基于正負(fù)壓循環(huán)的燃油箱安全性檢測方法

魏小寶，何 柳

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

0 引言

燃油系統(tǒng)負(fù)責(zé)整車燃油的加注與運輸，它確保燃油順利到達(dá)發(fā)動機，提供給發(fā)動機工作，同時負(fù)責(zé)收集燃油蒸汽，并經(jīng)過濾排放到大氣中。目前市面上的燃油箱總成主要有金屬油箱和塑料油箱兩種，本文主要以金屬油箱為研究對象。在不同的溫度下，油箱內(nèi)部存在不同的壓力，油箱在不同的地域，不同的季節(jié)要面對極端溫度的考驗，當(dāng)燃油在油泵里達(dá)到噴油嘴，收油時會有多余的油返回到油箱里，這樣被加熱的汽油就會增加油箱的溫度，尤其是加入乙醇的汽油，乙醇在高于這個溫度的時候就會沸騰。而在北方冬季可能會達(dá)到-40 ℃的低溫，塑料油箱在低溫狀態(tài)下很脆，可能會出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象。

燃油箱屬于薄壁類型腔結(jié)構(gòu)，一般分為上下兩個殼體，厚度為1 mm左右，上殼體厚度可減薄至0.8 mm，因此在型腔設(shè)計過程中要設(shè)置適當(dāng)?shù)募訌娊钐岣邭んw強度，現(xiàn)在常在設(shè)計的過程中通過有限元仿真結(jié)構(gòu)強度，在設(shè)計的前期階段就識別出薄弱的位置，通過合理布置加強筋結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中部位的應(yīng)力，增強結(jié)構(gòu)強度[5]。油箱在沖壓成型過程中會發(fā)生特定部位的材料減薄現(xiàn)象，減薄率情況視型腔拔模角，沖壓面積等的影響，仿真計算往往需要配合快速的試驗檢測，用較短的時間識別出失效和風(fēng)險部位，測試的方法有很多，正負(fù)壓循環(huán)測試燃油箱耐久性的方法是其中比較有效的一種，通過模擬油箱實際工況下內(nèi)部壓力的變化，施加壓力輸入，若干循環(huán)之后檢測燃油箱的密封性，找出薄弱位置，快速改進(jìn)，再進(jìn)行后續(xù)路試的驗證。

1 正負(fù)壓循環(huán)檢測方法

燃油箱在正常工作中不斷地受到加油、吸附、脫附、燃油晃動撞擊、顛簸等一系列的外部沖擊載荷，而且一般都會受到隨著時間發(fā)生的應(yīng)力，應(yīng)變的作用，極易受到疲勞損傷破壞。目前較常用的耐久性檢測方法主要是整車耐久路試驗證，或者臺架振動耐久，雖然這兩種方法都盡量模擬燃油箱的實際使用工況，驗證的有效性是有保障的，但是整車耐久路試耗時太長，常規(guī)的耐久路試需要花費3到4個月時間。而臺架振動耐久雖然模擬振動但未能模擬燃油箱的實際使用工況，因此需要引入正負(fù)壓循環(huán)檢測方法來做重要的驗證補充。

為了使燃油箱具有較好的耐久性和可靠的壽命，業(yè)內(nèi)已經(jīng)廣泛采用一整套設(shè)計、分析和試驗的流程。首先，通過試驗測量產(chǎn)品載荷，載荷變化數(shù)據(jù)進(jìn)行初始的設(shè)計基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，疲勞耐久壽命預(yù)測和改進(jìn)設(shè)計，最后進(jìn)行試驗，以校驗疲勞壽命的正確性，這種試驗就是油箱的耐久性試驗，以下介紹一下正負(fù)壓循環(huán)檢測方法的過程和要求。

正負(fù)壓循環(huán)檢測的目的是通過交替施加不同的內(nèi)壓和真空度用以測試燃油箱的耐久壽命。測試過程中燃油箱總成模擬實車裝配，分別注入額定容積75%的水，試驗溫度為82 ℃±3 ℃，在油箱內(nèi)施加壓力，以正壓14.9×(1±5%)kPa至負(fù)壓7.0×(1±5%)kPa為1個循環(huán)，每分鐘2～6個循環(huán)，12000個循環(huán)后油箱無泄漏，無損壞，測試循環(huán)必須維持恒定的循環(huán)時間以減少測試偏差。測試循環(huán)完成之后要進(jìn)行泄漏測試，常用水檢的方法檢查燃油箱在循環(huán)完成之后是否泄漏，在45 kPa氣壓下，保持30 s油箱總成不漏氣。

