張?jiān)史? 唐基榮

【摘 要】文章對(duì)汽車(chē)燃油箱燃油晃動(dòng)異響成因進(jìn)行了分析，對(duì)比了金屬油箱、塑料油箱及橫置、縱置情況下的油箱晃動(dòng)異響表現(xiàn)，并總結(jié)出一些缺陷油箱結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而提出了異響問(wèn)題的解決方法。采用文章所述的方法，對(duì)某問(wèn)題油箱進(jìn)行防浪板設(shè)計(jì)、應(yīng)用，有效地消除了異響，顯著提高了整車(chē)NVH效果。文章增加了燃油箱設(shè)計(jì)者對(duì)燃油箱的燃油晃動(dòng)異響機(jī)理的認(rèn)識(shí)，并提供了幾種缺陷油箱結(jié)構(gòu)形式及燃油晃動(dòng)異響的解決方法。

【關(guān)鍵詞】燃油箱;晃動(dòng)異響;防浪板

【中圖分類(lèi)號(hào)】U464 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）02-0061-03

燃油箱內(nèi)燃油晃動(dòng)異響現(xiàn)象隨著客戶(hù)的追求不斷提高、整車(chē)NVH性能不斷提升、產(chǎn)品定位不斷升級(jí)而逐漸得到人們的重視。伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)產(chǎn)生一些液體晃動(dòng)方面的分析方法、軟件，如王照林等人針對(duì)液體非線(xiàn)性晃動(dòng)的一些定性理論及穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究;包光偉等人采用VOF方法對(duì)液體晃動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值仿真;劉富等人采用SPH方法對(duì)棱形液艙在外加激勵(lì)作用下，不同充液比工況所對(duì)應(yīng)的艙內(nèi)液體晃動(dòng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并將其與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，兩者吻合較好，同時(shí)成功地模擬出液體晃動(dòng)產(chǎn)生的波浪翻卷和破碎。

CAE分析作為重要的前期工程分析手段，存在耗時(shí)長(zhǎng)、準(zhǔn)確性不高、費(fèi)用高、技術(shù)門(mén)檻高等缺陷。在當(dāng)前汽車(chē)行業(yè)快速迭代的市場(chǎng)環(huán)境下，略顯乏力。本文基于十多年燃油箱開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、異響問(wèn)題處理經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)概括一些異響因素和結(jié)構(gòu)缺陷，并提出解決方法，可以避免較為明顯的晃動(dòng)異響現(xiàn)象，從根本上提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)，減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

1 油箱晃動(dòng)異響研究

1.1 油箱晃動(dòng)異響機(jī)理

車(chē)輛在行駛過(guò)程中，尤其是在加速或減速過(guò)程中，燃油箱內(nèi)部的燃油由于慣性作用，將會(huì)發(fā)生晃動(dòng)。在滿(mǎn)足一些特定條件時(shí)，液面拍打油箱殼體，或者飛濺，從而產(chǎn)生異響，并通過(guò)振動(dòng)向外輻射噪音（如圖1所示）。

1.2 油箱內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)特征

油箱內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)特征，是研究分析晃動(dòng)異響原因的必要條件。經(jīng)大量測(cè)試觀(guān)察，油箱內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖2所示。

勻速行駛：正常行駛過(guò)程中，液面較為穩(wěn)定。

制動(dòng)時(shí)：從開(kāi)始踩剎車(chē)到完全停止，液體向油箱前部移動(dòng)。該過(guò)程因制動(dòng)緩急不同而運(yùn)動(dòng)速度不同：急剎時(shí)液體向油箱前部快速流動(dòng)，一般容易產(chǎn)生碎裂的水花飛濺聲;緩剎時(shí)液面是從水平緩慢向前傾斜。該過(guò)程一般無(wú)異響問(wèn)題：緩剎時(shí)液面是緩慢向前傾斜，不會(huì)產(chǎn)生液面拍打箱體的動(dòng)作;急剎時(shí)背景噪音較大、乘客注意力轉(zhuǎn)移等因素，塑料油箱一般感受不到水花飛濺聲，下殼體特征復(fù)雜的金屬油箱偶爾會(huì)發(fā)生異響。

