向建模。逆向数据与理论数据进行对比，保持一个端口重叠，另一端发生了明显的偏差，如图4所示。

较大的制造误差导致钢管安装后产生较大的内应力，会大大缩短钢管的使用寿命。为了保证打气泵出气钢管的尺寸处于设计误差范围内，我司根据理论数据制作了专用检具，在进厂检验中，外形尺寸纳入必检项。

所有使用的钢管制造误差均在设计误差的范围内，虽然制造误差是导致钢管断裂的一个因素，但并不是主要因素。

4、钢管与发动机共振

共振是指一物理系统在特定频率下，比其他频率以更大的振幅做振动的情形，此些特定频率称之为共振频率。当阻尼很小时，共振频率约等于系统的固有频率。在共振频率下，很小的周期振动便可产生很大的振动。

在出气钢管上加载使其变形后，突然去除载荷时，出气钢管产生振动。此时的频率为出气钢管的固有频率，该频率由钢管重量与刚度决定的。

固有频率的公式一般如下表示：

f＝（K/M）1/2/（2×π） （1）

式中，f：固有频率；K：刚度；M：重量。

4缸发动机的情况下，曲轴转动一次发动机燃烧（爆发）2次，所以发动机振动频率是曲轴转速的2倍。

当钢管长度较长时，其刚度会下降，钢管的固有频率下降。因此，当钢管两个固定点之间间隔大时，钢管的固有频率就有可能降到发动机的使用转速内，从而产生共振，如图6所示。

选取该载货汽车打气泵出气钢管的三个点（测点1、测点2、测点3）进行振动加速度数据采集，如图7所示。采集数据如图8所示。

由图8可以看出，在发动机转速为1300r/m in和2600r/m in时，测点2的X、Y、Z三个方向振动加速度均突然增大，发生共振。其中Y方向振动最大，与实际断裂方向一致。1300r/m in为发动机常用转速，因此该钢管经常在较大的振动加速度下工作，易发生疲劳断裂。

为了对比说明共振是该载货汽车打气泵钢管发生断裂的主要因素，特选择了我司另一款打气泵出气钢管故障率低（市场销售1200辆，故障1辆）的载货汽车用相同的方法进行振动加速度数据采集，如图9所示。

可以看出，试验车辆的钢管振动加速度随着发动机转速的上升而平滑上升，没有发生共振。

由固有频率公式可知，增加钢管的刚度可以提高其固有频率。我们拿出了两种修改方案，一是在对现有钢管再增加一处中间固定（原先已有一处固定，新增固定位于图7测点2附近），验证效果如图10所示。

此方案消除了测点2的共振，但测点3的Y方向出现了振动陡增，也就是说消除了测点1的断裂共振因素但新增固定点2成为了新的潜在断裂点。方案一不可行。

二是调整钢管的外形以提高其刚度，如图11所示。验证效果如图12所示。

可以看出，整改后的钢管在发动机升速过程中随发动机转速上升振动加速度上升平滑，并没有发生共振，状态良好。也就是现在钢管的共振点位于发动机常用转速之外。

利用软件Hyper Mesh对方案二调整前后的钢管进行模态分析，整改前钢管的固有频率为145Hz，整改后钢管的固有频率为332Hz，远远超过了该车发动机常用转速的固有频率范围。

5、总结

笔者对可能导致打气泵钢管断裂的因素进行一一排查验证，最终发现打气泵出气钢管与发动机共振是导致该载货汽车打气泵出气钢管断裂的主要原因。经过总结，笔者得到如下经验：

A、发生共振的概率与钢管最高处和打气泵出气口处的距离有直接关系，距离远则质量变大，容易降低钢管固有频率，直到接近发动机振动频率，从而发生共振；

B、发生共振的概率与固定点数量关系不大，与固定点的位置关系较大，如本案例所示，故障件与发动机有两个共振点，新增一处固定后可以消除发动机1300转时的共振但无法消除发动机2600转时的共振。所以设计中需要合理布置钢管的固定点。

C、管路设计完成后需要进行CAE模态分析，确认其固有频率，并与发动机常用转速的频率对比，避免发生共振，建议打气泵出气钢管的固有频率在300HZ以上。

参考资料

[1] 余志生.汽车理论.机械工业出版社.2000.

[2] 现代振动与噪声技术（第7卷）.航空工业出版社.2009.1.

[3] 基于HYPERWORKS的结构优化设计技术. 机械工业出版社.2007.11.

无线充电系统市场将在6年内大幅增长

W ireless charging systems market w ill grow substantially in six years

近日，Frost & Sullivan咨询公司发布了一份分析报告，指出2012-2020年间，无线充电技术的市场年复合增长率将达到126.6%，期间将有351,900套无线充电系统被售出。同时，无线充电系统将占北美家用住宅费用的1.2%，占欧洲家用住宅费用2.6%。而到2020年无线充电系统将占据所有电动车充电方式的70%。

由于欧洲政府部门、整车厂、充电站制造商正在合作推行多个无线充电项目，因此欧洲地区无线充电市场增长将最快。

Frost & Sullivan公司汽车和运输高级研究分析师Prajyot Sathe表示：“雷诺、日产、戴姆勒、沃尔沃、宝马、丰田都在进行电动车无线充电技术的研发，并且已经有许多车企宣布无线充电技术已经投入测试阶段。

An Analytical Study of the Pump Outlet Pipe Fracture about Truck

Chen Wei, Mou Yunfeng
（Technique center, Anhui Jianghuai Automobile CO., LTD, Anhui Hefei 230601）

A truck in the market place of the pump outlet pipe fracture problems, to analyze the causes and investigation, finally found the steel pipe and the engine resonance tube fracture is the main reason leading to. By optimizing the pipe is fixed in the m iddle position and adjusting the pipe shape to improve the natural frequency of pipe, as suggested by the CAE rally the air outlet of the air pump pipe modal analysis, the natural frequency is more than 300Hz.

Steel pipe Fracture; Resonance; Natural Frequency; Modal Analysis

U472

B

1671-7988(2014)06-94-04

陈伟，就职于安徽江淮汽车技术中心商用车研究院。