樣車試制油箱的研究及應用

謝玉銀

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201800）

新車型開發(fā)中，油箱造型需要與車身底盤相匹配以便在有限的空間內(nèi)存放更多的燃油，不同的車型需要匹配不同造型的油箱，油箱屬于安全件，按照以往的慣例都是使用批量注塑模具制作的，但是從油箱設計定型到成品制作完成往往需要花費近一年的時間，一些全新的項目會由于油箱的制作進度而延誤項目的開發(fā)進度。

1 汽車燃油系統(tǒng)及批量油箱

對于批量燃油箱，按照材質(zhì)的不同可以分為塑料燃油箱和金屬燃油箱。由于塑料燃油箱具有不同于金屬燃油箱的諸多優(yōu)點，使得塑料燃油箱替代金屬燃油箱、多層燃油箱替代單層燃油箱成為目前汽車工業(yè)發(fā)展的主流方向。目前市場車型的批量燃油箱大多采用塑料燃油箱，其制造工藝[1]通常如圖1所示。

圖1 塑料燃油箱制造工藝流程

塑料燃油箱相較于鐵質(zhì)金屬燃油箱具有以下多方面的優(yōu)點：

（1）重量輕。HDPE塑料材料的密度為0.95g/cm3左右，一只同等容積的鐵油箱比塑料油箱重約2.5倍。

（2）防腐能力強。

（3）造型隨意。隨著汽車配置越來越多，為了充分利用空間，現(xiàn)代汽車的外型設計變得越來越緊湊。

（4）使用壽命長。由于塑料燃油箱的材料是高分子聚合物，其化學性能比較穩(wěn)定，因此塑料燃油箱具有較長的使用壽命。

（5）安全性高，不會因熱膨脹而爆炸。

（6）生產(chǎn)成本低，加工工藝簡單，不論多復雜的產(chǎn)品造型都可一次成型，并且報廢的產(chǎn)品經(jīng)粉碎后材料可以循環(huán)使用。

2 樣車試制油箱方案研究

但由于塑料油箱從設計到制造周期長達一年左右的時間，通常會根據(jù)新狀態(tài)的油箱數(shù)據(jù)，設計制造樣車試制油箱，該油箱的方案研究大致分以下幾部分：油箱的設計、油箱的制造、油箱氣密性測試、油箱尺寸測量。

（1）試制油箱的設計基于以下幾方面：a.車型和油箱的相關參數(shù)定義的信息，如油箱容積等；b.油箱環(huán)境數(shù)據(jù)的信息，主要是地板、后橋和排氣管等；c.油箱上各功能零件的定義及位置布置信息[2]。

（2）油箱的制造：該油箱本體主要采用不銹鋼板折彎拼焊的工藝，對整體的拼焊精度要求較高。需要保證每條焊縫的密封性，所以對焊接質(zhì)量也要求較高。

（3）測試方面：該類油箱需保證其密封性，所以在油箱制造完成后需要做好密封性的測試工作，可以通過氣壓測試或者水密封測試等。

2.1 試制油箱設計

油箱是車輛裝燃料容器，是液壓系統(tǒng)中存儲液壓油的專用容器。根據(jù)車型的不同，油箱的容積有所不同。油箱上的零件很多，上部裝有油表傳感器、進回油口、加油口、暖風取油口、通氣口、油箱蓋等，底部裝有放油螺塞等。

試制金屬油箱設計的重點：

（1）油箱零件的信息定義，包含沿用哪個車型的零件，如：油箱蓋、碳罐、壓力調(diào)節(jié)器、控制器、油泵、重力閥、通氣閥、注油閥、濾清器等。

（2）附件位置及固定方式。

（3）油箱容積。

（4）環(huán)境數(shù)據(jù)，如：地板、排氣管、后橋、后輪罩鈑金等。

批量塑料油箱的零件很多，每個零件的功能也有所不同，其結構比較復雜。

試制金屬油箱的作用是在批量塑料油箱生產(chǎn)出來之前，替代批量塑料油箱，安裝到樣車上，用于各種試驗。其結構可以簡化，但必須滿足批量塑料油箱的所有功能，安裝所有批量塑料油箱應有的附件。

