基于碰撞安全的燃油泵法蘭零件優(yōu)化設(shè)計

陸利鋒，梅園

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基于碰撞安全的燃油泵法蘭零件優(yōu)化設(shè)計

陸利鋒1，梅園2

（1.奇瑞捷豹路虎汽車有限公司，上海 201103；2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

文章基于車輛遇到碰撞沖擊的情況下，對燃油泵法蘭零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以確保燃油系統(tǒng)密封安全性。法蘭零件因受外力沖擊影響，可能發(fā)生局部破裂，導(dǎo)致燃油泄漏起火。針對這種失效模式，以某車型燃油泵法蘭零件為分析實例，通過有限元仿真計算，對比了兩種不同的法蘭盤導(dǎo)桿座設(shè)計結(jié)構(gòu)，建立了一種臺階式帶吸能區(qū)域的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。在碰撞過程中，吸能結(jié)構(gòu)可以有效吸收沖擊能量，保護(hù)法蘭盤零件的完整性，預(yù)防因零件破裂而導(dǎo)致的燃油泄漏。

碰撞安全；燃油泵法蘭；燃油泄漏；吸能結(jié)構(gòu)

前言

1 研究背景

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車以及插電混合動力汽車在實際行駛過程中，發(fā)動機(jī)通過燃燒汽油或者柴油等燃料來獲得能量。燃油系統(tǒng)作為整車動力系統(tǒng)的組成部分，起到了燃油存儲，燃油輸送等作用。但石化燃油具有易燃易爆的特性，必須安全存儲。以汽油為例，由于其具有易揮發(fā)，易燃燒等特性，當(dāng)汽油暴露在空氣中時，遇到明火，靜電，高熱能時，很容易發(fā)生燃燒，造成財產(chǎn)損失甚至危及人身安全。因此對燃油系統(tǒng)設(shè)計而言，最基本的一個設(shè)計要求是系統(tǒng)的密封性，即從加油管，燃油箱，燃油泵，燃油管路到發(fā)動機(jī)燃油軌，在正常行車狀態(tài)或者是遇到了車輛碰撞沖擊等工況時，都需要保證燃油不能泄漏在燃油箱外[1]。

對于燃油系統(tǒng)密封性能的研究，已有的研究著眼于油箱在底盤中的優(yōu)化布置，減少油箱殼體受到?jīng)_擊而發(fā)生破裂[2-3]，但對于油箱內(nèi)部零件尤其是燃油泵法蘭的密封性能，較少涉及。本文將燃油泵法蘭作為主要研究對象，分析其結(jié)構(gòu)設(shè)計在碰撞沖擊條件下的安全性能。

燃油泵法蘭零件安裝在燃油泵與燃油箱之間，起著中間連接作用。該零件通常集成了兩根金屬導(dǎo)桿，導(dǎo)桿連接著燃油泵儲油桶等零件，當(dāng)有碰撞沖擊發(fā)生時，由于慣性作用，儲油桶等零件繼續(xù)運動，對導(dǎo)桿產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)牽拉力，傳遞到法蘭盤零件，如果法蘭盤零件設(shè)計有缺陷，將可能產(chǎn)生盤面破裂，導(dǎo)致燃油外泄。

本文重點分析燃油泵法蘭零件的局部設(shè)計，優(yōu)化了一種在碰撞沖擊環(huán)境下仍然保證系統(tǒng)完整性和密封性的結(jié)構(gòu)，從而減少起火隱患，保障人身安全。

2 燃油系統(tǒng)在碰撞條件下的安全性評價以及結(jié)構(gòu)失效模式

2.1 燃油箱的密封結(jié)構(gòu)

燃油箱系統(tǒng)通常有油箱殼體，燃油泵總成組成。燃油經(jīng)過加油管進(jìn)入到燃油箱內(nèi)，然后由燃油泵電機(jī)以及泵體部分，將燃油輸送到燃油箱外的燃油管路直至發(fā)動機(jī)油軌處。

圖1 燃油箱以及燃油泵法蘭的裝配示意圖

圖1說明了燃油泵法蘭和油箱的裝配關(guān)系，通常由金屬或者塑料卡環(huán)的形式，將燃油泵總成固定在油箱內(nèi)部。

1.法蘭 2.導(dǎo)桿 3.儲油桶

燃油泵總成又分為儲油桶，以及法蘭組件兩部分。儲油桶內(nèi)集成了燃油泵電機(jī)，支架，連接管路，過濾器等零件；法蘭組件通常為一個盤狀零件，上面集成了進(jìn)出油管，電器接插件，通氣管路等結(jié)構(gòu)，在其下面一般集成了兩根金屬導(dǎo)桿，用于連接儲油桶零件。請見圖2燃油泵總成示意圖。

