双腔铝合金油箱分腔隔板质量优化设计

张文彦

双腔铝合金油箱分腔隔板质量优化设计

张文彦

（西安交通大学城市学院 机械工程系，陕西 西安 710018）

为降低双腔铝合金燃油箱分腔隔板开裂失效风险，文章介绍了一种通过改进分腔隔板结构提高铝合金双腔油箱质量的方法。首先结合同类结构计算机辅助工程（CAE）分析及试验报告，对分腔隔板结构进行了改进，再通过CATIA软件进行建模对燃油箱总成进行装配评估，同时分析了新结构分腔隔板工艺成型情况，最后进行样件试制并进行台架振动试验验证，结果显示这种方法能过够有效克服双腔油箱分腔隔板开裂脱落问题，同时在设计优化过程大大降低了时间成本、人工成本及原料成本。

双腔铝合金燃油箱；CAE分析；装配评估；台架振动试验；设计优化

随着重型卡车的发展，轻量化燃油箱需求与日俱增，传统的铁质燃油箱已经逐步被轻量化、不易生锈的铝合金燃油箱所代替[1]，但市场对燃油箱的功能有着更高的要求[2]，为解决冬季寒冷地区卡车司机的痛点问题，双腔铝合金燃油箱在市场上逐步占据重要的位置，而分腔隔板开裂成为双腔燃油箱的最常见的失效模式[3]。分腔隔板开裂不仅会导致主副油箱发生窜油现象，也会摩擦产生铝粉并随着吸油系统进入发动机[4]，容易造成油路堵塞甚至破坏发动机性能。目前市场上存在类似售后失效模式较多[5]，因此，解决双腔铝合金燃油箱分腔隔板开裂问题成为双腔油箱质量提升的关键一步。

1 研究背景

目前，国家高速公路货车通行收费标准由计重收费调整为按轴收费[6]，出现重车、空车一刀切现象，导致费用上涨，半挂、单车空车改走国道省道；空车走国道、省道路况差、运输效率、安全性低下，导致车辆部件高频振动或频繁紧急刹车与起步，油箱柴油对隔板冲击力大且冲击频率大幅上升；公路重载自卸车一般为8×4加强型或复合型车辆，中短途省道、国道运输散装煤炭、砂石料，载重大、路况差、振动大、燃料对油箱隔板冲击力大且频率高；非冬季时节，车辆副油箱一般长期空置，导致隔板长期受到主油箱燃料一个方向高频、大力的冲击，应力集中现象较为明显；此外，我司现有主副油箱分腔隔板压筋宽度小、过渡圆弧较小、裸露平面面积较大，致使隔板整体强度不高。因此，对双腔燃油箱分腔隔板的改进迫在眉睫。

2 研究方法

为降低双腔铝合金燃油箱分腔隔板开裂失效风险，文章提出了一种通过改进分腔隔板结构提高铝合金双腔油箱质量的方法。首先结合类似结构计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析及试验报告，提出改进办法；接着通过CATIA软件进行建模对燃油箱总成进行装配评估；最后进行样件试制并进行台架试验验证，根据试验结果最终评估改进方案的可行性。

3 方案改进

公司前期对主腔隔板方案进行了优化设计，图1为主腔隔板设计优化前后模型对比。老隔板为传统的方形冲压加四角压筋结构，特征过多，压筋宽度小、过渡圆弧较小、裸露平面面积较大，四角压筋处容易形成应力集中，而球形冲压能有效分散应力，因此，进行了隔板的全新球形结构设计，并进行了CAE分析，隔板的边界条件按照等效压力加载。通过CAE仿真发现主腔新隔板结构最大应力由78.52 MPa降低到32.37 MPa，最大应力降低了58.77%，刚度提升了64.1%，强度提升了63.2%，CAE分析部分如图2所示。此外，新结构隔板向振动时长由以前的2小时提高至38小时并且未失效，向振动实验结果显示主腔新隔板强度提升超过1 800%，充分说明主腔新隔板的结构状态可靠性大大优于老隔板状态。

我司分腔隔板老方案与主腔隔板老方案外形轮廓结构一致，如图3所示。结合主腔隔板CAE仿真与振动试验结果，发现新隔板结构性能大大提升，因此，对现有分腔隔板结构类比提出了改进方案。改进方案为减小四处压筋的应力集中，选择了中间球形冲压，加大过度圆弧，球形冲压的结构不仅能减缓应力集中，并且成型后对四角的强度和刚度影响更小，因此，改进方案打破了原始设计思路进行了全新的结构设计，如图4所示。除此之外，主腔隔板的焊接方式为压筋及断续焊，而分腔隔板为周圈满焊，焊接强度符合要求，不需要压筋，因此，新设计的分腔隔板翻边高度可以减少30 mm，并对新结构分腔隔板进行了冲压成型分析，如图5所示。冲压成型分析结果显示，部分区域存在开裂、褶皱风险，占比3.69%，总体成型良好。