根據(jù)油箱周邊的環(huán)境，確定試制金屬油箱的外形，必須考慮到油箱不能被地板、后橋、排氣尾管等零件干涉[3]，如圖2所示為某新項目試制金屬油箱及周圍環(huán)境截圖。

2.1.1 試制金屬油箱本體的設計

從成本及制作周期出發(fā)，我們對油箱的本體進行了簡化。本體及加油口固定點的選取，考慮了油箱的可替換性，如圖3所示為試制金屬油箱本體及其安裝點，如圖4所示為試制金屬油箱加油口安裝點。

圖3 試制金屬油箱本體及其安裝點

圖4 試制金屬油箱加油口安裝點

試制金屬油箱本體與加油口固定點都采用2mm厚的不銹鋼板，其材料為316L。

通過將不銹鋼板折彎后焊接，形成封閉腔體，如圖5所示為試制金屬油箱本體及其爆炸圖。這種工藝的優(yōu)點是成本低廉、制造工藝簡單、周期短等。

圖5 試制金屬油箱本體及其爆炸圖

2.1.2 試制金屬油箱管道及固定件的設計

加油管、通氣管、凈化管等零件在可行的情況下盡量采用現(xiàn)有零件，但由于每個車型的地板或輪罩鈑金都有差異，所以管路零件的走向都會有所差別，需要根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)設計新的管路零件。如圖6所示的A零件為根據(jù)新車型的環(huán)境數(shù)據(jù)設計的新的加油管、通氣管及凈化管零件。

圖6 某新車型試制金屬油箱管路零件

加油管的固定，我們采用了不同于批量的固定方式。批量塑料油箱中本體與油路管道間的連接件是塑料材質(zhì)，由于試制金屬油箱是金屬件，此處金屬材質(zhì)的油箱本體無法與塑料材質(zhì)的連接件進行有效連接，所以我們重新設計了金屬材質(zhì)的連接件，用于連接油箱本體與加油管。同時在連接件的末端突出1mm的凸包，用于卡住管道，再用卡箍卡緊，防止管道脫落，達到了密封的效果。如圖7所示為油箱本體與管道間連接件的設計示意圖。

圖7 油箱本體與管道間連接件的設計

2.1.3 油泵的固定設計

由上文所知，油箱內(nèi)部的主要零件為燃油泵、注油閥、主通氣閥及副通氣閥。新車型的油箱燃油泵是沿用現(xiàn)有某款車型，我們選取現(xiàn)有的燃油泵，如圖8所示。

圖8 油箱燃油泵

選擇好替代的燃油泵后，我們根據(jù)新的目標車型，將現(xiàn)有的燃油泵移動到需要的位置。接下來的問題就是如何實現(xiàn)固定與密封，批量的燃油泵是通過塑料卡角固定的。但對于試制金屬油箱，由于油箱主體為不銹鋼材質(zhì)，無法采用這種固定方式。

在試制金屬油箱中，我們采用了如圖9所示的固定方式：通過設計金屬壓板將燃油泵的邊壓在油箱本體和壓板之間，并利用一密封圈進行密封，再通過M6螺釘將壓板與油箱本體進行連接，實現(xiàn)了燃油泵的固定與密封。

圖9 試制金屬油箱燃油泵的固定方式

2.1.4 加油單向閥的固定設計

加油單向閥的固定與燃油泵類似，選取了現(xiàn)有車型的注油閥，將注油閥移到合理的位置后，通過設計一個卡腳件來完成注油閥的固定，如圖10所示為注油閥的固定。

圖10 加油單向閥的固定方式

2.1.5 加油限量排氣閥的固定設計

排氣閥在選取現(xiàn)有批量零件的基礎上，對其進行更改，如圖11所示，從批量的通氣閥中取出主要的功能部件閥門芯，然后設計一個通氣閥安裝件，將閥門芯安裝到通氣閥安裝件上，再旋轉(zhuǎn)，通過卡角將閥門芯固定，其中通氣閥安裝件與油箱本體固定連接，該安裝件上同時需要固定多個管路連接件。

