1 引言
电动真空泵被广泛应用在汽车制动助力系统中，它能通过真空度传感器实时监测助力器内的真空度变化，可以保证驾驶者在各种工况下，都能获得足够的助力效果。电动真空泵依据结构方面的差异，可分为膜片式、叶片式和摇摆活塞式三种，其布置要素需考虑安装角度、安装高度和噪音等，一般布置在远离驾驶员的动力总成一端，且不允许倒置安装。本文中用到的是叶片式电动真空泵，其通过安装支架直接固定在发动机壳体上，且靠近排气歧管。
发动机排气歧管产生的废气温度非常高，其表面均会做隔热处理，以降低排气歧管高温对机舱其它零部件的影响。为了进一步减少热辐射对电动真空泵的影响，在电动真空泵上安装了隔热罩。隔热罩由于自身的结构特点，刚度不足，又经常工作在高温、强振动的环境下，经长时间运行后容易发生开裂破坏现象。
2 故障描述
某汽车电动真空泵隔热罩在整车耐久试验过程中出现开裂现象，如图1所示。开裂位置发生在倒角折弯处。隔热罩为冲压成型件，表面做了特殊处理，隔热罩壁厚为0.5mm，其材料为铝1060-0，屈服强度不超过35MPa。
电动真空泵隔热罩一端通过螺栓固定在电动真空泵安装支架上，另一端则与电动真空泵及其安装支架相连，电动真空泵安装支架通过分布于同侧的三个螺栓孔与发动机壳体（靠近排气歧管端）相连，如图2所示。
图1 隔热罩路试开裂位置
图2 电动真空泵隔热罩模型介绍
3 失效排查分析
根据电动真空泵隔热罩的应用环境，初步可以判断其开裂是由热应力或者共振所致。
电动真空泵隔热罩紧靠排气歧管，受其热辐射影响，隔热罩工作温度较高，产生的热应力较大。可以通过仿真分析，计算隔热罩受热后的应力分布图，对比其材料屈服强度，明确开裂原因是否为热应力所致。
电动真空泵直接安装在发动机壳体上，发动机最高转速为5500r/min，在全负荷运行时振动强度非常大，若发生共振，破坏能力是非常大的。因此隔热罩设计时其固有频率应避开四缸发动机的二阶激励频率，一般有1.2倍的安全系数。发动机二阶激励频率为183Hz，所以隔热罩固有频率要求大于220Hz。采用模态分析法，根据电动真空泵隔热罩一阶模态值和最大应变能出现的位置，可以判定隔热罩是否为共振破裂。
3.1 有限元建模
采用HyperMesh进行有限元建模，其中隔热罩和电动真空泵安装支架均采用壳单元模拟，而电动真空泵则采用mass单元简化处理，安装支架与发动机端连接处全约束，如图3所示。材料清单如表1所示。
图3 电动真空泵隔热罩有限元建模
表1 材料清单
3.2 热应力分析
电动真空泵隔热罩离排气歧管比较近，排气歧管本体己做隔热处理，考虑其热辐射影响，对有限元模型整体施加150℃的温度载荷，计算结果如图4所示。
图4 电动真空泵隔热罩热分析结果
最大应力为308MPa，发生在隔热罩上，虽然超过了其材料屈服强度，但是仿真最大应力值出现的位置与试验断裂位置并不一致，因此可以判断隔热罩开裂并非由热应力所致。
3.3 约束模态分析
安装支架与发动机端连接处均全约束，采用HyperWorks/OptiStruct计算约束模态。
图5 电动真空泵隔热罩热约束模态分析结果
通过约束模态分析，可知隔热罩的固有频率为191Hz，略大于四缸发动机二阶激励频率183Hz，安全系数小于1.2，且电动真空泵隔热罩最大应变能出现的位置与试验断裂位置一致。因此电动真空泵隔热罩在发动机常用转速范围内存在共振风险。
3.4 随机振动分析
随机振动分析载荷条件可参考企业相关标准，标准中一般会规定产品应能经受X，Y，Z三个方向的随机振动试验，各方向的PSD（功率频谱密度）与频率的对应关系会给出。
随机振动分析基于正态分布假设，计算结果默认为1σ置信水平下的均方根应力值；要得到其它置信水平下的应力结果，将1σ下的应力乘以相应倍数即可。采用HyperWorks/OptiStruct进行随机振动分析，随机振动仿真结果如图6所示。电动真空泵隔热罩在1σ下最大应力值为62MPa，超过了相应材料的屈服强度35MPa，且最大应力值出现的位置与试验断裂位置一致，因此可以判断电动真空泵隔热罩开裂是由随机振动所引起的。
图6 电动真空泵隔热罩热分析结果
4 优化方案分析
4.1 优化方案制定
因电动真空泵隔热罩开裂是由随机振动所引起的，从模态分析的角度出发，优化方案旨在提高电动真空泵隔热罩一阶约束模态频率，并保证该方案下电动真空泵隔热罩随机振动仿真最大应力值小于相应材料的屈服强度即可。优化方案如下：
方案一：对隔热罩本体进行形貌优化，在其表面增加特定的凸起加强筋，如图7所示。
方案二：根据一阶约束模态振型图，在电动真空泵隔热罩与安装支架间增加一个固定点，如图8所示。
图7 电动真空泵隔热罩优化方案一
图8 电动真空泵隔热罩优化方案二
4.2 优化方案验证
制定的两个优化方案，其电动真空泵隔热罩一阶约束模态分析结果如图9、图10所示。
图9 优化方案一约束模态计算结果
图10 优化方案二约束模态计算结果
优化方案一电动真空泵隔热罩一阶约束模态为243Hz，与原方案相比增幅为27%，且大于发动机二阶激励频率，安全系数大于1.2，但最大应变能出现位置未发生变化。随机振动仿真结果最大应力值为55MPa，仍超过相应材料的屈服强度，优化效果不满足强度要求。
优化方案二电动真空泵隔热罩一阶约束模态为245Hz，与原方案相比增幅为28%，且大于发动机二阶激励频率，安全系数大于1.2，同时最大应变能出现位置发生变化。随机振动仿真结果最大应力值仅为30MPa，比原方案减少52%，改善效果显著，且满足强度要求。
优化方案分析结果汇总如表2所示。最终采用优化方案二进行更改，并且更改方案己顺利通过了整车耐久试验验证。
表2 优化方案分析结果
5 总结
本文介绍了某汽车电动真空泵隔热罩在整车耐久试验过程中出现开裂现象，首先通过热应力分析排除了其开裂并非由高温所致。然后通过HyperWorks/OptiStruct模态分析法，发现其最大应变能出现位置与试验开裂位置一致，且一阶约束模态频率略大于发动机二阶激励频率，安全系数小于1.2，在发动机常用转速范围内存在共振风险。随机振动仿真结果最大应力值出现的位置也与试验开裂位置一致，且最大应力值超过了其材料的屈服极限，这说明电动真空泵隔热罩整车耐久试验开裂是由共振所致。最后根据模态阵型图，制定了优化方案，优化方案的随机振动仿真结果满足强度要求，并顺利通过了整车耐久试验。
