基于碰撞安全的燃油泵法蘭零件優化設計

陸利鋒，梅園

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基于碰撞安全的燃油泵法蘭零件優化設計

陸利鋒1，梅園2

（1.奇瑞捷豹路虎汽車有限公司，上海 201103；2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

文章基于車輛遇到碰撞沖擊的情況下，對燃油泵法蘭零件進行結構優化設計，以確保燃油系統密封安全性。法蘭零件因受外力沖擊影響，可能發生局部破裂，導致燃油泄漏起火。針對這種失效模式，以某車型燃油泵法蘭零件為分析實例，通過有限元仿真計算，對比了兩種不同的法蘭盤導桿座設計結構，建立了一種臺階式帶吸能區域的優化結構設計。在碰撞過程中，吸能結構可以有效吸收沖擊能量，保護法蘭盤零件的完整性，預防因零件破裂而導致的燃油泄漏。

碰撞安全；燃油泵法蘭；燃油泄漏；吸能結構

前言

1 研究背景

傳統內燃機汽車以及插電混合動力汽車在實際行駛過程中，發動機通過燃燒汽油或者柴油等燃料來獲得能量。燃油系統作為整車動力系統的組成部分，起到了燃油存儲，燃油輸送等作用。但石化燃油具有易燃易爆的特性，必須安全存儲。以汽油為例，由于其具有易揮發，易燃燒等特性，當汽油暴露在空氣中時，遇到明火，靜電，高熱能時，很容易發生燃燒，造成財產損失甚至危及人身安全。因此對燃油系統設計而言，最基本的一個設計要求是系統的密封性，即從加油管，燃油箱，燃油泵，燃油管路到發動機燃油軌，在正常行車狀態或者是遇到了車輛碰撞沖擊等工況時，都需要保證燃油不能泄漏在燃油箱外[1]。

對于燃油系統密封性能的研究，已有的研究著眼于油箱在底盤中的優化布置，減少油箱殼體受到沖擊而發生破裂[2-3]，但對于油箱內部零件尤其是燃油泵法蘭的密封性能，較少涉及。本文將燃油泵法蘭作為主要研究對象，分析其結構設計在碰撞沖擊條件下的安全性能。

燃油泵法蘭零件安裝在燃油泵與燃油箱之間，起著中間連接作用。該零件通常集成了兩根金屬導桿，導桿連接著燃油泵儲油桶等零件，當有碰撞沖擊發生時，由于慣性作用，儲油桶等零件繼續運動，對導桿產生扭轉牽拉力，傳遞到法蘭盤零件，如果法蘭盤零件設計有缺陷，將可能產生盤面破裂，導致燃油外泄。

本文重點分析燃油泵法蘭零件的局部設計，優化了一種在碰撞沖擊環境下仍然保證系統完整性和密封性的結構，從而減少起火隱患，保障人身安全。

2 燃油系統在碰撞條件下的安全性評價以及結構失效模式

2.1 燃油箱的密封結構

燃油箱系統通常有油箱殼體，燃油泵總成組成。燃油經過加油管進入到燃油箱內，然后由燃油泵電機以及泵體部分，將燃油輸送到燃油箱外的燃油管路直至發動機油軌處。

圖1 燃油箱以及燃油泵法蘭的裝配示意圖

圖1說明了燃油泵法蘭和油箱的裝配關系，通常由金屬或者塑料卡環的形式，將燃油泵總成固定在油箱內部。

1.法蘭 2.導桿 3.儲油桶

燃油泵總成又分為儲油桶，以及法蘭組件兩部分。儲油桶內集成了燃油泵電機，支架，連接管路，過濾器等零件；法蘭組件通常為一個盤狀零件，上面集成了進出油管，電器接插件，通氣管路等結構，在其下面一般集成了兩根金屬導桿，用于連接儲油桶零件。請見圖2燃油泵總成示意圖。

燃油泵法蘭零件和油箱之間還有一個密封圈，確保燃油不外漏到油箱外部。

針對碰撞類工況的結構安全，國家目前有三個碰撞強制標準，GB-11551規定了車輛正面碰撞的要求，GB-20071規定了車輛側面碰撞的要求，GB-20072規定了尾部碰撞的要求。其中對于燃油系統碰撞安全性能的要求為[4]：1）在碰撞過程中，燃油供給系統不允許發生泄漏；2）碰撞試驗后，若燃油系統存在液體連續泄漏，則在碰撞后前5分鐘，平均泄漏速率不得超過30g/min。實際企業設計標準中，不論是碰撞中還是碰撞后，都會加嚴設計為不允許有泄漏，以減少起火隱患。

