天津格特斯檢測設備

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1 前言

汽車動力總成，無論是發(fā)動機還是電池，都需要將零件工作時吸收的熱量及時散發(fā)出去，保證在最適宜的狀態(tài)下工作。需要冷卻的總成還有空調系統(tǒng)、選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、緩速器系統(tǒng)等。因此汽車中都存在復雜的冷卻系統(tǒng)，其中的零件通過管路進行連接。冷卻系統(tǒng)管路包括金屬管和軟管，軟管可以采用橡膠管、尼龍管、熱塑性彈性體管或其它塑料管，但是采用橡膠管居多。橡膠管具有良好的彈性，減振性能好，一般采用卡箍連接，維修方便，深受用戶歡迎。但是隨著冷卻系統(tǒng)溫度和壓力提升、用戶使用要求提高等，冷卻膠管質量問題增多，尤其是載貨汽車和客車用戶反饋膠管出現滲漏、膨脹甚至爆裂、脫落等質量問題較多。針對出現的質量問題，進行了大量試驗，找出損壞原因和解決方法，大幅度提升膠管的可靠性和使用壽命。

2 膠管爆裂問題的解決

膠管爆裂會造成冷卻液流失，發(fā)動機或其它需冷卻的系統(tǒng)停止工作，汽車無法行駛，用戶提出索賠，造成惡劣影響。

案例1，散熱器膠管爆裂（圖1）。該膠管為重型載貨汽車散熱器膠管，外徑為60 mm，壁厚5 mm，工作壓力最高0.2 MPa，工作溫度最高120℃。膠管的內外橡膠層材料為三元乙丙橡膠（EPDM），增強層為芳綸線繩。對損壞膠管和同批次生產的膠管進行試驗分析。

圖1 爆裂的散熱器膠管

首先對同批次新膠管進行壓力試驗。膠管爆破壓力為0.6MPa。一般要求膠管的爆破壓力為工作壓力的3～5倍，才能滿足長期使用要求。按照最高工作壓力0.2MPa計算，膠管爆破壓力為工作壓力的3倍，有一定風險。

對損壞膠管進行分析，膠管爆裂位置為對偶面金屬凸臺位置，金屬凸臺存在尖角，對膠管內壁造成一定磨損，內膠層有損壞的痕跡。內膠層的磨損和開裂，降低了膠管的耐壓性能，造成使用過程中爆裂。

對膠管進行質量改進，將膠管的線繩直徑從800旦提高到1500旦，膠管的爆破壓力從0.6 MPa上升到1.0MPa以上。同時對對偶面的金屬件進行凸臺的倒角加工，凸臺邊緣倒圓角，防止損壞膠管。綜合以上措施，該膠管爆裂問題解決。

案例2，空調冷卻膠管爆裂（圖2）。爆裂的空調冷卻膠管外徑為24 mm，壁厚3.5 mm，長度1.2 m，工作壓力最高0.1MPa，工作溫度最高120℃。膠管的內外橡膠層材料為EPDM橡膠，增強層為聚酯線繩。

圖2 爆裂的空調冷卻膠管

通過對同批次新膠管進行壓力試驗，膠管爆破壓力為0.8MPa。之后在損壞膠管上截取300 mm未損壞的一段，進行壓力試驗，膠管在0.3 MPa時爆裂。膠管耐壓性能降低的原因為聚酯線繩耐熱性能較差，長期在高溫下使用容易產生老化現象，強度大幅度降低。膠管的耐壓性能，主要取決于增強層，增強材料強度下降，膠管的承壓能力也會下降。

