汽車燃油箱安全防護(hù)裝置設(shè)計與研究

張東梅 邵文藝 李蘭英 張力存

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隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車的生產(chǎn)水平不斷提高，現(xiàn)代化的汽車要求安全、低成本、輕量化、使用壽命長及無公害等。與之密不可分的膠粘劑的性能也在不斷提高和專用化，并且產(chǎn)能持續(xù)增長。汽車在運行中，車身中下部位易受到外來物的撞擊，以及路面各種液體的侵蝕、漆膜劃傷等而產(chǎn)生銹蝕。為了更好地保護(hù)車身，必須對上述部位涂覆保護(hù)膜，從而降噪、減震及防腐。聚氯乙烯（PVC）塑溶膠固含量高（＞90%），易于實現(xiàn)厚膜，涂膜具有耐酸、耐堿、耐鹽霧和耐磨等優(yōu)點，固化后附著力牢固，韌性及抗撞擊能力強(qiáng)。目前汽車膠工業(yè)正在向著高強(qiáng)度、多品種、系列化和專業(yè)化發(fā)展，汽車油箱防護(hù)膠具備更專業(yè)的用途。本研究以PVC為基材制備了油箱防護(hù)膠，其附著力大、韌性強(qiáng)，并且具有良好的外觀裝飾性。由于該油箱防護(hù)膠用于鋼板與中涂、面漆之間，所以，不僅與鋼板有良好的附著力，還與中涂、面漆有適宜的配套性。

1 概述

汽車燃油箱是汽車最重要的部件之一，所以對油箱的防護(hù)是極為重要的。然而對于汽車油箱的防護(hù)，業(yè)內(nèi)并沒有對其引起足夠的重視，只是在一些營運客車的燃油箱未受到縱梁保護(hù)的側(cè)面部分安裝了防護(hù)裝置。燃油箱側(cè)面防護(hù)裝置能對燃油箱起到可靠的側(cè)面防護(hù)作用并滿足靜強(qiáng)度試驗，但是在車輛實際的行駛過程中并不能最大化的保護(hù)燃油箱。在汽車發(fā)生碰撞的時候不僅橫向會受到?jīng)_擊，同時在軸向也會受到車身其他組件對油箱的沖擊。同時由于汽車燃油箱處于一個半開放的環(huán)境中，所以油箱箱體內(nèi)空氣含氧量過高可能會引起點燃爆炸的危害。與此同時，汽車與環(huán)境、汽車與乘員之間的靜電荷轉(zhuǎn)移也是一個普遍現(xiàn)象，靜電產(chǎn)生的電火花有可能導(dǎo)致油箱內(nèi)燃油混合氣爆燃。所以為了更好的保護(hù)駕乘人員，提高駕駛安全性。本研究首先通過CREO建模分析，設(shè)計了一套優(yōu)化油箱吊掛支架的方案，使油箱的固定可以更加穩(wěn)定。同時設(shè)計了一套油箱碰撞吸能裝置，使汽車在發(fā)生碰撞時有效的保護(hù)油箱。在油箱內(nèi)部，本研究設(shè)想給油箱加裝惰化系統(tǒng)以及靜電防護(hù)裝置以避免油箱在汽車行駛過程中發(fā)生點燃自爆，從而達(dá)到全方面保護(hù)汽車燃油箱的目的。

2 燃油箱側(cè)防護(hù)裝置的有限元計算分析

2.1 燃油箱側(cè)防護(hù)裝置靜態(tài)加載載荷和加載點位置

邊界條件：設(shè)定模型中的邊界條件為約束車身截取端面123456自由度。加載載荷：車輛最大總質(zhì)量為4,200kg，按照B級客車試驗載荷為車輛最大總質(zhì)量的12.5%計算。加載力F=4,200kg×9.8N/kg×12.5%=5,150N，加載方向為Y方向。

