一種正壓型油箱油量傳感器安裝組件的優化設計

劉 軍，樊銀斌，周 佳，王 宇

（第一拖拉機股份有限公司，河南 洛陽 471004）

1 存在的問題

大馬力輪式拖拉機燃油箱設計時，為了滿足農忙作業時的需要，一般要求加滿燃油的情況下，拖拉機能持續工作10 h以上[1]。某型拖拉機整機布置時，為擴大燃油存儲量，充分利用底盤剩余空間，采用在駕駛室后壁板安裝一個金屬油箱作為主油箱，并在駕駛室左前懸架上安裝一個塑料油箱作為副油箱的雙油箱結構，高低布置的主副油箱結構如圖1所示。

圖1中，主油箱的安裝位置高于側置的副油箱，加油口在主油箱上，主、副油箱之間通過一根通徑較粗的軟管連通，發動機吸油管安裝在副油箱上吸取燃油，主油箱對副油箱進行燃油補給，油量傳感器安裝在副油箱上，進行油位的測量與提示。現有技術中油量傳感器安裝組件結構為：塑料副油箱上鑲嵌一個帶安裝孔的金屬法蘭，油量傳感器設計一個相應的金屬法蘭盤并帶橡膠墊；安裝時在副油箱上的法蘭盤表面涂抹一圈密封膠，將油量傳感器的法蘭盤與其孔位對照，用螺釘通過均布于法蘭盤上的5個螺紋孔擰緊固定，油量傳感器與副油箱之間靠壓緊橡膠墊平面密封。

圖1 高低布置的主副油箱結構Fig.1 High and low layout of the main and auxiliary tank structure

通常拖拉機燃油箱內環境一般為負壓，圖1中主油箱高、副油箱低的布置中，副油箱長期處于柴油飽滿的正壓狀態，加之拖拉機連續作業后持續的高溫回油會使油箱內的油溫升高[2]，油氣的膨脹，更增大了副油箱內的壓力，油量傳感器安裝處平面密封的結構耐壓能力不足，市場反饋漏油問題比較普遍。

針對這種情況，筆者研制了一種適用于正壓型油箱的螺紋連接、雙密封油量傳感器安裝組件，既解決了漏油問題又方便裝配。

2 技術方案

筆者設計的這種正壓型油箱油量傳感器安裝組件，主要由副油箱上的螺紋預埋件、油量傳感器總成上的法蘭安裝座、O型圈組成，具體結構如圖2所示。

圖2 油箱與油量傳感器安裝結構圖Fig.2 Tank and fuel sensor installation structure drawing

副油箱1上鑲嵌有預埋件11，預埋件上部設有溝槽。油量傳感器總成2包括線束21、防護帽22、法蘭座23、信息管24、浮子25、密封蓋26、O型圈Ⅰ27、O型圈Ⅱ28；其中，法蘭座23頂部為凸臺231，上部為卡裝部232，中部為壓盤233，壓盤上設有溝槽234，下部為連接部235。預埋件11內壁與連接部235外表面加工有相互配合的管螺紋，O型圈Ⅰ27安裝在溝槽234中，O型圈Ⅱ28卡裝在壓盤233和連接部235之間的溝槽上。

安裝時，將油量傳感器總成的連接部235旋入到副油箱上的預埋件11中，用S27的扳手卡住卡裝部232擰緊；擰緊后O型圈Ⅱ被壓入預埋件11上部的溝槽中與側壁形成徑向密封；O型圈Ⅰ受到壓盤233自上向下的擠壓與油箱表面形成平面密封，此一步完成油量傳感器與副油箱的組合。

進一步地把組合好的副油箱安裝至拖拉機上的副油箱支架上，將線束21的插頭與拖拉機主線束對插，實現通信；信息管24內部為線路板，線路板上焊接若干個電阻和干簧管，一個電阻連接一個干簧管，浮子25中間有通孔貫穿于信息管上，信息管下部焊接密封蓋26；浮子25為內部帶磁鋼的發泡丁腈橡膠，能夠漂浮于柴油表面，當油箱內的油位變化時，浮子25跟隨上下浮動，信息管24內線路板上的干簧管感應到磁鋼的磁力而閉合；連接干簧管的電阻值通過線束21輸出至拖拉機儀表，儀表的指針會隨著阻值的變化而轉動，從而達到指示油位的目的。

3 核心零件計算校核

1）主副油箱高度差造成的壓力。某型拖拉機后背油箱加油口高出副油箱油量傳感器安裝面82 cm，根據液體壓強的計算公式P=ρg△h，則P=ρg△h=840×9.8×0.82=6.75 kPa；即油量傳感器安裝處長期承受6.75 kPa左右的正壓。式中：ρ——柴油密度，取ρ=840 kg/m3；

