轻型卡车不锈钢油箱轻量化设计及应用

丁浓龙，游召平

(江铃汽车股份有限公司,江西南昌 330000)

0 引言

轻型卡车是现代物流最为广泛的交通工具。整车的轻量化是有效降低燃油消耗和减少尾气排放的重要手段，随着国家排放法规的升级，对尾气排放、燃油消耗的要求越来越苛刻，进而导致各大轻型卡车主机厂对轻量化要求越来越严格。

新材料的应用为汽车零部件轻量化的主要手段[1]。轻型卡车上的传统燃油箱为较重的普碳钢油箱，其轻量化措施主要是通过新材料的应用，具体方案有塑料油箱、铝合金油箱、高强度不锈钢油箱。

尽管塑料油箱相比传统普碳钢油箱质量下降约20%～30%，但其开发成本较高，机械力学性能和耐老化性能不如传统的金属油箱等。铝合金油箱虽然也相比传统普碳钢油箱质量下降约20%～30%，且继承了传统金属油箱优良的机械性能，但由于铝合金原材料成本较高，导致铝合金油箱成本居高不下，故此仅能在价值量大的重型卡车市场批量使用。不锈钢油箱由于其屈服强度比普碳钢高，可以通过降低油箱壳体板厚来减轻质量[2]，同时不锈钢油箱具有传统金属油箱优良的机械性能，防腐蚀性强，外形美观，可以减少喷涂生产工艺等优点。所以不锈钢油箱作为轻型卡车油箱轻量化的一个重要方案。据查询统计，不锈钢油箱在国外已有成熟产品并应用[3-4]，国内也仅上汽解放J6重型卡车等高端商用车少量应用[5]，轻型卡车市场暂未应用。

为开发一款可以在质量上与同等容积的塑料油箱媲美，且在成本上与同等容积的传统普碳钢油箱相当的轻型卡车不锈钢油箱，通过对钢种材料的选择，油箱厚度的理论计算及有限元分析论证，油箱的性能试验与评估等方面全流程深入研究，此项目成功开发了一款高性价比轻型卡车不锈钢油箱。该款油箱的成功研发为传统普碳钢油箱厂产品升级换代带来机会，为其重新赢取油箱市场带来契机。

1 钢种材料的选择

通过对比传统普碳钢油箱材料(镀铝板SAIC)与不锈钢材料的机械性能(如表1所示)，再结合轻型卡车油箱形状特点和生产工艺可行性，确定了宝钢公司奥氏体不锈钢(牌号为BFS400-2)作为此次研究的轻型卡车不锈钢油箱原材料[6]。

表1 镀铝板SAIC材料与奥氏体不锈钢BFS400-2机械性能对比

注：BFS400-2不锈钢屈服强度约为镀铝板SAIC的2.3倍，高屈服强度有利于降低板厚来减轻质量；BFS400-2不锈钢伸长率优于镀铝板SAIC，有利于油箱冲压成型工艺。

2 油箱厚度的理论计算及有限元分析论证

2.1 油箱数模设计

油箱由油箱壳体、隔板、端盖、油箱箍带、油箱安装托臂等组成，对其建模(如图1所示)。油箱建模后再做简化及局部细化处理，主要处理有：对隔板上的一些凹槽圆角等特征进行简化，以提高网格划分的质量，保证计算的准确性。

图1 油箱CAE分析建模

2.2 油箱壳体、隔板和端盖厚度初始设定值计算

油箱所使用的材料是大面积的平板件，影响较大的是弯矩。根据弯曲受力状态分析(如图2所示)， 横截面对Z轴的惯性矩：

式中：b为宽度；t为板料厚度。

该横截面的抗弯系数：

该平板的抗弯强度：

式中：M为弯矩。由此可见弯曲受力下，弯曲强度和厚度平方呈反比关系。

图2 弯曲受力状态分析示意图

假定不锈钢油箱壳体材料与原镀铝板SAIC油箱材料所受弯矩不变，材料抗弯矩强度等于屈服强度，已知镀铝板SAIC的屈服强度δ1=166 MPa，厚度t1=1.2 mm；不锈钢板BSF400-2的屈服强度δ2=390 MPa，不锈钢板厚t2的计算公式为：

综上计算，定义油箱壳体、隔板和端盖厚度初始设定值为0.8 mm。

2.3 油箱有限元分析

(1)网格参数。节点数235 334，单元数210 158。

(2)约束条件。油箱安装托臂与车架安装孔固定约束；油箱箍带与油箱安装托臂固定约束。

2.3.1 分析工况及分析结果

根据轻型卡车油箱使用情况，制定6个有限元分析工况，具体如表2所示。

表2 油箱CAE分析工况及相应分析结果

详细的有限元分析数据如图3所示。

图3 6个工况有限元分析数据

2.3.2 结论

根据平板件弯矩力不变理论，计算出来的高强不锈钢厚度0.8 mm能通过油箱有限元工况分析验证。

3 不锈钢油箱的性能试验与评估

3.1 不锈钢油箱降重效果评估

评价标准为不锈钢油箱相对原镀铝板SAIC油箱质量下降25%以上，该接受标准是对标同等容积的塑料油箱。

采用0.8 mm厚的BSF400-2不锈钢材料试制的燃油箱称重结果如表3所示。

评估结果：合格。

表3 不锈钢油箱降重效果测试数据

3.2 燃油箱台架试验评价

评价标准：根据QC/T 644-2000《汽车金属燃油箱技术条件》和GB 18296-2001《汽车燃油箱安全性能要求和试验方法》进行试验，样本量为3件。

试验结果：3件样本量均通过QC/T 644-2000《汽车金属燃油箱技术条件》和GB 18296-2001《汽车燃油箱安全性能要求和试验方法》共计9项试验。

评估结果：合格。

3.3 燃油箱整车路试评价

评价标准：根据整车企业路试标准，在湖北省某公司整车试验场进行4.5×104km耐久试验，耐久过程中及耐久拆解后，燃油箱总成无泄漏，无变形，无磨损，评价结果为合格(如表4所示)。

表4 不锈钢油箱搭载整车路试数据

4 结论

(1)总结出一套金属油箱通过提高原材料强度来降低壳体厚度进而降重的理论计算方法，即先通过平板件弯矩力平衡原理计算出新方案板厚初始厚度，然后通过CAE模拟进行分析验证。试验数据证明，该方法有效；

(2)开发的轻型卡车不锈钢油箱相对于传统普碳钢油箱质量下降达29.4%，降重效果与同等容积的塑料油箱相当，降重收益可观；

(3)所开发的轻型卡车不锈钢油箱已经通过了各种油箱使用性能测试和整车耐久路试，并批量在江铃轻型卡车小批量切换应用，通过追踪主机厂装车应用和终端用户使用情况，暂未发现任何质量问题；

(4)所开发的轻型卡车不锈钢油箱不仅质量与塑料油箱相当，而且机械性能和单件成本均优于塑料油箱，所以轻型卡车领域，不锈钢油箱比塑料油箱具有较广的市场前景。