汽車燃油箱燃油晃動異響成因及防浪板方案研究

張允峰 唐基榮

【摘 要】文章對汽車燃油箱燃油晃動異響成因進行了分析，對比了金屬油箱、塑料油箱及橫置、縱置情況下的油箱晃動異響表現，并總結出一些缺陷油箱結構形式，進而提出了異響問題的解決方法。采用文章所述的方法，對某問題油箱進行防浪板設計、應用，有效地消除了異響，顯著提高了整車NVH效果。文章增加了燃油箱設計者對燃油箱的燃油晃動異響機理的認識，并提供了幾種缺陷油箱結構形式及燃油晃動異響的解決方法。

【關鍵詞】燃油箱;晃動異響;防浪板

【中圖分類號】U464 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）02-0061-03

燃油箱內燃油晃動異響現象隨著客戶的追求不斷提高、整車NVH性能不斷提升、產品定位不斷升級而逐漸得到人們的重視。伴隨計算機技術不斷發展，已經產生一些液體晃動方面的分析方法、軟件，如王照林等人針對液體非線性晃動的一些定性理論及穩定性問題進行了較為系統的研究;包光偉等人采用VOF方法對液體晃動進行了數值仿真;劉富等人采用SPH方法對棱形液艙在外加激勵作用下，不同充液比工況所對應的艙內液體晃動進行了三維數值模擬，并將其與實驗進行對比，兩者吻合較好，同時成功地模擬出液體晃動產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，存在耗時長、準確性不高、費用高、技術門檻高等缺陷。在當前汽車行業快速迭代的市場環境下，略顯乏力。本文基于十多年燃油箱開發設計、異響問題處理經驗，總結概括一些異響因素和結構缺陷，并提出解決方法，可以避免較為明顯的晃動異響現象，從根本上提升設計質量，降低產品風險，減少產品開發周期。

1 油箱晃動異響研究

1.1 油箱晃動異響機理

車輛在行駛過程中，尤其是在加速或減速過程中，燃油箱內部的燃油由于慣性作用，將會發生晃動。在滿足一些特定條件時，液面拍打油箱殼體，或者飛濺，從而產生異響，并通過振動向外輻射噪音（如圖1所示）。

1.2 油箱內液體運動特征

油箱內液體的運動特征，是研究分析晃動異響原因的必要條件。經大量測試觀察，油箱內液體運動規律如圖2所示。

勻速行駛：正常行駛過程中，液面較為穩定。

制動時：從開始踩剎車到完全停止，液體向油箱前部移動。該過程因制動緩急不同而運動速度不同：急剎時液體向油箱前部快速流動，一般容易產生碎裂的水花飛濺聲;緩剎時液面是從水平緩慢向前傾斜。該過程一般無異響問題：緩剎時液面是緩慢向前傾斜，不會產生液面拍打箱體的動作;急剎時背景噪音較大、乘客注意力轉移等因素，塑料油箱一般感受不到水花飛濺聲，下殼體特征復雜的金屬油箱偶爾會發生異響。

停車時：在車輛停止的瞬間，液體開始快速回流，液體在油箱內做前后往復流動。油箱內燃油量較少時可以看到液體前后流動，當達到1/2以上時，主要表現是油箱前后液面的上下起伏運動。因車輛已停止，背景噪音已消失。油箱晃動異響大都產生在該階段。不同的油箱布置形式、材料會產生不同的異響特征。

1.3 油箱布置、材料對晃動異響的影響

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、中大型MPV上。該布置形式的油箱，液體晃動時水花聲較少。在停車后，液體在油箱內前后往復次數較多，可達10次以上，而且往復一次間隔也較長，約1 s（跟油箱在縱向的尺寸相關）。如果油箱結構存在缺陷，停車后甚至可聽到十余次較為明顯的異響。

橫置油箱：轎車、SUV常用的一種布置方式。該布置形式的油箱，在停車后，液體在油箱內前后往復次數較少，一般2次（跟油箱在縱向的尺寸相關）。而且往復一次間隔急促。如果油箱結構存在缺陷，停車后一般發生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：可滿足深沖工藝的冷軋低碳鋼板，壁厚一般為1 mm，前十階模態為100～400 Hz。

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

油箱產生的噪音，頻率范圍一般在30～500 Hz，與金屬油箱高階模態重合度較高，對液體拍打箱體、液體飛濺的水花聲阻擋效果不佳。在橫置油箱方案中，往往在急剎時容易產生水花聲，類似“嘩啦啦”聲。如果油箱結構存在缺陷，可產生明顯的“咚咚”聲。塑料油箱則對高頻噪音具有很好的阻隔作用，無論在橫置還是縱置方案中，均較難聽到水花聲。如果油箱結構存在缺陷，也可產生明顯的“咚咚”聲。

1.4 油箱晃動異響產生的典型結構

不是所有油箱都一定產生異響。但由于設計開發時油箱受周邊約束，所以油箱外形往往不太規則。如前所述，油箱的上殼體兩端如果存在臺階面，或者因下凹特征產生的空腔特征，在特定燃油量時，因燃油液面上下運動時擊打臺階面而產生異響（如圖4所示）。

圖4各情況下的異響特點：A.油位接近臺階面，晃動時液面拍打臺階面，產生“咚”的一聲;B.油位接近臺階面，液體拍打臺階面，并同時與腔體形成二次異響，產生“咕咚”聲;C.與A類似，往往在較扁的油箱、滿油位時產生。

油箱下殼體因避讓排氣管等系統所產生的特征，在較為平緩的路上滑行時也容易產生水花聲。該特征在金屬油箱上時有發生。

此外，相關研究表明，液體在油箱內的晃動頻率與油箱縱向尺寸、液體深度相關：在縱向尺寸不變的情況下，液面升高，則液體晃動頻率上升。這與油箱橫置、縱置所展現的晃動異響特點相吻合，在異響問題解決、防浪板布置時需要重點考慮。

2 防浪板布置與結構

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增加防浪板來消除晃動異響問題。對于有結構缺陷的油箱，在特定位置設置防浪板，可以較好地消除液體拍打臺階面產生的噪音。以圖4所示的A情況，可以在臺階處增加防浪板（如圖5所示）。

例如，某問題車型（縱置、塑料油箱），在半箱油、滿油位條件下制動，均出現多次“咚咚”聲。經研究，油箱上殼體因外部條件而產生臺階結構。隨后采取了上述防浪板方案，在前后兩個大的臺階處增加防浪板（如圖6所示）。防浪板有效地避免了液體拍打上殼體臺階面，成功消除了“咚咚”聲，取得預期效果。

對于防浪板結構，相關研究有如下結論。

防浪板位置：由于異響往往發生在停車后液體回流過程，所以防浪板布置在中后位要優于前部。

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。

防浪板開孔：同理，小開孔可更好地防止液體流動。

3 總結

本文著重研究了燃油在油箱內的運動特征和異響發生的機理，并總結出一些異響結構和解決方法，提升了燃油系統設計者對燃油箱晃動異響問題的認識水平。

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

（2）油箱前期設計時，其上殼體要避免出現明顯臺階結構。對于結構有缺陷的油箱，在合適的位置布置防浪板，可以有效地消除異響。

參 考 文 獻

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