汽车油箱结构设计及成形质量控制

摘 要：汽车油箱是燃油供给系统的关键部件，传统的生产厂家采用试制一试验一修改一再试制一再试验的设计流程，工程师凭经验设计产品，通过样件检测性能、校核法规。这样，一个产品从概念设计到批量生产，往往需要多次样件的试制和漫长的设计修改过程，造成人财物以及时间的大量消耗。随着我国汽车工业的飞速发展，新车型推出的速度越来越快，传统的设计方法已经不能满足产品更新换代的快速响应要求。本文在汽车的开发过程中，利用现代CAD/CAE技术对汽车油箱进行了结构设计分析研究。

关键词：汽车油箱;CAD/CAE技术;设计

1 燃油箱结构设计

汽车油箱应能保证汽车有足够的续航能力，现代轿车一次加油续航里程一般为400～600km，油箱的额定容积在35～80L。汽车燃油箱的额定容积为60L，装在汽车中部车身下面。燃油箱选用镀锌薄钢板冲压焊接而成，不易生锈腐蚀及泄露。油箱上部通过法兰盘安装有潜式电子燃油泵，出油管连通固定在油箱一侧的燃油滤清器，与回油管共同固定在油箱上。油箱上部设计有突出的蒸汽室，最高点设计有平衡气压的蒸汽阀，上箱布置有加油通气管和加油管接口。汽车排气管从燃油箱下方通过，其表面温度约为400摄氏度。油箱的设计必须为排气管让出足够的空间。从安全的角度考虑，燃油箱与排气管之间应该保证有足够的空间，便于空气流动冷却排气管，在燃油箱相应的部位设计隔热垫，防止因排气管对燃油箱的加热而造成燃油的大量蒸发。为了保证在汽车上长坡时，油泵能汲到燃油，油箱底部设计一高75mm的汲油槽，油泵安装在汲油槽内。汲油槽底部钻孔，汽车在平路行驶时，燃油经小孔进入汲油槽，汽车上坡时，小孔处在高处，燃油不能从汲油槽中流出，为油泵提供燃油。汽车理想的加油过程分为两个阶段：（1）燃油注入燃油箱到燃油淹没加油通气管口为第一部分。在此过程中，油箱中的气体～部分从加油通气管排到大气，一部分由蒸汽管经碳罐排到大气。（2）从燃油淹没加油通气管到加油结束为第二部分。由于液面的升高，燃油浸没浮予阀，在浮力的作用下，针阀封闭，油箱内压力上升，燃油在油箱内压力的作用下，由加油通气管返回加油口，加油枪感应到有燃油返回时自动关闭，加油结束。为了控制加油量，加油通气管和浮子阀离油箱地面的高度应使其下部的油箱体积为油箱的额定容积。如果加油通气管位置太低，加油过程中加油通气管过早闭， 油箱内气体只能从蒸汽阀排除，而造成加油不畅，难以保证加油量;如果浮子阀和加油管位置太高，油箱封闭太迟，将造成加油过量。

基于以上考虑，在三维绘图工具中设计的汽车油箱，油箱上部突出部分为蒸汽室， 其顶部设计有蒸汽阀安装孔，蒸汽室前端安装加油通气管，箱体上焊接加油管。上箱顶部开有油泵安装孔，油泵安装法兰点焊在平台上。为了密封，凸缘比安装法兰高0.4mm。油泵通过法兰和盖板安装在油箱上，为了给安装螺钉让位，其周围设计有8个凹坑。油箱下部設计隔热垫，通过点焊在油箱上的四个安装支座安装在下箱底面。为了增加油箱的刚度和强度，下箱底面设计有凸肋，凸肋中部为汲油槽提供定位凹坑。燃油箱及其附件装配关系：上下箱通过缝焊合成箱体，汲油槽用6～8个焊点点焊在下箱凹坑内，加油管和通气管焊接在箱体上，加强垫板点焊在油箱安装吊耳上，隔热垫安装座点焊在下箱底面，隔热垫通过螺栓与安装支座连接，在油箱边缘点焊有线卡和制动拉锁吊钩。油箱通过其加油管侧的安装吊耳安装在从车身地板上伸出的支架上，另一侧安装在车架横梁上。经干涉检查，油箱与周围零部件间距均匀，均为10mm，无干涉现象。

