雙腔鋁合金油箱分腔隔板質量優化設計

張文彥

雙腔鋁合金油箱分腔隔板質量優化設計

張文彥

（西安交通大學城市學院 機械工程系，陜西 西安 710018）

為降低雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板開裂失效風險，文章介紹了一種通過改進分腔隔板結構提高鋁合金雙腔油箱質量的方法。首先結合同類結構計算機輔助工程（CAE）分析及試驗報告，對分腔隔板結構進行了改進，再通過CATIA軟件進行建模對燃油箱總成進行裝配評估，同時分析了新結構分腔隔板工藝成型情況，最后進行樣件試制并進行臺架振動試驗驗證，結果顯示這種方法能過夠有效克服雙腔油箱分腔隔板開裂脫落問題，同時在設計優化過程大大降低了時間成本、人工成本及原料成本。

雙腔鋁合金燃油箱；CAE分析；裝配評估；臺架振動試驗；設計優化

隨著重型卡車的發展，輕量化燃油箱需求與日俱增，傳統的鐵質燃油箱已經逐步被輕量化、不易生銹的鋁合金燃油箱所代替[1]，但市場對燃油箱的功能有著更高的要求[2]，為解決冬季寒冷地區卡車司機的痛點問題，雙腔鋁合金燃油箱在市場上逐步占據重要的位置，而分腔隔板開裂成為雙腔燃油箱的最常見的失效模式[3]。分腔隔板開裂不僅會導致主副油箱發生竄油現象，也會摩擦產生鋁粉并隨著吸油系統進入發動機[4]，容易造成油路堵塞甚至破壞發動機性能。目前市場上存在類似售后失效模式較多[5]，因此，解決雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板開裂問題成為雙腔油箱質量提升的關鍵一步。

1 研究背景

目前，國家高速公路貨車通行收費標準由計重收費調整為按軸收費[6]，出現重車、空車一刀切現象，導致費用上漲，半掛、單車空車改走國道省道；空車走國道、省道路況差、運輸效率、安全性低下，導致車輛部件高頻振動或頻繁緊急剎車與起步，油箱柴油對隔板沖擊力大且沖擊頻率大幅上升；公路重載自卸車一般為8×4加強型或復合型車輛，中短途省道、國道運輸散裝煤炭、砂石料，載重大、路況差、振動大、燃料對油箱隔板沖擊力大且頻率高；非冬季時節，車輛副油箱一般長期空置，導致隔板長期受到主油箱燃料一個方向高頻、大力的沖擊，應力集中現象較為明顯；此外，我司現有主副油箱分腔隔板壓筋寬度小、過渡圓弧較小、裸露平面面積較大，致使隔板整體強度不高。因此，對雙腔燃油箱分腔隔板的改進迫在眉睫。

2 研究方法

為降低雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板開裂失效風險，文章提出了一種通過改進分腔隔板結構提高鋁合金雙腔油箱質量的方法。首先結合類似結構計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析及試驗報告，提出改進辦法；接著通過CATIA軟件進行建模對燃油箱總成進行裝配評估；最后進行樣件試制并進行臺架試驗驗證，根據試驗結果最終評估改進方案的可行性。

3 方案改進

公司前期對主腔隔板方案進行了優化設計，圖1為主腔隔板設計優化前后模型對比。老隔板為傳統的方形沖壓加四角壓筋結構，特征過多，壓筋寬度小、過渡圓弧較小、裸露平面面積較大，四角壓筋處容易形成應力集中，而球形沖壓能有效分散應力，因此，進行了隔板的全新球形結構設計，并進行了CAE分析，隔板的邊界條件按照等效壓力加載。通過CAE仿真發現主腔新隔板結構最大應力由78.52 MPa降低到32.37 MPa，最大應力降低了58.77%，剛度提升了64.1%，強度提升了63.2%，CAE分析部分如圖2所示。此外，新結構隔板向振動時長由以前的2小時提高至38小時并且未失效，向振動實驗結果顯示主腔新隔板強度提升超過1 800%，充分說明主腔新隔板的結構狀態可靠性大大優于老隔板狀態。

我司分腔隔板老方案與主腔隔板老方案外形輪廓結構一致，如圖3所示。結合主腔隔板CAE仿真與振動試驗結果，發現新隔板結構性能大大提升，因此，對現有分腔隔板結構類比提出了改進方案。改進方案為減小四處壓筋的應力集中，選擇了中間球形沖壓，加大過度圓弧，球形沖壓的結構不僅能減緩應力集中，并且成型后對四角的強度和剛度影響更小，因此，改進方案打破了原始設計思路進行了全新的結構設計，如圖4所示。除此之外，主腔隔板的焊接方式為壓筋及斷續焊，而分腔隔板為周圈滿焊，焊接強度符合要求，不需要壓筋，因此，新設計的分腔隔板翻邊高度可以減少30 mm，并對新結構分腔隔板進行了沖壓成型分析，如圖5所示。沖壓成型分析結果顯示，部分區域存在開裂、褶皺風險，占比3.69%，總體成型良好。

