魏小寶，何 柳

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

0 引言

燃油系統(tǒng)負(fù)責(zé)整車燃油的加注與運(yùn)輸，它確保燃油順利到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)，提供給發(fā)動(dòng)機(jī)工作，同時(shí)負(fù)責(zé)收集燃油蒸汽，并經(jīng)過(guò)濾排放到大氣中。目前市面上的燃油箱總成主要有金屬油箱和塑料油箱兩種，本文主要以金屬油箱為研究對(duì)象。在不同的溫度下，油箱內(nèi)部存在不同的壓力，油箱在不同的地域，不同的季節(jié)要面對(duì)極端溫度的考驗(yàn)，當(dāng)燃油在油泵里達(dá)到噴油嘴，收油時(shí)會(huì)有多余的油返回到油箱里，這樣被加熱的汽油就會(huì)增加油箱的溫度，尤其是加入乙醇的汽油，乙醇在高于這個(gè)溫度的時(shí)候就會(huì)沸騰。而在北方冬季可能會(huì)達(dá)到-40 ℃的低溫，塑料油箱在低溫狀態(tài)下很脆，可能會(huì)出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象。

燃油箱屬于薄壁類型腔結(jié)構(gòu)，一般分為上下兩個(gè)殼體，厚度為1 mm左右，上殼體厚度可減薄至0.8 mm，因此在型腔設(shè)計(jì)過(guò)程中要設(shè)置適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)筋提高殼體強(qiáng)度，現(xiàn)在常在設(shè)計(jì)的過(guò)程中通過(guò)有限元仿真結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)的前期階段就識(shí)別出薄弱的位置，通過(guò)合理布置加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中部位的應(yīng)力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[5]。油箱在沖壓成型過(guò)程中會(huì)發(fā)生特定部位的材料減薄現(xiàn)象，減薄率情況視型腔拔模角，沖壓面積等的影響，仿真計(jì)算往往需要配合快速的試驗(yàn)檢測(cè)，用較短的時(shí)間識(shí)別出失效和風(fēng)險(xiǎn)部位，測(cè)試的方法有很多，正負(fù)壓循環(huán)測(cè)試燃油箱耐久性的方法是其中比較有效的一種，通過(guò)模擬油箱實(shí)際工況下內(nèi)部壓力的變化，施加壓力輸入，若干循環(huán)之后檢測(cè)燃油箱的密封性，找出薄弱位置，快速改進(jìn)，再進(jìn)行后續(xù)路試的驗(yàn)證。

1 正負(fù)壓循環(huán)檢測(cè)方法

燃油箱在正常工作中不斷地受到加油、吸附、脫附、燃油晃動(dòng)撞擊、顛簸等一系列的外部沖擊載荷，而且一般都會(huì)受到隨著時(shí)間發(fā)生的應(yīng)力，應(yīng)變的作用，極易受到疲勞損傷破壞。目前較常用的耐久性檢測(cè)方法主要是整車耐久路試驗(yàn)證，或者臺(tái)架振動(dòng)耐久，雖然這兩種方法都盡量模擬燃油箱的實(shí)際使用工況，驗(yàn)證的有效性是有保障的，但是整車耐久路試耗時(shí)太長(zhǎng)，常規(guī)的耐久路試需要花費(fèi)3到4個(gè)月時(shí)間。而臺(tái)架振動(dòng)耐久雖然模擬振動(dòng)但未能模擬燃油箱的實(shí)際使用工況，因此需要引入正負(fù)壓循環(huán)檢測(cè)方法來(lái)做重要的驗(yàn)證補(bǔ)充。

為了使燃油箱具有較好的耐久性和可靠的壽命，業(yè)內(nèi)已經(jīng)廣泛采用一整套設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)的流程。首先，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量產(chǎn)品載荷，載荷變化數(shù)據(jù)進(jìn)行初始的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，疲勞耐久壽命預(yù)測(cè)和改進(jìn)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行試驗(yàn)，以校驗(yàn)疲勞壽命的正確性，這種試驗(yàn)就是油箱的耐久性試驗(yàn)，以下介紹一下正負(fù)壓循環(huán)檢測(cè)方法的過(guò)程和要求。

