汽车车灯差压式气密检测的影响因素研究
2021-10-04宣立明刘乾徐彪孙书强
宣立明，刘乾，徐彪，孙书强
（213022 江苏省 常州市 常州星宇车灯股份有限公司）
0 引言
汽车车灯作为汽车必不可少的组成部分，其质量与行车安全密切相关。目前在车灯生产中因车灯结构、材料、装备等因素影响，造成存在泄漏缺陷，导致腔体内气密性不足。如果车灯气密性不达标，会造成水汽入侵、灯内积水、罩内压力变化等质量问题，进而降低车灯照明效果、使用寿命以及观赏性[1-2]。对成品的质量检测必须包含气密性检测项目。常用的检测方法包括成分分析法、光学检测法、超声波检测法和气压检测法等等[3-4]。赵亮[5]等人提出了一种气体成分分析法对汽车灯具气密性进行检测，表明该方法用于车灯检测是可行的；麦宙培[6]等人为提高车灯气密检测效率，研究并开发了一种自动监测的正压式气密检测设备。实践结果表明，系统中引入神经网络和模糊控制器具有很好的经济效益；朱得忠[7]等人选用二氧化碳作为示踪气体，开发了3 种测量车灯气密性的方法和设备，并能够确定泄露出现的位置和大小，解决了制造和装配中出现的问题。Kawashima K[8]等人为实现气动设备的精确控制，采用压差法进行测量，提出了传感器的设计方法并进行仿真和实验，验证了压差传感器进行气密检测的应用前景。
本文选用检测灵敏度高、适应性较广的差压式气密检测法，并根据实际汽车车灯差压气密检测系统中的气动回路、工艺参数等构建仿真模型，并且使用气密检漏仪对车灯泄露量进行采集。将仿真模型与实验相互验证，对车灯气密检测过程中的影响因素进行分析，旨在优化检测环境、调节生产管理，提升企业生产利益。
1 车灯差压式气密检测
1.1 差压式检测基本原理
差压式检测的基本工作原理是使用无泄漏的标准品，同时给需要检测的测试品和标准品施加压力空气，然后通过高感度的差压传感器测量出测试品与标准品内的压力之差，从而判断测试品是否存在泄漏问题[9]，其工作原理如图1 所示。
图1 差压式检测原理Fig.1 Principle of differential pressure detection
差压式气密检测根据空气测漏仪的动作大致分为5 个行程：（1）启动：测试品加紧密封后输入启动信号；（2）加压行程：给测试品和标准品同时施加压力的行程，腔体内部压力需经过一段时间后才会稳定下来；（3）平衡行程：关闭测漏仪内部气动阀使泄露检测部形成密闭回路以后，测试出两者之间的差压值。该行程不仅稳定关闭气动阀后的压力，同时也是测出大泄露的行程；（4）检出行程：测出小泄露；（5）排气、结束：输出合格与否的判断信号。在吹气清洁泄漏仪内的空气的同时，排出测试品内的气体。
1.2 差压式气密检测模型建立
为了车灯气密性检测试验设备的开发与性能提升，差压式气密检测数学模型以气体动力学为基础进行推导。如图2 所示，在进行检漏测试前，同时向标准品（无泄漏）和测试品中同时充入等量压力气体，停止充气后两者间形成密闭回路，由于两容器参数相同，在同一外界压力下，若测试品有泄露会导致其内部压力下降，密闭回路间出现压差，从而通过压差变化计算出泄露量。
图2 差压式检测模型Fig.2 Differential pressure detection model
根据气体状态方程，标准品和测试品内腔体分别为
式中：P——腔体内压力，Pa；θ——腔体内温度，K；V——腔体容积，m3；R——气体常数，取287 J/kg·K；G——气体质量流量[10]，kg/s；CV——定容热容，取718 J/kg·K；θa——环境温度，K；h——热传导系数，W/m2·K；Sh——热交换面积，m2。
在标准品和测试品充气过程中，由于流入内腔的气体流量远大于泄漏量，故此阶段泄露量可忽略不计，所以两者之间的压力和温度差可以表示为
当标准品与测试品内腔空气压力达到检测压力值时停止充气，此时密闭回路间达到平衡状态，标准品与测试品内腔气体压力变化受温度影响，故两者之间压力差和温度差可以表示为
通过求解以上方程，可得出检测品和标准品内腔气体在差压式检测过程中的压力差和温度差的变化。
1.3 差压检测过程仿真模型
根据车灯工厂实际检测环境设定仿真参数，如表1 所示。
表1 气密检测仿真参数Tab.1 Simulation parameters of air tightness test
在充气阶段，测试品和标准品间压力差和温度差的数学模型为
在测试阶段，测试品存在有效泄露面积为1×10-4mm2的泄露孔时，两者之间的压差和温差数学模型为
根据上述理论推导，建立了差压式气密检测的Simulink 仿真模型，其整体框架如图3 所示。可以通过此模型设置不同的基本参数进行仿真对比，得到腔体内气密检测基本参数对不同变量之间的影响。仿真结果对实际车灯腔体差压式气密检测有指导意义，并能够提高生产效率。
