樣車試制油箱的研究及應用

謝玉銀

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201800）

新車型開發中，油箱造型需要與車身底盤相匹配以便在有限的空間內存放更多的燃油，不同的車型需要匹配不同造型的油箱，油箱屬于安全件，按照以往的慣例都是使用批量注塑模具制作的，但是從油箱設計定型到成品制作完成往往需要花費近一年的時間，一些全新的項目會由于油箱的制作進度而延誤項目的開發進度。

1 汽車燃油系統及批量油箱

對于批量燃油箱，按照材質的不同可以分為塑料燃油箱和金屬燃油箱。由于塑料燃油箱具有不同于金屬燃油箱的諸多優點，使得塑料燃油箱替代金屬燃油箱、多層燃油箱替代單層燃油箱成為目前汽車工業發展的主流方向。目前市場車型的批量燃油箱大多采用塑料燃油箱，其制造工藝[1]通常如圖1所示。

圖1 塑料燃油箱制造工藝流程

塑料燃油箱相較于鐵質金屬燃油箱具有以下多方面的優點：

（1）重量輕。HDPE塑料材料的密度為0.95g/cm3左右，一只同等容積的鐵油箱比塑料油箱重約2.5倍。

（2）防腐能力強。

（3）造型隨意。隨著汽車配置越來越多，為了充分利用空間，現代汽車的外型設計變得越來越緊湊。

（4）使用壽命長。由于塑料燃油箱的材料是高分子聚合物，其化學性能比較穩定，因此塑料燃油箱具有較長的使用壽命。

（5）安全性高，不會因熱膨脹而爆炸。

（6）生產成本低，加工工藝簡單，不論多復雜的產品造型都可一次成型，并且報廢的產品經粉碎后材料可以循環使用。

2 樣車試制油箱方案研究

但由于塑料油箱從設計到制造周期長達一年左右的時間，通常會根據新狀態的油箱數據，設計制造樣車試制油箱，該油箱的方案研究大致分以下幾部分：油箱的設計、油箱的制造、油箱氣密性測試、油箱尺寸測量。

（1）試制油箱的設計基于以下幾方面：a.車型和油箱的相關參數定義的信息，如油箱容積等；b.油箱環境數據的信息，主要是地板、后橋和排氣管等；c.油箱上各功能零件的定義及位置布置信息[2]。

（2）油箱的制造：該油箱本體主要采用不銹鋼板折彎拼焊的工藝，對整體的拼焊精度要求較高。需要保證每條焊縫的密封性，所以對焊接質量也要求較高。

（3）測試方面：該類油箱需保證其密封性，所以在油箱制造完成后需要做好密封性的測試工作，可以通過氣壓測試或者水密封測試等。

2.1 試制油箱設計

油箱是車輛裝燃料容器，是液壓系統中存儲液壓油的專用容器。根據車型的不同，油箱的容積有所不同。油箱上的零件很多，上部裝有油表傳感器、進回油口、加油口、暖風取油口、通氣口、油箱蓋等，底部裝有放油螺塞等。

試制金屬油箱設計的重點：

（1）油箱零件的信息定義，包含沿用哪個車型的零件，如：油箱蓋、碳罐、壓力調節器、控制器、油泵、重力閥、通氣閥、注油閥、濾清器等。

（2）附件位置及固定方式。

（3）油箱容積。

（4）環境數據，如：地板、排氣管、后橋、后輪罩鈑金等。

批量塑料油箱的零件很多，每個零件的功能也有所不同，其結構比較復雜。

試制金屬油箱的作用是在批量塑料油箱生產出來之前，替代批量塑料油箱，安裝到樣車上，用于各種試驗。其結構可以簡化，但必須滿足批量塑料油箱的所有功能，安裝所有批量塑料油箱應有的附件。

根據油箱周邊的環境，確定試制金屬油箱的外形，必須考慮到油箱不能被地板、后橋、排氣尾管等零件干涉[3]，如圖2所示為某新項目試制金屬油箱及周圍環境截圖。

2.1.1 試制金屬油箱本體的設計

從成本及制作周期出發，我們對油箱的本體進行了簡化。本體及加油口固定點的選取，考慮了油箱的可替換性，如圖3所示為試制金屬油箱本體及其安裝點，如圖4所示為試制金屬油箱加油口安裝點。

圖3 試制金屬油箱本體及其安裝點

圖4 試制金屬油箱加油口安裝點

試制金屬油箱本體與加油口固定點都采用2mm厚的不銹鋼板，其材料為316L。

通過將不銹鋼板折彎后焊接，形成封閉腔體，如圖5所示為試制金屬油箱本體及其爆炸圖。這種工藝的優點是成本低廉、制造工藝簡單、周期短等。

圖5 試制金屬油箱本體及其爆炸圖

2.1.2 試制金屬油箱管道及固定件的設計

加油管、通氣管、凈化管等零件在可行的情況下盡量采用現有零件，但由于每個車型的地板或輪罩鈑金都有差異，所以管路零件的走向都會有所差別，需要根據環境數據設計新的管路零件。如圖6所示的A零件為根據新車型的環境數據設計的新的加油管、通氣管及凈化管零件。

圖6 某新車型試制金屬油箱管路零件

加油管的固定，我們采用了不同于批量的固定方式。批量塑料油箱中本體與油路管道間的連接件是塑料材質，由于試制金屬油箱是金屬件，此處金屬材質的油箱本體無法與塑料材質的連接件進行有效連接，所以我們重新設計了金屬材質的連接件，用于連接油箱本體與加油管。同時在連接件的末端突出1mm的凸包，用于卡住管道，再用卡箍卡緊，防止管道脫落，達到了密封的效果。如圖7所示為油箱本體與管道間連接件的設計示意圖。

