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        某輕卡一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗分析

        2023-01-22 13:31:56李智威
        南方農(nóng)機 2023年1期
        關(guān)鍵詞:油箱一體輕量化

        李智威

        (江西五十鈴汽車有限公司,江西 南昌 330010)

        輕卡通常指總質(zhì)量在6 t以下的商用車型,主要承擔(dān)城鄉(xiāng)物流運輸工作任務(wù)。隨著近年電商業(yè)的飛速發(fā)展,輕卡銷量也節(jié)節(jié)攀升,我國以江鈴、福田、江淮等輕卡制造廠商為代表,推出一系列直瀑式駕駛室的輕卡車型,不斷滿足用戶的多元化和場景化的需求[1-5]。油箱是輕卡重要的儲存燃油的部件,傳統(tǒng)的輕卡油箱材質(zhì)一般為鐵質(zhì)或鋁合金,油箱容積通常為60 L~120 L,通過箍帶及懸臂支架固定于車架縱梁一側(cè)。傳統(tǒng)輕卡車型的尿素箱為獨立系統(tǒng),其容積為12 L~16 L,也采用懸臂支架將尿素箱固定于車架一側(cè),為排氣系統(tǒng)提供尿素來源,促進排放目標(biāo)達成。本研究從油箱和尿素箱系統(tǒng)的力學(xué)結(jié)構(gòu)特征出發(fā),減少固定支架系統(tǒng)并應(yīng)用輕質(zhì)材料[6-10],進行輕卡一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,油箱和尿素箱都采用PE材質(zhì),采用一套箍帶固定支架,在油箱本體進行凸臺設(shè)計,將尿素箱放置于油箱凸臺上端,結(jié)構(gòu)緊湊,受力均勻,釋放了整車布置空間,提升了輕卡特種改裝應(yīng)用市場前景,實現(xiàn)減重15 kg。為了確保一體油箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性,采用結(jié)構(gòu)強度ABAQUS仿真軟件對一體油箱進行了CAE強度分析,詳細研究了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理論強度。同時,結(jié)合顧客用車場景及道路耐久試驗,開展了充分的道路耐久試驗和專項試驗,試驗結(jié)果表明,該輕量化一體油箱結(jié)構(gòu)緊湊,減重效果顯著,滿足性能目標(biāo)要求的同時結(jié)構(gòu)新穎,極大地提升了產(chǎn)品品質(zhì)和吸引力。

        1 一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計

        傳統(tǒng)輕卡的油箱和尿素箱為獨立系統(tǒng)部件,分別安裝于車架一側(cè),其中油箱采用L型箍帶式支架固定,油箱內(nèi)部設(shè)置了金屬隔板,金屬油箱容積為83 L,而尿素箱采用籠式金屬固定支架固定,尿素箱容積為16 L,油箱與尿素箱相距約500 mm??紤]到輕質(zhì)材料的優(yōu)越性能,本研究開展了創(chuàng)新一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,油箱本體及尿素箱系統(tǒng)通過一套箍帶式支架固定于車架一側(cè),油箱和尿素箱容積與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)保持一致,通過在油箱本體中部設(shè)置凸臺結(jié)構(gòu),將T型尿素箱安置于油箱凸臺上端,油箱本體和尿素箱都開1 mm下沉槽,提高箍帶摩擦力,一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)油箱及尿素箱對比如圖1所示,該結(jié)構(gòu)新穎緊湊,單車可實現(xiàn)減重15 kg,降本增效。

        圖1 一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)油箱及尿素箱對比示意圖

        2 一體油箱CAE分析

        2.1 CAE建模及邊界條件

        CAE有限元分析是以數(shù)值分析為基礎(chǔ)的計算機工程輔助設(shè)計,可快速有效進行結(jié)構(gòu)剛強度及油液沖擊等分析工作,節(jié)約大量的物理樣車及試驗工裝費用。本研究采用非線性ABAQUS軟件,對某輕卡一體油箱系統(tǒng)進行了有限元模型搭建,網(wǎng)格尺寸為4 mm,單元類型為Shell殼單元及四面體Solid實體單元,模型節(jié)點數(shù)量為69 000,網(wǎng)格單元數(shù)量為250 000,在有限元網(wǎng)格模型完成搭建后,進行了網(wǎng)格質(zhì)量檢查,確保計算精度。其中,一體油箱方案(不含燃油)重量為30 kg,油箱本體和尿素箱材料牌號為HPDE,固定支架為Q235,箍帶為尼龍材質(zhì),一體油箱有限元邊界模型如圖2所示。

