某國(guó)六車(chē)型油箱防護(hù)裝置的研究與開(kāi)發(fā)

鄒增糧

某國(guó)六車(chē)型油箱防護(hù)裝置的研究與開(kāi)發(fā)

鄒增糧

（東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司，廣西 柳州 545006）

油箱布置方式對(duì)降低或消除車(chē)輛在受到正面碰撞時(shí)對(duì)燃油箱的變形和損壞具有重要作用，基于此，文章針對(duì)某國(guó)六車(chē)型燃油箱布置的特殊要求，對(duì)其正向防護(hù)裝置進(jìn)行了研究及設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，并利用有限元分析軟件對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并進(jìn)行了實(shí)車(chē)驗(yàn)證，計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果均表明該車(chē)燃油箱正向防護(hù)裝置滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

汽車(chē)燃油箱；防護(hù)裝置；分析優(yōu)化；試驗(yàn)

引言

汽車(chē)燃油是傳統(tǒng)能源車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，燃油屬于易燃易爆品。而汽車(chē)油箱一般都是布置在汽車(chē)骨架上，但油箱的下表面位于地板的下方，工作環(huán)境惡劣[1]。油箱在行駛過(guò)程中一旦發(fā)生撞擊，油箱如若位置設(shè)置不當(dāng)，極易在碰撞中發(fā)生變形甚至損壞，輕則燃油泄漏，影響汽車(chē)正常使用，重則發(fā)生燃燒爆炸，造成人員傷亡與財(cái)產(chǎn)重大損失。

根據(jù)布置原則，車(chē)輛燃油箱的任何部位距車(chē)輛前端應(yīng)不小于600 mm，距車(chē)輛后端應(yīng)不小于300 mm[2]，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)后置的營(yíng)運(yùn)客車(chē)，其燃油箱應(yīng)位于前軸之后，同時(shí)油箱滿載時(shí)，其底部不得處于整車(chē)最低[3]。此種布置方式僅僅考慮到車(chē)輛在受到前、后碰撞時(shí)對(duì)燃油箱的保護(hù)，但并不能解決油箱外露車(chē)型（即油箱下表面位于底板下方）容易受到刮底碰撞的問(wèn)題，因此需要對(duì)燃油箱設(shè)計(jì)正面撞擊防護(hù)，以提高油箱正面抗撞擊能力，降低或消除車(chē)輛在受到正面碰撞時(shí)燃油箱的變形和損壞[4,5]。

1　布置存在的問(wèn)題及原因分析

為節(jié)約成本，提高通用性，縮短開(kāi)發(fā)周期，盡快推出符合法規(guī)與市場(chǎng)需求的國(guó)六系列新產(chǎn)品。某國(guó)六新車(chē)型需盡量借用先前已開(kāi)發(fā)的某國(guó)六車(chē)型油箱，針對(duì)新車(chē)型底盤(pán)低，離地間隙小，油箱布置需下移18 mm，下移后三種狀態(tài)分析如下。

1.1　空載狀態(tài)

空載狀態(tài)下，副車(chē)架低于燃油箱位置，車(chē)輛行駛過(guò)程中，過(guò)坑或者有障礙物路段，燃油箱因有前副車(chē)架抗沖擊及防撞預(yù)警，從而避免被刮碰，如圖1所示。

圖1　空載狀態(tài)離地間隙

1.2　半載狀態(tài)

半載狀態(tài)下，前副車(chē)架與燃油箱離地間隙基本一致，車(chē)輛行駛過(guò)程中，遇到過(guò)坑或者有障礙物路段，油箱存在著較大的被刮碰風(fēng)險(xiǎn)，如圖2所示。

圖2　半載狀態(tài)離地間隙

1.3　滿載狀態(tài)

滿載狀態(tài)下，燃油箱低于前副車(chē)架位置，車(chē)輛行駛過(guò)程中，遇到過(guò)坑或者有障礙物路段，燃油箱因沒(méi)有其他預(yù)警，存在著較大的被刮碰風(fēng)險(xiǎn)，如圖3所示。