正負(fù)壓循環(huán)檢測(cè)的目的是通過(guò)交替施加不同的內(nèi)壓和真空度用以測(cè)試燃油箱的耐久壽命。測(cè)試過(guò)程中燃油箱總成模擬實(shí)車裝配，分別注入額定容積75%的水，試驗(yàn)溫度為82 ℃±3 ℃，在油箱內(nèi)施加壓力，以正壓14.9×(1±5%)kPa至負(fù)壓7.0×(1±5%)kPa為1個(gè)循環(huán)，每分鐘2～6個(gè)循環(huán)，12000個(gè)循環(huán)后油箱無(wú)泄漏，無(wú)損壞，測(cè)試循環(huán)必須維持恒定的循環(huán)時(shí)間以減少測(cè)試偏差。測(cè)試循環(huán)完成之后要進(jìn)行泄漏測(cè)試，常用水檢的方法檢查燃油箱在循環(huán)完成之后是否泄漏，在45 kPa氣壓下，保持30 s油箱總成不漏氣。

測(cè)試過(guò)程如下：

1)測(cè)試前準(zhǔn)備

①按照實(shí)車狀態(tài)裝配燃油箱總成，附帶各種附件均按照扭矩要求緊固。

②用和測(cè)試過(guò)程相同的正壓和負(fù)壓監(jiān)測(cè)安裝好的燃油箱總成，持續(xù)至少5 min循環(huán)壓力測(cè)試，如果發(fā)現(xiàn)泄漏則停止測(cè)試。

③在燃油箱中注入75%的測(cè)試用水，在測(cè)試過(guò)程中要保持水的量不變，如監(jiān)測(cè)有減少需要添加水的量以保持恒定的測(cè)試體積。

④調(diào)整設(shè)備使壓力介于正壓14.9 kPa±5%到負(fù)壓7 kPa±5%之間的壓力循環(huán)狀態(tài)。

2)測(cè)試說(shuō)明

①在壓力測(cè)試循環(huán)完成前，發(fā)現(xiàn)以下幾種情況應(yīng)當(dāng)停止試驗(yàn)：可見(jiàn)的油箱泄漏，壓力測(cè)試完成后的泄漏檢查發(fā)現(xiàn)泄漏的，燃油箱因應(yīng)力開(kāi)裂或部分附件失去功能。

②定期檢查試驗(yàn)的進(jìn)行情況，并記錄發(fā)生的異常情況包含以上發(fā)生泄漏的情況，如有泄漏發(fā)生要記錄發(fā)生時(shí)的壓力情況并拍照記錄。

圖1 正負(fù)壓循環(huán)測(cè)試臺(tái)架

如果在試車場(chǎng)進(jìn)行零部件的耐久性試驗(yàn)要耗費(fèi)大量的人力，物力，而且還會(huì)因?yàn)轳{駛員，環(huán)境和試驗(yàn)道路的變化得到不一致的結(jié)果，尤其是試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了零部件的疲勞失效故障后再用整車進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，所要花費(fèi)的成本和精力會(huì)更多，因此正負(fù)壓循環(huán)檢測(cè)方法是檢測(cè)耐久性能的較好的一種檢測(cè)手段。

2 實(shí)際案例及改進(jìn)效果驗(yàn)證

為了縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，在前期開(kāi)發(fā)階段廣泛應(yīng)用CAE仿真技術(shù)來(lái)提前進(jìn)行驗(yàn)證，部分較先進(jìn)的分析方法已經(jīng)能夠利用基于多體動(dòng)力學(xué)的虛擬路面載荷分析，基于有限元的復(fù)雜整車模型的疲勞耐久分析和虛擬臺(tái)架分析來(lái)代替部分的試驗(yàn)或者加速試驗(yàn)進(jìn)程[2]。

對(duì)原狀態(tài)燃油箱總成，基于油箱3D數(shù)模建立有限元仿真分析模型，通過(guò)仿真分析表明，循環(huán)進(jìn)行3166次后出現(xiàn)開(kāi)裂，應(yīng)力云圖顯示開(kāi)裂處應(yīng)力值達(dá)到24.6 MPa，仿真結(jié)果如圖2。

圖2 CAE仿真分析結(jié)果

仿真分析顯示，開(kāi)裂處應(yīng)力值較大且開(kāi)裂時(shí)尚未達(dá)到要求的循環(huán)次數(shù)。仿真分析往往能較快速的得出結(jié)論，并給我們所提供的解決方案做較快速的驗(yàn)證，但是對(duì)型腔類零件，考慮到實(shí)際加工過(guò)程中對(duì)材料減薄的影響，分析結(jié)果有可能會(huì)和實(shí)際有所偏差，所以必須針對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證[6]。針對(duì)原有油箱應(yīng)用正負(fù)壓循環(huán)試驗(yàn)，按照以上檢測(cè)方法，施加正壓14.9 kPa，負(fù)壓-7.0 kPa，當(dāng)循環(huán)進(jìn)行到3654次時(shí)，在油箱薄弱位置發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象(圖3)。

