謝玉銀
(上汽大眾汽車有限公司,上海 201800)
新車型開發(fā)中,油箱造型需要與車身底盤相匹配以便在有限的空間內(nèi)存放更多的燃油,不同的車型需要匹配不同造型的油箱,油箱屬于安全件,按照以往的慣例都是使用批量注塑模具制作的,但是從油箱設(shè)計(jì)定型到成品制作完成往往需要花費(fèi)近一年的時(shí)間,一些全新的項(xiàng)目會(huì)由于油箱的制作進(jìn)度而延誤項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)度。
對(duì)于批量燃油箱,按照材質(zhì)的不同可以分為塑料燃油箱和金屬燃油箱。由于塑料燃油箱具有不同于金屬燃油箱的諸多優(yōu)點(diǎn),使得塑料燃油箱替代金屬燃油箱、多層燃油箱替代單層燃油箱成為目前汽車工業(yè)發(fā)展的主流方向。目前市場(chǎng)車型的批量燃油箱大多采用塑料燃油箱,其制造工藝[1]通常如圖1所示。
圖1 塑料燃油箱制造工藝流程
塑料燃油箱相較于鐵質(zhì)金屬燃油箱具有以下多方面的優(yōu)點(diǎn):
(1)重量輕。HDPE塑料材料的密度為0.95g/cm3左右,一只同等容積的鐵油箱比塑料油箱重約2.5倍。
(2)防腐能力強(qiáng)。
(3)造型隨意。隨著汽車配置越來(lái)越多,為了充分利用空間,現(xiàn)代汽車的外型設(shè)計(jì)變得越來(lái)越緊湊。
(4)使用壽命長(zhǎng)。由于塑料燃油箱的材料是高分子聚合物,其化學(xué)性能比較穩(wěn)定,因此塑料燃油箱具有較長(zhǎng)的使用壽命。
(5)安全性高,不會(huì)因熱膨脹而爆炸。
(6)生產(chǎn)成本低,加工工藝簡(jiǎn)單,不論多復(fù)雜的產(chǎn)品造型都可一次成型,并且報(bào)廢的產(chǎn)品經(jīng)粉碎后材料可以循環(huán)使用。
但由于塑料油箱從設(shè)計(jì)到制造周期長(zhǎng)達(dá)一年左右的時(shí)間,通常會(huì)根據(jù)新狀態(tài)的油箱數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)制造樣車試制油箱,該油箱的方案研究大致分以下幾部分:油箱的設(shè)計(jì)、油箱的制造、油箱氣密性測(cè)試、油箱尺寸測(cè)量。
(1)試制油箱的設(shè)計(jì)基于以下幾方面:a.車型和油箱的相關(guān)參數(shù)定義的信息,如油箱容積等;b.油箱環(huán)境數(shù)據(jù)的信息,主要是地板、后橋和排氣管等;c.油箱上各功能零件的定義及位置布置信息[2]。
(2)油箱的制造:該油箱本體主要采用不銹鋼板折彎拼焊的工藝,對(duì)整體的拼焊精度要求較高。需要保證每條焊縫的密封性,所以對(duì)焊接質(zhì)量也要求較高。
(3)測(cè)試方面:該類油箱需保證其密封性,所以在油箱制造完成后需要做好密封性的測(cè)試工作,可以通過(guò)氣壓測(cè)試或者水密封測(cè)試等。
油箱是車輛裝燃料容器,是液壓系統(tǒng)中存儲(chǔ)液壓油的專用容器。根據(jù)車型的不同,油箱的容積有所不同。油箱上的零件很多,上部裝有油表傳感器、進(jìn)回油口、加油口、暖風(fēng)取油口、通氣口、油箱蓋等,底部裝有放油螺塞等。
試制金屬油箱設(shè)計(jì)的重點(diǎn):
(1)油箱零件的信息定義,包含沿用哪個(gè)車型的零件,如:油箱蓋、碳罐、壓力調(diào)節(jié)器、控制器、油泵、重力閥、通氣閥、注油閥、濾清器等。
(2)附件位置及固定方式。
(3)油箱容積。
(4)環(huán)境數(shù)據(jù),如:地板、排氣管、后橋、后輪罩鈑金等。
批量塑料油箱的零件很多,每個(gè)零件的功能也有所不同,其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
試制金屬油箱的作用是在批量塑料油箱生產(chǎn)出來(lái)之前,替代批量塑料油箱,安裝到樣車上,用于各種試驗(yàn)。其結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化,但必須滿足批量塑料油箱的所有功能,安裝所有批量塑料油箱應(yīng)有的附件。