燃油泵法蘭零件和油箱之間還有一個密封圈，確保燃油不外漏到油箱外部。

針對碰撞類工況的結(jié)構(gòu)安全，國家目前有三個碰撞強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，GB-11551規(guī)定了車輛正面碰撞的要求，GB-20071規(guī)定了車輛側(cè)面碰撞的要求，GB-20072規(guī)定了尾部碰撞的要求。其中對于燃油系統(tǒng)碰撞安全性能的要求為[4]：1）在碰撞過程中，燃油供給系統(tǒng)不允許發(fā)生泄漏；2）碰撞試驗后，若燃油系統(tǒng)存在液體連續(xù)泄漏，則在碰撞后前5分鐘，平均泄漏速率不得超過30g/min。實際企業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，不論是碰撞中還是碰撞后，都會加嚴(yán)設(shè)計為不允許有泄漏，以減少起火隱患。

2.2 燃油泵法蘭零件的失效模式

當(dāng)碰撞發(fā)生時，如圖3所示，由于慣性作用，儲油桶有繼續(xù)往前運動的趨勢，如箭頭方向，彎矩通過金屬導(dǎo)桿傳遞到法蘭盤面，碰撞能量的吸收主要集中于法蘭導(dǎo)桿座處。

圖3 碰撞時導(dǎo)桿座力受力圖

金屬導(dǎo)桿是過盈裝配在法蘭盤面里的，如圖4所示，在正常工作時，即使整車遇到崎嶇山路，或者是越野顛簸，此處結(jié)構(gòu)都緊固可靠，導(dǎo)桿也不會松動掉落。

圖4 法蘭導(dǎo)桿座結(jié)構(gòu)

在受到車輛意外碰撞時，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不良，將會導(dǎo)致如圖5所示的盤面破裂，導(dǎo)桿連接法蘭零件的導(dǎo)桿座部分被撕裂，這種失效將直接導(dǎo)致燃油從油箱里溢出，油氣暴露在大氣中可能發(fā)生爆燃等事故，危及人身安全。

圖5 在碰撞時法蘭盤發(fā)生破裂

因此，法蘭導(dǎo)桿座處的結(jié)構(gòu)對于碰撞安全性而言非常重要。

3 碰撞仿真和優(yōu)化設(shè)計分析

3.1 碰撞仿真建模

為評估結(jié)構(gòu)在碰撞條件下的安全性能，需要在設(shè)計初期就建立有限元分析模型，進(jìn)行仿真計算。避免后期開模之后，通過實物試驗再發(fā)現(xiàn)失效[5]。

初始安裝狀態(tài)下，燃油箱以及燃油泵系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，法蘭盤面是被螺旋壓盤緊固約束在油箱上的。

當(dāng)整車發(fā)生碰撞時，無論是側(cè)面碰撞，前碰，或者是后碰事故，由于慣性作用，燃油箱中的燃油泵儲油桶將持續(xù)產(chǎn)生移動。由于導(dǎo)桿和儲油桶以及法蘭同時相連接，彎矩將由導(dǎo)桿傳遞后作用在法蘭導(dǎo)桿座上。

由此建立一個有限元分析模型。如圖6所示。

圖6 建立有限元模型

儲油桶內(nèi)含有油泵電機(jī)，托架，油泵過濾器等零件，桶內(nèi)含有400-500毫升汽油，這些質(zhì)量統(tǒng)一作用在兩個導(dǎo)桿上。經(jīng)過計算后，以質(zhì)心方式加載在導(dǎo)桿上。

導(dǎo)桿材質(zhì)為20號碳鋼。法蘭零件材質(zhì)為聚甲醛。聚甲醛具有很高的彈性模量，硬度和剛度，廣泛應(yīng)用于燃油系統(tǒng)[6]。

在建立的仿真模型中，使用彈塑性材料模型表征該材料的力學(xué)特性，其失效塑性應(yīng)變?yōu)?0%。即超過30%時，表明該區(qū)域有破裂風(fēng)險。

載荷條件為模擬沖擊力，加速度為100g，時間為30ms。模擬整車50km/h碰撞。加載曲線如圖7所示。

圖7 施加沖擊載荷

約束條件是法蘭盤整個環(huán)面固定，模擬實際裝配在油箱中的狀態(tài)。

3.2 結(jié)構(gòu)變形模式分析

通過仿真計算，可發(fā)現(xiàn)隨著沖擊載荷的逐漸加大，在法蘭導(dǎo)桿座處產(chǎn)生越來越大的應(yīng)力，致使法蘭導(dǎo)桿座區(qū)域產(chǎn)生塑性形變，直至局部發(fā)生破裂。

