基于正负压循环的燃油箱安全性检测方法

魏小宝，何 柳

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007)

0 引言

燃油系统负责整车燃油的加注与运输，它确保燃油顺利到达发动机，提供给发动机工作，同时负责收集燃油蒸汽，并经过滤排放到大气中。目前市面上的燃油箱总成主要有金属油箱和塑料油箱两种，本文主要以金属油箱为研究对象。在不同的温度下，油箱内部存在不同的压力，油箱在不同的地域，不同的季节要面对极端温度的考验，当燃油在油泵里达到喷油嘴，收油时会有多余的油返回到油箱里，这样被加热的汽油就会增加油箱的温度，尤其是加入乙醇的汽油，乙醇在高于这个温度的时候就会沸腾。而在北方冬季可能会达到-40 ℃的低温，塑料油箱在低温状态下很脆，可能会出现裂纹等现象。

燃油箱属于薄壁类型腔结构，一般分为上下两个壳体，厚度为1 mm左右，上壳体厚度可减薄至0.8 mm，因此在型腔设计过程中要设置适当的加强筋提高壳体强度，现在常在设计的过程中通过有限元仿真结构强度，在设计的前期阶段就识别出薄弱的位置，通过合理布置加强筋结构，减少应力集中部位的应力，增强结构强度[5]。油箱在冲压成型过程中会发生特定部位的材料减薄现象，减薄率情况视型腔拔模角，冲压面积等的影响，仿真计算往往需要配合快速的试验检测，用较短的时间识别出失效和风险部位，测试的方法有很多，正负压循环测试燃油箱耐久性的方法是其中比较有效的一种，通过模拟油箱实际工况下内部压力的变化，施加压力输入，若干循环之后检测燃油箱的密封性，找出薄弱位置，快速改进，再进行后续路试的验证。

1 正负压循环检测方法

燃油箱在正常工作中不断地受到加油、吸附、脱附、燃油晃动撞击、颠簸等一系列的外部冲击载荷，而且一般都会受到随着时间发生的应力，应变的作用，极易受到疲劳损伤破坏。目前较常用的耐久性检测方法主要是整车耐久路试验证，或者台架振动耐久，虽然这两种方法都尽量模拟燃油箱的实际使用工况，验证的有效性是有保障的，但是整车耐久路试耗时太长，常规的耐久路试需要花费3到4个月时间。而台架振动耐久虽然模拟振动但未能模拟燃油箱的实际使用工况，因此需要引入正负压循环检测方法来做重要的验证补充。

为了使燃油箱具有较好的耐久性和可靠的寿命，业内已经广泛采用一整套设计、分析和试验的流程。首先，通过试验测量产品载荷，载荷变化数据进行初始的设计基准，在此基础上对产品进行结构分析，疲劳耐久寿命预测和改进设计，最后进行试验，以校验疲劳寿命的正确性，这种试验就是油箱的耐久性试验，以下介绍一下正负压循环检测方法的过程和要求。

正负压循环检测的目的是通过交替施加不同的内压和真空度用以测试燃油箱的耐久寿命。测试过程中燃油箱总成模拟实车装配，分别注入额定容积75%的水，试验温度为82 ℃±3 ℃，在油箱内施加压力，以正压14.9×(1±5%)kPa至负压7.0×(1±5%)kPa为1个循环，每分钟2～6个循环，12000个循环后油箱无泄漏，无损坏，测试循环必须维持恒定的循环时间以减少测试偏差。测试循环完成之后要进行泄漏测试，常用水检的方法检查燃油箱在循环完成之后是否泄漏，在45 kPa气压下，保持30 s油箱总成不漏气。

测试过程如下：

1)测试前准备

①按照实车状态装配燃油箱总成，附带各种附件均按照扭矩要求紧固。

②用和测试过程相同的正压和负压监测安装好的燃油箱总成，持续至少5 min循环压力测试，如果发现泄漏则停止测试。

③在燃油箱中注入75%的测试用水，在测试过程中要保持水的量不变，如监测有减少需要添加水的量以保持恒定的测试体积。

④调整设备使压力介于正压14.9 kPa±5%到负压7 kPa±5%之间的压力循环状态。

2)测试说明

①在压力测试循环完成前，发现以下几种情况应当停止试验：可见的油箱泄漏，压力测试完成后的泄漏检查发现泄漏的，燃油箱因应力开裂或部分附件失去功能。

②定期检查试验的进行情况，并记录发生的异常情况包含以上发生泄漏的情况，如有泄漏发生要记录发生时的压力情况并拍照记录。

图1 正负压循环测试台架

如果在试车场进行零部件的耐久性试验要耗费大量的人力，物力，而且还会因为驾驶员，环境和试验道路的变化得到不一致的结果，尤其是试验过程中发现了零部件的疲劳失效故障后再用整车进行试验验证，所要花费的成本和精力会更多，因此正负压循环检测方法是检测耐久性能的较好的一种检测手段。

