王钏 陈志权
浙江银轮机械股份有限公司，浙江 台州 317200
摘要：汽车冷却器在车辆运行的过程中，受到较为复杂、严苛的使用工况。汽车冷却器产品的失效模式中，疲劳断裂失效是最常见的失效模式之一。本文件介绍了汽车冷却器发生疲劳断裂时的影响因素，如振动失效、应力集中、表面加工质量、环境温度等。
关键词：
汽车冷却器；疲劳断裂；影响因素；预防措施
疲劳是材料在承受扰动应力，且足够多的交变循环之后形成裂纹或者完全断裂，致使材料局部结构永久变化，导致产品失效的过程。为了保证车辆安全可靠地运行，在结构设计中，要对汽车冷却器进行疲劳寿命预测和结构的疲劳可靠性评估。从优选材料选型、优化制造工艺、完善设计方案等方面延长汽车冷却器的疲劳寿命。疲劳造成的破坏被认为是由三个过程组成的：疲劳裂缝的产生、其扩散和最终的瞬时破坏。疲劳的破坏往往没有明显的塑性变形，不容易察觉，因此，汽车冷却器的疲劳失效研究具有重要的意义。
一、疲劳的概念
汽车冷却器在振动、冷热冲击等复杂的使用工况下，受到交变应力载荷的连续作用下形成疲劳失效。疲劳失效主要分为三个区域：断裂源区、裂纹扩展区域、瞬断区域，通常裂纹扩展区域存在典型的“海滩条带”状的疲劳辉纹，如图1所示。疲劳裂纹扩展区存在“疲劳辉纹”，纹路与扩展方向垂直，以同心圆从表面的裂纹源向材料内部扩展。交变应力小，扩展速度慢、扩展大；交变应力大，扩展速度快、扩展小。
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疲劳失效根据交变应力载荷循环次数又分为高周疲劳失效与低周疲劳失效。高周疲劳循环次数N>104～105，为低应力高周疲劳断裂，裂纹扩展应力低，速度慢；循环次数N<104～105，为高应力低周疲劳断裂，裂纹扩展应力高，速度快。
二、影响疲劳强度的因素
1、温度和环境影响。汽车冷却器连接着发动机，在整车行驶的过程中不仅受到多维振动的影响，与此同时受到高低温的冲击，致使汽车冷却器进气口、进水口、冷却管都极易发生疲劳失效。温度对疲劳的影响类似于对弯曲强度的影响。温度升高，疲劳强度降低。因此疲劳裂纹扩展到空隙，加速速度，减少疲劳时间。这些机械取决于变形的时间和速度，减少循环频率可创造有利条件形成和增加自由蠕变部位，从而降低高温疲劳强度。相反，大多数金属的寿命都不取决于室温下的频率。
2、应力集中的影响。应力集中是疲劳开裂的主要原因，影响疲劳寿命的最重要因素是表面应力的集中。汽车冷却器自身材料不合格、产品表面缺陷、设计结构不合理都会导致应力集中。如产品表面存在切口、角、键槽和粗糙时，疲劳强度可大大降低。此外安装设计结构不合理，产品自身重量作用于安装支架，会导致安装支架应力集中发生疲劳开裂等。
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3、疲劳寿命。总的来说疲劳是指在室温下负荷时材料疲劳。在实践中，经常会出现不同的负荷条件、环境温度或环境温度，导致不同类型的疲劳。交变应力疲劳，材料流动极限以下，循环总数低转速疲劳：超过流动极限的交变应力疲劳和低于流动极限的循环数。（1）意外疲劳：零件在意外载荷下疲劳；（2）撞击疲劳：零件在再次冲击载荷下疲劳；（3）微动磨损疲劳：可变载荷摩擦疲劳。
三、预防措施
1、完善结构设计、优化表面质量。结构设计是零件疲劳的决定因素如果这是不明智的，它将导致灾难性后果。结构设计可消除或加强应力集中，从而影响疲劳性能。表面处理质量对于零件的疲劳性能也很重要。这些因素是影响疲劳寿命的关键因素。在零件的设计、加工和制造过程中，必须遵守某些规则，并尽量减少影响零件疲劳的因素。在汽车冷却器合理设计结构和形状时，如转向圆角和增加轴肩圆角直径的半直径，可以减少局部位置应力集中，提高疲劳强度。同时，尽量避免表面粗糙度、表面划痕、研磨裂纹、划痕等表面加工质量缺陷，并考虑到尺寸效应的分析。
2、降低或防止环境影响。汽车冷却器受到较为复杂、严苛的使用工况，振动、高低温、冷却液、油品等，都会是汽车冷却器发生疲劳失效的关键因素。振动疲劳失效、热应力疲劳失效、应力腐蚀疲劳都是汽车冷却器疲劳失效的模式之一。调整安装结构加装减震垫、采用耐高温、耐腐蚀材料等都是降低疲劳失效的手段。
3、结构和性能的改进。材料是影响零件疲劳的关键因素之一。除了传统材料外，还可以增加新的元素，提高其耐久性和耐久性。同时，在制造过程中经常出现的结构缺陷，如堵塞、孔隙度、铸件裂纹等；经常被认为是疲劳裂缝的来源，这对疲劳的持久性有严重影响。因此，必须优化生产工艺，加强对工艺和材料的控制，以避免出现故障。
4、模拟试验和定期检查。对于汽车冷却器，在使用前应根据实际工作状态进行疲劳设计模拟，如冷热冲击、六维振动试验等。材料、工艺和组装的试验环境应尽可能与实际生产相适应，以确保结果具有代表性。根据试验结果，及时发现影响疲劳的弱点，并尽一切努力提高抗疲劳能力，防止出现疲劳微裂缝和避免在实际生产过程中严重的微裂缝。
四、汽车冷却器的重要性
汽车冷却器是发动机冷却系统里面一个最重要的构成部件，它保证了发动机的正常运行，使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。汽车冷却器既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷，汽车冷却系统对汽车来说是至关重要的。目前，发动机冷却系统可分为水冷式跟风冷式两种类型，主要由汽车冷却器、冷却风扇、水泵、节温器等组件组成。汽车冷却器则是散热的最关键零部件不可替代。
汽车冷却器在整车安装、调试、运行过程中，受到振动、高低温、油品、腐蚀液等不同使用环境的作用下都会发生疲劳失效，导致汽车冷却系统中油水混合，影响到发动机的正常使用；严重时，甚至会使发动机发生不可逆的破坏，从而影响到行驶安全。
参考文献：
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