圖7 油箱本體與管道間連接件的設計

2.1.3 油泵的固定設計

由上文所知，油箱內部的主要零件為燃油泵、注油閥、主通氣閥及副通氣閥。新車型的油箱燃油泵是沿用現有某款車型，我們選取現有的燃油泵，如圖8所示。

圖8 油箱燃油泵

選擇好替代的燃油泵后，我們根據新的目標車型，將現有的燃油泵移動到需要的位置。接下來的問題就是如何實現固定與密封，批量的燃油泵是通過塑料卡角固定的。但對于試制金屬油箱，由于油箱主體為不銹鋼材質，無法采用這種固定方式。

在試制金屬油箱中，我們采用了如圖9所示的固定方式：通過設計金屬壓板將燃油泵的邊壓在油箱本體和壓板之間，并利用一密封圈進行密封，再通過M6螺釘將壓板與油箱本體進行連接，實現了燃油泵的固定與密封。

圖9 試制金屬油箱燃油泵的固定方式

2.1.4 加油單向閥的固定設計

加油單向閥的固定與燃油泵類似，選取了現有車型的注油閥，將注油閥移到合理的位置后，通過設計一個卡腳件來完成注油閥的固定，如圖10所示為注油閥的固定。

圖10 加油單向閥的固定方式

2.1.5 加油限量排氣閥的固定設計

排氣閥在選取現有批量零件的基礎上，對其進行更改，如圖11所示，從批量的通氣閥中取出主要的功能部件閥門芯，然后設計一個通氣閥安裝件，將閥門芯安裝到通氣閥安裝件上，再旋轉，通過卡角將閥門芯固定，其中通氣閥安裝件與油箱本體固定連接，該安裝件上同時需要固定多個管路連接件。

圖11 閥門芯固定方式

2.1.6 重力閥的固定設計

重力閥的固定方式同加油限量排氣閥一樣，取出閥芯，旋轉后通過卡角固定在重力閥的安裝件上，如圖12所示：

圖12 重力閥固定結構設計

2.2 油箱的制造

圖13所示為試制金屬油箱的制造流程。其中本體采用厚度為2mm的316L不銹鋼板，通過沖壓和折彎工藝實現不同的形狀，然后通過夾具定位后再進行焊接工藝。安裝緊固部分由于強度要求較高，采用了厚度為5mm的316L不銹鋼板。

圖13 試制金屬油箱的制造流程

鈑金零件成型的工藝有兩種方式：（1）沖壓成型；（2）折彎成型。因為本體的底部是有型面要求的，所以零件必須通過壓機沖壓而成，見圖14。沖壓成型的方式可以制作型面比較復雜的零件，而且型面質量好，尺寸精度高，但缺點是費用高、周期長，對設備有要求。

圖14 鈑金沖壓成型

折彎工藝可以制作比較簡單的零件，優點是周期短、費用低。但由于是人工制作而成，所以也存在一定的缺點：表面質量差、尺寸精度不高，零件的成型完全依賴工人的經驗。

通過折彎成型的零件需要提供詳細的折彎圖，如圖15所示為其中一個零件的折彎圖紙。

圖15 不銹鋼板的折彎圖紙

由于內部需要安裝很多的功能附件，如：油泵注油閥、通氣閥等，固定這些附件的零件都是通過不銹鋼材料經過車削、銑削、研磨制作而成，如圖16所示。

圖16 單件加工工藝

不銹鋼的焊接會產生大量的熱量，為了防止熱量導致的零件變形，在焊接時，可采用先焊好局部，等熱量散去后，再進行補焊的方法。這樣的焊接工藝可以將零件的變形量降到最小，以保證油箱的焊接精度。

2.3 油箱氣密性測試

如果油箱燃油泄漏會污染環境，甚至會影響人身安全，所以必須對試制金屬油箱進行氣壓計密封性的測試。試制油箱氣密性采用兩種測試方法：

2.3.1 氣壓測試

將油箱的出口密封住，然后向里面充氦氣，氣壓為：10kPa，再用氣壓計測試，油箱里的氣壓是否有所變化。如果一段時間后，氣壓降低，說明油箱密封性有問題，不滿足要求；若氣壓未見降低，說明油箱密封性滿足要求。

2.3.2 浸水測試

先將試制金屬油箱密封，密封采用的方式是：一端連接氣壓表，另外一段的軟管連接在試制金屬油箱管道安裝件上，再向油箱里充一定量的氣體，通常氣壓為10kPa，然后浸入清水中，看是否有氣泡產生。若有氣泡產生，說明油箱密封性有問題，不滿足要求；若沒有氣泡產生，說明密封性達到了要求，見圖17所示。

圖17 油箱浸水氣密性測試

本試制金屬油箱通過浸水測試證明該油箱滿足密封性要求。

2.4 油箱安裝點及外形尺寸測量

經過對試制金屬油箱的外形及安裝點的測量，安裝點的最大公差為2.9mm，見圖18，完全符合批量的安裝公差要求4.0mm。

圖18 油箱安裝尺寸測量

由于此油箱為手工試制件，外形有較大的偏差為5.9mm，見圖19，如果大批量生產的話，通過模具及夾具，可以保證其精度。

圖19 油箱外形尺寸測量

經過數據對比，此區域設計時的安全距離為18mm，對油箱的安裝及使用沒有產生影響。

3 結束語

批量塑料油箱的制造周期長達一年多，試制金屬油箱的設計制造周期僅為十五周，大大縮短了油箱的制造周期，為各種樣車提供了試驗的可能，在一定程度上縮短了新車型的開發周期。