某國六車型油箱防護裝置的研究與開發

鄒增糧

某國六車型油箱防護裝置的研究與開發

鄒增糧

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545006）

油箱布置方式對降低或消除車輛在受到正面碰撞時對燃油箱的變形和損壞具有重要作用，基于此，文章針對某國六車型燃油箱布置的特殊要求，對其正向防護裝置進行了研究及設計開發，并利用有限元分析軟件對其強度進行了數值模擬分析，并進行了實車驗證，計算和試驗結果均表明該車燃油箱正向防護裝置滿足設計標準要求。

汽車燃油箱；防護裝置；分析優化；試驗

引言

汽車燃油是傳統能源車的動力來源，燃油屬于易燃易爆品。而汽車油箱一般都是布置在汽車骨架上，但油箱的下表面位于地板的下方，工作環境惡劣[1]。油箱在行駛過程中一旦發生撞擊，油箱如若位置設置不當，極易在碰撞中發生變形甚至損壞，輕則燃油泄漏，影響汽車正常使用，重則發生燃燒爆炸，造成人員傷亡與財產重大損失。

根據布置原則，車輛燃油箱的任何部位距車輛前端應不小于600 mm，距車輛后端應不小于300 mm[2]，對于發動機后置的營運客車，其燃油箱應位于前軸之后，同時油箱滿載時，其底部不得處于整車最低[3]。此種布置方式僅僅考慮到車輛在受到前、后碰撞時對燃油箱的保護，但并不能解決油箱外露車型（即油箱下表面位于底板下方）容易受到刮底碰撞的問題，因此需要對燃油箱設計正面撞擊防護，以提高油箱正面抗撞擊能力，降低或消除車輛在受到正面碰撞時燃油箱的變形和損壞[4,5]。

1　布置存在的問題及原因分析

為節約成本，提高通用性，縮短開發周期，盡快推出符合法規與市場需求的國六系列新產品。某國六新車型需盡量借用先前已開發的某國六車型油箱，針對新車型底盤低，離地間隙小，油箱布置需下移18 mm，下移后三種狀態分析如下。

1.1　空載狀態

空載狀態下，副車架低于燃油箱位置，車輛行駛過程中，過坑或者有障礙物路段，燃油箱因有前副車架抗沖擊及防撞預警，從而避免被刮碰，如圖1所示。

圖1　空載狀態離地間隙

1.2　半載狀態

半載狀態下，前副車架與燃油箱離地間隙基本一致，車輛行駛過程中，遇到過坑或者有障礙物路段，油箱存在著較大的被刮碰風險，如圖2所示。

圖2　半載狀態離地間隙

1.3　滿載狀態

滿載狀態下，燃油箱低于前副車架位置，車輛行駛過程中，遇到過坑或者有障礙物路段，燃油箱因沒有其他預警，存在著較大的被刮碰風險，如圖3所示。

圖3　滿載狀態離地間隙

從上述分析可看出，整車在半載、滿載時，油箱底部分別處于平齊與下車體最低狀態，從而不符合設計規范要求（燃油箱與副車架最低點高度差要求：各種工況下，燃油箱離地高度≥副車架最低點＋20 mm，不能低于前部剛性零件，若低于前部零件，應增加保護措施），故需在油箱前端設計低于油箱的防護裝置，以滿足相關規范要求，保護油箱[3-5]。

2　防護裝置的研究設計

2.1　設計原則要求

（1）布置于油箱下表面下方≥20 mm，油箱前表面前方≥50 mm，燃油箱最小離地間隙要保證在空載狀態≥190 mm、滿載狀態≥140 mm，并且高于周邊剛性部件最少5 mm以上，目的是保證能阻擋有可能碰撞到油箱的障礙物并能提供吸能空間。

