輕型卡車不銹鋼油箱輕量化設計及應用

丁濃龍，游召平

(江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330000)

0 引言

輕型卡車是現代物流最為廣泛的交通工具。整車的輕量化是有效降低燃油消耗和減少尾氣排放的重要手段，隨著國家排放法規的升級，對尾氣排放、燃油消耗的要求越來越苛刻，進而導致各大輕型卡車主機廠對輕量化要求越來越嚴格。

新材料的應用為汽車零部件輕量化的主要手段[1]。輕型卡車上的傳統燃油箱為較重的普碳鋼油箱，其輕量化措施主要是通過新材料的應用，具體方案有塑料油箱、鋁合金油箱、高強度不銹鋼油箱。

盡管塑料油箱相比傳統普碳鋼油箱質量下降約20%～30%，但其開發成本較高，機械力學性能和耐老化性能不如傳統的金屬油箱等。鋁合金油箱雖然也相比傳統普碳鋼油箱質量下降約20%～30%，且繼承了傳統金屬油箱優良的機械性能，但由于鋁合金原材料成本較高，導致鋁合金油箱成本居高不下，故此僅能在價值量大的重型卡車市場批量使用。不銹鋼油箱由于其屈服強度比普碳鋼高，可以通過降低油箱殼體板厚來減輕質量[2]，同時不銹鋼油箱具有傳統金屬油箱優良的機械性能，防腐蝕性強，外形美觀，可以減少噴涂生產工藝等優點。所以不銹鋼油箱作為輕型卡車油箱輕量化的一個重要方案。據查詢統計，不銹鋼油箱在國外已有成熟產品并應用[3-4]，國內也僅上汽解放J6重型卡車等高端商用車少量應用[5]，輕型卡車市場暫未應用。

為開發一款可以在質量上與同等容積的塑料油箱媲美，且在成本上與同等容積的傳統普碳鋼油箱相當的輕型卡車不銹鋼油箱，通過對鋼種材料的選擇，油箱厚度的理論計算及有限元分析論證，油箱的性能試驗與評估等方面全流程深入研究，此項目成功開發了一款高性價比輕型卡車不銹鋼油箱。該款油箱的成功研發為傳統普碳鋼油箱廠產品升級換代帶來機會，為其重新贏取油箱市場帶來契機。

1 鋼種材料的選擇

通過對比傳統普碳鋼油箱材料(鍍鋁板SAIC)與不銹鋼材料的機械性能(如表1所示)，再結合輕型卡車油箱形狀特點和生產工藝可行性，確定了寶鋼公司奧氏體不銹鋼(牌號為BFS400-2)作為此次研究的輕型卡車不銹鋼油箱原材料[6]。

表1 鍍鋁板SAIC材料與奧氏體不銹鋼BFS400-2機械性能對比

注：BFS400-2不銹鋼屈服強度約為鍍鋁板SAIC的2.3倍，高屈服強度有利于降低板厚來減輕質量；BFS400-2不銹鋼伸長率優于鍍鋁板SAIC，有利于油箱沖壓成型工藝。

2 油箱厚度的理論計算及有限元分析論證

2.1 油箱數模設計

油箱由油箱殼體、隔板、端蓋、油箱箍帶、油箱安裝托臂等組成，對其建模(如圖1所示)。油箱建模后再做簡化及局部細化處理，主要處理有：對隔板上的一些凹槽圓角等特征進行簡化，以提高網格劃分的質量，保證計算的準確性。

圖1 油箱CAE分析建模

2.2 油箱殼體、隔板和端蓋厚度初始設定值計算

油箱所使用的材料是大面積的平板件，影響較大的是彎矩。根據彎曲受力狀態分析(如圖2所示)， 橫截面對Z軸的慣性矩：

式中：b為寬度；t為板料厚度。

該橫截面的抗彎系數：

該平板的抗彎強度：

式中：M為彎矩。由此可見彎曲受力下，彎曲強度和厚度平方呈反比關系。

圖2 彎曲受力狀態分析示意圖

假定不銹鋼油箱殼體材料與原鍍鋁板SAIC油箱材料所受彎矩不變，材料抗彎矩強度等于屈服強度，已知鍍鋁板SAIC的屈服強度δ1=166 MPa，厚度t1=1.2 mm；不銹鋼板BSF400-2的屈服強度δ2=390 MPa，不銹鋼板厚t2的計算公式為：

綜上計算，定義油箱殼體、隔板和端蓋厚度初始設定值為0.8 mm。

2.3 油箱有限元分析

(1)網格參數。節點數235 334，單元數210 158。

(2)約束條件。油箱安裝托臂與車架安裝孔固定約束；油箱箍帶與油箱安裝托臂固定約束。

2.3.1 分析工況及分析結果

根據輕型卡車油箱使用情況，制定6個有限元分析工況，具體如表2所示。

表2 油箱CAE分析工況及相應分析結果

詳細的有限元分析數據如圖3所示。

圖3 6個工況有限元分析數據

2.3.2 結論

根據平板件彎矩力不變理論，計算出來的高強不銹鋼厚度0.8 mm能通過油箱有限元工況分析驗證。

3 不銹鋼油箱的性能試驗與評估

3.1 不銹鋼油箱降重效果評估

評價標準為不銹鋼油箱相對原鍍鋁板SAIC油箱質量下降25%以上，該接受標準是對標同等容積的塑料油箱。

采用0.8 mm厚的BSF400-2不銹鋼材料試制的燃油箱稱重結果如表3所示。

評估結果：合格。

表3 不銹鋼油箱降重效果測試數據

3.2 燃油箱臺架試驗評價

評價標準：根據QC/T 644-2000《汽車金屬燃油箱技術條件》和GB 18296-2001《汽車燃油箱安全性能要求和試驗方法》進行試驗，樣本量為3件。

試驗結果：3件樣本量均通過QC/T 644-2000《汽車金屬燃油箱技術條件》和GB 18296-2001《汽車燃油箱安全性能要求和試驗方法》共計9項試驗。

評估結果：合格。

3.3 燃油箱整車路試評價

評價標準：根據整車企業路試標準，在湖北省某公司整車試驗場進行4.5×104km耐久試驗，耐久過程中及耐久拆解后，燃油箱總成無泄漏，無變形，無磨損，評價結果為合格(如表4所示)。

表4 不銹鋼油箱搭載整車路試數據

4 結論

(1)總結出一套金屬油箱通過提高原材料強度來降低殼體厚度進而降重的理論計算方法，即先通過平板件彎矩力平衡原理計算出新方案板厚初始厚度，然后通過CAE模擬進行分析驗證。試驗數據證明，該方法有效；

(2)開發的輕型卡車不銹鋼油箱相對于傳統普碳鋼油箱質量下降達29.4%，降重效果與同等容積的塑料油箱相當，降重收益可觀；

(3)所開發的輕型卡車不銹鋼油箱已經通過了各種油箱使用性能測試和整車耐久路試，并批量在江鈴輕型卡車小批量切換應用，通過追蹤主機廠裝車應用和終端用戶使用情況，暫未發現任何質量問題；

(4)所開發的輕型卡車不銹鋼油箱不僅質量與塑料油箱相當，而且機械性能和單件成本均優于塑料油箱，所以輕型卡車領域，不銹鋼油箱比塑料油箱具有較廣的市場前景。