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儲液壺，是發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的一個組成部分，主要是用來加注和補(bǔ)償液體的容器。該零件多用半透明塑料制成。這樣通過水箱可以直接觀察到液面的高度，無需打開散熱器蓋。儲液壺在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中主要起到的功能如下：儲液壺在參與冷卻過程中對系統(tǒng)損失的液體進(jìn)行補(bǔ)償，對系統(tǒng)中產(chǎn)生的氣體回流到水箱中，通過泄壓口排出，使得壓力保持穩(wěn)定，可防止水泵氣蝕的發(fā)生。

 

在發(fā)動機(jī)過冷或者過熱情況下，儲液壺的實(shí)際使用環(huán)境工況有比較惡劣的低溫環(huán)境（-30℃），以及高溫環(huán)境（120℃），并且在高溫環(huán)境下，可能會存在較大氣壓來不及在儲液壺中冷卻。這樣就需要考慮在高溫環(huán)境儲液壺的高溫耐壓能力。

 

儲液壺在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中主要起到的功能如下：儲液壺在參與冷卻過程中對系統(tǒng)損失的液體進(jìn)行補(bǔ)償，對系統(tǒng)中產(chǎn)生的氣體回流到水箱中，通過泄壓口排出，使得壓力保持穩(wěn)定，可防止水泵氣蝕的發(fā)生。

 

 

圖1 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)工作原理圖

 

目前，市場上的儲液壺主要采用半透明聚丙烯制造，通過注塑成型工藝形成上下兩個帶法蘭的注塑件，然后再通過熱板焊接形成儲液壺，儲液壺內(nèi)部會安裝一些隔板，利于功能和整體強(qiáng)度。但是在熱板焊接處，注塑成型的熔接痕處都將會產(chǎn)生薄弱點(diǎn)。

 

在發(fā)動機(jī)過冷或者過熱情況下，儲液壺的實(shí)際使用環(huán)境工況有比較惡劣的低溫環(huán)境（-30℃），以及高溫環(huán)境（120℃），并且在高溫環(huán)境下，可能會存在較大氣壓來不及在儲液壺中冷卻。這樣就需要考慮在高溫環(huán)境儲液壺的高溫耐壓能力。因此，為了保證儲液壺內(nèi)部的壓力不引起薄弱點(diǎn)發(fā)生破壞，氣體泄漏。同時驗(yàn)證在高溫和低溫環(huán)境下，發(fā)動機(jī)的持續(xù)轉(zhuǎn)動下的汽車零部件的振動耐久性能。

 

1. 服務(wù)項(xiàng)目：汽車儲液壺可靠性分析

 

高低溫環(huán)境下，驗(yàn)證汽車發(fā)動機(jī)周邊其他零件，包括碳罐，進(jìn)氣歧管，電子節(jié)氣門等零部件的氣密性和振動耐久性能，更加高效的輔助和推動汽車零部件產(chǎn)品的開發(fā)。

 

服務(wù)案例

 

2. 高溫和低溫環(huán)境下的振動耐久試驗(yàn)

 

本案例中儲液壺選擇的共振點(diǎn)測試頻率為30 Hz，則該頻率下發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速約為1800 rps/min，而通常發(fā)動機(jī)在路面上正常工作時的轉(zhuǎn)速就在1800-2000 rps/min。由于在實(shí)際工作過程中，發(fā)動機(jī)會出現(xiàn)冷啟動或者發(fā)動機(jī)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，都會在一定程度上加速儲液壺零件的功能失效。因而我們需要在實(shí)驗(yàn)室中模擬這種高溫和低溫環(huán)境下的，儲液壺零件在頻率為30 Hz時的振動耐久性能。我們根據(jù)需求，選擇高溫（120℃）和低溫（-30℃）在頻率30 Hz分別進(jìn)行振動耐久性能測試各100 h。

 

通常在實(shí)際工況過程中，同時引入濕度，溫度，振動三個因素外，能夠更加真實(shí)的反應(yīng)汽車零部件的振動可靠性能，快速篩選出汽車零部件存在的缺陷。在進(jìn)行振動試驗(yàn)過程中，通常需要進(jìn)行X，Y和Z三方向的振動。

 

 

圖2 儲液壺三方向工裝要求圖，能夠同時模擬X，Y和Z三軸同時振動

 

如上圖2所示，是儲液壺工裝的三方向工裝要求圖，規(guī)定了儲液壺需要進(jìn)行兩個45°的旋轉(zhuǎn)。

 

當(dāng)在高溫環(huán)境下（100 ℃）進(jìn)行振動耐久試驗(yàn)10 h后，觀察測試結(jié)果，如下圖3所示，發(fā)現(xiàn)每一個儲液壺下方都出現(xiàn)綠色防凍液和水的混合物泄漏現(xiàn)象，并且泄漏量相對較多，總體來說目前發(fā)現(xiàn)高溫老化800 h后的儲液壺相比較新的儲液壺冷凍液泄漏更多。初步推測是儲液壺?zé)岚搴附犹幵诟邷叵氯毕荼┞秾?dǎo)致冷凍液泄漏，還有可能是儲液壺蓋在高溫，內(nèi)部液體壓力下導(dǎo)致泄漏。