圖3　滿載狀態(tài)離地間隙

從上述分析可看出，整車(chē)在半載、滿載時(shí)，油箱底部分別處于平齊與下車(chē)體最低狀態(tài)，從而不符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求（燃油箱與副車(chē)架最低點(diǎn)高度差要求：各種工況下，燃油箱離地高度≥副車(chē)架最低點(diǎn)＋20 mm，不能低于前部剛性零件，若低于前部零件，應(yīng)增加保護(hù)措施），故需在油箱前端設(shè)計(jì)低于油箱的防護(hù)裝置，以滿足相關(guān)規(guī)范要求，保護(hù)油箱[3-5]。

2　防護(hù)裝置的研究設(shè)計(jì)

2.1　設(shè)計(jì)原則要求

（1）布置于油箱下表面下方≥20 mm，油箱前表面前方≥50 mm，燃油箱最小離地間隙要保證在空載狀態(tài)≥190 mm、滿載狀態(tài)≥140 mm，并且高于周邊剛性部件最少5 mm以上，目的是保證能阻擋有可能碰撞到油箱的障礙物并能提供吸能空間。

（2）防撞裝置總成的整體剛強(qiáng)度必須小于白車(chē)身縱梁，以防止白車(chē)身先于防撞裝置總成損壞。

（3）要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、重量輕，抗變形能力強(qiáng)。

（4）碰撞損壞后需容易拆卸、容易維修與更換。

2.2　型式選取

目前市面上帶有防護(hù)裝置的車(chē)型，大多采用以下兩種型式：

（1）全覆蓋型：加裝底盤(pán)保護(hù)板，可以對(duì)油箱起到保護(hù)作用，但是重量大、成本較高，且對(duì)車(chē)底的布置空間要求較高，限制了此技術(shù)的大面積推廣，如圖4所示。

圖4　全覆蓋型防護(hù)

（2）防護(hù)裝置型：該裝置提供一種油箱防撞梁結(jié)構(gòu)總成，以解決油箱外漏車(chē)型的油箱防撞問(wèn)題，同時(shí)具有抗變形能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、重量輕，損壞容易維修，目前使用較廣，如圖5所示。

圖5　防護(hù)裝置型防護(hù)

2.3　設(shè)計(jì)方案

2.3.1防撞彎管參數(shù)選取

各參考車(chē)型防撞管參數(shù)如表1所示。

表1　參考車(chē)型防撞管參數(shù)

結(jié)合公司資源可獲得性要求，選取鋼管參數(shù)：管徑為￠20 mm ，壁厚為2 mm。

2.3.2防護(hù)裝置總成設(shè)計(jì)

主體采用鋼管支架結(jié)構(gòu)，利用成本低，抗變形能力強(qiáng)，直徑為￠20 mm，壁厚為2 mm的圓形鋼管作為防撞主體，兩端頭為防止表面腐蝕、避免風(fēng)哨聲及安全，采用橡膠堵塞頭進(jìn)行端部封堵，防護(hù)鋼管上焊有2個(gè)安裝支架，安裝支架焊接搭接部位均與油箱防撞彎管弧形貼合，加大了接觸面積，并且通過(guò)兩道CO2保護(hù)焊，提高焊接的牢固性，如圖6所示。

1-橡膠堵頭； 2-防撞彎管； 3-安裝支架

防護(hù)裝置總成采用4顆螺栓與汽車(chē)地板聯(lián)接，便于損壞后維修更換，總成安裝于車(chē)身地板縱梁的下表面上，反面點(diǎn)焊有2個(gè)加強(qiáng)板，用以增加此處剛強(qiáng)度。油箱防護(hù)裝置位于油箱的前下方，在汽車(chē)行駛過(guò)程中，如果路面上有會(huì)碰撞到油箱下表面的障礙物時(shí)，障礙物會(huì)與油箱防撞彎管碰撞，沖擊力瞬間分散到2個(gè)防護(hù)裝置安裝支架上，進(jìn)而將力傳遞到白車(chē)身地板縱梁上，地板縱梁剛強(qiáng)度較大，不易變形。如果油箱防護(hù)裝置受到的碰撞不強(qiáng)時(shí)，僅依靠油箱防護(hù)裝置總成變形，并利用防護(hù)裝置與油箱預(yù)設(shè)距離進(jìn)行緩沖，就可吸收完碰撞能量；如果油箱防護(hù)裝置受到的碰撞較強(qiáng)時(shí)，也是防撞彎管先變形，繼而引起安裝支架變形，然后傳遞到車(chē)身縱梁上，直至縱梁變形，從而減輕或避免油箱被碰撞，保護(hù)油箱，如圖7所示。