图4 分腔隔板新方案

图5 隔板冲压成型分析

4 燃油箱总成装配评估

双腔铝合金燃油箱分腔隔板改进方案提出后，按照燃油箱总成及附件进行了CATIA三维模型建立，整体安装效果如图6所示。根据三维模型对整体方案特别是分腔隔板压型、分腔隔板翻边高度降低后工艺实现难易程度问题进行了初步评估。经专家组评估：改进后的分腔隔板方案压型工序由原来的四道工序减少至三道工序，节省了时间成本与人工成本；改进后的分腔隔板方案在燃油箱总成装配过程中工艺实现未增加难度，但需要进一步试验验证其结构的可靠性。

图6 燃油箱总成整体安装效果

5 实验验证

为验证双腔铝合金燃油箱分腔隔板改进方案的可靠性，进行了油箱总成的试制并参照《汽车燃油箱及其安装的安全性能要求和试验方法》（GB 18296－2019）进行了台架振动试验[7]，图7为振动试验现场图。将燃油箱总成模拟装车形式固定在振动试验台上，往腔体内加入额定容量1/2的水，盖上燃油箱盖，密封好所有进、出口。

上下：振动加速度30 m/s2，振动频率30 Hz，直至损坏或振动4小时以上无损坏，停止试验记录时间。

左右：振动加速度30 m/s2，振动频率30 Hz，直至损坏或振动2小时以上无损坏，停止试验记录时间。

前后：振动加速度30 m/s2，振动频率30 Hz，直至损坏记录时间。

按照国标《汽车燃油箱及其安装的安全性能要求和试验方法》（GB 18296－2019）要求，燃油箱总成上下振动4小时，左右振动2小时，前后完成振动21小时，其他部位开裂，切开燃油箱总成发现分腔隔板仍完好，无任何开裂或渗漏。相比旧方案台架振动试验结果：上下振动4小时，左右振动2小时，前后完成振动10小时，分腔隔板新方案在前后方向性能提高110%，三个方向综合性能提高68.75%。

6 结论

文章对双腔铝合金燃油箱分腔隔板结构进行了全新的设计，新的球型结构有效分散了应力集中，降低了最大应力，提高了强度及刚度，降低了翻边高度。通过专家组评估及台架振动试验结果表明，这种新型的双腔铝合金燃油箱分腔隔板方案相比旧方案不仅可靠性有较大幅度提高，能够有效克服双腔油箱分腔隔板开裂脱落问题，并且在设计优化过程大大降低了时间成本、人工成本及原料成本。目前，从方案实施开始，分腔隔板改进方案已得到市场验证，市场反馈改进效果明显。

[1] 宁亮亮,王伟银.重型卡车5052铝合金燃油箱焊接修复工艺[J].汽车维护与修理,2021(6):69-71.

[2] 张笑.汽车燃油箱材质对比及发展趋势分析[J].内燃机与配件,2021(13):59-60.

[3] 赵承军,白培谦.重型汽车铝合金燃油箱失效分析与改进[J].汽车实用技术,2018,43(22):116-118.

[4] 雷亮,刘飞,张珂,等.大容积铝合金燃油箱隔板固定新技术探究[J].汽车实用技术,2021,46(16):155-157.

[5] 赵承军,白培谦.重型汽车铝合金燃油箱失效分析与改进[J].汽车实用技术,2018,43(22):116-118.

[6] 孔德学.高速公路可变收费对货车出行选择行为的影响研究[D].重庆:重庆交通大学,2021.

[7] 中华人民共和国工业和信息化部.汽车燃油箱及其安装的安全性能要求和试验方法:GB 18296－2019 [S].北京:中国标准出版社,2019.

Quality Optimization Design of the Split Diaphragm of Dual-cavity Aluminum Alloy Oil Tank

ZHANG Wenyan

( Department of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University City College, Xi'an 710018, China)

In order to reduce the crack failure risk of the split diaphragm of the dual-cavity aluminum alloy fuel tank, this paper introduces a method to improve the quality of the dual-cavity aluminum alloy fuel tank by improving the structure of the split diaphragm.First of all, combined with the computer aided engineering(CAE) analysis and test report of the same structure, the structure of the split diaphragm is improved.The article then evaluates the assembly of the fuel tank assembly by modeling with CATIA software, and analyzes the process forming of the new structure split diaphragm. Finally, the prototype is trial-produced and verified by the bench vibration test.The research results show that this method can effectively overcome the problem of split diaphragm cracking and falling off of double-chamber oil tank, and greatly reduce the time cost, labor cost and raw material cost in the process of design optimization.

Dual-cavity aluminum alloy fuel tank; CAE analysis; Assembly evaluation; Bench vibration test; Design optimization

U464.136.5

A

1671-7988(2023)17-81-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.014

张文彦（1993－），女，硕士，助理工程师，研究方向为汽车燃油系统零部件设计，E-mail:870570849@qq.com。