冷卻風(fēng)扇扇葉用低成本材料開發(fā)與應(yīng)用研究

李書鵬 陳燕飛 魏婉楚 俞雁

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

1 前言

冷卻系統(tǒng)是整車的重要組成部分，其作用是保證整車相關(guān)零件在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)工作。燃油車型冷卻系統(tǒng)主要為保證發(fā)動機(jī)系統(tǒng)正常工作，新能源車型冷卻系統(tǒng)主要為保證三電系統(tǒng)（電池、電機(jī)和電控）正常工作[1]。

在冷卻系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時吸進(jìn)空氣使其通過散熱器以增強(qiáng)散熱器的散熱能力，加速冷卻液的冷卻，燃油車型由于發(fā)動機(jī)熱源的存在，布置在發(fā)動機(jī)周邊的冷卻系統(tǒng)零件長期受到高溫輻射（＞120 ℃），因此冷卻系統(tǒng)中的塑料零件基本以PA66（聚酰胺66）類耐高溫材料為主；而對于新能源車型，由于去掉了發(fā)動機(jī)這個巨大的熱源，前機(jī)艙內(nèi)的溫度大幅降低，根據(jù)某車型夏季試驗數(shù)據(jù)，冷卻風(fēng)扇表面的最高溫度不超過80 ℃，單從長期耐熱性能考慮，新能源車相應(yīng)的零件具有PP（聚丙?。┨娲鶳A66 的可行性。

本文基于冷卻風(fēng)扇扇葉零件，驗證PP-GF30（30 份玻纖增強(qiáng)聚丙稀）替代PA66-GF30（30 份玻纖增強(qiáng)聚酰胺66）方案的可行性。

2 成型驗證

基于目標(biāo)零件3D 數(shù)據(jù)，通過Moldflow 軟件從充填時間、最大注射壓力、鎖模力及變形量4 個方面對比2 種材料方案的差異，分析結(jié)果如表1 所示，填充如圖1 和圖2 所示。

表1 Moldflow分析結(jié)果

圖1 PP-GF30填充示意

圖2 PA66-GF30填充示意

由Moldflow 分析結(jié)果知，2 種材料方案成型差異不大，其中最大注射壓力、鎖模力均在合理的工藝范圍內(nèi)。受材料性能影響，PP-GF30 方案最大注射壓力低于PA66-GF30，較低的注射壓力也是PP-GF30 方案變形量更低的原因之一。

3 材料性能

3.1 基礎(chǔ)物性

玻纖增強(qiáng)聚丙稀是較為成熟的1 種聚丙稀改性材料，不僅具有聚丙稀耐化學(xué)腐蝕、電絕緣性等優(yōu)良性能，玻纖增強(qiáng)使其強(qiáng)度、硬度和剛性、耐候性大大提高。一些主要性能指標(biāo)已接近或達(dá)到了工程塑料[2]，PP-GF30 和PA66-GF30 2 種材料的性能參數(shù)如表2 所示。

表2 基礎(chǔ)性能

從基礎(chǔ)物性上的對比看，2 種材料性能的差距主要在拉伸強(qiáng)度和熱變形溫度，因此需重點(diǎn)評估零件使用工況（對溫度的要求）和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（對強(qiáng)度要求）等因素來指導(dǎo)選材。以本文研究案例分析，風(fēng)扇扇葉使用工況（燃油車最高溫度120 ℃，新能源車最高溫度80 ℃），扇葉為非承載件，主要受力為工作時產(chǎn)生的離心力，可通過CAE 仿真計算零件受力情況[3]。

3.2 長期穩(wěn)定性

冷卻風(fēng)扇一般需要在-40～80 ℃的高速運(yùn)轉(zhuǎn)下長期工作且扇葉不能開裂和變形，所以對扇葉材質(zhì)的強(qiáng)度和耐久性要求苛刻。針對本次選取的PP-GF30 方案，首先基于產(chǎn)品和不同工況條件對扇葉的受力情況進(jìn)行CAE 仿真計算，再進(jìn)行材料數(shù)據(jù)實測，綜合判斷該方案可應(yīng)用的條件。

3.2.1 CAE 仿真

a.邊界條件：約束支架安裝點(diǎn)6 向自由度，分別加載環(huán)境溫度23 ℃、80 ℃、100 ℃和120 ℃并在扇葉上施加2 000 r/min 的轉(zhuǎn)速。

b.材料信息如表3 所示。

表3 PP-GF30材料信息

c.分析結(jié)果如表4 所示。

表4 分析結(jié)果

通過仿真分析可以看出，基于現(xiàn)產(chǎn)品，PPGF30 方案可滿足80 ℃以下工況使用，超過100 ℃存在開裂風(fēng)險，需結(jié)合試驗開展驗證。

3.2.2 熱氧老化

為考察PP-GF30 材料的長期熱氧穩(wěn)定性，分別評估了120 ℃、140 ℃和150 ℃3 種溫度條件下的拉伸強(qiáng)度變化，熱氧老化結(jié)果如圖3 所示。120 ℃條件下，拉伸強(qiáng)度維持在70 MPa 左右，與初始狀態(tài)相當(dāng)，監(jiān)測時間5 000 h 后停止試驗；150 ℃條件下，1 000 h 后拉伸強(qiáng)度降為30 MPa 左右，強(qiáng)度下降超過50%，材料已完全失效。

圖3 PP-GF30不同溫度條件下的老化結(jié)果

結(jié)合上述分析和驗證，在現(xiàn)有產(chǎn)品方案下，初步判斷PP-GF30 方案可應(yīng)用于最高溫度＜80 ℃的工況條件，可滿足新能源車型要求。接下來通過零件試驗進(jìn)一步驗證。