圖7 防護(hù)裝置安裝位置

3　分析與優(yōu)化

3.1　計(jì)算分析

設(shè)立壁障障礙物，壁障位置靜止固定，壁障模型為長(zhǎng)方體 100 mm×100 mm，離地高度155 mm，模擬道路上的石塊、中間凸起的地面、翹起的井蓋、矮樁等，工況設(shè)定如圖8所示。

圖8 工況模型設(shè)定

所選鋼管和安裝支架材料的機(jī)械性能參數(shù)如表2、表3所列。

表2　鋼管材（Q235）機(jī)械性能參數(shù)

表3 安裝支架板材(ST37-2G)機(jī)械性能參數(shù)

按下列兩種情況進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

（1）車(chē)身地板縱梁不考慮增焊加強(qiáng)板情況下，仿真分析整車(chē)在30 km/h、40 km/h、50 km/h三種速度下（防護(hù)裝置更多考慮在低速下發(fā)揮預(yù)警與減輕對(duì)油箱的損傷），地板與防撞桿的損傷狀態(tài)。撞擊變形過(guò)程如圖9所示。

圖9　撞擊變形過(guò)程

應(yīng)變情況如圖10所示。

圖10　撞擊應(yīng)變情況

在不同速度條件下，車(chē)身側(cè)連接點(diǎn)處的損傷應(yīng)變基本保持不變，速度越高，防撞桿的損傷越大，50 km/h的應(yīng)變率達(dá)16.7%，考慮更有利于驗(yàn)證防護(hù)裝置的防護(hù)效果，后續(xù)撞擊分析均以整車(chē)V= 50 km/h為撞擊設(shè)定速度。

（2）車(chē)身地板縱梁增焊加強(qiáng)板：考慮到連接處的特殊性，既要保護(hù)地板縱梁，又要避免因過(guò)度變形而使防撞桿失去防護(hù)作用，故設(shè)計(jì)了兩種加強(qiáng)板方案：一個(gè)為長(zhǎng)方形（受空間限制少，現(xiàn)有焊接工藝、工裝可滿足），另一個(gè)為四方形（空間限制大，需優(yōu)化焊接工裝，投入大）如圖11所示。

圖11　方案1、2加強(qiáng)板

方案1：左/右各增加一個(gè)長(zhǎng)方形小加強(qiáng)板（通用件，加強(qiáng)板材料ST37-2G，厚度1.5 mm）。

方案2：左/右各增加一個(gè)四方形小加強(qiáng)板（非對(duì)稱件、非通用件，加強(qiáng)板材料ST37-2G，厚度1.5 mm）。

方案1和方案2的仿真分析結(jié)果如下：

其撞擊變形過(guò)程如圖12所示。

圖12　撞擊變形過(guò)程

其應(yīng)變情況如圖13所示。

圖13　撞擊應(yīng)變情況

方案1的車(chē)身加強(qiáng)件最大應(yīng)變11.8%，防撞桿最大應(yīng)變：59.9%。

方案2的車(chē)身加強(qiáng)件最大應(yīng)變6.7%，防撞桿最大應(yīng)變：17.3%。

從上述分析結(jié)果可看出，方案1 無(wú)論是加強(qiáng)板，還是防撞桿，變形均過(guò)大,其中防撞管還超出了延伸率（26%）極限，產(chǎn)生了失效，故應(yīng)優(yōu)選方案2。

