汽车塑料燃油箱耐火性能检测装置结构设计与分析

孟令威，张自强，张邦成，王秋红，彭其飞

(1.长春工业大学机电工程学院，吉林 长春 130012；2.长春工业大学人文信息学院工程训练中心，吉林 长春 130122；3.长春市产品质量监督检验院，吉林 长春 130012；4.中国第一汽车集团有限公司蔚山工厂制造技术一部，吉林 长春 130012)

1 引 言

随着汽车行业的迅猛发展，私家车辆逐步增多，由此在一定程度上也会增加交通事故的发生频率。从一些撞车、翻车等恶性交通事故的调查中可以发现，最终引发火灾或爆炸等重大事故的最直接原因是燃油箱内燃油大量外泄[1，2]。该问题不仅造成车辆、环境、资源的损失，对人身安全也产生巨大的威胁。燃油箱是关系汽车安全的一个重要部件[1]。针对上述问题，我国发布了国家标准《汽车燃油箱及其安装的安全性能要求和试验方法》(GB 18296-2019)[3]，对进入中国及在国内生产的燃油箱要进行强制性检验。

目前，针对汽车塑料燃油箱耐火性能试验的研究较少，试验装置也相对较少，现有的汽车塑料燃油箱耐火性能检测试验装置存在结构上不够合理，自动化程度较低，操作繁琐以及一定程度上的安全性问题，无法实现更安全、方便、高效的耐火性能检测。因此，汽车塑料燃油箱的耐火性能检验成为了一个亟待解决的问题。

在汽车塑料燃油箱耐火性能检测试验中，油箱夹具的设计成为关键难题[4，5]，该夹具的设计需要完全模拟实际车辆燃油箱的安装方式，并需要实现燃油箱上部压点的精确定位。因此，针对油箱夹具上部按压机构进行创新设计，并进行数学分析，在满足燃油箱模拟实际车辆安装要求的同时，尽量提高试验装置的自动化程度，降低试验人员的劳动强度。

2 工作机理分析及整体方案设计

2.1 工作机理分析

根据国家标准《汽车燃油箱及其安装的安全性能要求和试验方法》(GB 18296-2019)，对汽车塑料燃油箱耐火性能检测装置的设计要求[6-8]进行深入分析。

2.1.1 结构设计要求

(1)耐火试验盛液器要求：长和宽应比试验用燃油箱体的水平投影尺寸大200mm～500mm，侧边高出燃油液面不超过80mm，并在自由燃烧状态下能够盛下可供燃烧5min以上的燃油。

(2)耐火试验隔棚要求：厚度为70mm，由耐火材料制成，在板上开有均匀分布、大小为15mm×30mm的长孔，长孔总面积相当于平板面积的60%。

(3)燃油箱固定装置要求：适用于容量为30L～95L的燃油箱检测。

2.1.2 试验流程要求

(1)预燃烧阶段：将装有可持续燃烧5min汽油的盛液器放在距离燃油箱3m外燃烧60s。

(2)直接接触火焰阶段：立即调整盛液器，使其液面与燃油箱底部的距离，和实车安装时燃油箱距离路面的高度相同，其位置使火焰接触燃油箱的底面及所有侧面，然后将燃油箱暴露在火焰中持续60s。

(3)间接接触火焰阶段：立即用隔棚盖住盛液器，并持续60s。

(4)试验结束：立即将燃烧着的盛液器及隔棚一起撤离到燃油箱3m以外，如果燃油箱仍在着火，应立即扑灭。

2.2 整体方案设计

根据汽车塑料燃油箱耐火性能试验要求及工作机理分析，设计的试验装置整体机械结构如图1所示，主要由以下4个部分组成：(1)塑料燃油箱高度调节装置；(2)塑料燃油箱固定装置；(3)盛液器装置；(4)隔棚装置。