 

 

圖3 儲液壺在高溫（120 ℃）環(huán)境下振動10 h后檢查結(jié)果圖

 

為了確定到底是熱板焊接處存在的缺陷導(dǎo)致的泄漏，還是儲液壺蓋處產(chǎn)生的泄漏。目前對部分老化和新儲液壺的蓋子分別加白色紗布裹覆，進(jìn)行高溫（120 ℃）正弦耐久試驗(yàn)。檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在高溫環(huán)境下（120 ℃）振動10 h后，裹覆有白色紗布的儲液壺下方未有冷凍液泄漏，但是白色紗布上已經(jīng)浸潤有較多冷凍液，呈現(xiàn)明顯綠色，而未裹覆有防凍液的下方出現(xiàn)泄漏，初步判定泄漏點(diǎn)不是熱板焊接處，應(yīng)該是儲液壺蓋在高溫下，內(nèi)部液體壓力下泄漏。

 

 

圖4 部分儲液壺蓋裹覆有紗布和未裹覆有紗布在高溫（120 ℃）環(huán)境下振動10 h后檢查圖

 

我們根據(jù)儲液壺在實(shí)際工況中設(shè)置最高頁面和最低頁面的標(biāo)志，因而當(dāng)冷凍液的量低于最低頁面時，可以提醒駕駛員及時添加冷凍液，因而理論上在實(shí)際工況過程中，儲液壺的蓋子不是浸沒在冷凍液中，因而可以嘗試將儲液壺整體進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)。

 

 

圖5 將6個粉紅色模塊連同儲液壺在該平面上旋轉(zhuǎn)180°，重新進(jìn)行安裝固定后效果圖

 

經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后，進(jìn)行高溫（120 ℃）和低溫（-30 ℃）振動耐久試驗(yàn)后，儲液壺都未出現(xiàn)任何泄漏現(xiàn)象，如下圖6（A-B）所示，圖6（C-D）分別是儲液壺零部件在高溫環(huán)境和低溫環(huán)境下的振動耐久測試圖，振動加速度未19.6 m/s2，振動頻率為30 Hz。

 

 

圖6 （A）高溫（120℃）振動耐久試驗(yàn)結(jié)束后樣品狀態(tài)；（B）高溫（-30℃）振動耐久試驗(yàn)結(jié)束后樣品狀態(tài)；

（C）高溫（120℃）振動耐久試驗(yàn)圖；（D）高溫（-30℃）振動耐久試驗(yàn)圖

 

3. 儲液壺保壓試驗(yàn)

 

利用爆破試驗(yàn)機(jī)去評估儲液壺在高溫（130℃）環(huán)境下的承受氣體壓力的能力。

 

 

圖7 儲液壺在爆破試驗(yàn)箱中

 

從圖7（A-C）可以看出儲液壺在內(nèi)部加壓的過程，是按照設(shè)定的15 kPa的線性加壓速率進(jìn)行加壓，在到達(dá)490 kPa時會出現(xiàn)短暫的壓力過沖現(xiàn)象，隨后會在490 kPa進(jìn)行保壓試驗(yàn)。結(jié)果表明這三個儲液壺在490 kPa不會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，未發(fā)生爆破現(xiàn)象。

 

 

圖8 （A）儲液壺樣品1爆破試驗(yàn)過程曲線圖；（B）儲液壺樣品2爆破試驗(yàn)過程曲線圖；

（C）儲液壺樣品3爆破試驗(yàn)過程曲線圖；（D）儲液壺樣品爆破試驗(yàn)結(jié)束后狀態(tài)

 

4. 儲液壺高溫高壓疲勞壽命試驗(yàn)

 

儲液壺零部件在實(shí)際工況過程中，會較長時間一直處于高溫，高壓力狀態(tài)，因而不僅僅高溫還有高壓力都將在一定程度上造成該零部件的疲勞失效。

 

 

圖9儲液壺高溫高壓疲勞壽命試驗(yàn)圖

 

 

圖10 不同溫度，不同壓力下儲液壺零件疲勞壽命圖

 

從圖10中可以看出，實(shí)際工況中儲液壺出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象不僅和溫度有關(guān)，還和壓力有關(guān)，在高溫和高壓力狀態(tài)下，都會導(dǎo)致儲液壺失效，在100℃和110℃溫度下，三種不同的氣壓環(huán)境下，儲液壺的泄漏點(diǎn)都在熱板焊接的位置，而120℃高溫環(huán)境下，最后出現(xiàn)泄漏的位置在儲液壺瓶蓋處。

 

從圖10可以明顯看出，當(dāng)溫度為120℃時，氣壓降到123 kPa時，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于稍低溫度（100℃和110℃），但是壓力較大（300 kPa、400 kPa和490 kPa）的工況環(huán)境。因而，對于儲液壺這種零部件溫度對儲液壺使用壽命的影響小于壓力對儲液壺使用壽命的影響。