圖11 閥門芯固定方式

2.1.6 重力閥的固定設計

重力閥的固定方式同加油限量排氣閥一樣，取出閥芯，旋轉(zhuǎn)后通過卡角固定在重力閥的安裝件上，如圖12所示：

圖12 重力閥固定結構設計

2.2 油箱的制造

圖13所示為試制金屬油箱的制造流程。其中本體采用厚度為2mm的316L不銹鋼板，通過沖壓和折彎工藝實現(xiàn)不同的形狀，然后通過夾具定位后再進行焊接工藝。安裝緊固部分由于強度要求較高，采用了厚度為5mm的316L不銹鋼板。

圖13 試制金屬油箱的制造流程

鈑金零件成型的工藝有兩種方式：（1）沖壓成型；（2）折彎成型。因為本體的底部是有型面要求的，所以零件必須通過壓機沖壓而成，見圖14。沖壓成型的方式可以制作型面比較復雜的零件，而且型面質(zhì)量好，尺寸精度高，但缺點是費用高、周期長，對設備有要求。

圖14 鈑金沖壓成型

折彎工藝可以制作比較簡單的零件，優(yōu)點是周期短、費用低。但由于是人工制作而成，所以也存在一定的缺點：表面質(zhì)量差、尺寸精度不高，零件的成型完全依賴工人的經(jīng)驗。

通過折彎成型的零件需要提供詳細的折彎圖，如圖15所示為其中一個零件的折彎圖紙。

圖15 不銹鋼板的折彎圖紙

由于內(nèi)部需要安裝很多的功能附件，如：油泵注油閥、通氣閥等，固定這些附件的零件都是通過不銹鋼材料經(jīng)過車削、銑削、研磨制作而成，如圖16所示。

圖16 單件加工工藝

不銹鋼的焊接會產(chǎn)生大量的熱量，為了防止熱量導致的零件變形，在焊接時，可采用先焊好局部，等熱量散去后，再進行補焊的方法。這樣的焊接工藝可以將零件的變形量降到最小，以保證油箱的焊接精度。

2.3 油箱氣密性測試

如果油箱燃油泄漏會污染環(huán)境，甚至會影響人身安全，所以必須對試制金屬油箱進行氣壓計密封性的測試。試制油箱氣密性采用兩種測試方法：

2.3.1 氣壓測試

將油箱的出口密封住，然后向里面充氦氣，氣壓為：10kPa，再用氣壓計測試，油箱里的氣壓是否有所變化。如果一段時間后，氣壓降低，說明油箱密封性有問題，不滿足要求；若氣壓未見降低，說明油箱密封性滿足要求。

2.3.2 浸水測試

先將試制金屬油箱密封，密封采用的方式是：一端連接氣壓表，另外一段的軟管連接在試制金屬油箱管道安裝件上，再向油箱里充一定量的氣體，通常氣壓為10kPa，然后浸入清水中，看是否有氣泡產(chǎn)生。若有氣泡產(chǎn)生，說明油箱密封性有問題，不滿足要求；若沒有氣泡產(chǎn)生，說明密封性達到了要求，見圖17所示。

圖17 油箱浸水氣密性測試

本試制金屬油箱通過浸水測試證明該油箱滿足密封性要求。

2.4 油箱安裝點及外形尺寸測量

經(jīng)過對試制金屬油箱的外形及安裝點的測量，安裝點的最大公差為2.9mm，見圖18，完全符合批量的安裝公差要求4.0mm。

圖18 油箱安裝尺寸測量

由于此油箱為手工試制件，外形有較大的偏差為5.9mm，見圖19，如果大批量生產(chǎn)的話，通過模具及夾具，可以保證其精度。

圖19 油箱外形尺寸測量

經(jīng)過數(shù)據(jù)對比，此區(qū)域設計時的安全距離為18mm，對油箱的安裝及使用沒有產(chǎn)生影響。

3 結束語

批量塑料油箱的制造周期長達一年多，試制金屬油箱的設計制造周期僅為十五周，大大縮短了油箱的制造周期，為各種樣車提供了試驗的可能，在一定程度上縮短了新車型的開發(fā)周期。