雙腔鋁合金油箱分腔隔板質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

張文彥

雙腔鋁合金油箱分腔隔板質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

張文彥

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院 機(jī)械工程系，陜西 西安 710018）

為降低雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板開(kāi)裂失效風(fēng)險(xiǎn)，文章介紹了一種通過(guò)改進(jìn)分腔隔板結(jié)構(gòu)提高鋁合金雙腔油箱質(zhì)量的方法。首先結(jié)合同類結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）分析及試驗(yàn)報(bào)告，對(duì)分腔隔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，再通過(guò)CATIA軟件進(jìn)行建模對(duì)燃油箱總成進(jìn)行裝配評(píng)估，同時(shí)分析了新結(jié)構(gòu)分腔隔板工藝成型情況，最后進(jìn)行樣件試制并進(jìn)行臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示這種方法能過(guò)夠有效克服雙腔油箱分腔隔板開(kāi)裂脫落問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程大大降低了時(shí)間成本、人工成本及原料成本。

雙腔鋁合金燃油箱；CAE分析；裝配評(píng)估；臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)；設(shè)計(jì)優(yōu)化

隨著重型卡車的發(fā)展，輕量化燃油箱需求與日俱增，傳統(tǒng)的鐵質(zhì)燃油箱已經(jīng)逐步被輕量化、不易生銹的鋁合金燃油箱所代替[1]，但市場(chǎng)對(duì)燃油箱的功能有著更高的要求[2]，為解決冬季寒冷地區(qū)卡車司機(jī)的痛點(diǎn)問(wèn)題，雙腔鋁合金燃油箱在市場(chǎng)上逐步占據(jù)重要的位置，而分腔隔板開(kāi)裂成為雙腔燃油箱的最常見(jiàn)的失效模式[3]。分腔隔板開(kāi)裂不僅會(huì)導(dǎo)致主副油箱發(fā)生竄油現(xiàn)象，也會(huì)摩擦產(chǎn)生鋁粉并隨著吸油系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)[4]，容易造成油路堵塞甚至破壞發(fā)動(dòng)機(jī)性能。目前市場(chǎng)上存在類似售后失效模式較多[5]，因此，解決雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板開(kāi)裂問(wèn)題成為雙腔油箱質(zhì)量提升的關(guān)鍵一步。

1 研究背景

目前，國(guó)家高速公路貨車通行收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)由計(jì)重收費(fèi)調(diào)整為按軸收費(fèi)[6]，出現(xiàn)重車、空車一刀切現(xiàn)象，導(dǎo)致費(fèi)用上漲，半掛、單車空車改走國(guó)道省道；空車走國(guó)道、省道路況差、運(yùn)輸效率、安全性低下，導(dǎo)致車輛部件高頻振動(dòng)或頻繁緊急剎車與起步，油箱柴油對(duì)隔板沖擊力大且沖擊頻率大幅上升；公路重載自卸車一般為8×4加強(qiáng)型或復(fù)合型車輛，中短途省道、國(guó)道運(yùn)輸散裝煤炭、砂石料，載重大、路況差、振動(dòng)大、燃料對(duì)油箱隔板沖擊力大且頻率高；非冬季時(shí)節(jié)，車輛副油箱一般長(zhǎng)期空置，導(dǎo)致隔板長(zhǎng)期受到主油箱燃料一個(gè)方向高頻、大力的沖擊，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯；此外，我司現(xiàn)有主副油箱分腔隔板壓筋寬度小、過(guò)渡圓弧較小、裸露平面面積較大，致使隔板整體強(qiáng)度不高。因此，對(duì)雙腔燃油箱分腔隔板的改進(jìn)迫在眉睫。