3.2　結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在車(chē)身縱梁優(yōu)選方案2加強(qiáng)板情況下，考慮制造工藝、生產(chǎn)效率與零部件成本，需對(duì)防護(hù)裝置安裝支架及焊縫進(jìn)一步優(yōu)化：安裝支架壁厚減薄，由3.0 mm改成2.0 mm，同時(shí)對(duì)3種焊縫（全焊縫，兩端間短焊，單側(cè)間一側(cè)短焊、一側(cè)中部點(diǎn)焊）進(jìn)行優(yōu)選，如圖14所示。

圖14　3種焊接型式

在安裝支架減薄情況下，仿真分析整車(chē)V=50 km/h時(shí)，3種焊接狀態(tài)下應(yīng)變情況，如圖15所示。

圖15　3種焊型撞擊應(yīng)變情況

3種焊接狀態(tài)應(yīng)變情況匯總，如表4所示。

表4　3種焊接偶合件應(yīng)變對(duì)比（V=50 km/h）

綜合考慮防護(hù)效果因素，優(yōu)選兩端整條焊縫型式。

至此，在整車(chē)V=50 km/h時(shí)，3種方案的應(yīng)變匯總?cè)缦卤?所示。

表5　3種方案偶合件應(yīng)變對(duì)比（V=50 km/h）

安裝支架厚度減薄后，車(chē)身縱梁的應(yīng)變率出現(xiàn)了下降，防護(hù)裝置應(yīng)變率出現(xiàn)了上升，說(shuō)明白車(chē)身縱梁損傷輕，防護(hù)裝置發(fā)揮了作用。同時(shí)證明: 減薄防撞桿支架鈑金厚度，弱化防撞梁安裝支架是有效的，在保護(hù)白車(chē)身的同時(shí)適當(dāng)放大防護(hù)裝置的變形量，有利于減輕障礙物沖擊傳遞，降低車(chē)身?yè)p傷。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)此優(yōu)化開(kāi)發(fā)后，各方面設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)至設(shè)計(jì)規(guī)范要求，用兩臺(tái)實(shí)車(chē)模擬撞擊高155 mm障礙物試驗(yàn)，防護(hù)裝置發(fā)揮了作用，達(dá)到了預(yù)期防護(hù)效果，保護(hù)效果如圖16所示。

a 加裝前 b 加裝后

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)車(chē)型防護(hù)裝置的研究及設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)法規(guī)要求，并經(jīng)實(shí)車(chē)驗(yàn)證，防護(hù)有效，同步發(fā)布了一系列油箱防護(hù)裝置方面的設(shè)計(jì)規(guī)范與分析計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)流程文件，為后續(xù)同類(lèi)設(shè)計(jì)案例提供了參考。

[1]GB7258－2017. 機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

[2]劉隆嬌，蔣金隆. 汽車(chē)燃油系統(tǒng)布置要點(diǎn)解析[J]. 南方農(nóng)機(jī)，2016(12): 98.

[3]GB18296.4.2.1－2019. 汽車(chē)燃油箱及其安裝的安全性能要求和試驗(yàn)方法[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2019.

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[5]ECE R34.5.1.1. 車(chē)輛火險(xiǎn)預(yù)防措施認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定[S]. 日內(nèi)瓦: 聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)，1999.

Research and Development of Fuel Tank Protective Device for a National Six Vehicle Model

The fuel tank layout plays an important role in reducing or eliminating the deformation and damage to the fuel tank when the vehicle is subjected to a frontal collision. Based on this, according to the special requirements of the fuel tank layout of a national six vehicle model, the forward protective device is studied, designed and developed, and its strength is numerically simulated and analyzed by using the finite element analysis software, and verified by the real vehicle, the calculation and test results show that the forward protection device of the fuel tank of the vehicle meets the requirements of the design standard.

automotive fuel tank; protective device; analysis and optimization; test

U463

A

1008-1151(2022)02-0057-05

2021-12-23

鄒增糧（1970－），男，廣西柳州人，東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司技術(shù)中心高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檎?chē)性能集成開(kāi)發(fā)與產(chǎn)品項(xiàng)目管理。