之后對膠管進行質量提升，將增強層由聚酯線繩改為芳綸線繩，提高了線繩的強度和耐熱性能，也提高了膠管的長期耐熱后的承壓性能。

案例3，緩速器冷卻膠管爆裂。緩速器對于經常在山區(qū)或丘陵地帶行駛的汽車，能夠使車輛在下長坡時長時間而持續(xù)地減低或保持穩(wěn)定車速并減輕或解除行車制動器的負荷，適用于總質量在5t以上的客車和12t以上的貨車。國外已經有強制性法規(guī)規(guī)定相關車型必須安裝緩速器，國內用戶也為了安全考慮越來越多地選擇安裝緩速器的車型。緩速器冷卻膠管一般直徑比較大，有些老車型加裝緩速器后空間比較緊張，導致膠管布置出現一些問題，早期爆裂案例比較多。經過失效分析，干涉、磕碰、不匹配等問題逐步解決，膠管損壞逐漸減少。典型案例如圖3。

圖3 爆裂的緩速器冷卻膠管

對同批次新膠管進行壓力試驗，膠管爆破壓力為1.2 MPa左右，可以滿足使用要求。膠管損壞件爆裂位置局部膨脹嚴重，但試驗過程中并未發(fā)現局部膨脹現象。分析局部膨脹部分橡膠材料，發(fā)現石油基油脂的成分存在。膠管內外橡膠層采用EPDM橡膠，EPDM橡膠耐冷卻液、制動液、水等介質性能較好，但耐油性非常差。通過試驗，膠管在機油中浸泡后，體積增加300%，嚴重膨脹，見圖4。

圖4 膠管耐機油膨脹

通過膠管裝車位置分析，膠管上方安裝加機油標尺。司機在查看加機油標尺過程中，機油滴落到膠管上，造成膠管局部溶脹失效，產生爆裂現象。解決措施就是在膠管上增加一層防護層，普通聚丙烯或聚乙烯熱收縮管在高溫下長期使用會產生老化脫落，因此選用尼龍防護層，成本增加較多。因此，新車型設計時，緩速器冷卻膠管的布置避開了容易產生污染的油脂，該問題解決。

膠管產生爆裂的原因還有很多。比如橡膠耐熱性能較差，長期使用產生龜裂，見圖5，也容易使膠管爆裂。膠管配合的金屬件邊緣有尖角毛刺，也會損傷膠管，造成膠管爆裂。如果膠管設計的局部變徑較大，導致局部線繩強度降低，也容易產生爆裂。還有膠管安裝扭曲或彎曲半徑過小，也會降低膠管使用壽命，見圖6。膠管的使用過程中有干涉現象，磨損膠管，也會產生早期損壞。因此深入用戶調查、細致的失效分析、針對性的試驗研究，才能找到膠管損壞的真因，及時解決質量問題。

圖5 橡膠耐熱龜裂

圖6 膠管安裝不當

3 膠管脫落問題的解決

膠管脫落比爆裂影響更為惡劣。而且膠管脫落原因比較復雜，涉及膠管、卡箍、連接的金屬件等。

案例1，配合的金屬件質量問題造成膠管脫落（圖7），存在質量問題的金屬管見圖8。

圖7 膠管與金屬管脫落

膠管出現批量脫落現象，首先對膠管進行試驗，沒有發(fā)現明顯質量問題。之后對卡箍進行試驗，也沒有質量問題。到裝配現場進行失效分析，發(fā)現配合的鋼管質量問題比較嚴重。鋼管上的凸臺高度明顯不夠，甚至沒有形成可以限制膠管移動的凸臺，只是局部變徑，難以滿足膠管的卡接要求。而且鋼管端部存在凸凹不平，容易形成泄漏。

圖8 存在問題的金屬管

鋼管生產廠接到整改通知后，配制了新的加工卡具，加工出符合要求的凸臺，膠管批量脫落問題得到解決。

案例2，膠管的質量問題造成長期使用后脫落。

膠管長期使用后出現脫落，一般有兩方面原因。一方面是橡膠的壓縮永久變形比較大，導致膠管長期壓縮后回彈小，膠管與卡箍之間出現松動，導致脫落。另一方面是膠管與線繩的粘接強度低，在長期振動、脈沖和高溫的使用環(huán)境下，膠管出現膨脹，線繩在膠管內部產生收縮，膠管端部強度降低，脫落卡箍。

