汽車燃油箱開裂漏油原因及改進措施

肖海明 ，朱小文 ，楊 軍

（江鈴汽車股份有限公司產品開發總院，江西 南昌 330010）

燃油箱是固定于汽車上用于存貯燃油的獨立箱體總成，包含油箱上的進油管嘴、通氣管嘴、翻車閥、隔熱板、擋油板等部件，燃油箱的主要功能是儲存油液，此外還有散發油液中的熱量，逸出混在油液中的氣體，沉淀油液中的污物等作用[1]。汽車燃油箱是汽車燃油供給系統的關鍵部件，國家對它的結構、安全方面有著十分嚴格的要求[2]。燃油箱在工作過程中承受來自道路激勵引發的各種激勵載荷，其在使用過程中容易出現開裂等失效模式。研究小組簡要介紹了燃油箱的分類以及設計要點，并結合江鈴汽車股份有限公司某一輕卡金屬燃油箱在耐久路試過程中出現的開裂漏油現象，利用頭腦風暴方法，找出了導致燃油箱開裂的原因，為后續車型的設計開發提供參考[3-4]。

1 燃油箱的分類及設計要點

燃油箱按所用材料可分為金屬燃油箱和塑料燃油箱，分別如圖1、圖2所示。金屬燃油箱一般是由幾塊薄板件焊接成型，油箱上有焊縫，設計不合理或在外界振動激勵作用下容易開裂漏油。塑料燃油箱是一次性吹塑成型的，具有更好的抗沖擊、耐腐蝕、防變形開裂的性能，在汽車經歷過嚴重的撞擊事故后，塑料油箱除發生變形外，不會發生開裂漏油現象，意外失火的可能性大大降低[5]。本研究針對江鈴汽車股份有限公司某輕卡車型使用的金屬油箱，介紹其設計特點，并針對其在耐久路試時出現的開裂漏油現象進行分析。金屬油箱的設計特點：壁板厚度一般為1 mm～1.5 mm，油箱內一般設有隔板，隔板的作用是使回油區與泵的吸油區隔開，增大油液循環的路徑，降低油液的循環速度，有利于降溫散熱、氣泡析出和雜質沉淀，一般沿油箱的縱向布置，其高度一般為最低液面高度。有時隔板高于液面，在中部開有較大的窗口并配上適當面積的濾網，對油液進行粗濾。金屬燃油箱無法成型形狀復雜的外形，與排氣管的間隙不得小于50 mm，與地板的間隙，不算隔振墊處不得小于5 mm，與后橋間隙不小于25 mm，油箱距地面的高度不應是整車最小離地間隙。

圖2 塑料燃油箱

2 燃油箱失效模式分析

針對某一輕卡車型金屬燃油箱在耐久路試中由于路面加速度激勵和內部油液對油箱的沖擊，導致油箱本體焊點開裂的現象，如圖3、圖4所示，課題組利用頭腦風暴方法，從以下方面著手進行分析。

圖3 焊點脫落

圖4 箱蓋脫落

2.1 焊接質量不合格

金屬油箱是由箱體及箱蓋、隔板、加強板等通過焊接制造而成，焊接的好壞很大程度上決定了焊點是否會開裂。金屬油箱一般采用縫焊工藝：焊件裝配成搭接或斜對接頭并置于兩滾輪電極之間，滾輪加壓焊件并轉動，連續或斷續送電，形成一條連續焊縫的電阻焊方法。

要求供應商加強內部質量過程管控，焊接質量需每班次檢測1次，要求焊縫紋路清晰無飛濺、無毛刺、無泄漏，利用試水檢測、焊接工藝參數控制、破壞性試驗等控制方法進行實驗。

從失效的同批次油箱中隨機抽查檢測，發現油箱的焊接質量符合要求。

2.2 箱蓋設計不合理

為了提高燃油箱箱蓋表面剛度，一般在其表面采用壓筋處理。針對耐久路試時發現壓筋處發生開裂漏油，且油箱端蓋加強筋某一R角處開裂的現象。經工藝檢查分析發現，是模具不良造成箱蓋加強筋R處尖角過渡不平順，導致應力集中，與使用中外力疊加造成疲勞開裂[6]。通過修改模具，加大R角平滑過渡，問題得以有效解決。

2.3 燃油箱振動開裂

考慮燃油箱可能由于箱體內燃油晃動導致箱體受到沖擊振動而出現裂紋，從而使車輛在耐久路試時漏油，課題組利用常見的有限元分析軟件HyperMesh及Abaqus，通過有限元分析方法對燃油箱進行模態分析，計算其模態值是否符合江鈴汽車股份有限公司設計要求。

3 燃油箱有限元分析

3.1 模態分析

模態分析是研究結構動力特性的一種近似方法，主要用來研究機械結構的固有振動特性，包括固有頻率和振型，是振動系統的固有特性。對結構的動態響應、動載荷的產生和傳播以及結構振動的形式等具有重要影響。作為具有有限個自由度的彈性系統，振動微分方程為：

式中，M為質量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，¨x(t)為加速度向量，.x(t)為速度向量，x(t)為位移向量，F(t)為作用在彈性體上的激勵。在無阻尼自由振動情況下，進行傅式變換可得：

變換為特征方程：

式中，ω為系統固有頻率，φ為系統振型。

3.2 有限元模型

將三維軟件建立的燃油箱模型導入到有限元軟件HyperMesh軟件中進行網格劃分，由于金屬燃油箱是薄板件，單元類型采用四邊形殼單元，單元邊長為4 mm，此模型單元有68 889個，節點總數70 289個，燃油箱總成各部件之間采用焊接連接方式，其材料參數如表1所示。在螺栓孔位置處對燃油箱進行6個自由度的約束，計算燃油箱在此狀態下的約束模態[7-10]。

表1 燃油箱材料參數

從圖5、圖6可知，此燃油箱一階、二階模態分別為25.8 Hz、36.2 Hz，由于國家以及江鈴汽車股份有限公司規定的振動試驗頻率為30 Hz，其不滿足設計要求。說明該燃油箱剛度不足，容易在外界的激勵頻率下發生共振現象，有開裂的風險，因此模態需要進行優化設計。

圖5 燃油箱一階模態振型云圖

圖6 燃油箱二階模態振型云圖

3.3 優化方案

此燃油箱的壁厚為1 mm，為了提高其模態，將壁厚改成1.5 mm，重新進行有限元分析，其分析結果如圖7、圖8所示。此時燃油箱的一階頻率為31.2 Hz，二階頻率為38 Hz，滿足江鈴汽車股份有限公司標準要求。

圖7 優化后的一階頻率

圖8 優化后的二階頻率

4 結論

綜上所述，課題組分析了汽車燃油箱的組成及金屬燃油箱和塑料燃油箱的優缺點，并闡述了金屬燃油箱設計開發時的一些參數，為后續車型出風口的設計提供了一定的參考。根據某一車型金屬燃油箱在耐久路試過程中出現的開裂漏油的現象，課題組利用有限元分析軟件，對其燃油箱進行模態分析。分析結果表明，此模態不符合設計要求，通過增加燃油箱的壁厚，可以改善其模態性能。