乘用车半轴隔热罩的隔热性能试验方法研究

褚伟萍，秦高峰

(泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201288)

0 引言

发动机排气歧管隔热罩(简称隔热罩)广泛应用于汽车生产中，因车辆在极端工况下排气歧管废气温度会达到850 ℃，为保护周围零件免受高温损坏，此时隔热罩对排气歧管周围零件尤为重要，例如半轴隔热罩/转向机隔热罩等，能有效防护半轴护套和转向机电机/护套。隔热罩一般采用冲压成型，且形状是典型不规则的薄壁结构[1]，设计及成型的好坏直接影响其防护性能。目前，国内隔热罩生产企业大多模仿国外产品进行设计制造[2]。近年来对隔热罩的隔热性能和抗震性能要求越来越高，但隔热效率无具体台架测试方法，相关研究较少[3]。

本文作者通过分析某款乘用车前舱温度场，得出排气歧管对周边零件热辐射影响情况，结合整车工况搭建物理试验台架，同时进行CAE虚拟建模分析，对比CAE虚拟分析温度场和物理试验结果，对隔热罩的隔热性能进行研究。

图1 汽车底盘常用隔热罩

1 整车发动机前舱温度分布

汽车在不同工况和环境温度下行驶，由于车辆运行工况不同，导致发动机排气温度不同，使发动机舱内温度有较大变化。作者在温度为40 ℃时，采集稳定爬坡工况下发动机舱内温度分布情况，其热场分布见图2。可知：由于发动机排气温度较高，导致其周围零件温度明显较高。通过整车热场分布，可以看出发动机排气歧管通过热辐射对其周围零件进行影响。从图3看出：排气歧管对半轴护套和半轴减震橡胶块影响较大，橡胶长期处在高温环境中，会加速橡胶零部件老化，大大缩短其使用寿命，此时凸显出隔热罩的必要性和重要性。

图2 发动机舱温度场分布

图3 排气歧管及半轴周围温度场

2 台架试验方法和原理

根据整车热场分布情况，以半轴护套隔热罩为测试实例，进行隔热罩隔热效率台架测试(如图4所示)。测量实车排气歧管与隔热罩的间距及隔热罩与护套的最近距离。搭建测试台架，利用燃烧管来模拟排气歧管，并在燃烧管表面、隔热罩内表面和半轴护套表面布置热电偶采集温度。

图4 隔热效率试验台架

不同位置温度定义如下：将燃烧管作为热源模拟排气歧管温度T1；隔热罩内表面温度为T2；半轴护套表面温度为T3；自动记录仪记录加热时间-温度曲线(T1、T2、T3)。

隔热效率定义：

式中：E1表示热源经过隔热罩后温度衰减效率；E2表示热源到零件表面温度衰减效率。

因为实车隔热罩初始状态处于底盘处，无需进行温度预处理，但是需要在隔热罩表面测试点进行标记，并且使用支架工装固定隔热罩。根据实车测量隔热罩与半轴护套间距固定半轴位置。台架搭建完成后，设定热源温度使之达到额定温度值，稳定5 min左右，读取3个位置温度并记录；然后调节热源温度复测T1、T2、T3。

利用半轴及其隔热罩等零件，根据文中测试方法，搭建试验台架，将热源分别设置为350、500、650、750和850 ℃，在每个温度点稳定5 min，分别测试T1、T2、T3并计算隔热效率。具体结果详见表1。

表1 试验记录

通过物理测试可以看出，隔热罩能很好地阻断排气歧管的热辐射，经过隔热罩后隔断61.6%的热量，再经过10 mm空气后到半轴护套表面温度，相对于热源温度已经衰减了79.1%，隔热罩起到了良好作用。通过隔热效率能更加直观地反映隔热罩隔热性能的好坏，更有利于把控零件质量。