2.2 燃油泵法蘭零件的失效模式

當碰撞發生時，如圖3所示，由于慣性作用，儲油桶有繼續往前運動的趨勢，如箭頭方向，彎矩通過金屬導桿傳遞到法蘭盤面，碰撞能量的吸收主要集中于法蘭導桿座處。

圖3 碰撞時導桿座力受力圖

金屬導桿是過盈裝配在法蘭盤面里的，如圖4所示，在正常工作時，即使整車遇到崎嶇山路，或者是越野顛簸，此處結構都緊固可靠，導桿也不會松動掉落。

圖4 法蘭導桿座結構

在受到車輛意外碰撞時，如果結構設計不良，將會導致如圖5所示的盤面破裂，導桿連接法蘭零件的導桿座部分被撕裂，這種失效將直接導致燃油從油箱里溢出，油氣暴露在大氣中可能發生爆燃等事故，危及人身安全。

圖5 在碰撞時法蘭盤發生破裂

因此，法蘭導桿座處的結構對于碰撞安全性而言非常重要。

3 碰撞仿真和優化設計分析

3.1 碰撞仿真建模

為評估結構在碰撞條件下的安全性能，需要在設計初期就建立有限元分析模型，進行仿真計算。避免后期開模之后，通過實物試驗再發現失效[5]。

初始安裝狀態下，燃油箱以及燃油泵系統處于靜止狀態，法蘭盤面是被螺旋壓盤緊固約束在油箱上的。

當整車發生碰撞時，無論是側面碰撞，前碰，或者是后碰事故，由于慣性作用，燃油箱中的燃油泵儲油桶將持續產生移動。由于導桿和儲油桶以及法蘭同時相連接，彎矩將由導桿傳遞后作用在法蘭導桿座上。

由此建立一個有限元分析模型。如圖6所示。

圖6 建立有限元模型

儲油桶內含有油泵電機，托架，油泵過濾器等零件，桶內含有400-500毫升汽油，這些質量統一作用在兩個導桿上。經過計算后，以質心方式加載在導桿上。

導桿材質為20號碳鋼。法蘭零件材質為聚甲醛。聚甲醛具有很高的彈性模量，硬度和剛度，廣泛應用于燃油系統[6]。

在建立的仿真模型中，使用彈塑性材料模型表征該材料的力學特性，其失效塑性應變為30%。即超過30%時，表明該區域有破裂風險。

載荷條件為模擬沖擊力，加速度為100g，時間為30ms。模擬整車50km/h碰撞。加載曲線如圖7所示。

圖7 施加沖擊載荷

約束條件是法蘭盤整個環面固定，模擬實際裝配在油箱中的狀態。

3.2 結構變形模式分析

通過仿真計算，可發現隨著沖擊載荷的逐漸加大，在法蘭導桿座處產生越來越大的應力，致使法蘭導桿座區域產生塑性形變，直至局部發生破裂。

當破裂區域距離法蘭盤面很近時，由于撕裂效應，一個裂紋可能就會貫穿到整個盤面，甚至導致破洞。根據設計要求，法蘭盤面確保完整才能防止燃油的泄露。如果產生了貫穿性的裂紋，燃油就會滲透到油箱外，引起環境污染，甚至有起火隱患。

圖8展示了在有限元分析軟件中，通過顏色區分出了不同區域的受力情況。法蘭導桿座根部是受力最大的區域。

圖8 碰撞沖擊的結構模式分析

隨著彎矩越來越大，導桿座處的結構逐漸發生塑性形變，直至產生破裂。

3.3 兩種設計結構變形比較

這里選取了在碰撞沖擊中發生了破裂的法蘭（即原有設計）進行建模分析。

圖9展示了導桿裝配在導桿座的截面結構，這個結構的特點在于導桿插入法蘭內部較深，而且導桿座周邊的筋結構較為強壯。其呈圓弧狀，均勻分布在法蘭盤面。

圖9 原始設計

施加載荷的過程中，可以看到由于導桿插入到法蘭底部很深，當隨著載荷越來越大，在根部區域容易產生破裂。一旦裂紋延伸，可能就會導致整個盤面產生破洞。

圖10 原有設計的碰撞仿真分析

原有的設計主要缺陷有：導桿端部和法蘭面過于接近，導致遇到碰撞工況時，一旦產生破裂，極易引起盤面貫穿性撕裂。整個導桿座結構又比較強壯，一旦有載荷施加時，無法有效地吸收能量。

由此，建立一種優化的設計。結構如圖11所示。

設計主要優化點如下：導桿端部距離法蘭盤面有一定的距離，并不是插入到底。此處結構上下圓柱直徑不同，形成一個臺階，在破裂發生時，這個臺階就是一個吸能區域，并且預期破裂只會發生在臺階這里，而不會貫穿到法蘭盤面。

同時為了保證在車輛正常情況下的抗振能力，在環狀處還設計了一些筋特征，主要作用是在保持抗振強度。

圖11 優化設計

圖示12展示了優化設計的仿真分析，預測到該結構遇到碰撞時，發生破裂的區域和破裂延伸的區域。

可以看到，在受到碰撞沖擊時，應力主要于環狀臺階處，在臺階處發生了折斷和破裂，吸能非常充分，此時沖擊能量將不再延伸作用到法蘭盤表面處，從而起到了保護法蘭盤面的作用，法蘭盤面的結構完整性較好，符合設計期望。