圖3 燃油箱故障位置圖

從燃油箱故障位置可以看出，出現(xiàn)故障的位置基本和仿真分析的結(jié)果一致，該處的應(yīng)力較大，必須通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)降低應(yīng)力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[1]。

針對(duì)開(kāi)裂處應(yīng)力值較高提出以下三種改進(jìn)方案：

方案1：增大拔模角，將燃油箱上殼體的拔模角度由4°增大到5°，減小應(yīng)力集中；

方案2：拔模角度不更改，在燃油箱上殼體兩側(cè)增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(圖4)；

圖4 燃油箱加強(qiáng)筋位置圖

方案3：開(kāi)裂面拔模角度由4°增大到5°，同時(shí)在燃油箱上殼體兩側(cè)增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，減小應(yīng)力集中，提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

燃油箱是由殼體拼焊而成，上下殼體都是薄壁類零件，在設(shè)計(jì)之初為了提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和避讓底盤部分的零件，在外輪廓上都會(huì)添加大小不一的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，加筋的位置一般是承受較大壓力，變形趨勢(shì)大的部位，通過(guò)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)防止燃油箱局部變形，提升結(jié)構(gòu)模態(tài)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，本次基于降低應(yīng)力提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的目的在燃油箱吊耳上部上殼體兩側(cè)分別增加兩條加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。拔模角的選擇，主要基于工藝考慮，要便于脫模和防止局部應(yīng)力集中，經(jīng)驗(yàn)是非常重要的因素。選擇合適的拔模角對(duì)型面過(guò)渡部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有重要貢獻(xiàn)[7]。

針對(duì)三種改進(jìn)方案進(jìn)行仿真分析[3]，從表1可以看出三種方案的改進(jìn)效果。

方案1：增加上殼體拔模角，如圖5，開(kāi)裂面拔模角度由4°增大到5°，可以使兩側(cè)薄弱位置應(yīng)力值分別下降到17.5 MPa和17.8 MPa左右，實(shí)測(cè)正負(fù)壓交變循環(huán)次數(shù)較原狀態(tài)有所提升，但未達(dá)試驗(yàn)要求的次數(shù)。

圖5 燃油箱上殼體拔模角度

方案2：不更改上殼體拔模角度，而在燃油箱上殼體兩側(cè)吊耳位置上方的位置分別增加兩條加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。從表1仿真結(jié)果可以看出，兩側(cè)應(yīng)力值分別為23.0 MPa和16.4 MPa左右，應(yīng)力值都有不同程度的減小，實(shí)測(cè)正負(fù)壓交變循環(huán)次數(shù)較原狀態(tài)有所提升，但未達(dá)試驗(yàn)要求次數(shù)。

方案3：增加上殼體拔模角由4°增大到5°并且在燃油箱上殼體兩側(cè)增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，如圖4和圖5所示。從表1仿真結(jié)果可以看出，兩側(cè)應(yīng)力值分別下降到16.6 MPa和16.9 MPa左右，按正負(fù)壓交變循環(huán)試驗(yàn)要求進(jìn)行驗(yàn)證，循環(huán)次數(shù)有所提升，滿足要求。

表1 改進(jìn)方案仿真分析結(jié)果

本次的改進(jìn)方式是在上殼體接近開(kāi)裂處的位置及對(duì)稱位置處增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，并將開(kāi)裂面的拔摸角度由4°增大到5°，從仿真分析的結(jié)果來(lái)看，通過(guò)此次更改可以使應(yīng)力值降低到16左右，通過(guò)臺(tái)架實(shí)測(cè)可以滿足正負(fù)壓循環(huán)的要求[4]。

3 總結(jié)

安全性的特性使得法律法規(guī)中都對(duì)燃油箱做了詳細(xì)的要求和規(guī)定，國(guó)標(biāo)《汽車燃油箱安全性能要求和試驗(yàn)方法》中詳細(xì)的規(guī)定了燃油箱的安全性能要求和試驗(yàn)方法，此外各企業(yè)在遵守國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也會(huì)根據(jù)車型的實(shí)際情況對(duì)安全性能做進(jìn)一步的要求和檢測(cè)。燃油箱的耐久密封安全性是最重要的性能之一，考核的方法也很多，正負(fù)壓循環(huán)測(cè)試只是其中一種模擬零件實(shí)際使用工況較為有效快捷的檢測(cè)方式，除此之外還要通過(guò)一系列的其他耐久測(cè)試，才能保證耐久安全性，本文描述的檢測(cè)方法對(duì)快速改進(jìn)燃油箱結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的實(shí)際參考意義。