（2）防撞裝置總成的整體剛強度必須小于白車身縱梁，以防止白車身先于防撞裝置總成損壞。

（3）要求結構簡單、成本低、重量輕，抗變形能力強。

（4）碰撞損壞后需容易拆卸、容易維修與更換。

2.2　型式選取

目前市面上帶有防護裝置的車型，大多采用以下兩種型式：

（1）全覆蓋型：加裝底盤保護板，可以對油箱起到保護作用，但是重量大、成本較高，且對車底的布置空間要求較高，限制了此技術的大面積推廣，如圖4所示。

圖4　全覆蓋型防護

（2）防護裝置型：該裝置提供一種油箱防撞梁結構總成，以解決油箱外漏車型的油箱防撞問題，同時具有抗變形能力強、結構簡單、成本低、重量輕，損壞容易維修，目前使用較廣，如圖5所示。

圖5　防護裝置型防護

2.3　設計方案

2.3.1防撞彎管參數選取

各參考車型防撞管參數如表1所示。

表1　參考車型防撞管參數

結合公司資源可獲得性要求，選取鋼管參數：管徑為￠20 mm ，壁厚為2 mm。

2.3.2防護裝置總成設計

主體采用鋼管支架結構，利用成本低，抗變形能力強，直徑為￠20 mm，壁厚為2 mm的圓形鋼管作為防撞主體，兩端頭為防止表面腐蝕、避免風哨聲及安全，采用橡膠堵塞頭進行端部封堵，防護鋼管上焊有2個安裝支架，安裝支架焊接搭接部位均與油箱防撞彎管弧形貼合，加大了接觸面積，并且通過兩道CO2保護焊，提高焊接的牢固性，如圖6所示。

1-橡膠堵頭； 2-防撞彎管； 3-安裝支架

防護裝置總成采用4顆螺栓與汽車地板聯接，便于損壞后維修更換，總成安裝于車身地板縱梁的下表面上，反面點焊有2個加強板，用以增加此處剛強度。油箱防護裝置位于油箱的前下方，在汽車行駛過程中，如果路面上有會碰撞到油箱下表面的障礙物時，障礙物會與油箱防撞彎管碰撞，沖擊力瞬間分散到2個防護裝置安裝支架上，進而將力傳遞到白車身地板縱梁上，地板縱梁剛強度較大，不易變形。如果油箱防護裝置受到的碰撞不強時，僅依靠油箱防護裝置總成變形，并利用防護裝置與油箱預設距離進行緩沖，就可吸收完碰撞能量；如果油箱防護裝置受到的碰撞較強時，也是防撞彎管先變形，繼而引起安裝支架變形，然后傳遞到車身縱梁上，直至縱梁變形，從而減輕或避免油箱被碰撞，保護油箱，如圖7所示。

圖7 防護裝置安裝位置

3　分析與優化

3.1　計算分析

設立壁障障礙物，壁障位置靜止固定，壁障模型為長方體 100 mm×100 mm，離地高度155 mm，模擬道路上的石塊、中間凸起的地面、翹起的井蓋、矮樁等，工況設定如圖8所示。

圖8 工況模型設定

所選鋼管和安裝支架材料的機械性能參數如表2、表3所列。

表2　鋼管材（Q235）機械性能參數

表3 安裝支架板材(ST37-2G)機械性能參數

按下列兩種情況進行仿真計算分析。

（1）車身地板縱梁不考慮增焊加強板情況下，仿真分析整車在30 km/h、40 km/h、50 km/h三種速度下（防護裝置更多考慮在低速下發揮預警與減輕對油箱的損傷），地板與防撞桿的損傷狀態。撞擊變形過程如圖9所示。

圖9　撞擊變形過程

應變情況如圖10所示。

圖10　撞擊應變情況

在不同速度條件下，車身側連接點處的損傷應變基本保持不變，速度越高，防撞桿的損傷越大，50 km/h的應變率達16.7%，考慮更有利于驗證防護裝置的防護效果，后續撞擊分析均以整車V= 50 km/h為撞擊設定速度。

（2）車身地板縱梁增焊加強板：考慮到連接處的特殊性，既要保護地板縱梁，又要避免因過度變形而使防撞桿失去防護作用，故設計了兩種加強板方案：一個為長方形（受空間限制少，現有焊接工藝、工裝可滿足），另一個為四方形（空間限制大，需優化焊接工裝，投入大）如圖11所示。

