基于正負壓循環的燃油箱安全性檢測方法

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

燃油系統負責整車燃油的加注與運輸，它確保燃油順利到達發動機，提供給發動機工作，同時負責收集燃油蒸汽，并經過濾排放到大氣中。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象。在不同的溫度下，油箱內部存在不同的壓力，油箱在不同的地域，不同的季節要面對極端溫度的考驗，當燃油在油泵里達到噴油嘴，收油時會有多余的油返回到油箱里，這樣被加熱的汽油就會增加油箱的溫度，尤其是加入乙醇的汽油，乙醇在高于這個溫度的時候就會沸騰。而在北方冬季可能會達到-40 ℃的低溫，塑料油箱在低溫狀態下很脆，可能會出現裂紋等現象。

燃油箱屬于薄壁類型腔結構，一般分為上下兩個殼體，厚度為1 mm左右，上殼體厚度可減薄至0.8 mm，因此在型腔設計過程中要設置適當的加強筋提高殼體強度，現在常在設計的過程中通過有限元仿真結構強度，在設計的前期階段就識別出薄弱的位置，通過合理布置加強筋結構，減少應力集中部位的應力，增強結構強度[5]。油箱在沖壓成型過程中會發生特定部位的材料減薄現象，減薄率情況視型腔拔模角，沖壓面積等的影響，仿真計算往往需要配合快速的試驗檢測，用較短的時間識別出失效和風險部位，測試的方法有很多，正負壓循環測試燃油箱耐久性的方法是其中比較有效的一種，通過模擬油箱實際工況下內部壓力的變化，施加壓力輸入，若干循環之后檢測燃油箱的密封性，找出薄弱位置，快速改進，再進行后續路試的驗證。

1 正負壓循環檢測方法

燃油箱在正常工作中不斷地受到加油、吸附、脫附、燃油晃動撞擊、顛簸等一系列的外部沖擊載荷，而且一般都會受到隨著時間發生的應力，應變的作用，極易受到疲勞損傷破壞。目前較常用的耐久性檢測方法主要是整車耐久路試驗證，或者臺架振動耐久，雖然這兩種方法都盡量模擬燃油箱的實際使用工況，驗證的有效性是有保障的，但是整車耐久路試耗時太長，常規的耐久路試需要花費3到4個月時間。而臺架振動耐久雖然模擬振動但未能模擬燃油箱的實際使用工況，因此需要引入正負壓循環檢測方法來做重要的驗證補充。

為了使燃油箱具有較好的耐久性和可靠的壽命，業內已經廣泛采用一整套設計、分析和試驗的流程。首先，通過試驗測量產品載荷，載荷變化數據進行初始的設計基準，在此基礎上對產品進行結構分析，疲勞耐久壽命預測和改進設計，最后進行試驗，以校驗疲勞壽命的正確性，這種試驗就是油箱的耐久性試驗，以下介紹一下正負壓循環檢測方法的過程和要求。

正負壓循環檢測的目的是通過交替施加不同的內壓和真空度用以測試燃油箱的耐久壽命。測試過程中燃油箱總成模擬實車裝配，分別注入額定容積75%的水，試驗溫度為82 ℃±3 ℃，在油箱內施加壓力，以正壓14.9×(1±5%)kPa至負壓7.0×(1±5%)kPa為1個循環，每分鐘2～6個循環，12000個循環后油箱無泄漏，無損壞，測試循環必須維持恒定的循環時間以減少測試偏差。測試循環完成之后要進行泄漏測試，常用水檢的方法檢查燃油箱在循環完成之后是否泄漏，在45 kPa氣壓下，保持30 s油箱總成不漏氣。

測試過程如下：

1)測試前準備

①按照實車狀態裝配燃油箱總成，附帶各種附件均按照扭矩要求緊固。

②用和測試過程相同的正壓和負壓監測安裝好的燃油箱總成，持續至少5 min循環壓力測試，如果發現泄漏則停止測試。

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

④調整設備使壓力介于正壓14.9 kPa±5%到負壓7 kPa±5%之間的壓力循環狀態。

2)測試說明

①在壓力測試循環完成前，發現以下幾種情況應當停止試驗：可見的油箱泄漏，壓力測試完成后的泄漏檢查發現泄漏的，燃油箱因應力開裂或部分附件失去功能。

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

圖1 正負壓循環測試臺架

如果在試車場進行零部件的耐久性試驗要耗費大量的人力，物力，而且還會因為駕駛員，環境和試驗道路的變化得到不一致的結果，尤其是試驗過程中發現了零部件的疲勞失效故障后再用整車進行試驗驗證，所要花費的成本和精力會更多，因此正負壓循環檢測方法是檢測耐久性能的較好的一種檢測手段。