        圖2 一體油箱有限元邊界模型

        2.2 CAE強度分析

        開展某輕卡一體油箱CAE強度分析,載荷邊界條件為X向5 g沖擊,Y向5 g加載,詳細分析油箱本體、尿素箱本體、固定支架和箍帶的強度性能,得到如圖3所示的CAE強度分析結(jié)果。

        根據(jù)圖3所示的一體油箱CAE強度分析結(jié)果可以得出,油箱本體在X向5 g工況下,出現(xiàn)最大應(yīng)力為4.1 MPa,小于其材料HDPE的屈服強度23 MPa,滿足設(shè)計目標(biāo);尿素箱在Y向5 g的工況下,出現(xiàn)最大應(yīng)力為4.9 MPa,小于其材料HDPE的屈服強度23 MPa,滿足設(shè)計目標(biāo);固定支架在X向5 g工況下,出現(xiàn)最大應(yīng)力為189.2 MPa,小于其材料Q235的屈服強度235 MPa,滿足設(shè)計目標(biāo);箍帶在Y向5 g工況下,出現(xiàn)最大應(yīng)力為213.6 MPa,小于其材料的屈服強度315 MPa,滿足設(shè)計目標(biāo)。綜合分析可知,本設(shè)計的一體油箱整體結(jié)構(gòu)強度性能符合設(shè)計性能目標(biāo)要求。

        圖3 一體油箱CAE強度分析結(jié)果

        3 一體油箱試驗驗證分析

        輕卡作為重要的商用車型之一,其行駛里程通常為30萬 km以上且用戶場景和工況復(fù)雜多變,因此,必須充分嚴格地開展整車道路耐久試驗,以把控整車及零部件耐久疲勞性能。本研究在某試驗場進行了4.5萬 km的耐久路試,包括山路、壞路、高速道路、平路等綜合路面,樣車數(shù)量為3臺,耐久試驗條件說明如圖4所示。

        圖4 一體油箱道路耐久試驗條件

        按照圖4所示的條件進行了充分的道路耐久試驗,試驗完成后,進行整車拆解,并對一體油箱道路耐久樣件進行詳細的分析,試驗后的樣件如圖5所示。經(jīng)分析,一體油箱外觀、密封性能、電子功能液位阻值輸出性能均合格,滿足開發(fā)耐久性能目標(biāo)要求。

        圖5 一體油箱道路耐久試驗結(jié)果

        4 結(jié)論

        綜上所述,本研究結(jié)合數(shù)值分析及汽車設(shè)計理論,從油箱和尿素箱系統(tǒng)的力學(xué)結(jié)構(gòu)特征著手,進行輕卡一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,采用一套箍帶固定支架,結(jié)合CAE分析及道路耐久驗證試驗分析結(jié)果可知:

        1)一體油箱在X向5 g沖擊,Y向5 g加載工況下,油箱本體最大應(yīng)力為4.1 MPa,小于其材料HDPE的屈服強度;尿素箱最大應(yīng)力為4.9 MPa,小于其材料HDPE的屈服強度;固定支架最大應(yīng)力為189.2 MPa,小于其材料Q235的屈服強度;箍帶最大應(yīng)力為213.6 MPa,小于其材料屈服強度315 MPa。故一體油箱整體結(jié)構(gòu)強度性能符合設(shè)計性能目標(biāo)要求。

        2)一體油箱道路耐久試驗完成后,其外觀、密封性能、電子功能液位阻值輸出性能均合格,滿足開發(fā)耐久性能目標(biāo)要求。研究結(jié)果表明,一體油箱結(jié)構(gòu)緊湊,受力均勻,釋放了整車布置空間,提升了輕卡特種改裝應(yīng)用市場前景,實現(xiàn)減重15 kg,結(jié)構(gòu)新穎,極大地提高了產(chǎn)品品質(zhì)和吸引力。

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