當(dāng)破裂區(qū)域距離法蘭盤面很近時，由于撕裂效應(yīng)，一個裂紋可能就會貫穿到整個盤面，甚至導(dǎo)致破洞。根據(jù)設(shè)計要求，法蘭盤面確保完整才能防止燃油的泄露。如果產(chǎn)生了貫穿性的裂紋，燃油就會滲透到油箱外，引起環(huán)境污染，甚至有起火隱患。

圖8展示了在有限元分析軟件中，通過顏色區(qū)分出了不同區(qū)域的受力情況。法蘭導(dǎo)桿座根部是受力最大的區(qū)域。

圖8 碰撞沖擊的結(jié)構(gòu)模式分析

隨著彎矩越來越大，導(dǎo)桿座處的結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生塑性形變，直至產(chǎn)生破裂。

3.3 兩種設(shè)計結(jié)構(gòu)變形比較

這里選取了在碰撞沖擊中發(fā)生了破裂的法蘭（即原有設(shè)計）進(jìn)行建模分析。

圖9展示了導(dǎo)桿裝配在導(dǎo)桿座的截面結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)的特點在于導(dǎo)桿插入法蘭內(nèi)部較深，而且導(dǎo)桿座周邊的筋結(jié)構(gòu)較為強(qiáng)壯。其呈圓弧狀，均勻分布在法蘭盤面。

圖9 原始設(shè)計

施加載荷的過程中，可以看到由于導(dǎo)桿插入到法蘭底部很深，當(dāng)隨著載荷越來越大，在根部區(qū)域容易產(chǎn)生破裂。一旦裂紋延伸，可能就會導(dǎo)致整個盤面產(chǎn)生破洞。

圖10 原有設(shè)計的碰撞仿真分析

原有的設(shè)計主要缺陷有：導(dǎo)桿端部和法蘭面過于接近，導(dǎo)致遇到碰撞工況時，一旦產(chǎn)生破裂，極易引起盤面貫穿性撕裂。整個導(dǎo)桿座結(jié)構(gòu)又比較強(qiáng)壯，一旦有載荷施加時，無法有效地吸收能量。

由此，建立一種優(yōu)化的設(shè)計。結(jié)構(gòu)如圖11所示。

設(shè)計主要優(yōu)化點如下：導(dǎo)桿端部距離法蘭盤面有一定的距離，并不是插入到底。此處結(jié)構(gòu)上下圓柱直徑不同，形成一個臺階，在破裂發(fā)生時，這個臺階就是一個吸能區(qū)域，并且預(yù)期破裂只會發(fā)生在臺階這里，而不會貫穿到法蘭盤面。

同時為了保證在車輛正常情況下的抗振能力，在環(huán)狀處還設(shè)計了一些筋特征，主要作用是在保持抗振強(qiáng)度。

圖11 優(yōu)化設(shè)計

圖示12展示了優(yōu)化設(shè)計的仿真分析，預(yù)測到該結(jié)構(gòu)遇到碰撞時，發(fā)生破裂的區(qū)域和破裂延伸的區(qū)域。

可以看到，在受到碰撞沖擊時，應(yīng)力主要于環(huán)狀臺階處，在臺階處發(fā)生了折斷和破裂，吸能非常充分，此時沖擊能量將不再延伸作用到法蘭盤表面處，從而起到了保護(hù)法蘭盤面的作用，法蘭盤面的結(jié)構(gòu)完整性較好，符合設(shè)計期望。

圖12 優(yōu)化設(shè)計的碰撞仿真分析

由于這是一個圓環(huán)布置筋位的結(jié)構(gòu)，不論沖擊載荷從哪個方向作用過來，沖擊能量都能夠通過輻射狀加強(qiáng)筋分散傳遞到環(huán)狀加強(qiáng)筋，然后再傳遞到法蘭面上去，即輻射狀加強(qiáng)筋能起到分散載荷的作用。

該處結(jié)構(gòu)形狀盡量按圓形（當(dāng)導(dǎo)桿座遠(yuǎn)離法蘭裙邊時）或圓弧形（當(dāng)導(dǎo)桿座連接著法蘭裙邊時）設(shè)計，環(huán)狀加強(qiáng)筋連成一體，避免中間斷開，以增加強(qiáng)度。

同時，對于該結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗振仿真分析，通常采用寬頻隨機(jī)振動試驗。以驗證整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能保證整車的正常使用工況。