圖11　方案1、2加強板

方案1：左/右各增加一個長方形小加強板（通用件，加強板材料ST37-2G，厚度1.5 mm）。

方案2：左/右各增加一個四方形小加強板（非對稱件、非通用件，加強板材料ST37-2G，厚度1.5 mm）。

方案1和方案2的仿真分析結果如下：

其撞擊變形過程如圖12所示。

圖12　撞擊變形過程

其應變情況如圖13所示。

圖13　撞擊應變情況

方案1的車身加強件最大應變11.8%，防撞桿最大應變：59.9%。

方案2的車身加強件最大應變6.7%，防撞桿最大應變：17.3%。

從上述分析結果可看出，方案1 無論是加強板，還是防撞桿，變形均過大,其中防撞管還超出了延伸率（26%）極限，產生了失效，故應優選方案2。

3.2　結構優化

在車身縱梁優選方案2加強板情況下，考慮制造工藝、生產效率與零部件成本，需對防護裝置安裝支架及焊縫進一步優化：安裝支架壁厚減薄，由3.0 mm改成2.0 mm，同時對3種焊縫（全焊縫，兩端間短焊，單側間一側短焊、一側中部點焊）進行優選，如圖14所示。

圖14　3種焊接型式

在安裝支架減薄情況下，仿真分析整車V=50 km/h時，3種焊接狀態下應變情況，如圖15所示。

圖15　3種焊型撞擊應變情況

3種焊接狀態應變情況匯總，如表4所示。

表4　3種焊接偶合件應變對比（V=50 km/h）

綜合考慮防護效果因素，優選兩端整條焊縫型式。

至此，在整車V=50 km/h時，3種方案的應變匯總如下表5所示。

表5　3種方案偶合件應變對比（V=50 km/h）

安裝支架厚度減薄后，車身縱梁的應變率出現了下降，防護裝置應變率出現了上升，說明白車身縱梁損傷輕，防護裝置發揮了作用。同時證明: 減薄防撞桿支架鈑金厚度，弱化防撞梁安裝支架是有效的，在保護白車身的同時適當放大防護裝置的變形量，有利于減輕障礙物沖擊傳遞，降低車身損傷。

4　試驗驗證

經此優化開發后，各方面設計參數達至設計規范要求，用兩臺實車模擬撞擊高155 mm障礙物試驗，防護裝置發揮了作用，達到了預期防護效果，保護效果如圖16所示。

a 加裝前 b 加裝后

5 結束語

通過對車型防護裝置的研究及設計優化，實現了相關法規要求，并經實車驗證，防護有效，同步發布了一系列油箱防護裝置方面的設計規范與分析計算標準流程文件，為后續同類設計案例提供了參考。

[1]GB7258－2017. 機動車運行安全技術條件[S]. 北京: 中國標準出版社，2017.

[2]劉隆嬌，蔣金隆. 汽車燃油系統布置要點解析[J]. 南方農機，2016(12): 98.

[3]GB18296.4.2.1－2019. 汽車燃油箱及其安裝的安全性能要求和試驗方法[S]. 北京: 中國標準出版社，2019.

[4]GB20072.4.1.2－2006. 乘用車后碰撞燃油系統安全要求[S]. 北京: 中國標準出版社，2006.

[5]ECE R34.5.1.1. 車輛火險預防措施認證的統一規定[S]. 日內瓦: 聯合國歐洲經濟委員會，1999.

Research and Development of Fuel Tank Protective Device for a National Six Vehicle Model

The fuel tank layout plays an important role in reducing or eliminating the deformation and damage to the fuel tank when the vehicle is subjected to a frontal collision. Based on this, according to the special requirements of the fuel tank layout of a national six vehicle model, the forward protective device is studied, designed and developed, and its strength is numerically simulated and analyzed by using the finite element analysis software, and verified by the real vehicle, the calculation and test results show that the forward protection device of the fuel tank of the vehicle meets the requirements of the design standard.

automotive fuel tank; protective device; analysis and optimization; test

U463

A

1008-1151(2022)02-0057-05

2021-12-23

鄒增糧（1970－），男，廣西柳州人，東風柳州汽車有限公司技術中心高級工程師，研究方向為整車性能集成開發與產品項目管理。