1.盛液器；2.燃油箱提升装置；3.燃油箱夹具体；4.隔棚装置；5.塑料燃油箱图1 机械结构

3 耐火性能检测装置结构设计

3.1 塑料燃油箱固定装置设计

3.1.1 燃油箱固定装置设计要求

(1)燃油箱固定装置需要实现容量为30L～95L的燃油箱检测，燃油箱固定装置以最大容量燃油箱的投影面为基准。

(2)一套固定装置实现不同的燃油箱装夹及固定，需采用可随意调节安装及固定的模式。

3.1.2 燃油箱固定装置结构设计

(1)燃油箱下部支撑装置：由链节式固定绑带、固定支撑杆、紧固螺钉等组成[9]，实现不同燃油箱下部的支撑。

(2)燃油箱上部按压装置：由可移动滑杆、十字扣滑块、压杆及油箱压块等组件构成，以燃油箱下部绑带为支撑结构，采用螺旋压杆和十字轨道相结合的模式，实现燃油箱上部任意点的按压。

下部支撑装置和上部按压装置相结合，通过设计的燃油箱固定装置实现模拟燃油箱实际安装在车辆上的状态，为燃油箱耐火性能检测提供坚实基础。塑料燃油箱夹具体结构如图2所示。

1.下部支撑装置；2.上部按压装置；3塑料燃油箱图2 塑料燃油箱夹具体

提升架上的装置连接固定油箱，解决了以往装置只能固定单一型号燃油箱的问题。该结构适用于容量范围为95L以内的多种型号油箱的固定，装夹灵活方便，且可重复利用，大大降低了试验装置的制作成本。

3.2 燃油箱高度调节装置设计

塑料燃油箱进行耐火性能检测时，燃油箱安装在固定装置上，需要模拟实际安装在车辆上的状态，不仅要设计燃油箱模拟实车安装的固定夹具，还要模拟燃油箱实车安装时距离地面的高度。根据耐火性能试验要求，需要将燃油箱距离盛液器的高度按照燃油箱安装在汽车上之后距离地面的实际高度进行调整，基于此要求对燃油箱高度调节机构进行设计。

汽车塑料燃油箱高度调节机构需要实现燃油箱固定夹具调整竖直方向上的高度升降。燃油箱固定夹具的长宽均达到了2m，为保证燃油箱水平稳步升降，基于四点提升原理，设计了一拖四升降机构，采用单一动力源双向输出、单一绕线轮双向提升的方式实现燃油箱固定装置上四点同时进行高度调节，如图3所示。

1.高度调节支撑架；2.牵引电机；3.绕线轮；4.钢线；5.燃油箱固定装置图3 塑料燃油箱高度调节装置

3.3 盛液器装置设计

盛液器是模拟地面燃油火焰燃烧的装置，是承载汽油的容器和汽油燃烧的场所，其驱动装置实现驱动盛液器进入燃油箱下方、停止和退出燃油箱下方、回到初始位置的功能。盛液器结构由多个子盛液器燃油盘、盛液器框架、盛液器行走轮、盛液器驱动装置等组成(如图4所示)。

1.盛液器驱动装置；2.盛液盘；3.轨道；4.驱动链；5.驱动链固定端图4 盛液器装置

盛液器燃油盘由9个相同规格的子盛液器燃油盘组成，根据燃油箱在水平方向的投影尺寸和位置，调节盛液器的燃烧面积和位置，解决了以往采用的整体盛液器设计在一个大的盛液器内用分隔物分割区域、导致调节面积不灵活、更换不方便和维护成本高的问题。该结构可根据实际情况对指定的子盛液器燃油盘进行维修更换，降低了维护成本。

3.4 耐火隔棚装置设计

隔棚的主要功能是在盛液器和燃油箱之间起到一定阻燃作用，使燃油箱从暴露在盛液器下的直接燃烧变为有阻隔物的间接燃烧。

燃油箱耐火性能检测过程有明确的时间要求，为缩短耐火隔棚进入盛液器上方的时间，耐火隔棚置于被检测燃油箱附近，与盛液器分别置于被检测燃油箱夹具体的两侧。耐火隔棚装置如图5所示。