2 研究方法

為降低雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板開(kāi)裂失效風(fēng)險(xiǎn)，文章提出了一種通過(guò)改進(jìn)分腔隔板結(jié)構(gòu)提高鋁合金雙腔油箱質(zhì)量的方法。首先結(jié)合類似結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析及試驗(yàn)報(bào)告，提出改進(jìn)辦法；接著通過(guò)CATIA軟件進(jìn)行建模對(duì)燃油箱總成進(jìn)行裝配評(píng)估；最后進(jìn)行樣件試制并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果最終評(píng)估改進(jìn)方案的可行性。

3 方案改進(jìn)

公司前期對(duì)主腔隔板方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖1為主腔隔板設(shè)計(jì)優(yōu)化前后模型對(duì)比。老隔板為傳統(tǒng)的方形沖壓加四角壓筋結(jié)構(gòu)，特征過(guò)多，壓筋寬度小、過(guò)渡圓弧較小、裸露平面面積較大，四角壓筋處容易形成應(yīng)力集中，而球形沖壓能有效分散應(yīng)力，因此，進(jìn)行了隔板的全新球形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了CAE分析，隔板的邊界條件按照等效壓力加載。通過(guò)CAE仿真發(fā)現(xiàn)主腔新隔板結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力由78.52 MPa降低到32.37 MPa，最大應(yīng)力降低了58.77%，剛度提升了64.1%，強(qiáng)度提升了63.2%，CAE分析部分如圖2所示。此外，新結(jié)構(gòu)隔板向振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)由以前的2小時(shí)提高至38小時(shí)并且未失效，向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示主腔新隔板強(qiáng)度提升超過(guò)1 800%，充分說(shuō)明主腔新隔板的結(jié)構(gòu)狀態(tài)可靠性大大優(yōu)于老隔板狀態(tài)。

我司分腔隔板老方案與主腔隔板老方案外形輪廓結(jié)構(gòu)一致，如圖3所示。結(jié)合主腔隔板CAE仿真與振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)新隔板結(jié)構(gòu)性能大大提升，因此，對(duì)現(xiàn)有分腔隔板結(jié)構(gòu)類比提出了改進(jìn)方案。改進(jìn)方案為減小四處壓筋的應(yīng)力集中，選擇了中間球形沖壓，加大過(guò)度圓弧，球形沖壓的結(jié)構(gòu)不僅能減緩應(yīng)力集中，并且成型后對(duì)四角的強(qiáng)度和剛度影響更小，因此，改進(jìn)方案打破了原始設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4所示。除此之外，主腔隔板的焊接方式為壓筋及斷續(xù)焊，而分腔隔板為周圈滿焊，焊接強(qiáng)度符合要求，不需要壓筋，因此，新設(shè)計(jì)的分腔隔板翻邊高度可以減少30 mm，并對(duì)新結(jié)構(gòu)分腔隔板進(jìn)行了沖壓成型分析，如圖5所示。沖壓成型分析結(jié)果顯示，部分區(qū)域存在開(kāi)裂、褶皺風(fēng)險(xiǎn)，占比3.69%，總體成型良好。

圖4 分腔隔板新方案

圖5 隔板沖壓成型分析

4 燃油箱總成裝配評(píng)估

雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板改進(jìn)方案提出后，按照燃油箱總成及附件進(jìn)行了CATIA三維模型建立，整體安裝效果如圖6所示。根據(jù)三維模型對(duì)整體方案特別是分腔隔板壓型、分腔隔板翻邊高度降低后工藝實(shí)現(xiàn)難易程度問(wèn)題進(jìn)行了初步評(píng)估。經(jīng)專家組評(píng)估：改進(jìn)后的分腔隔板方案壓型工序由原來(lái)的四道工序減少至三道工序，節(jié)省了時(shí)間成本與人工成本；改進(jìn)后的分腔隔板方案在燃油箱總成裝配過(guò)程中工藝實(shí)現(xiàn)未增加難度，但需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖6 燃油箱總成整體安裝效果