根據(jù)油箱周邊的環(huán)境,確定試制金屬油箱的外形,必須考慮到油箱不能被地板、后橋、排氣尾管等零件干涉[3],如圖2所示為某新項(xiàng)目試制金屬油箱及周圍環(huán)境截圖。
2.1.1 試制金屬油箱本體的設(shè)計(jì)
從成本及制作周期出發(fā),我們對(duì)油箱的本體進(jìn)行了簡(jiǎn)化。本體及加油口固定點(diǎn)的選取,考慮了油箱的可替換性,如圖3所示為試制金屬油箱本體及其安裝點(diǎn),如圖4所示為試制金屬油箱加油口安裝點(diǎn)。
圖3 試制金屬油箱本體及其安裝點(diǎn)
圖4 試制金屬油箱加油口安裝點(diǎn)
試制金屬油箱本體與加油口固定點(diǎn)都采用2mm厚的不銹鋼板,其材料為316L。
通過(guò)將不銹鋼板折彎后焊接,形成封閉腔體,如圖5所示為試制金屬油箱本體及其爆炸圖。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉、制造工藝簡(jiǎn)單、周期短等。
圖5 試制金屬油箱本體及其爆炸圖
2.1.2 試制金屬油箱管道及固定件的設(shè)計(jì)
加油管、通氣管、凈化管等零件在可行的情況下盡量采用現(xiàn)有零件,但由于每個(gè)車型的地板或輪罩鈑金都有差異,所以管路零件的走向都會(huì)有所差別,需要根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)新的管路零件。如圖6所示的A零件為根據(jù)新車型的環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的新的加油管、通氣管及凈化管零件。
圖6 某新車型試制金屬油箱管路零件
加油管的固定,我們采用了不同于批量的固定方式。批量塑料油箱中本體與油路管道間的連接件是塑料材質(zhì),由于試制金屬油箱是金屬件,此處金屬材質(zhì)的油箱本體無(wú)法與塑料材質(zhì)的連接件進(jìn)行有效連接,所以我們重新設(shè)計(jì)了金屬材質(zhì)的連接件,用于連接油箱本體與加油管。同時(shí)在連接件的末端突出1mm的凸包,用于卡住管道,再用卡箍卡緊,防止管道脫落,達(dá)到了密封的效果。如圖7所示為油箱本體與管道間連接件的設(shè)計(jì)示意圖。
圖7 油箱本體與管道間連接件的設(shè)計(jì)
2.1.3 油泵的固定設(shè)計(jì)
由上文所知,油箱內(nèi)部的主要零件為燃油泵、注油閥、主通氣閥及副通氣閥。新車型的油箱燃油泵是沿用現(xiàn)有某款車型,我們選取現(xiàn)有的燃油泵,如圖8所示。
圖8 油箱燃油泵
選擇好替代的燃油泵后,我們根據(jù)新的目標(biāo)車型,將現(xiàn)有的燃油泵移動(dòng)到需要的位置。接下來(lái)的問(wèn)題就是如何實(shí)現(xiàn)固定與密封,批量的燃油泵是通過(guò)塑料卡角固定的。但對(duì)于試制金屬油箱,由于油箱主體為不銹鋼材質(zhì),無(wú)法采用這種固定方式。
在試制金屬油箱中,我們采用了如圖9所示的固定方式:通過(guò)設(shè)計(jì)金屬壓板將燃油泵的邊壓在油箱本體和壓板之間,并利用一密封圈進(jìn)行密封,再通過(guò)M6螺釘將壓板與油箱本體進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)了燃油泵的固定與密封。
圖9 試制金屬油箱燃油泵的固定方式
2.1.4 加油單向閥的固定設(shè)計(jì)
加油單向閥的固定與燃油泵類似,選取了現(xiàn)有車型的注油閥,將注油閥移到合理的位置后,通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)卡腳件來(lái)完成注油閥的固定,如圖10所示為注油閥的固定。
圖10 加油單向閥的固定方式
2.1.5 加油限量排氣閥的固定設(shè)計(jì)
排氣閥在選取現(xiàn)有批量零件的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行更改,如圖11所示,從批量的通氣閥中取出主要的功能部件閥門芯,然后設(shè)計(jì)一個(gè)通氣閥安裝件,將閥門芯安裝到通氣閥安裝件上,再旋轉(zhuǎn),通過(guò)卡角將閥門芯固定,其中通氣閥安裝件與油箱本體固定連接,該安裝件上同時(shí)需要固定多個(gè)管路連接件。