對出現問題的膠管進行壓縮永久變形試驗，試驗溫度為120℃，時間為24 h，壓縮率為50%，樣品在膠管端部裁切。試驗結果膠管的壓縮永久變形為92%，幾乎不回彈。為了改善膠管的壓縮永久變形性能，對橡膠材料進行改進，主要是改進了硫化體系，從硫磺硫化改為過氧化物硫化，使橡膠的耐高溫性和壓縮回彈性都明顯提升，同時提高了橡膠配方中的含膠率，也選用了回彈性更好的原膠。改進后的橡膠材料擠出膠管，再次進行壓縮永久變形試驗，試驗結果為75%，能夠滿足使用要求。

之后，進行了粘接強度試驗。在常溫、高溫試驗（120℃/96 h）后、耐冷卻液試驗（120℃/120 h）后，分別在膠管上取樣，按GB/T 14905—2009標準裁切8型試樣，進行粘接強度試驗，試驗結果分別為常溫1.6 kN/m、高溫試驗后1.7 kN/m、耐冷卻液試驗后0.8 kN/m。試驗結束后，觀察剝離開的膠管試樣，發(fā)現膠管的內膠層和外膠層的橡膠硫化粘接在一起，而芳綸線繩懸浮其中，與橡膠未粘接。所以雖然膠管內外膠層之間有一定的粘接強度，但芳綸線繩可以在一定范圍內活動。芳綸線繩強度很高，伸長率非常低，膠管振動和膨脹過程中，活動的芳綸線繩切割橡膠，不斷擴大活動范圍，從端頭位置抽離，造成膠管的脫落。

EPDM橡膠主要由乙烯和丙烯組成，分子主鏈是不含雙鍵的飽和結構，只在側鏈上含有少量的不飽和雙鍵，因此分子惰性較強，粘接性較差，是一種難粘材料。而芳綸纖維大分子鏈上缺少活性基團，也屬于粘接困難的材料。因此國內很多膠管生產企業(yè)對EPDM橡膠和增強的芳綸線繩都不粘接，短時間使用或在低溫靜止條件下使用沒有問題。但是汽車冷卻膠管使用條件惡劣，長期在高溫下承受振動、脈沖等，膠管就會出現脫落等質量問題。解決問題的措施包括芳綸線繩浸漬膠黏劑處理、EPDM橡膠配方考慮粘接問題、在線涂膠等。通過以上措施的落實，芳綸線繩與EPDM橡膠粘接在一起，長期使用可靠性提升，脫落問題也逐漸減少。

引起膠管脫落的原因還有卡箍斷裂或松動、異常受力干涉、裝配扭曲等，比較少見，也容易解決。

4 膠管滲漏問題解決

膠管滲漏是比較常見的質量問題，見圖9，屬于汽車“三漏”質量問題中典型的漏液問題。導致膠管滲漏的原因很多，徹底解決的難度也比較大。

圖9 膠管滲漏

為了解決膠管滲漏問題，設計了PVT（脈沖-振動-高低溫綜合）試驗。根據膠管使用部位不同，脈沖壓力不同，分為200 kPa、250 kPa、300 kPa三檔。試驗溫度高溫為120℃，低溫為-40℃。振動頻率和位移根據實際使用情況有所不同，分為3種情況：以8 mm的振幅和16 mm的總位移、10 Hz的頻率進行振動；以12.5 mm的振幅和25 mm的總位移、0.5 Hz的頻率進行振動；無振動，僅進行脈沖試驗。

針對不同車型、不同部位使用的膠管，分別進行膠管和卡箍的PVT試驗，并在試驗后對膠管和卡箍進行失效分析；如未失效，則進一步進行試驗分析，包括進行爆破試驗、粘接強度試驗等，對比膠管和卡箍性能衰減情況。經過多輪試驗，不但掌握了PVT試驗的試驗方法和關鍵影響因素，而且總結出膠管滲漏的主要原因如下。

a.低溫滲漏，PVT試驗可以模擬低溫實際使用條件下膠管的滲漏情況，試驗過程中多次出現低溫條件下冷卻液從接頭處滲出的情況，一般為微滲漏，試驗溫度恢復高溫后停止?jié)B漏。