4 零件驗證

基于風(fēng)扇總成產(chǎn)品驗證標(biāo)準(zhǔn)，其中與扇葉相關(guān)的性能有2 大類，即可靠性和功能性。因此，基于現(xiàn)有產(chǎn)品模具方案，采用PP-GF30 材料進(jìn)行扇葉零件試做，并驗證其性能。

4.1 扇葉的可靠性

扇葉的可靠性試驗包括超速性能、持續(xù)高溫負(fù)載及低溫沖擊性能3 項，通過極限的工況條件設(shè)計來評估扇葉的可靠性。

4.1.1 超速性能

試驗方法：把扇葉裝在驅(qū)動軸上模擬實際安裝，關(guān)閉測試箱，如圖4 所示。把風(fēng)扇轉(zhuǎn)速升到6 000 r/min，并操持30 s，從6 000 r/min 開始，以每次500 r/min 增加扇葉轉(zhuǎn)速，在每個轉(zhuǎn)速保持30 s，直到扇葉損壞。

圖4 超速試驗

技術(shù)要求：扇葉轉(zhuǎn)速達(dá)到6 000 r/min 或達(dá)到實車風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速的2 倍，滿足其中之一。

試驗結(jié)果：扇葉損壞時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)見表5。

表5 超速試驗數(shù)據(jù)

4.1.2 持續(xù)高溫負(fù)載

試驗方法：把扇葉按設(shè)計狀態(tài)安裝，置于高溫老化箱內(nèi)，通電電壓14.5 V，扇葉工作轉(zhuǎn)速2 000 r/min，高溫驗證80 ℃、100 ℃和120 ℃3 種條件，試驗時間1 000 h。

技術(shù)要求：扇葉不能出現(xiàn)損壞或明顯的變形，試驗后流量、振動、動平衡比試驗前下降不超過10%，噪音增加不超過3 dB。

試驗結(jié)果：100 ℃和120 ℃條件下，試驗運(yùn)行過程中扇葉出現(xiàn)變形并開裂，如圖5 所示，試驗中止；80 ℃條件下，試驗滿足要求。

圖5 扇葉開裂

4.1.3 低溫沖擊性能

試驗方法：將扇葉按裝車狀態(tài)固定，放置于溫度為-30 ℃低溫箱中，試驗時間24 h。用質(zhì)量0.5 kg 鋼球從300 mm 高度沖擊扇葉，如圖6 所示。

圖6 低溫沖擊試驗

技術(shù)要求：扇葉無損壞，試驗后風(fēng)扇總成功能正常。

試驗結(jié)果：扇葉無損壞且總成功能正常。

4.2 扇葉的功能性

扇葉的功能性試驗包括動平衡性、風(fēng)量及噪音3 項，通過相應(yīng)的工況條件來評估扇葉的功能是否滿足產(chǎn)品性要求。

4.2.1 動平衡性

試驗方法：將風(fēng)扇按實際裝車方式，安裝在平衡試驗機(jī)測試臺架上如圖7 所示，施加試驗電壓進(jìn)行試驗。

圖7 動平衡試驗

技術(shù)要求：風(fēng)扇的動不平衡應(yīng)≤25 g·mm。

試驗結(jié)果：測試數(shù)據(jù)見表6。

表6 動不平衡

4.2.2 風(fēng)量

試驗方法：將風(fēng)扇按實際裝車方式，安裝于風(fēng)洞試驗機(jī)如圖8 所示，靜壓130 Pa 下，扇葉轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 000 r/min，測試風(fēng)量。

圖8 風(fēng)量試驗

技術(shù)要求：風(fēng)量≥2 800 m3/h。

試驗結(jié)果：測試數(shù)據(jù)見表7。

表7 風(fēng)量

4.2.3 噪音

試驗方法：將風(fēng)扇按實際裝車狀態(tài)安裝，扇葉轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 000 r/min，傳感器距地面1.5 m，距風(fēng)扇的水平軸向1 m，如圖9 所示。風(fēng)扇運(yùn)行15 min后，用聲級計測量其噪聲。

圖9 噪聲試驗

技術(shù)要求：噪聲≤74 dB。

試驗結(jié)果：測試數(shù)據(jù)見表8。

表8 噪聲

5 結(jié)論

選取冷卻風(fēng)扇扇葉為目標(biāo)零件，通過從成型加工、材料性能對比及產(chǎn)品性能驗證3 個方面，驗證了扇葉材料采用PP-GF30 替代PA66-GF30 的可行性，結(jié)論如下：

a.成型加工：以現(xiàn)有量產(chǎn)模具為載體，通過模流分析可知，2 種材料方案在成型上無明顯差異，同時2 種材料收縮率相近，成型制品尺寸上也無明顯差異，在零件制作時再次得到驗證。

b.材料性能：2 種材料性能差異明顯，主要表現(xiàn)在強(qiáng)度和耐熱方面，因此，進(jìn)行替代時需重點(diǎn)評估所選目標(biāo)零件受力情況及周邊工作溫度。

c.零件驗證：基于產(chǎn)品驗證標(biāo)準(zhǔn)，對PP-GF30方案進(jìn)行驗證，其中可靠性驗證中關(guān)于高溫負(fù)載試驗項目，PP-GF30 方案無法滿足高溫100 ℃和120 ℃條件，因此在工作溫度超過100 ℃工況條件（如燃油車）下，該方案無法替代PA66-GF30。