通過仿真，可以預(yù)期到優(yōu)化結(jié)構(gòu)在整車上的表現(xiàn)為：

1）在正常行車顛簸中，結(jié)構(gòu)正常連接，不會發(fā)生破裂的失效。

2）當(dāng)發(fā)生碰撞沖擊時，法蘭導(dǎo)桿座在環(huán)狀臺階處吸能而發(fā)生折斷，從而保護(hù)了法蘭盤面不會被撕破，從而保護(hù)了燃油系統(tǒng)整體的完整性，不至于發(fā)生燃油外泄。

圖13展示了經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的法蘭實物在實際碰撞試驗后的狀態(tài)。

在碰撞沖擊試驗后的實物來看，斷口發(fā)生在導(dǎo)桿座臺階處，沒有延伸到法蘭盤面。實物與仿真計算分析取得了一致的結(jié)果，即斷裂處發(fā)生在導(dǎo)桿座臺階而不是發(fā)生在法蘭盤面。即保證油箱整個系統(tǒng)都是沒有燃油泄露點的。

圖13 實物在碰撞條件下的狀態(tài)

通過實物試驗很好地驗證了該設(shè)計的有效性和實用性，在不同的項目中，即使法蘭盤面形狀，尺寸不同，但和導(dǎo)桿連接處的結(jié)構(gòu)，都可借鑒此優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)行平臺化應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文以燃油泵法蘭零件作為研究對象，重點分析了此關(guān)鍵零件在碰撞條件下的結(jié)構(gòu)變形特點。闡述了碰撞之后，由于慣性作用，會對法蘭導(dǎo)桿座處產(chǎn)生載荷沖擊，導(dǎo)桿座可能會發(fā)生破裂的趨勢。

通過有限元分析，找到了法蘭導(dǎo)桿座破裂的延伸趨勢，從而建立了一種新型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特點為導(dǎo)桿和法蘭導(dǎo)桿座裝配時，導(dǎo)桿端部距離盤面有一定的距離，而且還設(shè)計了一個臺階狀的特征。其下部直徑稍大，更為強(qiáng)壯，上部直徑稍小，略微薄弱，這樣就在臺階處形成一個吸能區(qū)域。從而可預(yù)期到在碰撞過程中，能量在臺階處得到吸收，裂紋不延伸到法蘭表面。從而能夠保證法蘭盤面是完好的，燃油系統(tǒng)不發(fā)生泄漏。

這種優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)同時兼顧到了正常行車上的抗振結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，即通過圓弧形狀的筋特征增加了整個導(dǎo)桿座的強(qiáng)度。滿足整車正常使用下，法蘭不會發(fā)生破裂。

[1] 柳廣鳳,徐愛平.轎車燃油箱設(shè)計[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2012 (08):23-27.

[2] 王坤,談笑天,余歡.汽車燃油箱防護(hù)裝置設(shè)計與研究[J].民營科技,2018(12):41-42.

[3] 王力,吳旭,魏然,路先鋒.某乘用車追尾碰撞分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究[J].輕型汽車技術(shù),2012(Z3):8-11.

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB20072- 2006 乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求.

[5] 楊志剛,葉平,馬美林等.乘用車后碰撞安全模擬與結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].汽車工程,2008,30(11):972-974,983.

[6] 紀(jì)立春,劉志富,李美榮,李勁松,趙立杰.聚甲醛技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展前景[J].精細(xì)化工原料及中間體,2006(06):23-24.

A optimized structural design study on fuel pump module flange under collision condition

Lu Lifeng1, Mei Yuan2

( 1.Chery Jaguar Land Rover Automotive Co., Ltd., Shanghai 201103; 2.Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., Shanghai 201201 )

This paper mainly studies the structural optimization design of fuel pump flange part in the case of vehicle collision impact to ensure the sealing safety performance. Flange part may be affected by external shocks, which may cause a risk of fire and fuel leakage. Aiming at this failure mode, this paper takes the fuel pump flange part of a certain type of vehicle as an example for studying. The CAE simulation is used to compare the design structure of two different flange guide rods, and an optimized design with energy absorption structure is established. During the collision process, the energy absorbing structure can effectively absorb the impact energy, protect the integrity of the flange part, and prevent fuel leakage caused by the rupture of the part.

safety under collision impact; fuel pump flange; fuel leakage; energy absorption structure

U467

B

1671-7988(2019)08-158-04

U467

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1671-7988(2019)08-158-04

陸利鋒，碩士研究生，工程師，就職于奇瑞捷豹路虎汽車有限公司，研究方向為動力總成系統(tǒng)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.049