測試過程如下：

1)測試前準(zhǔn)備

①按照實車狀態(tài)裝配燃油箱總成，附帶各種附件均按照扭矩要求緊固。

②用和測試過程相同的正壓和負(fù)壓監(jiān)測安裝好的燃油箱總成，持續(xù)至少5 min循環(huán)壓力測試，如果發(fā)現(xiàn)泄漏則停止測試。

③在燃油箱中注入75%的測試用水，在測試過程中要保持水的量不變，如監(jiān)測有減少需要添加水的量以保持恒定的測試體積。

④調(diào)整設(shè)備使壓力介于正壓14.9 kPa±5%到負(fù)壓7 kPa±5%之間的壓力循環(huán)狀態(tài)。

2)測試說明

①在壓力測試循環(huán)完成前，發(fā)現(xiàn)以下幾種情況應(yīng)當(dāng)停止試驗：可見的油箱泄漏，壓力測試完成后的泄漏檢查發(fā)現(xiàn)泄漏的，燃油箱因應(yīng)力開裂或部分附件失去功能。

②定期檢查試驗的進(jìn)行情況，并記錄發(fā)生的異常情況包含以上發(fā)生泄漏的情況，如有泄漏發(fā)生要記錄發(fā)生時的壓力情況并拍照記錄。

圖1 正負(fù)壓循環(huán)測試臺架

如果在試車場進(jìn)行零部件的耐久性試驗要耗費大量的人力，物力，而且還會因為駕駛員，環(huán)境和試驗道路的變化得到不一致的結(jié)果，尤其是試驗過程中發(fā)現(xiàn)了零部件的疲勞失效故障后再用整車進(jìn)行試驗驗證，所要花費的成本和精力會更多，因此正負(fù)壓循環(huán)檢測方法是檢測耐久性能的較好的一種檢測手段。

2 實際案例及改進(jìn)效果驗證

為了縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，在前期開發(fā)階段廣泛應(yīng)用CAE仿真技術(shù)來提前進(jìn)行驗證，部分較先進(jìn)的分析方法已經(jīng)能夠利用基于多體動力學(xué)的虛擬路面載荷分析，基于有限元的復(fù)雜整車模型的疲勞耐久分析和虛擬臺架分析來代替部分的試驗或者加速試驗進(jìn)程[2]。

對原狀態(tài)燃油箱總成，基于油箱3D數(shù)模建立有限元仿真分析模型，通過仿真分析表明，循環(huán)進(jìn)行3166次后出現(xiàn)開裂，應(yīng)力云圖顯示開裂處應(yīng)力值達(dá)到24.6 MPa，仿真結(jié)果如圖2。

圖2 CAE仿真分析結(jié)果

仿真分析顯示，開裂處應(yīng)力值較大且開裂時尚未達(dá)到要求的循環(huán)次數(shù)。仿真分析往往能較快速的得出結(jié)論，并給我們所提供的解決方案做較快速的驗證，但是對型腔類零件，考慮到實際加工過程中對材料減薄的影響，分析結(jié)果有可能會和實際有所偏差，所以必須針對仿真的結(jié)果進(jìn)行實測驗證[6]。針對原有油箱應(yīng)用正負(fù)壓循環(huán)試驗，按照以上檢測方法，施加正壓14.9 kPa，負(fù)壓-7.0 kPa，當(dāng)循環(huán)進(jìn)行到3654次時，在油箱薄弱位置發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象(圖3)。

圖3 燃油箱故障位置圖

從燃油箱故障位置可以看出，出現(xiàn)故障的位置基本和仿真分析的結(jié)果一致，該處的應(yīng)力較大，必須通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)降低應(yīng)力，增強結(jié)構(gòu)強度[1]。