圖12 優化設計的碰撞仿真分析

由于這是一個圓環布置筋位的結構，不論沖擊載荷從哪個方向作用過來，沖擊能量都能夠通過輻射狀加強筋分散傳遞到環狀加強筋，然后再傳遞到法蘭面上去，即輻射狀加強筋能起到分散載荷的作用。

該處結構形狀盡量按圓形（當導桿座遠離法蘭裙邊時）或圓弧形（當導桿座連接著法蘭裙邊時）設計，環狀加強筋連成一體，避免中間斷開，以增加強度。

同時，對于該結構進行抗振仿真分析，通常采用寬頻隨機振動試驗。以驗證整體結構的強度能保證整車的正常使用工況。

通過仿真，可以預期到優化結構在整車上的表現為：

1）在正常行車顛簸中，結構正常連接，不會發生破裂的失效。

2）當發生碰撞沖擊時，法蘭導桿座在環狀臺階處吸能而發生折斷，從而保護了法蘭盤面不會被撕破，從而保護了燃油系統整體的完整性，不至于發生燃油外泄。

圖13展示了經過優化設計后的法蘭實物在實際碰撞試驗后的狀態。

在碰撞沖擊試驗后的實物來看，斷口發生在導桿座臺階處，沒有延伸到法蘭盤面。實物與仿真計算分析取得了一致的結果，即斷裂處發生在導桿座臺階而不是發生在法蘭盤面。即保證油箱整個系統都是沒有燃油泄露點的。

圖13 實物在碰撞條件下的狀態

通過實物試驗很好地驗證了該設計的有效性和實用性，在不同的項目中，即使法蘭盤面形狀，尺寸不同，但和導桿連接處的結構，都可借鑒此優化設計，進行平臺化應用。

5 結論

本文以燃油泵法蘭零件作為研究對象，重點分析了此關鍵零件在碰撞條件下的結構變形特點。闡述了碰撞之后，由于慣性作用，會對法蘭導桿座處產生載荷沖擊，導桿座可能會發生破裂的趨勢。

通過有限元分析，找到了法蘭導桿座破裂的延伸趨勢，從而建立了一種新型結構，這種結構特點為導桿和法蘭導桿座裝配時，導桿端部距離盤面有一定的距離，而且還設計了一個臺階狀的特征。其下部直徑稍大，更為強壯，上部直徑稍小，略微薄弱，這樣就在臺階處形成一個吸能區域。從而可預期到在碰撞過程中，能量在臺階處得到吸收，裂紋不延伸到法蘭表面。從而能夠保證法蘭盤面是完好的，燃油系統不發生泄漏。

這種優化后的結構同時兼顧到了正常行車上的抗振結構強度要求，即通過圓弧形狀的筋特征增加了整個導桿座的強度。滿足整車正常使用下，法蘭不會發生破裂。

[1] 柳廣鳳,徐愛平.轎車燃油箱設計[J].機械工業標準化與質量,2012 (08):23-27.

[2] 王坤,談笑天,余歡.汽車燃油箱防護裝置設計與研究[J].民營科技,2018(12):41-42.

[3] 王力,吳旭,魏然,路先鋒.某乘用車追尾碰撞分析及結構改進研究[J].輕型汽車技術,2012(Z3):8-11.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB20072- 2006 乘用車后碰撞燃油系統安全要求.

[5] 楊志剛,葉平,馬美林等.乘用車后碰撞安全模擬與結構設計研究[J].汽車工程,2008,30(11):972-974,983.

[6] 紀立春,劉志富,李美榮,李勁松,趙立杰.聚甲醛技術進展和發展前景[J].精細化工原料及中間體,2006(06):23-24.

A optimized structural design study on fuel pump module flange under collision condition

Lu Lifeng1, Mei Yuan2

( 1.Chery Jaguar Land Rover Automotive Co., Ltd., Shanghai 201103; 2.Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., Shanghai 201201 )

This paper mainly studies the structural optimization design of fuel pump flange part in the case of vehicle collision impact to ensure the sealing safety performance. Flange part may be affected by external shocks, which may cause a risk of fire and fuel leakage. Aiming at this failure mode, this paper takes the fuel pump flange part of a certain type of vehicle as an example for studying. The CAE simulation is used to compare the design structure of two different flange guide rods, and an optimized design with energy absorption structure is established. During the collision process, the energy absorbing structure can effectively absorb the impact energy, protect the integrity of the flange part, and prevent fuel leakage caused by the rupture of the part.

safety under collision impact; fuel pump flange; fuel leakage; energy absorption structure

U467

B

1671-7988(2019)08-158-04

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1671-7988(2019)08-158-04

陸利鋒，碩士研究生，工程師，就職于奇瑞捷豹路虎汽車有限公司，研究方向為動力總成系統。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.049