2.2 吸能保護(hù)件的研究

當(dāng)車輛發(fā)生強(qiáng)烈碰撞時，油箱的吸能保護(hù)件首先發(fā)生變形，并將載荷傳遞到附件安裝盤上。碰撞載荷達(dá)到一定量時，與安裝盤固定連接的易碎連接件與結(jié)構(gòu)分離。吸能保護(hù)件、附件安裝盤隨油箱一起進(jìn)入油箱艙，此時，吸能保護(hù)件不再受力。整個過程，吸能保護(hù)件吸收一定的能量，并會有一定的壓縮量，但這個壓縮量必須保證安裝在附件板上的附件不受力的沖擊。

2.3 燃油箱側(cè)防護(hù)裝置靜態(tài)加載計算結(jié)果

將設(shè)定完成的模型輸入到求解器中進(jìn)行求解，得到燃油箱側(cè)防護(hù)的變形及加載裝置的位移。根據(jù)計算結(jié)果，加載力按照車輛最大總質(zhì)量4,200kg計算時，加載力F1、加載力F2、加載力F3的最終位移分別為3.92mm，46.07mm，52.85mm，同時在車身位置布置測點，輸出車身與油箱之間的距離曲線，其最小距離是4.21mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)“試驗過程中及試驗后，防護(hù)裝置的任何部件不應(yīng)與燃油箱本體發(fā)生接觸”的要求[1]。

2.4 增黏劑用量對油箱防護(hù)膠性能的影響

未處理的鋼板不同于表面附著電泳漆的鋼板，油箱防護(hù)膠在這2種表面的附著力差別很大，為了增大膠體與鋼板的附著力，需增大增黏劑的用量，同時要在120-180℃固化30min的條件下，篩選出最合適的溫度，才能提高膠體與鋼板直接附著的可靠性。

2.5 吸能保護(hù)件分析

根據(jù)燃油箱附件距附件安裝盤下表面的最大距離值及吸能保護(hù)件厚度，得出吸能保護(hù)件允許的最大壓縮比為36%。當(dāng)易碎件與結(jié)構(gòu)分離時，按易碎件分離壓力最大為附件安裝盤破壞壓力的50%考慮，吸能保護(hù)件所受的最大載荷為0.175MPa，即要求吸能保護(hù)件在承受0.175MPa的壓力下，壓縮比不能大于36%。在0.175MPa的壓力下，吸能保護(hù)件的壓縮比遠(yuǎn)小于36%，符合設(shè)計要求。

3 汽車燃油箱靜電防護(hù)

（1）油泵金屬殼體與車身連接，汽車在行駛的過程中，油箱中燃油的晃動與車載供油管路摩擦?xí)a(chǎn)生靜電荷。為了解決局部電荷的累積，本項目通過把燃油泵金屬殼與車身用導(dǎo)電線連接，使油箱和車身成為等勢體，摩擦產(chǎn)生的電荷則通過導(dǎo)電線傳播到整個車身。（2）加油口多觸點設(shè)計多觸點設(shè)計方案可以有效的避免在燃油加注過程中新靜電荷的累積放電，一個可行的設(shè)計就是在注油口通過增加觸點的方法來消除局部電荷。本防靜電加油口通過鉸鏈和扭簧的固定。保證油箱蓋打開后油氣不外泄。金屬加油口內(nèi)腔體內(nèi)壁面下部構(gòu)成了加油槍管放入過程中滑動的接觸面。同時加油槍管通過點接觸消除局部油膜和金屬氧化表面對靜電荷轉(zhuǎn)移的影響。

4 結(jié)語

在提出了設(shè)計方案之后，本研究根據(jù)設(shè)計方案進(jìn)行了電腦模擬，以及模型化試驗，對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了記錄，驗證了方案的可行性，達(dá)到了理論上最大化保護(hù)汽車燃油箱的目的。成熟的材料技術(shù)以及加工技術(shù)，支持了汽車燃油箱裝置的研發(fā)。同時隨著人們安全意識的強(qiáng)化以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車油箱的安全性還會得到更大的提升。