丁濃龍，游召平

(江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330000)

0 引言

輕型卡車是現(xiàn)代物流最為廣泛的交通工具。整車的輕量化是有效降低燃油消耗和減少尾氣排放的重要手段，隨著國家排放法規(guī)的升級(jí)，對尾氣排放、燃油消耗的要求越來越苛刻，進(jìn)而導(dǎo)致各大輕型卡車主機(jī)廠對輕量化要求越來越嚴(yán)格。

新材料的應(yīng)用為汽車零部件輕量化的主要手段[1]。輕型卡車上的傳統(tǒng)燃油箱為較重的普碳鋼油箱，其輕量化措施主要是通過新材料的應(yīng)用，具體方案有塑料油箱、鋁合金油箱、高強(qiáng)度不銹鋼油箱。

盡管塑料油箱相比傳統(tǒng)普碳鋼油箱質(zhì)量下降約20%～30%，但其開發(fā)成本較高，機(jī)械力學(xué)性能和耐老化性能不如傳統(tǒng)的金屬油箱等。鋁合金油箱雖然也相比傳統(tǒng)普碳鋼油箱質(zhì)量下降約20%～30%，且繼承了傳統(tǒng)金屬油箱優(yōu)良的機(jī)械性能，但由于鋁合金原材料成本較高，導(dǎo)致鋁合金油箱成本居高不下，故此僅能在價(jià)值量大的重型卡車市場批量使用。不銹鋼油箱由于其屈服強(qiáng)度比普碳鋼高，可以通過降低油箱殼體板厚來減輕質(zhì)量[2]，同時(shí)不銹鋼油箱具有傳統(tǒng)金屬油箱優(yōu)良的機(jī)械性能，防腐蝕性強(qiáng)，外形美觀，可以減少噴涂生產(chǎn)工藝等優(yōu)點(diǎn)。所以不銹鋼油箱作為輕型卡車油箱輕量化的一個(gè)重要方案。據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)，不銹鋼油箱在國外已有成熟產(chǎn)品并應(yīng)用[3-4]，國內(nèi)也僅上汽解放J6重型卡車等高端商用車少量應(yīng)用[5]，輕型卡車市場暫未應(yīng)用。

為開發(fā)一款可以在質(zhì)量上與同等容積的塑料油箱媲美，且在成本上與同等容積的傳統(tǒng)普碳鋼油箱相當(dāng)?shù)妮p型卡車不銹鋼油箱，通過對鋼種材料的選擇，油箱厚度的理論計(jì)算及有限元分析論證，油箱的性能試驗(yàn)與評(píng)估等方面全流程深入研究，此項(xiàng)目成功開發(fā)了一款高性價(jià)比輕型卡車不銹鋼油箱。該款油箱的成功研發(fā)為傳統(tǒng)普碳鋼油箱廠產(chǎn)品升級(jí)換代帶來機(jī)會(huì)，為其重新贏取油箱市場帶來契機(jī)。

1 鋼種材料的選擇

通過對比傳統(tǒng)普碳鋼油箱材料(鍍鋁板SAIC)與不銹鋼材料的機(jī)械性能(如表1所示)，再結(jié)合輕型卡車油箱形狀特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝可行性，確定了寶鋼公司奧氏體不銹鋼(牌號(hào)為BFS400-2)作為此次研究的輕型卡車不銹鋼油箱原材料[6]。

表1 鍍鋁板SAIC材料與奧氏體不銹鋼BFS400-2機(jī)械性能對比

注：BFS400-2不銹鋼屈服強(qiáng)度約為鍍鋁板SAIC的2.3倍，高屈服強(qiáng)度有利于降低板厚來減輕質(zhì)量；BFS400-2不銹鋼伸長率優(yōu)于鍍鋁板SAIC，有利于油箱沖壓成型工藝。

2 油箱厚度的理論計(jì)算及有限元分析論證

2.1 油箱數(shù)模設(shè)計(jì)

油箱由油箱殼體、隔板、端蓋、油箱箍帶、油箱安裝托臂等組成，對其建模(如圖1所示)。油箱建模后再做簡化及局部細(xì)化處理，主要處理有：對隔板上的一些凹槽圓角等特征進(jìn)行簡化，以提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖1 油箱CAE分析建模

