汽車燃油箱開(kāi)裂漏油原因及改進(jìn)措施

肖海明 ，朱小文 ，楊 軍

（江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)總院，江西 南昌 330010）

燃油箱是固定于汽車上用于存貯燃油的獨(dú)立箱體總成，包含油箱上的進(jìn)油管嘴、通氣管嘴、翻車閥、隔熱板、擋油板等部件，燃油箱的主要功能是儲(chǔ)存油液，此外還有散發(fā)油液中的熱量，逸出混在油液中的氣體，沉淀油液中的污物等作用[1]。汽車燃油箱是汽車燃油供給系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，國(guó)家對(duì)它的結(jié)構(gòu)、安全方面有著十分嚴(yán)格的要求[2]。燃油箱在工作過(guò)程中承受來(lái)自道路激勵(lì)引發(fā)的各種激勵(lì)載荷，其在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)裂等失效模式。研究小組簡(jiǎn)要介紹了燃油箱的分類以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并結(jié)合江鈴汽車股份有限公司某一輕卡金屬燃油箱在耐久路試過(guò)程中出現(xiàn)的開(kāi)裂漏油現(xiàn)象，利用頭腦風(fēng)暴方法，找出了導(dǎo)致燃油箱開(kāi)裂的原因，為后續(xù)車型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供參考[3-4]。

1 燃油箱的分類及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

燃油箱按所用材料可分為金屬燃油箱和塑料燃油箱，分別如圖1、圖2所示。金屬燃油箱一般是由幾塊薄板件焊接成型，油箱上有焊縫，設(shè)計(jì)不合理或在外界振動(dòng)激勵(lì)作用下容易開(kāi)裂漏油。塑料燃油箱是一次性吹塑成型的，具有更好的抗沖擊、耐腐蝕、防變形開(kāi)裂的性能，在汽車經(jīng)歷過(guò)嚴(yán)重的撞擊事故后，塑料油箱除發(fā)生變形外，不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂漏油現(xiàn)象，意外失火的可能性大大降低[5]。本研究針對(duì)江鈴汽車股份有限公司某輕卡車型使用的金屬油箱，介紹其設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并針對(duì)其在耐久路試時(shí)出現(xiàn)的開(kāi)裂漏油現(xiàn)象進(jìn)行分析。金屬油箱的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：壁板厚度一般為1 mm～1.5 mm，油箱內(nèi)一般設(shè)有隔板，隔板的作用是使回油區(qū)與泵的吸油區(qū)隔開(kāi)，增大油液循環(huán)的路徑，降低油液的循環(huán)速度，有利于降溫散熱、氣泡析出和雜質(zhì)沉淀，一般沿油箱的縱向布置，其高度一般為最低液面高度。有時(shí)隔板高于液面，在中部開(kāi)有較大的窗口并配上適當(dāng)面積的濾網(wǎng)，對(duì)油液進(jìn)行粗濾。金屬燃油箱無(wú)法成型形狀復(fù)雜的外形，與排氣管的間隙不得小于50 mm，與地板的間隙，不算隔振墊處不得小于5 mm，與后橋間隙不小于25 mm，油箱距地面的高度不應(yīng)是整車最小離地間隙。

圖2 塑料燃油箱

2 燃油箱失效模式分析

針對(duì)某一輕卡車型金屬燃油箱在耐久路試中由于路面加速度激勵(lì)和內(nèi)部油液對(duì)油箱的沖擊，導(dǎo)致油箱本體焊點(diǎn)開(kāi)裂的現(xiàn)象，如圖3、圖4所示，課題組利用頭腦風(fēng)暴方法，從以下方面著手進(jìn)行分析。

圖3 焊點(diǎn)脫落

圖4 箱蓋脫落

2.1 焊接質(zhì)量不合格

金屬油箱是由箱體及箱蓋、隔板、加強(qiáng)板等通過(guò)焊接制造而成，焊接的好壞很大程度上決定了焊點(diǎn)是否會(huì)開(kāi)裂。金屬油箱一般采用縫焊工藝：焊件裝配成搭接或斜對(duì)接頭并置于兩滾輪電極之間，滾輪加壓焊件并轉(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù)或斷續(xù)送電，形成一條連續(xù)焊縫的電阻焊方法。

要求供應(yīng)商加強(qiáng)內(nèi)部質(zhì)量過(guò)程管控，焊接質(zhì)量需每班次檢測(cè)1次，要求焊縫紋路清晰無(wú)飛濺、無(wú)毛刺、無(wú)泄漏，利用試水檢測(cè)、焊接工藝參數(shù)控制、破壞性試驗(yàn)等控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