圖4 分腔隔板新方案

圖5 隔板沖壓成型分析

4 燃油箱總成裝配評估

雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板改進方案提出后，按照燃油箱總成及附件進行了CATIA三維模型建立，整體安裝效果如圖6所示。根據三維模型對整體方案特別是分腔隔板壓型、分腔隔板翻邊高度降低后工藝實現難易程度問題進行了初步評估。經專家組評估：改進后的分腔隔板方案壓型工序由原來的四道工序減少至三道工序，節省了時間成本與人工成本；改進后的分腔隔板方案在燃油箱總成裝配過程中工藝實現未增加難度，但需要進一步試驗驗證其結構的可靠性。

圖6 燃油箱總成整體安裝效果

5 實驗驗證

為驗證雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板改進方案的可靠性，進行了油箱總成的試制并參照《汽車燃油箱及其安裝的安全性能要求和試驗方法》（GB 18296－2019）進行了臺架振動試驗[7]，圖7為振動試驗現場圖。將燃油箱總成模擬裝車形式固定在振動試驗臺上，往腔體內加入額定容量1/2的水，蓋上燃油箱蓋，密封好所有進、出口。

上下：振動加速度30 m/s2，振動頻率30 Hz，直至損壞或振動4小時以上無損壞，停止試驗記錄時間。

左右：振動加速度30 m/s2，振動頻率30 Hz，直至損壞或振動2小時以上無損壞，停止試驗記錄時間。

前后：振動加速度30 m/s2，振動頻率30 Hz，直至損壞記錄時間。

按照國標《汽車燃油箱及其安裝的安全性能要求和試驗方法》（GB 18296－2019）要求，燃油箱總成上下振動4小時，左右振動2小時，前后完成振動21小時，其他部位開裂，切開燃油箱總成發現分腔隔板仍完好，無任何開裂或滲漏。相比舊方案臺架振動試驗結果：上下振動4小時，左右振動2小時，前后完成振動10小時，分腔隔板新方案在前后方向性能提高110%，三個方向綜合性能提高68.75%。

6 結論

文章對雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板結構進行了全新的設計，新的球型結構有效分散了應力集中，降低了最大應力，提高了強度及剛度，降低了翻邊高度。通過專家組評估及臺架振動試驗結果表明，這種新型的雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板方案相比舊方案不僅可靠性有較大幅度提高，能夠有效克服雙腔油箱分腔隔板開裂脫落問題，并且在設計優化過程大大降低了時間成本、人工成本及原料成本。目前，從方案實施開始，分腔隔板改進方案已得到市場驗證，市場反饋改進效果明顯。

[1] 寧亮亮,王偉銀.重型卡車5052鋁合金燃油箱焊接修復工藝[J].汽車維護與修理,2021(6):69-71.

[2] 張笑.汽車燃油箱材質對比及發展趨勢分析[J].內燃機與配件,2021(13):59-60.

[3] 趙承軍,白培謙.重型汽車鋁合金燃油箱失效分析與改進[J].汽車實用技術,2018,43(22):116-118.

[4] 雷亮,劉飛,張珂,等.大容積鋁合金燃油箱隔板固定新技術探究[J].汽車實用技術,2021,46(16):155-157.

[5] 趙承軍,白培謙.重型汽車鋁合金燃油箱失效分析與改進[J].汽車實用技術,2018,43(22):116-118.

[6] 孔德學.高速公路可變收費對貨車出行選擇行為的影響研究[D].重慶:重慶交通大學,2021.

[7] 中華人民共和國工業和信息化部.汽車燃油箱及其安裝的安全性能要求和試驗方法:GB 18296－2019 [S].北京:中國標準出版社,2019.

Quality Optimization Design of the Split Diaphragm of Dual-cavity Aluminum Alloy Oil Tank

ZHANG Wenyan

( Department of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University City College, Xi'an 710018, China)

In order to reduce the crack failure risk of the split diaphragm of the dual-cavity aluminum alloy fuel tank, this paper introduces a method to improve the quality of the dual-cavity aluminum alloy fuel tank by improving the structure of the split diaphragm.First of all, combined with the computer aided engineering(CAE) analysis and test report of the same structure, the structure of the split diaphragm is improved.The article then evaluates the assembly of the fuel tank assembly by modeling with CATIA software, and analyzes the process forming of the new structure split diaphragm. Finally, the prototype is trial-produced and verified by the bench vibration test.The research results show that this method can effectively overcome the problem of split diaphragm cracking and falling off of double-chamber oil tank, and greatly reduce the time cost, labor cost and raw material cost in the process of design optimization.

Dual-cavity aluminum alloy fuel tank; CAE analysis; Assembly evaluation; Bench vibration test; Design optimization

U464.136.5

A

1671-7988(2023)17-81-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.014

張文彥（1993－），女，碩士，助理工程師，研究方向為汽車燃油系統零部件設計，E-mail:870570849@qq.com。