2.2 油箱殼體、隔板和端蓋厚度初始設(shè)定值計(jì)算

油箱所使用的材料是大面積的平板件，影響較大的是彎矩。根據(jù)彎曲受力狀態(tài)分析(如圖2所示)， 橫截面對Z軸的慣性矩：

式中：b為寬度；t為板料厚度。

該橫截面的抗彎系數(shù)：

該平板的抗彎強(qiáng)度：

式中：M為彎矩。由此可見彎曲受力下，彎曲強(qiáng)度和厚度平方呈反比關(guān)系。

圖2 彎曲受力狀態(tài)分析示意圖

假定不銹鋼油箱殼體材料與原鍍鋁板SAIC油箱材料所受彎矩不變，材料抗彎矩強(qiáng)度等于屈服強(qiáng)度，已知鍍鋁板SAIC的屈服強(qiáng)度δ1=166 MPa，厚度t1=1.2 mm；不銹鋼板BSF400-2的屈服強(qiáng)度δ2=390 MPa，不銹鋼板厚t2的計(jì)算公式為：

綜上計(jì)算，定義油箱殼體、隔板和端蓋厚度初始設(shè)定值為0.8 mm。

2.3 油箱有限元分析

(1)網(wǎng)格參數(shù)。節(jié)點(diǎn)數(shù)235 334，單元數(shù)210 158。

(2)約束條件。油箱安裝托臂與車架安裝孔固定約束；油箱箍帶與油箱安裝托臂固定約束。

2.3.1 分析工況及分析結(jié)果

根據(jù)輕型卡車油箱使用情況，制定6個(gè)有限元分析工況，具體如表2所示。

表2 油箱CAE分析工況及相應(yīng)分析結(jié)果

詳細(xì)的有限元分析數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 6個(gè)工況有限元分析數(shù)據(jù)

2.3.2 結(jié)論

根據(jù)平板件彎矩力不變理論，計(jì)算出來的高強(qiáng)不銹鋼厚度0.8 mm能通過油箱有限元工況分析驗(yàn)證。

3 不銹鋼油箱的性能試驗(yàn)與評(píng)估

3.1 不銹鋼油箱降重效果評(píng)估

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為不銹鋼油箱相對原鍍鋁板SAIC油箱質(zhì)量下降25%以上，該接受標(biāo)準(zhǔn)是對標(biāo)同等容積的塑料油箱。

采用0.8 mm厚的BSF400-2不銹鋼材料試制的燃油箱稱重結(jié)果如表3所示。

評(píng)估結(jié)果：合格。

表3 不銹鋼油箱降重效果測試數(shù)據(jù)

3.2 燃油箱臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)QC/T 644-2000《汽車金屬燃油箱技術(shù)條件》和GB 18296-2001《汽車燃油箱安全性能要求和試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，樣本量為3件。

試驗(yàn)結(jié)果：3件樣本量均通過QC/T 644-2000《汽車金屬燃油箱技術(shù)條件》和GB 18296-2001《汽車燃油箱安全性能要求和試驗(yàn)方法》共計(jì)9項(xiàng)試驗(yàn)。

評(píng)估結(jié)果：合格。

3.3 燃油箱整車路試評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)整車企業(yè)路試標(biāo)準(zhǔn)，在湖北省某公司整車試驗(yàn)場進(jìn)行4.5×104km耐久試驗(yàn)，耐久過程中及耐久拆解后，燃油箱總成無泄漏，無變形，無磨損，評(píng)價(jià)結(jié)果為合格(如表4所示)。

表4 不銹鋼油箱搭載整車路試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

(1)總結(jié)出一套金屬油箱通過提高原材料強(qiáng)度來降低殼體厚度進(jìn)而降重的理論計(jì)算方法，即先通過平板件彎矩力平衡原理計(jì)算出新方案板厚初始厚度，然后通過CAE模擬進(jìn)行分析驗(yàn)證。試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，該方法有效；

(2)開發(fā)的輕型卡車不銹鋼油箱相對于傳統(tǒng)普碳鋼油箱質(zhì)量下降達(dá)29.4%，降重效果與同等容積的塑料油箱相當(dāng)，降重收益可觀；

(3)所開發(fā)的輕型卡車不銹鋼油箱已經(jīng)通過了各種油箱使用性能測試和整車耐久路試，并批量在江鈴輕型卡車小批量切換應(yīng)用，通過追蹤主機(jī)廠裝車應(yīng)用和終端用戶使用情況，暫未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題；

(4)所開發(fā)的輕型卡車不銹鋼油箱不僅質(zhì)量與塑料油箱相當(dāng)，而且機(jī)械性能和單件成本均優(yōu)于塑料油箱，所以輕型卡車領(lǐng)域，不銹鋼油箱比塑料油箱具有較廣的市場前景。