△h——液面高度差，根據實際取△h=0.82 m。

2）O型圈的選型。規格的選擇：根據預埋件和法蘭座的相關尺寸，參照標準[3]設計溝槽234、壓盤233和連接部235之間的溝槽以及預埋件上部溝槽尺寸；選取O型圈Ⅰ規格：50×5.3-G-N-GB/T 3452.1-2005[4]；選取O型圈Ⅱ規格：40×2.65-G-N-GB/T 3452.1-2005[4]。為防止從溝槽內脫落，O型圈在安裝前須受到拉伸，安裝后受到擠壓起到密封作用，本研究結構中O型圈Ⅰ、O型圈Ⅱ均為靜密封，在靜密封場合、密封介質為油時，要求初始拉伸量為1 mm～1.04 mm，壓縮率為15%～25%。拉伸量和壓縮率按下列公式計算。

式中：d1——O型圈內徑，單位mm；

d2——O型圈橫截面直徑，單位mm；

d3——溝槽內徑，單位mm；

h——溝槽深度，單位mm。

3）對本方案中O型圈的拉伸量和壓縮率進行驗算。

O型圈Ⅰ：d1=50 mm，d2=5.3 mm，溝槽內徑d3=52+0.1-0.1mm，溝槽深h=4.2 mm；

代入式（1）得最大初始拉伸量α=（52.1+5.3）/（50+5.3）=1.038 mm；

代入式（2）得壓縮率ω=（5.3-4.2）/5.3=20.7%；

O型圈Ⅱ：d1=40 mm，d2=2.65 mm；溝槽底徑d3=41.5+0.150mm，溝槽深h=2.2 mm；

代入式（1）得最大初始拉伸量α=（41.65+2.65）/（40+2.65）=1.038 mm；

代入式（2）得壓縮率ω=（2.65-2.2）/2.65=17%；

綜上，選用的O型圈拉伸量和壓縮率能夠滿足設計要求。

4）材質的選擇：因工作介質為柴油，選用耐油性和機械性能好的丁腈橡膠。

5）硬度的選擇：硬度根據壓力來選擇，一般低壓下用低硬度的材料，高壓下用高硬度的材料，結合前述工作壓力6.75 kPa，選用邵氏硬度（70±5）HA。

4 主要特點

1）油量傳感器采用螺紋連接安裝到副油箱上，尤其是G11/2的管螺紋[5]，相比于普通螺紋連接緊密性更好，能承受較大壓力。采用螺紋連接后，滲漏油主要來自兩個方面，如圖3所示，一是油量傳感器與金屬預埋件的螺紋牙間的縫隙，二是金屬預埋件與塑料之間縫隙。因此，筆者設計兩道O型圈密封結構，內側的O型圈徑向密封，阻擋了油量傳感器與預埋件之間的滲漏；外側的O型圈軸向密封，阻擋了預埋件和塑料之間的滲漏；軸向密封對徑向密封形成密封補償，增強了密封性能。

2）油量傳感器的法蘭座上部設計S27外六方卡裝部，方便使用扳手緊固，相比于現有技術中采用5個M5*16螺釘固定，提高了裝配效率，且不需要打平面密封膠，減少了輔料消耗。

3）油量傳感器的線束采用沿法蘭座中軸線垂直向上的出線方式，并通過注塑固定，解決了采用螺紋連接衍生的“因預埋件與法蘭座連接部加工時螺紋切入角無法保證一致，造成的水平方向出線時螺紋擰緊后導線打死彎問題”，保護導線，并保證了批量裝配一致性。

4）油量傳感器上設有橡膠防護帽，起到防水、防塵、絕緣作用，保證傳感電路的可靠，橡膠防護帽的安裝采用在法蘭座頂部設計帶唇部的凸臺，通過唇部撐開防護帽卡裝的方式，能夠有效防止脫落。

5）柴油具有一定的腐蝕性，為避免與柴油接觸的金屬組件生銹，設計的油量傳感器法蘭座選用不銹鋼材質，螺紋預埋件選用黃銅材質，兩道O型圈選用耐油性強的丁腈橡膠，增強整個組件的可靠性。

5 試驗驗證

按照相關標準[6]，對安裝此種新型組件的副油箱樣品進行了耐壓性能試驗，分別驗證了35 kPa、40 kPa兩種壓力，各采用2只樣品，試驗時將油箱各通口堵塞，油量傳感器用30 N·m的預緊力裝配擰緊，試驗結果如表1所示。

表1 耐壓性能試驗結果Tab.1 Pressure resistance test results

將采用此種新型組件的副油箱安裝至拖拉機后，加滿燃油進行顛簸靜置試驗，也未出現漏油。

6 結束語

筆者設計的正壓型油箱用油量傳感器安裝組件，提供了一種長期承受正壓狀態的塑料油箱油量傳感器耐壓、密封性能提升方案；通過管螺紋連接和雙O型圈密封的結構，提高了油量傳感器安裝處的耐壓能力，解決了現有技術中的漏油問題，延長了油量傳感器的使用壽命。