停車(chē)時(shí)：在車(chē)輛停止的瞬間，液體開(kāi)始快速回流，液體在油箱內(nèi)做前后往復(fù)流動(dòng)。油箱內(nèi)燃油量較少時(shí)可以看到液體前后流動(dòng)，當(dāng)達(dá)到1/2以上時(shí)，主要表現(xiàn)是油箱前后液面的上下起伏運(yùn)動(dòng)。因車(chē)輛已停止，背景噪音已消失。油箱晃動(dòng)異響大都產(chǎn)生在該階段。不同的油箱布置形式、材料會(huì)產(chǎn)生不同的異響特征。

1.3 油箱布置、材料對(duì)晃動(dòng)異響的影響

典型的油箱布置，大體包括縱置油箱和橫置油箱兩種（如圖3所示）。

縱置油箱：一般用在微車(chē)、中大型MPV上。該布置形式的油箱，液體晃動(dòng)時(shí)水花聲較少。在停車(chē)后，液體在油箱內(nèi)前后往復(fù)次數(shù)較多，可達(dá)10次以上，而且往復(fù)一次間隔也較長(zhǎng)，約1 s（跟油箱在縱向的尺寸相關(guān)）。如果油箱結(jié)構(gòu)存在缺陷，停車(chē)后甚至可聽(tīng)到十余次較為明顯的異響。

橫置油箱：轎車(chē)、SUV常用的一種布置方式。該布置形式的油箱，在停車(chē)后，液體在油箱內(nèi)前后往復(fù)次數(shù)較少，一般2次（跟油箱在縱向的尺寸相關(guān)）。而且往復(fù)一次間隔急促。如果油箱結(jié)構(gòu)存在缺陷，停車(chē)后一般發(fā)生1～2次異響。

從材料上劃分，油箱可分為金屬油箱、塑料油箱。

金屬油箱：可滿(mǎn)足深沖工藝的冷軋低碳鋼板，壁厚一般為1 mm，前十階模態(tài)為100～400 Hz。

塑料油箱：高密度聚乙烯（HDPE），平均厚度為5 mm，前十階模態(tài)為30～150 Hz。

油箱產(chǎn)生的噪音，頻率范圍一般在30～500 Hz，與金屬油箱高階模態(tài)重合度較高，對(duì)液體拍打箱體、液體飛濺的水花聲阻擋效果不佳。在橫置油箱方案中，往往在急剎時(shí)容易產(chǎn)生水花聲，類(lèi)似“嘩啦啦”聲。如果油箱結(jié)構(gòu)存在缺陷，可產(chǎn)生明顯的“咚咚”聲。塑料油箱則對(duì)高頻噪音具有很好的阻隔作用，無(wú)論在橫置還是縱置方案中，均較難聽(tīng)到水花聲。如果油箱結(jié)構(gòu)存在缺陷，也可產(chǎn)生明顯的“咚咚”聲。

1.4 油箱晃動(dòng)異響產(chǎn)生的典型結(jié)構(gòu)

不是所有油箱都一定產(chǎn)生異響。但由于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)油箱受周邊約束，所以油箱外形往往不太規(guī)則。如前所述，油箱的上殼體兩端如果存在臺(tái)階面，或者因下凹特征產(chǎn)生的空腔特征，在特定燃油量時(shí)，因燃油液面上下運(yùn)動(dòng)時(shí)擊打臺(tái)階面而產(chǎn)生異響（如圖4所示）。

圖4各情況下的異響特點(diǎn)：A.油位接近臺(tái)階面，晃動(dòng)時(shí)液面拍打臺(tái)階面，產(chǎn)生“咚”的一聲;B.油位接近臺(tái)階面，液體拍打臺(tái)階面，并同時(shí)與腔體形成二次異響，產(chǎn)生“咕咚”聲;C.與A類(lèi)似，往往在較扁的油箱、滿(mǎn)油位時(shí)產(chǎn)生。