針對開裂處應(yīng)力值較高提出以下三種改進(jìn)方案：

方案1：增大拔模角，將燃油箱上殼體的拔模角度由4°增大到5°，減小應(yīng)力集中；

方案2：拔模角度不更改，在燃油箱上殼體兩側(cè)增加加強筋結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)強度(圖4)；

圖4 燃油箱加強筋位置圖

方案3：開裂面拔模角度由4°增大到5°，同時在燃油箱上殼體兩側(cè)增加加強筋結(jié)構(gòu)，減小應(yīng)力集中，提升結(jié)構(gòu)強度。

燃油箱是由殼體拼焊而成，上下殼體都是薄壁類零件，在設(shè)計之初為了提升結(jié)構(gòu)強度和避讓底盤部分的零件，在外輪廓上都會添加大小不一的加強筋結(jié)構(gòu)，加筋的位置一般是承受較大壓力，變形趨勢大的部位，通過加強筋結(jié)構(gòu)防止燃油箱局部變形，提升結(jié)構(gòu)模態(tài)和結(jié)構(gòu)強度，本次基于降低應(yīng)力提升結(jié)構(gòu)強度的目的在燃油箱吊耳上部上殼體兩側(cè)分別增加兩條加強筋結(jié)構(gòu)。拔模角的選擇，主要基于工藝考慮，要便于脫模和防止局部應(yīng)力集中，經(jīng)驗是非常重要的因素。選擇合適的拔模角對型面過渡部位的結(jié)構(gòu)強度有重要貢獻(xiàn)[7]。

針對三種改進(jìn)方案進(jìn)行仿真分析[3]，從表1可以看出三種方案的改進(jìn)效果。

方案1：增加上殼體拔模角，如圖5，開裂面拔模角度由4°增大到5°，可以使兩側(cè)薄弱位置應(yīng)力值分別下降到17.5 MPa和17.8 MPa左右，實測正負(fù)壓交變循環(huán)次數(shù)較原狀態(tài)有所提升，但未達(dá)試驗要求的次數(shù)。

圖5 燃油箱上殼體拔模角度

方案2：不更改上殼體拔模角度，而在燃油箱上殼體兩側(cè)吊耳位置上方的位置分別增加兩條加強筋結(jié)構(gòu)。從表1仿真結(jié)果可以看出，兩側(cè)應(yīng)力值分別為23.0 MPa和16.4 MPa左右，應(yīng)力值都有不同程度的減小，實測正負(fù)壓交變循環(huán)次數(shù)較原狀態(tài)有所提升，但未達(dá)試驗要求次數(shù)。

方案3：增加上殼體拔模角由4°增大到5°并且在燃油箱上殼體兩側(cè)增加加強筋結(jié)構(gòu)，如圖4和圖5所示。從表1仿真結(jié)果可以看出，兩側(cè)應(yīng)力值分別下降到16.6 MPa和16.9 MPa左右，按正負(fù)壓交變循環(huán)試驗要求進(jìn)行驗證，循環(huán)次數(shù)有所提升，滿足要求。

表1 改進(jìn)方案仿真分析結(jié)果

本次的改進(jìn)方式是在上殼體接近開裂處的位置及對稱位置處增加加強筋結(jié)構(gòu)，并將開裂面的拔摸角度由4°增大到5°，從仿真分析的結(jié)果來看，通過此次更改可以使應(yīng)力值降低到16左右，通過臺架實測可以滿足正負(fù)壓循環(huán)的要求[4]。

3 總結(jié)

安全性的特性使得法律法規(guī)中都對燃油箱做了詳細(xì)的要求和規(guī)定，國標(biāo)《汽車燃油箱安全性能要求和試驗方法》中詳細(xì)的規(guī)定了燃油箱的安全性能要求和試驗方法，此外各企業(yè)在遵守國家標(biāo)準(zhǔn)的同時，也會根據(jù)車型的實際情況對安全性能做進(jìn)一步的要求和檢測。燃油箱的耐久密封安全性是最重要的性能之一，考核的方法也很多，正負(fù)壓循環(huán)測試只是其中一種模擬零件實際使用工況較為有效快捷的檢測方式，除此之外還要通過一系列的其他耐久測試，才能保證耐久安全性，本文描述的檢測方法對快速改進(jìn)燃油箱結(jié)構(gòu)有較強的實際參考意義。