图3 差压气密检测法仿真程序Fig.3 Simulation program of differential pressure air tightness detection method
1.4 车灯差压式气密检测试验
图4 所示为某型号汽车车灯差压式气密检工作台及检测车灯，此系统是一套自动智能检测设备，其整体包含了气/液压传动、机电一体化及信号处理等多种功能。根据差压检测原理，其内压差检测系统基本空气回路如5 所示。
图4 汽车车灯差压式气密检测台及测试车灯Fig.4 Differential pressure air tightness test bench for automobile lamp and test lamp
图5 汽车车灯差压式气密检测基本空气回路Fig.5 Basic air circuit of differential pressure air tightness detection for automobile lamp
本工作台用于对汽车车灯腔体进行泄露检测。在程序运行过程中，系统将检测到差压信号与车间的质量合格标准进行对比，自动区分开质量合格的车灯与质量不合格的车灯，最后将不合格的车灯进行标记和淘汰，整个过程的检测信号都会被储存到系统中。
2 结果及分析
2.1 泄露面积对差压的影响
本文中，车灯型号的差压检测过程为：首先车灯腔体内充气加压10 s，然后检测系统处于平衡状态8 s，最后检测时间3 s。对此车灯的气密性合格的检验标准为检测3 s 内泄漏量不超过30 Pa 即为合格。图6 是取有效泄露面积A 为5×10-5mm2和1×10-5mm2时差压随时间变化曲线图。从图6 可以看出，仿真模型计算结果与试验检测结果相符，误差范围符合标准，表明随腔体泄露面积增加，压差会有明显变化。
图6 不同泄露面积的差压变化趋势Fig.6 Variation trend of differential pressure with different leakage area
2.2 腔体容积对差压和温度的影响
在保持差压式检测仿真模型中的其他参数不变的情况下，更改腔体容积参数为标准品350 ml和检测品330 ml 进行计算求解，压差和温度差结果分别如图7 和图8 所示。
图7 腔体容积不同的压差变化趋势Fig.7 Variation trend of pressure difference with different cavity volume
图8 腔体容积不同的温度差变化趋势Fig.8 Variation trend of temperature difference with different cavity volume
结果表明，前3 s 过程中，两腔体内压力和温度都产生了剧烈震荡，随后快速趋于稳定；在充气结束的第10 s 时，压差和温差骤然降低，闭合回路稳定时压差约为190 Pa、温差约为0.14 K。
2.3 充气时间对压差的影响
在保持上述仿真参数不变的情况下，进一步更新充气时间为8 s 进行求解计算，与充气时间10 s 的差压变化进行对比，其放大波形分别如图9 和图10 所示。结果表明，当标准品和检测品腔体容积不同，差压检测过程充气时间越长差压越大，且充气结束时差压波动越小。
图9 充气时间8 s 时差压变化趋势Fig.9 Variation trend of time difference pressure in 8 s inflation time
图10 充气时间10 s 时差压变化趋势Fig.10 Variation trend of time difference pressure in 10 s inflation time
2.4 腔体内温度对压差的影响
由于车灯并非是绝对的密闭容器，故仿真模型根据以上试验结果进行修正后，在保持差压式检测仿真模型中其他参数不变的情况下，将检测品腔体内温度设为变量，求解平衡阶段时温度改变对压差的影响，结果如图11 所示。结果表明，车灯内腔温度上升会导致腔内气体膨胀，使压差成正比例增加。
图11 腔体内温度改变的差压的变化趋势Fig.11 Variation trend of differential pressure with temperature change in the chamber
3 结论
本文以气体状态方程为理论基础建立汽车车灯差压检测的数学模型，然后以此构建Simulink仿真模型考察车灯泄露量、腔体体积以及温度等影响因素与差压之间的关系，并通过试验加以验证，得到以下结论：在一定时间内，随车灯腔体效泄露面积增加，压差变化加快；在充气阶段的前4 s，腔体内会产生剧烈的震荡，随充气时间增加而快速趋于稳定；压差检测法中若两腔体容积不同，随充气时间增加，差压随之增加；检测过程中，若腔体内温度增加，差压同样随之增加。