橡膠具有一定彈性，在壓縮條件下，利用橡膠的回彈力可以保持一定的密封力。在低溫條件下，橡膠彈性降低，硬度增加，膠管與卡箍之間密封力減少，在振動情況下出現微小縫隙，導致微滲漏。

解決低溫滲漏，一方面應改進橡膠耐低溫性能，增加低溫下的彈性。可以采用低溫壓縮永久變形試驗來測試橡膠低溫壓縮回彈性能，這項試驗需要在低溫環(huán)境下進行測試，否則取出試樣，橡膠的回彈性立即恢復，無法模擬低溫環(huán)境的實際使用狀況。

另一方面，需改進卡箍性能?？ü咳鐜в幸欢ㄑa償功能，則可以有效避免低溫滲漏?？ü吭诘蜏貤l件下也應保持一定彈性，并保持擰緊力矩不會大規(guī)模衰減。

b.高溫滲漏，高溫情況下，橡膠硬度降低，耐壓能力減弱。在壓力的作用下，膠管會產生膨脹，膠管連接部位會受到拉伸力，導致膠管局部收縮并變薄，膠管與卡箍之間密封力降低，導致膠管滲漏。

對膠管進行高溫膨脹率試驗。在130℃高溫下，壓力為0.3 MPa，膠管的膨脹率為15%以下，可以滿足使用要求。如果超過15%，膠管嚴重膨脹，甚至產生局部膨脹，如圖10，就會出現滲漏、爆裂、脫落等質量問題。

圖10 膠管高溫壓力下局部膨脹

c.膠管回彈性差導致滲漏，膠管在高溫下壓縮回彈性能下降，產生永久變形，如果卡箍不能適當補償膠管的變形量，卡箍和膠管之間的密封力下降，就會產生滲漏。解決措施一方面提高橡膠的高溫下壓縮回彈性能，另一方面采用彈性較好或具有補償結構的卡箍。

d.膠管或連接金屬管局部不平整導致滲漏，膠管的口徑較大并且壁厚較小時，如果硫化工藝控制不好，則容易產生凸楞，見圖11。凸楞使膠管內表面產生凸凹不平，降低了卡箍緊固膠管的橡膠壓縮量，使橡膠與金屬管之間出現縫隙，使用時冷卻液容易從縫隙滲漏。改進擠出和硫化工藝，同時適當增加膠管壁厚，可以避免凸楞產生。

如果膠管配合的金屬管表面存在凸凹不平、劃傷、孔隙等缺陷，也會導致滲漏現象，見圖12。如果金屬管是涂油漆防腐，應采用高溫油漆，否則在高溫使用環(huán)境下，油漆脫落，堆積在連接處，也容易導致膠管在連接處滲漏。

圖11 膠管內表面凸楞

圖12 金屬管劃傷

5.檢測設備

設備名稱：PVT水脈沖試驗臺

該試驗臺可以對管路進行振動加壓試驗、脈沖試驗、PVT（壓力、振動、溫度）綜合測試。試驗臺模擬管路工作的實際工況，將試驗工件并接在一個具有壓力、溫度、流量的封閉式循環(huán)回路中。使其達到實際使用的狀態(tài)，同時進行振動疲勞壽命檢測，并最終確定其產品的性能。主要部件全部采用的進口優(yōu)質產品，提高了試驗機使用的壽命。也降低了維修成本。試驗機采用全自動控制，設定好參數以后自動運行，適合無人值守。

