某輕卡一體油箱輕量化結構優化與試驗分析

李智威

（江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330010）

輕卡通常指總質量在6 t以下的商用車型，主要承擔城鄉物流運輸工作任務。隨著近年電商業的飛速發展，輕卡銷量也節節攀升，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，傳統的輕卡油箱材質一般為鐵質或鋁合金，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。傳統輕卡車型的尿素箱為獨立系統，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，為排氣系統提供尿素來源，促進排放目標達成。本研究從油箱和尿素箱系統的力學結構特征出發，減少固定支架系統并應用輕質材料[6-10]，進行輕卡一體油箱輕量化結構優化設計，油箱和尿素箱都采用PE材質，采用一套箍帶固定支架，在油箱本體進行凸臺設計，將尿素箱放置于油箱凸臺上端，結構緊湊，受力均勻，釋放了整車布置空間，提升了輕卡特種改裝應用市場前景，實現減重15 kg。為了確保一體油箱結構穩健性，采用結構強度ABAQUS仿真軟件對一體油箱進行了CAE強度分析，詳細研究了該系統結構的理論強度。同時，結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，試驗結果表明，該輕量化一體油箱結構緊湊，減重效果顯著，滿足性能目標要求的同時結構新穎，極大地提升了產品品質和吸引力。

1 一體油箱輕量化結構設計

傳統輕卡的油箱和尿素箱為獨立系統部件，分別安裝于車架一側，其中油箱采用L型箍帶式支架固定，油箱內部設置了金屬隔板，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。考慮到輕質材料的優越性能，本研究開展了創新一體油箱輕量化結構優化設計，油箱本體及尿素箱系統通過一套箍帶式支架固定于車架一側，油箱和尿素箱容積與傳統結構保持一致，通過在油箱本體中部設置凸臺結構，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，一體油箱輕量化結構與傳統油箱及尿素箱對比如圖1所示，該結構新穎緊湊，單車可實現減重15 kg，降本增效。

圖1 一體油箱輕量化結構與傳統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有限元分析是以數值分析為基礎的計算機工程輔助設計，可快速有效進行結構剛強度及油液沖擊等分析工作，節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進行了有限元模型搭建，網格尺寸為4 mm，單元類型為Shell殼單元及四面體Solid實體單元，模型節點數量為69 000，網格單元數量為250 000，在有限元網格模型完成搭建后，進行了網格質量檢查，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，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強度分析結果。

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

圖3 一體油箱CAE強度分析結果

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，滿足開發耐久性能目標要求。

圖5 一體油箱道路耐久試驗結果

4 結論

綜上所述，本研究結合數值分析及汽車設計理論，從油箱和尿素箱系統的力學結構特征著手，進行輕卡一體油箱輕量化結構優化設計，采用一套箍帶固定支架，結合CAE分析及道路耐久驗證試驗分析結果可知：

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

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，滿足開發耐久性能目標要求。研究結果表明，一體油箱結構緊湊，受力均勻，釋放了整車布置空間，提升了輕卡特種改裝應用市場前景，實現減重15 kg，結構新穎，極大地提高了產品品質和吸引力。