圖11 閥門芯固定方式
2.1.6 重力閥的固定設(shè)計(jì)
重力閥的固定方式同加油限量排氣閥一樣,取出閥芯,旋轉(zhuǎn)后通過(guò)卡角固定在重力閥的安裝件上,如圖12所示:
圖12 重力閥固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖13所示為試制金屬油箱的制造流程。其中本體采用厚度為2mm的316L不銹鋼板,通過(guò)沖壓和折彎工藝實(shí)現(xiàn)不同的形狀,然后通過(guò)夾具定位后再進(jìn)行焊接工藝。安裝緊固部分由于強(qiáng)度要求較高,采用了厚度為5mm的316L不銹鋼板。
圖13 試制金屬油箱的制造流程
鈑金零件成型的工藝有兩種方式:(1)沖壓成型;(2)折彎成型。因?yàn)楸倔w的底部是有型面要求的,所以零件必須通過(guò)壓機(jī)沖壓而成,見圖14。沖壓成型的方式可以制作型面比較復(fù)雜的零件,而且型面質(zhì)量好,尺寸精度高,但缺點(diǎn)是費(fèi)用高、周期長(zhǎng),對(duì)設(shè)備有要求。
圖14 鈑金沖壓成型
折彎工藝可以制作比較簡(jiǎn)單的零件,優(yōu)點(diǎn)是周期短、費(fèi)用低。但由于是人工制作而成,所以也存在一定的缺點(diǎn):表面質(zhì)量差、尺寸精度不高,零件的成型完全依賴工人的經(jīng)驗(yàn)。
通過(guò)折彎成型的零件需要提供詳細(xì)的折彎圖,如圖15所示為其中一個(gè)零件的折彎圖紙。
圖15 不銹鋼板的折彎圖紙
由于內(nèi)部需要安裝很多的功能附件,如:油泵注油閥、通氣閥等,固定這些附件的零件都是通過(guò)不銹鋼材料經(jīng)過(guò)車削、銑削、研磨制作而成,如圖16所示。
圖16 單件加工工藝
不銹鋼的焊接會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,為了防止熱量導(dǎo)致的零件變形,在焊接時(shí),可采用先焊好局部,等熱量散去后,再進(jìn)行補(bǔ)焊的方法。這樣的焊接工藝可以將零件的變形量降到最小,以保證油箱的焊接精度。
如果油箱燃油泄漏會(huì)污染環(huán)境,甚至?xí)绊懭松戆踩员仨殞?duì)試制金屬油箱進(jìn)行氣壓計(jì)密封性的測(cè)試。試制油箱氣密性采用兩種測(cè)試方法:
2.3.1 氣壓測(cè)試
將油箱的出口密封住,然后向里面充氦氣,氣壓為:10kPa,再用氣壓計(jì)測(cè)試,油箱里的氣壓是否有所變化。如果一段時(shí)間后,氣壓降低,說(shuō)明油箱密封性有問(wèn)題,不滿足要求;若氣壓未見降低,說(shuō)明油箱密封性滿足要求。
2.3.2 浸水測(cè)試
先將試制金屬油箱密封,密封采用的方式是:一端連接氣壓表,另外一段的軟管連接在試制金屬油箱管道安裝件上,再向油箱里充一定量的氣體,通常氣壓為10kPa,然后浸入清水中,看是否有氣泡產(chǎn)生。若有氣泡產(chǎn)生,說(shuō)明油箱密封性有問(wèn)題,不滿足要求;若沒(méi)有氣泡產(chǎn)生,說(shuō)明密封性達(dá)到了要求,見圖17所示。
圖17 油箱浸水氣密性測(cè)試
本試制金屬油箱通過(guò)浸水測(cè)試證明該油箱滿足密封性要求。
經(jīng)過(guò)對(duì)試制金屬油箱的外形及安裝點(diǎn)的測(cè)量,安裝點(diǎn)的最大公差為2.9mm,見圖18,完全符合批量的安裝公差要求4.0mm。
圖18 油箱安裝尺寸測(cè)量
由于此油箱為手工試制件,外形有較大的偏差為5.9mm,見圖19,如果大批量生產(chǎn)的話,通過(guò)模具及夾具,可以保證其精度。
圖19 油箱外形尺寸測(cè)量
經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比,此區(qū)域設(shè)計(jì)時(shí)的安全距離為18mm,對(duì)油箱的安裝及使用沒(méi)有產(chǎn)生影響。
批量塑料油箱的制造周期長(zhǎng)達(dá)一年多,試制金屬油箱的設(shè)計(jì)制造周期僅為十五周,大大縮短了油箱的制造周期,為各種樣車提供了試驗(yàn)的可能,在一定程度上縮短了新車型的開發(fā)周期。