2 汽车油箱冲压成形质量控制

依照同样的方法，利用三维绘图工具建立油箱上箱（以下简称上箱）的三维模型，然后以iges格式传入Dynaform软件进行分析。上箱形状结构复杂，焊边不在同一平面内，这使得冲压模具的工艺补形面也是一个复杂的曲面。箱体上布置有不同深度的加强筋、布线槽、凹坑、蒸汽室和油泵安装凸台。其中，布线槽深20mm，油泵安装凸台与顶面成5°斜角，蒸汽室突出部分与其周围板面的最大高度差达70mm，这些因素都给冲压成形造成一定的困难。

2.1 零件形状改进设计

为了避免在冲压生产中产生次品，通常的手段是修改零件设计或者对冲压成形工艺参数进行优化。对于油箱蒸汽室侧壁部分的成形缺陷，由于其处于零件的中部，调整压边力、修改拉延筋等措施对该处的影响都有限，而改进润滑条件对于生产厂家现有的条件而言也难于实现。因此可以通过修改零件设计来满足生产要求。从零件上看，油箱蒸汽室与周围板面高度相差较大，其底部圆角半径为20mm。为了满足生产的要求，在不影响其工作性能的基础上，可以适当降低蒸汽室的高度，减小该处板料的拉延深度，同时增大其底部过度圆角半径为35mm，减小扳料的流动阻力。零件经修改后，在冲压加工中板料最薄的部分由蒸汽室侧壁转移到了蒸汽室的圆角部分，从成型极限图的结构来看，这种转移是有利于板料成形的。蒸汽室圆角部分，板料的应力状态为平面双向拉伸，这种应力状态处在FLD的右侧，板料可以承受比较高的应力，而不会产生屈服。修改后板厚最大减薄率也有所降低，从25%降到了22%。上箱蒸汽室高度降低，底部圆角增大后整个板料在冲压终了时都处于FLD的安全区域内，冲压成形时不会发生拉裂的情况。

2.2 成形质量控制措施

油箱上箱的原始设计中，不仅有板料拉裂的隐患，而且在成形的过程中，板料的法兰和蒸汽室周围都不同程度的出现了起皱现象。起皱的发生直接影响板料表面质量及尺寸精度，严重时还将引起坯料在冲压过程中，难于通过凸凹模之间的间隙，增大拉深变形力，甚至使坯件拉裂。在板料成形的控制措施中最常用的是使用拉延筋和调整压边力来控制板料金属流动，从而改变工件变形时的变形方式，防止起皱等缺陷的产生。调整压边力可以均匀的调整整个板料的径向拉应力，压边圈产生的熨平效应可以有效的抑制板料凹模法兰部位的起皱缺陷。而拉延筋则是局部的增加板料的流动阻力，对协调板料变形和消除板料的局部起皱有着很好的效果。

3 结语

汽车燃油箱是汽车燃油供给系统的关键部件，国家对其安全、环保等方面都有着严格的要求。随着现代轿车的结构布置越来越紧凑，为了能充分利用有限的机械空间，轿车油箱的外形往往十分复杂，传统的油箱生产厂家采用手工敲制样件—试验一修改一再试制一再试验的设计流程，一个新油箱从定性到批量生产，往往需要多次样件的试制和漫长的设计修改过程，造成人财物以及时间的大量消耗。

参考文献：

[1]周鑫.汽车燃油箱结构仿真设计研究[D].江苏科技大学，2017.

[2]张友龙，袁文强，芮凯等.铝合金燃油箱焊接缺陷产生原因及控制措施[J].汽车实用技术，2018（12）：129-131.

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