油箱下殼體因避讓排氣管等系統(tǒng)所產(chǎn)生的特征，在較為平緩的路上滑行時(shí)也容易產(chǎn)生水花聲。該特征在金屬油箱上時(shí)有發(fā)生。

此外，相關(guān)研究表明，液體在油箱內(nèi)的晃動(dòng)頻率與油箱縱向尺寸、液體深度相關(guān)：在縱向尺寸不變的情況下，液面升高，則液體晃動(dòng)頻率上升。這與油箱橫置、縱置所展現(xiàn)的晃動(dòng)異響特點(diǎn)相吻合，在異響問(wèn)題解決、防浪板布置時(shí)需要重點(diǎn)考慮。

2 防浪板布置與結(jié)構(gòu)

油箱外形往往受周邊約束，改善余地較少。目前比較普遍的做法是在油箱內(nèi)增加防浪板來(lái)消除晃動(dòng)異響問(wèn)題。對(duì)于有結(jié)構(gòu)缺陷的油箱，在特定位置設(shè)置防浪板，可以較好地消除液體拍打臺(tái)階面產(chǎn)生的噪音。以圖4所示的A情況，可以在臺(tái)階處增加防浪板（如圖5所示）。

例如，某問(wèn)題車(chē)型（縱置、塑料油箱），在半箱油、滿(mǎn)油位條件下制動(dòng)，均出現(xiàn)多次“咚咚”聲。經(jīng)研究，油箱上殼體因外部條件而產(chǎn)生臺(tái)階結(jié)構(gòu)。隨后采取了上述防浪板方案，在前后兩個(gè)大的臺(tái)階處增加防浪板（如圖6所示）。防浪板有效地避免了液體拍打上殼體臺(tái)階面，成功消除了“咚咚”聲，取得預(yù)期效果。

對(duì)于防浪板結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究有如下結(jié)論。

防浪板位置：由于異響往往發(fā)生在停車(chē)后液體回流過(guò)程，所以防浪板布置在中后位要優(yōu)于前部。

防浪板高度：顯然，更高的防浪板（深入液體部分越多），可更好地防止液體流動(dòng)。

防浪板開(kāi)孔：同理，小開(kāi)孔可更好地防止液體流動(dòng)。

3 總結(jié)

本文著重研究了燃油在油箱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特征和異響發(fā)生的機(jī)理，并總結(jié)出一些異響結(jié)構(gòu)和解決方法，提升了燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)者對(duì)燃油箱晃動(dòng)異響問(wèn)題的認(rèn)識(shí)水平。

（1）油箱的晃動(dòng)異響，主要是由于油箱上殼體存在結(jié)構(gòu)缺陷，在液體沖擊過(guò)程中易形成撞擊聲。而且，油箱的不同布置形式、不同材料，其燃油晃動(dòng)異響表現(xiàn)也存在差異性。塑料油箱的NVH整體效果要優(yōu)于金屬油箱。

（2）油箱前期設(shè)計(jì)時(shí)，其上殼體要避免出現(xiàn)明顯臺(tái)階結(jié)構(gòu)。對(duì)于結(jié)構(gòu)有缺陷的油箱，在合適的位置布置防浪板，可以有效地消除異響。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]賈善坡.儲(chǔ)液容器內(nèi)液體自由晃動(dòng)的有限元分析計(jì)研究[J].船舶力學(xué)，2012（16）.

[2]宋慶華.塑料燃油箱防浪板設(shè)計(jì)分析[J].中國(guó)高校技術(shù)企業(yè)，2013（14）.

[3]陳學(xué)宏.Python語(yǔ)言在燃油箱晃動(dòng)噪聲模擬中的應(yīng)用[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012（12）.

[4]屠翔宇.汽車(chē)燃油箱模態(tài)仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012（21）.