1.隔棚框架；2.耐火砖；3.轮毂电机；4.轨道图5 耐火隔棚装置

耐火隔棚装置主要分为两部分：

(1)耐火隔棚框架及耐火砖：隔棚框架大小为1860mm×1800mm，厚度为40mm，采用方管搭建网格拉筋。耐火砖采用高铝砖加工而成，并在砖上开大小为15mm×30mm的长孔，长孔面积相当于整体砖面积的60%。隔棚由多块耐火砖拼接成型，并预留耐火砖的膨胀空间，解决了整块耐火砖不便于更换及耗材成本过高等问题。

(2)耐火隔棚驱动装置：盛液器驱动装置采用绳拉结构，占据了隔棚驱动部分，因此隔棚驱动装置采用四轮驱动模式，利用4个自驱动的轮毂电机带动隔棚进行运动，解决了两个驱动装置相互干涉的问题，并简化了驱动装置。

4 关键零部件有限元分析

对塑料燃油箱挂架等部分关键零部件进行有限元分析，确保整套装备的稳定运行。综合考虑，材料选用不锈钢。进行有限元分析前，在材料库中赋予燃油箱调整固定装置的关键零件相应的材料属性，对零件进行网格划分，输入零件所受载荷和约束。经有限元分析，得到零件的应力云图和变形云图[10]。

4.1 燃油箱固定装置静力学分析

对燃油箱固定装置进行静力学分析和计算，分析主要部分，忽略次要部分，如油箱压块、压杆等部分只起到从上方压住油箱使其不活动的作用，其自身受力很小，对装置其它部分作用力和产生的变形可忽略不计。由于检测燃油箱的最大容量为95L，以最大载荷为分析对象，把全部载荷都施加在燃油箱固定装置时，燃油箱固定装置静力学分析示意图如图6(a)所示，其所受应力云图如图6(b)所示，变形云图见图6(c)，满足屈服强度要求。

(a)三维模型图

4.2 长绑带静力学分析

长绑带和短绑带中间突出部分从下往上托起燃油箱，承受载荷要求为所容纳燃油和燃油箱的全部重量，两端通过螺杆和螺丝固定在可移动支撑杆的滑块上。当把全部载荷都施加在长绑带上时，长绑带静力学分析示意图如图7(a)所示，其所受应力云图如图7(b)所示，变形云图见图7(c)，满足屈服强度要求。

(a)三维模型图

4.3 可移动支撑杆静力学分析

全部载荷通过套在支撑杆上的滑块加载到4根可移动支撑杆上，每根可移动支撑杆两端都通过十字扣滑块连接到固定支撑杆上。可移动支撑杆静力学分析示意图如图8(a)所示，其所受应力云图如图8(b)所示，变形云图见图8(c)，满足屈服强度要求。

(a)三维模型图

4.4 十字扣滑块静力学分析

十字扣滑块连接可移动支撑杆和固定支撑杆，其静力学分析示意图如图9(a)所示，所受应力云图如图9(b)所示，变形云图见图9(c)，满足屈服强度要求。

(a)三维模型

5 结 论

在分析汽车塑料燃油箱耐火性能试验工作机理的基础上，设计固定油箱的机械结构，可以灵活地装夹30L～95L容量范围内的多种型号的汽车燃油箱。改进的盛液器结构，可调节燃烧面积和位置，改进的隔棚装置较好地解决了耐火材料易变形等问题。完成了汽车塑料燃油箱耐火性能试验装置的机械结构设计和关键零部件的有限元静力学分析，设计的汽车塑料燃油箱强度满足试验要求，为以后汽车塑料燃油箱耐火性能试验装置的设计提供了参考。