组合式模拟油箱在燃油泵支架总成振动试验中的应用

姜 震，谢 宁，高伟中，陈智溪，沈 彪，王建民，郭亚军，周 承

（联合汽车电子有限公司，上海 201112）

组合式模拟油箱在燃油泵支架总成振动试验中的应用

姜 震，谢 宁，高伟中，陈智溪，沈 彪，王建民，郭亚军，周 承

（联合汽车电子有限公司，上海 201112）

对汽车燃油系统的重要零部件燃油泵支架总成设计的振动模拟油箱进行了介绍，通过对改进前定制式模拟油箱和改进后组合式模拟油箱的多项对比和实际案例引用得出结论，组合式模拟油箱优于定制式模拟油箱并完全符合燃油泵支架总成对振动试验的使用要求。

模拟油箱；燃油泵支架总成；振动试验

1 燃油泵支架总成介绍（见图1）

燃油泵支架总成是汽车燃油系统中的重要零部件，任务是配合电动燃油泵（安装在燃油泵支架总成内）连续不断地供给燃油系统充足的燃油，并维持足够的压力（燃油系统的压力由压力调节器保持恒定），以保证发动机在所有工况下有效地喷射，多余的燃油流回油箱。

燃油泵支架总成通常集成法兰（电、液接口）、电动燃油泵、滤油器、储油桶（使剩余燃油储存在燃油泵附近，保证汽车低油位时转弯和上下坡供油不间断）和带浮子杆的油位传感器。

燃油泵支架总成安装在整车的油箱内，装配外形和尺寸须符合整车实车油箱的安装要求，所以安装在不同整车上的燃油泵支架总成通常会有不同的外装配形状和尺寸，如不同的安装高度、不同的法兰小径和附带不同长度的浮子杆，同时也因为整车只朝一个方向行驶，所以燃油泵支架总成的安装还要符合整车的行车方向要求。

2 燃油泵支架总成对振动试验的要求和实现方法

燃油泵支架总成对振动试验的要求通常是在实验室模拟燃油泵支架总成在整车上的实际使用工况（即安装在整车油箱内的燃油泵支架总成随整车在道路上行驶时，处于工作状态的燃油泵支架总成会随着整车受到来自粗糙路面引起的随机振动激励），以此考核燃油泵支架总成的结构疲劳强度（即燃油泵支架总成是否会因受到模拟实际的使用工况而失效和损坏），要求在振动试验后目检燃油泵支架总成所有的装配和连接都必须处在正确的位置上，无可见损伤并通过后续的各项性能测试。

图1 两种不同外形的燃油泵支架总成

为了在实验室实现燃油泵支架总成对振动试验的要求，通常验证该产品的振动试验人员会采用为燃油泵支架总成设计类似于整车油箱的模拟油箱来替代整车油箱完成振动试验（模拟油箱上安装产品的开孔孔径、安装产品的安装高度及产品的安装方向等设计须符合燃油泵支架总成的实际安装要求），振动试验方法为将燃油泵支架总成安装到模拟油箱内并加入试验用油（为降低试验的安全风险通常采用精致煤油），再将模拟油箱固定到振动台上并给燃油泵支架总成加载使其处于工作状态后运行振动台来实现要求的随机振动。

3 对两种类型振动模拟油箱的描述

从以上燃油泵支架总成对振动试验的要求和实现方法可以看出，振动模拟油箱是燃油泵支架总成振动试验中的关键因素，我们设计的模拟油箱不仅要满足油泵支架总成的安装要求，还要满足模拟油箱的刚性、重量轻等使用要求（模拟油箱在使用前需要进行共振检查，并不允许在燃油泵支架总成的使用频率范围内有共振发生）。如果我们设计的模拟油箱不符合使用要求，不仅燃油泵支架总成模拟不到整车的实际工况，还会导致试验重做率高和试验成本高等一系列问题。因此作为验证该产品的振动试验人员，我们必须认识到设计高质量、高效率和低成本的振动模拟油箱对该振动试验的重要性。然而要实现这个目标绝非易事，需要一个逐渐改进的过程。下面介绍笔者设计该模拟油箱的两个主要步骤和设计的两款模拟油箱：定制式模拟油箱和组合式模拟油箱。