3 建模计算

3.1 网格化分

模型简化主要关注试验台架中的热源及隔热罩和半轴护套。首先以加热管表面为基准简化为片体，因为加热管用来模拟排气歧管进行热辐射，模型简化时加热管半径及弧度均与物理尺寸保持一致，且它与隔热罩的间距参考实车工况间距设置为10 mm；其次隔热罩是影响隔热效率的关键零件，在模型简化时保证隔热罩轮廓形状与实际相符，这样可以更好地计算温度值，本文作者选取常用的铝合金板材隔热罩进行网格划分；最后是半轴护套，它与隔热罩间距为10 mm，材料为氟橡胶。对几何模型简化后，再利用UG软件进行面网格化分，利用四边形壳单元，网格节点数53 598，单元格数27 434，在确保结果无误的情况下，使网格数量尽可能地少，如图5所示。

图5 试验模型网络化

3.2 材料定义

隔热罩采用两层镀铝板，隔热罩厚为1 mm，材料密度为7.80×103kg/m3，弹性模量为1.65×1011N/m2，泊松比为0.340。目前半轴护套材料主流以TPE(Thermoplastic Elastomer)为主，它是一种热塑性弹性体材料，具有高强度、高回弹性、可注塑加工的特征，环保无毒安全，兼顾了橡胶和塑料的优点。

图6 半轴隔热罩

图7 半轴护套

3.3 几何模型

根据第3.1节和第3.2节，构建几何模型如图8所示，利用该模型分别模拟热源温度为350、500、650、750、850 ℃，计算热源的温度场，并计算隔热罩内表面、半轴护套表面温度，根据公式(1)和(2)计算不同温度下、隔热罩隔热效率，见表2。

图8 隔热罩温度测试模型表2 模型计算温度

测试点温度/℃ 隔热效率/% T1T2T3E1E23501468958.2974.5750022011456.0077.2065034321047.2367.6975042026244.0065.0785049731441.5363.06平均隔热效率49.4169.52

设置温度为350 ℃时，通过Thermal仿真可以看出半轴/隔热罩及排气歧管温度分布，如图9—图11，其中隔热罩表面最高温度为146 ℃，护套表面温度为89 ℃。

图9 CAE模拟温度分布图(设置模型温度为350 ℃)

图10 隔热罩温度分布图(设置模型温度为350 ℃)

图11 半轴温度分布图(设置模型温度为350 ℃)

当温度模型设置为650 ℃，通过Thermal仿真可以得出零件及隔热罩温度分布，具体温度如图12—图14所示，其中隔热罩表面最高温度为343 ℃，护套表面温度为210 ℃。

图12 CAE模拟温度分布图(设置模型温度为650 ℃)

图13 隔热罩温度分布图(设置模型温度为650 ℃)

图14 半轴温度分布图(设置模型温度为650 ℃)

设置模型测试温度为750 ℃，通过Thermal仿真可以得出零件温度场分布，如图15—图17所示，其中隔热罩表面最高温度为420 ℃，护套表面温度为262 ℃。

图15 CAE模拟温度分布图(设置模型温度为750 ℃)

图16 隔热罩温度分布图(设置模型温度为750 ℃)

图17 半轴温度分布图(设置模型温度为750 ℃)

对比表1和表2的隔热效率计算结果，可以看出：在低温时物理模型与仿真偏差较大，在高温区域750和850 ℃时物理测试差别较小。对比物理测试和仿真条件差异性，影响因素有环境温度、排气流速大小、半轴零件热电偶位置等，为提高试验准确性，需要进一步进行物理试验，调整仿真模型参数。

4 结论

通过物理台架试验能提前探知隔热罩的隔热效率，提前识别排气歧管的温度对周围零件的影响。通过整车前舱温度场分析，制定一个半轴隔热罩隔热效率试验及计算方法，同时使用CAE建模并进行模拟。通过数据分析可以看出：物理实验和虚拟仿真在高温区域试验结果匹配较好，但是在低温区域350～550 ℃，物理模型试验结果与虚拟仿真计算结果出入较大。接下来将对不同材质、不同形状的隔热罩形成稳健的虚拟模型，最终用虚拟计算代替物理试验，进而节约成本。