2 实际案例及改进效果验证

为了缩短开发周期，降低开发成本，在前期开发阶段广泛应用CAE仿真技术来提前进行验证，部分较先进的分析方法已经能够利用基于多体动力学的虚拟路面载荷分析，基于有限元的复杂整车模型的疲劳耐久分析和虚拟台架分析来代替部分的试验或者加速试验进程[2]。

对原状态燃油箱总成，基于油箱3D数模建立有限元仿真分析模型，通过仿真分析表明，循环进行3166次后出现开裂，应力云图显示开裂处应力值达到24.6 MPa，仿真结果如图2。

图2 CAE仿真分析结果

仿真分析显示，开裂处应力值较大且开裂时尚未达到要求的循环次数。仿真分析往往能较快速的得出结论，并给我们所提供的解决方案做较快速的验证，但是对型腔类零件，考虑到实际加工过程中对材料减薄的影响，分析结果有可能会和实际有所偏差，所以必须针对仿真的结果进行实测验证[6]。针对原有油箱应用正负压循环试验，按照以上检测方法，施加正压14.9 kPa，负压-7.0 kPa，当循环进行到3654次时，在油箱薄弱位置发现泄漏现象(图3)。

图3 燃油箱故障位置图

从燃油箱故障位置可以看出，出现故障的位置基本和仿真分析的结果一致，该处的应力较大，必须通过结构改进降低应力，增强结构强度[1]。

针对开裂处应力值较高提出以下三种改进方案：

方案1：增大拔模角，将燃油箱上壳体的拔模角度由4°增大到5°，减小应力集中；

方案2：拔模角度不更改，在燃油箱上壳体两侧增加加强筋结构，提高结构强度(图4)；

图4 燃油箱加强筋位置图

方案3：开裂面拔模角度由4°增大到5°，同时在燃油箱上壳体两侧增加加强筋结构，减小应力集中，提升结构强度。

燃油箱是由壳体拼焊而成，上下壳体都是薄壁类零件，在设计之初为了提升结构强度和避让底盘部分的零件，在外轮廓上都会添加大小不一的加强筋结构，加筋的位置一般是承受较大压力，变形趋势大的部位，通过加强筋结构防止燃油箱局部变形，提升结构模态和结构强度，本次基于降低应力提升结构强度的目的在燃油箱吊耳上部上壳体两侧分别增加两条加强筋结构。拔模角的选择，主要基于工艺考虑，要便于脱模和防止局部应力集中，经验是非常重要的因素。选择合适的拔模角对型面过渡部位的结构强度有重要贡献[7]。

针对三种改进方案进行仿真分析[3]，从表1可以看出三种方案的改进效果。

方案1：增加上壳体拔模角，如图5，开裂面拔模角度由4°增大到5°，可以使两侧薄弱位置应力值分别下降到17.5 MPa和17.8 MPa左右，实测正负压交变循环次数较原状态有所提升，但未达试验要求的次数。

图5 燃油箱上壳体拔模角度

方案2：不更改上壳体拔模角度，而在燃油箱上壳体两侧吊耳位置上方的位置分别增加两条加强筋结构。从表1仿真结果可以看出，两侧应力值分别为23.0 MPa和16.4 MPa左右，应力值都有不同程度的减小，实测正负压交变循环次数较原状态有所提升，但未达试验要求次数。

方案3：增加上壳体拔模角由4°增大到5°并且在燃油箱上壳体两侧增加加强筋结构，如图4和图5所示。从表1仿真结果可以看出，两侧应力值分别下降到16.6 MPa和16.9 MPa左右，按正负压交变循环试验要求进行验证，循环次数有所提升，满足要求。

表1 改进方案仿真分析结果

本次的改进方式是在上壳体接近开裂处的位置及对称位置处增加加强筋结构，并将开裂面的拔摸角度由4°增大到5°，从仿真分析的结果来看，通过此次更改可以使应力值降低到16左右，通过台架实测可以满足正负压循环的要求[4]。

3 总结

安全性的特性使得法律法规中都对燃油箱做了详细的要求和规定，国标《汽车燃油箱安全性能要求和试验方法》中详细的规定了燃油箱的安全性能要求和试验方法，此外各企业在遵守国家标准的同时，也会根据车型的实际情况对安全性能做进一步的要求和检测。燃油箱的耐久密封安全性是最重要的性能之一，考核的方法也很多，正负压循环测试只是其中一种模拟零件实际使用工况较为有效快捷的检测方式，除此之外还要通过一系列的其他耐久测试，才能保证耐久安全性，本文描述的检测方法对快速改进燃油箱结构有较强的实际参考意义。