2 實際案例及改進效果驗證

為了縮短開發周期，降低開發成本，在前期開發階段廣泛應用CAE仿真技術來提前進行驗證，部分較先進的分析方法已經能夠利用基于多體動力學的虛擬路面載荷分析，基于有限元的復雜整車模型的疲勞耐久分析和虛擬臺架分析來代替部分的試驗或者加速試驗進程[2]。

對原狀態燃油箱總成，基于油箱3D數模建立有限元仿真分析模型，通過仿真分析表明，循環進行3166次后出現開裂，應力云圖顯示開裂處應力值達到24.6 MPa，仿真結果如圖2。

圖2 CAE仿真分析結果

仿真分析顯示，開裂處應力值較大且開裂時尚未達到要求的循環次數。仿真分析往往能較快速的得出結論，并給我們所提供的解決方案做較快速的驗證，但是對型腔類零件，考慮到實際加工過程中對材料減薄的影響，分析結果有可能會和實際有所偏差，所以必須針對仿真的結果進行實測驗證[6]。針對原有油箱應用正負壓循環試驗，按照以上檢測方法，施加正壓14.9 kPa，負壓-7.0 kPa，當循環進行到3654次時，在油箱薄弱位置發現泄漏現象(圖3)。

圖3 燃油箱故障位置圖

從燃油箱故障位置可以看出，出現故障的位置基本和仿真分析的結果一致，該處的應力較大，必須通過結構改進降低應力，增強結構強度[1]。

針對開裂處應力值較高提出以下三種改進方案：

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°，減小應力集中；

方案2：拔模角度不更改，在燃油箱上殼體兩側增加加強筋結構，提高結構強度(圖4)；

圖4 燃油箱加強筋位置圖

方案3：開裂面拔模角度由4°增大到5°，同時在燃油箱上殼體兩側增加加強筋結構，減小應力集中，提升結構強度。

燃油箱是由殼體拼焊而成，上下殼體都是薄壁類零件，在設計之初為了提升結構強度和避讓底盤部分的零件，在外輪廓上都會添加大小不一的加強筋結構，加筋的位置一般是承受較大壓力，變形趨勢大的部位，通過加強筋結構防止燃油箱局部變形，提升結構模態和結構強度，本次基于降低應力提升結構強度的目的在燃油箱吊耳上部上殼體兩側分別增加兩條加強筋結構。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力集中，經驗是非常重要的因素。選擇合適的拔模角對型面過渡部位的結構強度有重要貢獻[7]。

針對三種改進方案進行仿真分析[3]，從表1可以看出三種方案的改進效果。

方案1：增加上殼體拔模角，如圖5，開裂面拔模角度由4°增大到5°，可以使兩側薄弱位置應力值分別下降到17.5 MPa和17.8 MPa左右，實測正負壓交變循環次數較原狀態有所提升，但未達試驗要求的次數。

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吊耳位置上方的位置分別增加兩條加強筋結構。從表1仿真結果可以看出，兩側應力值分別為23.0 MPa和16.4 MPa左右，應力值都有不同程度的減小，實測正負壓交變循環次數較原狀態有所提升，但未達試驗要求次數。

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增加加強筋結構，如圖4和圖5所示。從表1仿真結果可以看出，兩側應力值分別下降到16.6 MPa和16.9 MPa左右，按正負壓交變循環試驗要求進行驗證，循環次數有所提升，滿足要求。

表1 改進方案仿真分析結果

本次的改進方式是在上殼體接近開裂處的位置及對稱位置處增加加強筋結構，并將開裂面的拔摸角度由4°增大到5°，從仿真分析的結果來看，通過此次更改可以使應力值降低到16左右，通過臺架實測可以滿足正負壓循環的要求[4]。

3 總結

安全性的特性使得法律法規中都對燃油箱做了詳細的要求和規定，國標《汽車燃油箱安全性能要求和試驗方法》中詳細的規定了燃油箱的安全性能要求和試驗方法，此外各企業在遵守國家標準的同時，也會根據車型的實際情況對安全性能做進一步的要求和檢測。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，正負壓循環測試只是其中一種模擬零件實際使用工況較為有效快捷的檢測方式，除此之外還要通過一系列的其他耐久測試，才能保證耐久安全性，本文描述的檢測方法對快速改進燃油箱結構有較強的實際參考意義。