適用標準：

FIAT: PF90080 9.3.1/PF90080 9.3.2 

NISSAN  Daimler : A2100064099

FORD：WSS-M96D14-A4 §3.18、ES-DG93-8260-AA §3.15§3.20

ESDG93-8C012-AA §3.13 §3.16、ESDG93-18B402-AA §3.11

JLR：TPJLR-03-058 

RSM：39-06-008/C §5.2.6/39-06-203

GMW 14785 Coolant Joint Pressure Vibration Temperature (PVT) Cycle Test

菲亞特9.02245

菲亞特PF.90090

福特C-06Hose_ENGINEERING_SPEC_QUICK_CONNECT_ESDG93-18B402-AA_(2015-01-15)

ESDG93-8C012-AA Plastic Hose Spec

ESDG93-8260-AA_RevB_冷卻管工程規(guī)范 (1)

大眾TL52361

菲亞特9.02136 01

菲亞特9.02136_0

菲亞特DBL 6254 2005

菲亞特MS-EA-121 (2)

福特WSE-M96D34-A1(A4)對(位)芳香族纖維增強

福特WSE-M96D38-A1(A4)冷卻劑，直管，異形管或支管

冷卻軟管MG.RES.22.RU.17

路虎EPDM technology agreemen

路虎TPJLR-03-017

馬自達MES PA 15185A

三菱ES-X 60032內增強層橡膠軟管-用于水線

三菱ES-X25020 零件標準 散熱器軟管

上汽SMTC 5 320 001 冷卻系統(tǒng)用三元乙丙橡膠（EPDM）密封件材料要求(20130531)

上汽SMTC 5 320 003 冷卻系統(tǒng)用EPDM膠管材料要求(20130531)

上汽SMTC 9 313 001 冷卻液管路(20150425)

通用GM6278M耐發(fā)動機冷卻液軟管

沃爾沃31813157 冷卻系統(tǒng)用塑料軟管

沃爾沃8888162947橡膠軟管，冷卻系統(tǒng)

通用GMW16295-2015

GB/T 18948內燃機冷卻系統(tǒng)用橡膠軟管和純膠管規(guī)范等；

試驗參數

試驗介質：水-乙二醇混合溶液，防凍液等；

試驗壓力：1~12bar(可任意設定）

試驗頻率：0.05- 2Hz，自動控制；

脈沖波形：正弦波、三角波、梯形波、類似方波、直線波等；

流量范圍：12～120L/min，可調節(jié)；

介質溫度：-40~150℃±2℃，交變非線性控制；

環(huán)境溫度：-45 ~ 180℃±2℃，交變線性控制；

最大測試件數：1～8件；

XYZ三軸振動：頻率范圍0~20Hz，振幅：0~±50mm可調；

電磁振動：垂直方向，頻率3～2000Hz，P-P位移51mm。

6 總結

液壓冷卻是汽車關鍵發(fā)熱部件冷卻的主要方式。冷卻管路中的膠管是承受高溫高壓和振動的薄弱環(huán)節(jié)，容易出現質量問題。完善質量管理體系，制定針對性的標準，合理選用材料和工藝，合理設計和安裝使用，才能徹底解決質量問題。

     天津格特斯（GTS）檢測設備技術開發(fā)有限公司是行業(yè)領先的承壓部件檢測設備提供商，致力于把專業(yè)的檢測設備帶入每個企業(yè)。我們在汽車、工程機械、煤炭、石油、航空航天、船舶重工等領域為客戶提供有競爭力、穩(wěn)定、安全、高效、智能的檢測設備以及解決方案和服務；我們的產品主要有脈沖試驗臺、爆破試驗臺、冷熱循環(huán)試驗臺、冷熱沖擊試驗臺、內部腐蝕試驗臺、真空試驗臺、氣密試驗臺、保壓試驗臺等；產品均通過CE、CSA等認證，格特斯發(fā)展至今，客戶遍布全世界，獲得了幾十項發(fā)明專利及榮譽證書，始終聚焦引領檢測設備行業(yè)技術，以研發(fā)生產更先進、更穩(wěn)定、更智能、更安全的檢測設備為己任，希望能夠為您提供專業(yè)的解決方案和檢測設備。

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