從失效的同批次油箱中隨機(jī)抽查檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)油箱的焊接質(zhì)量符合要求。

2.2 箱蓋設(shè)計(jì)不合理

為了提高燃油箱箱蓋表面剛度，一般在其表面采用壓筋處理。針對(duì)耐久路試時(shí)發(fā)現(xiàn)壓筋處發(fā)生開(kāi)裂漏油，且油箱端蓋加強(qiáng)筋某一R角處開(kāi)裂的現(xiàn)象。經(jīng)工藝檢查分析發(fā)現(xiàn)，是模具不良造成箱蓋加強(qiáng)筋R處尖角過(guò)渡不平順，導(dǎo)致應(yīng)力集中，與使用中外力疊加造成疲勞開(kāi)裂[6]。通過(guò)修改模具，加大R角平滑過(guò)渡，問(wèn)題得以有效解決。

2.3 燃油箱振動(dòng)開(kāi)裂

考慮燃油箱可能由于箱體內(nèi)燃油晃動(dòng)導(dǎo)致箱體受到?jīng)_擊振動(dòng)而出現(xiàn)裂紋，從而使車輛在耐久路試時(shí)漏油，課題組利用常見(jiàn)的有限元分析軟件HyperMesh及Abaqus，通過(guò)有限元分析方法對(duì)燃油箱進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算其模態(tài)值是否符合江鈴汽車股份有限公司設(shè)計(jì)要求。

3 燃油箱有限元分析

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種近似方法，主要用來(lái)研究機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，包括固有頻率和振型，是振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性。對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、動(dòng)載荷的產(chǎn)生和傳播以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)的形式等具有重要影響。作為具有有限個(gè)自由度的彈性系統(tǒng)，振動(dòng)微分方程為：

式中，M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，¨x(t)為加速度向量，.x(t)為速度向量，x(t)為位移向量，F(xiàn)(t)為作用在彈性體上的激勵(lì)。在無(wú)阻尼自由振動(dòng)情況下，進(jìn)行傅式變換可得：

變換為特征方程：

式中，ω為系統(tǒng)固有頻率，φ為系統(tǒng)振型。

3.2 有限元模型

將三維軟件建立的燃油箱模型導(dǎo)入到有限元軟件HyperMesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于金屬燃油箱是薄板件，單元類型采用四邊形殼單元，單元邊長(zhǎng)為4 mm，此模型單元有68 889個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)70 289個(gè)，燃油箱總成各部件之間采用焊接連接方式，其材料參數(shù)如表1所示。在螺栓孔位置處對(duì)燃油箱進(jìn)行6個(gè)自由度的約束，計(jì)算燃油箱在此狀態(tài)下的約束模態(tài)[7-10]。

表1 燃油箱材料參數(shù)

從圖5、圖6可知，此燃油箱一階、二階模態(tài)分別為25.8 Hz、36.2 Hz，由于國(guó)家以及江鈴汽車股份有限公司規(guī)定的振動(dòng)試驗(yàn)頻率為30 Hz，其不滿足設(shè)計(jì)要求。說(shuō)明該燃油箱剛度不足，容易在外界的激勵(lì)頻率下發(fā)生共振現(xiàn)象，有開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，因此模態(tài)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 燃油箱一階模態(tài)振型云圖

圖6 燃油箱二階模態(tài)振型云圖

3.3 優(yōu)化方案

此燃油箱的壁厚為1 mm，為了提高其模態(tài)，將壁厚改成1.5 mm，重新進(jìn)行有限元分析，其分析結(jié)果如圖7、圖8所示。此時(shí)燃油箱的一階頻率為31.2 Hz，二階頻率為38 Hz，滿足江鈴汽車股份有限公司標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 優(yōu)化后的一階頻率

圖8 優(yōu)化后的二階頻率

4 結(jié)論

綜上所述，課題組分析了汽車燃油箱的組成及金屬燃油箱和塑料燃油箱的優(yōu)缺點(diǎn)，并闡述了金屬燃油箱設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)的一些參數(shù)，為后續(xù)車型出風(fēng)口的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。根據(jù)某一車型金屬燃油箱在耐久路試過(guò)程中出現(xiàn)的開(kāi)裂漏油的現(xiàn)象，課題組利用有限元分析軟件，對(duì)其燃油箱進(jìn)行模態(tài)分析。分析結(jié)果表明，此模態(tài)不符合設(shè)計(jì)要求，通過(guò)增加燃油箱的壁厚，可以改善其模態(tài)性能。