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板改進(jìn)方案的可靠性，進(jìn)行了油箱總成的試制并參照《汽車燃油箱及其安裝的安全性能要求和試驗(yàn)方法》（GB 18296－2019）進(jìn)行了臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)[7]，圖7為振動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。將燃油箱總成模擬裝車形式固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，往腔體內(nèi)加入額定容量1/2的水，蓋上燃油箱蓋，密封好所有進(jìn)、出口。

上下：振動(dòng)加速度30 m/s2，振動(dòng)頻率30 Hz，直至損壞或振動(dòng)4小時(shí)以上無(wú)損壞，停止試驗(yàn)記錄時(shí)間。

左右：振動(dòng)加速度30 m/s2，振動(dòng)頻率30 Hz，直至損壞或振動(dòng)2小時(shí)以上無(wú)損壞，停止試驗(yàn)記錄時(shí)間。

前后：振動(dòng)加速度30 m/s2，振動(dòng)頻率30 Hz，直至損壞記錄時(shí)間。

按照國(guó)標(biāo)《汽車燃油箱及其安裝的安全性能要求和試驗(yàn)方法》（GB 18296－2019）要求，燃油箱總成上下振動(dòng)4小時(shí)，左右振動(dòng)2小時(shí)，前后完成振動(dòng)21小時(shí)，其他部位開(kāi)裂，切開(kāi)燃油箱總成發(fā)現(xiàn)分腔隔板仍完好，無(wú)任何開(kāi)裂或滲漏。相比舊方案臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果：上下振動(dòng)4小時(shí)，左右振動(dòng)2小時(shí)，前后完成振動(dòng)10小時(shí)，分腔隔板新方案在前后方向性能提高110%，三個(gè)方向綜合性能提高68.75%。

6 結(jié)論

文章對(duì)雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)，新的球型結(jié)構(gòu)有效分散了應(yīng)力集中，降低了最大應(yīng)力，提高了強(qiáng)度及剛度，降低了翻邊高度。通過(guò)專家組評(píng)估及臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，這種新型的雙腔鋁合金燃油箱分腔隔板方案相比舊方案不僅可靠性有較大幅度提高，能夠有效克服雙腔油箱分腔隔板開(kāi)裂脫落問(wèn)題，并且在設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程大大降低了時(shí)間成本、人工成本及原料成本。目前，從方案實(shí)施開(kāi)始，分腔隔板改進(jìn)方案已得到市場(chǎng)驗(yàn)證，市場(chǎng)反饋改進(jìn)效果明顯。

[1] 寧亮亮,王偉銀.重型卡車5052鋁合金燃油箱焊接修復(fù)工藝[J].汽車維護(hù)與修理,2021(6):69-71.

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[5] 趙承軍,白培謙.重型汽車鋁合金燃油箱失效分析與改進(jìn)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2018,43(22):116-118.

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Quality Optimization Design of the Split Diaphragm of Dual-cavity Aluminum Alloy Oil Tank

ZHANG Wenyan

( Department of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University City College, Xi'an 710018, China)

In order to reduce the crack failure risk of the split diaphragm of the dual-cavity aluminum alloy fuel tank, this paper introduces a method to improve the quality of the dual-cavity aluminum alloy fuel tank by improving the structure of the split diaphragm.First of all, combined with the computer aided engineering(CAE) analysis and test report of the same structure, the structure of the split diaphragm is improved.The article then evaluates the assembly of the fuel tank assembly by modeling with CATIA software, and analyzes the process forming of the new structure split diaphragm. Finally, the prototype is trial-produced and verified by the bench vibration test.The research results show that this method can effectively overcome the problem of split diaphragm cracking and falling off of double-chamber oil tank, and greatly reduce the time cost, labor cost and raw material cost in the process of design optimization.

Dual-cavity aluminum alloy fuel tank; CAE analysis; Assembly evaluation; Bench vibration test; Design optimization

U464.136.5

A

1671-7988(2023)17-81-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.014

張文彥（1993－），女，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)槠嚾加拖到y(tǒng)零部件設(shè)計(jì)，E-mail:870570849@qq.com。