3.1 对定制式模拟油箱的描述

定制式模拟油箱来源于公司初期燃油泵支架总成不大的振动试验需求量，当时我们采用了按每个燃油泵支架总成的外形尺寸定制模拟油箱的方法，所以通常一个外形的燃油泵支架总成我们会设计一款对应尺寸的模拟油箱来满足其安装要求（偶尔也会采用在已有模拟油箱的基础上通过加工配件的方法来满足不同外形的燃油泵支架总成的安装）。

定制式模拟油箱采用长方形结构，主要由油箱体、端盖、垫高圈（板）和压圈4个部件组成。有单工位（见图2）和双工位（见图3）两种，单工位的长度较短，能满足一个带浮子杆的燃油泵支架总成的安装，双工位的长度较单工位要长，能同时满足两个不带浮子杆的燃油泵支架总成的安装。

油箱体的箱底和箱壁由铝合金浇注而成，底部两侧共有4个Φ11 mm的通孔用于模拟油箱和振动台台面的固定使用，箱壁上平面留有十多个M8的螺纹孔用于端盖和油箱体的固定使用，端盖和油箱体之间采用石棉橡胶垫片密封。

端盖的厚度为20 mm，端盖上设计有较大的圆孔用于安装燃油泵支架总成使用，圆孔周围对称分布有6个M6的螺纹孔，用于固定压圈使用；端盖上平面和侧面还在适当位置处对称分布有多个M5的螺纹孔用于振动加速度传感器的安装使用，端盖使用的材料为铜铝合金。

图2 定制式单工位模拟油箱

图3 定制式双工位模拟油箱

垫高圈（板）通常需要根据燃油泵支架总成的实际安装要求加工而成，安装在端盖的上部或油箱内部起调节油箱安装高度和调节开孔大小的作用。垫高圈（板）使用的材料为POM，压圈为扁平环形结构，内圆的孔径需符合燃油泵支架总成法兰小径的安装要求，安装在端盖上方起将燃油泵支架总成固定在模拟油箱内的作用，压圈使用的材料为铜铝合金。

以上介绍的两款定制式模拟油箱，我们在使用中逐渐发现有会导致振动试验失败、油箱需求量大和等待变形加工时间长等问题，再结合公司业务的发展，燃油泵支架总成振动试验项目的不断增多，该种形式的模拟油箱已经不再适应燃油泵支架总成振动试验的需要，必须对其改进。

3.2 对组合式模拟油箱的描述

为了使再设计的模拟油箱不再发生以上类似的问题，也为了降低模拟油箱的制作成本，我们通过汇总定制式模拟油箱的问题，收集公司已有项目的燃油泵支架总成的外径装配数据，再结合振动模拟油箱的设计要素等方法，经系统考虑，设计了不需要花费太大成本就能满足各种不同外形的燃油泵支架总成的安装，又能满足燃油泵支架总成振动试验要求的组合式模拟油箱。

组合式模拟油箱（见图4）采用圆桶形结构，在150～350 mm的高度之间共均等设计有5个高度的油箱体，每个高度的油箱均由油箱体、端盖、支撑柱、垫高板、压圈和转向块6个部件组成。

油箱体主要由底板、箱壁和法兰组成。底板的厚度为20 mm，底板上部中间对称分布有24个孔径为M10、深度为17 mm的螺纹孔（该深度可确保底板不会泄漏）用于固定垫高板使用，外圈分布有8个孔径为Φ11 mm的通孔用于模拟油箱和振动台的固定使用；桶壁的外径为Φ370 mm，外侧对称分布有16根支撑筋，桶壁和支撑筋的厚度均为5 mm；法兰的厚度为10 mm，上部设计有一圈宽度为6 mm、深度为4 mm的凹槽，用于摆放密封圈（起端盖和油箱体密封作用）使用，法兰外侧对称分布有16个M11的通孔用于端盖和油箱体的固定使用；桶壁外部还对称分布有4个抓手，油箱体使用的材料为不锈钢，采用焊接连接。

端盖的厚度为20 mm，端盖上设计有较大圆孔用于安装燃油泵支架总成使用，圆孔周围对称分布有6个孔径为M6、深度为17 mm的螺纹孔（该深度可确保端盖不会泄漏）用于固定压圈使用，圆孔的下部有大的倒角（因端盖的厚度大于实际油箱的厚度而需要倒大角）；端盖的中心设计有通孔用于安装中间支撑柱使用；端盖上平面还在合适位置处对称分布有多个孔径为M5、深度为10 mm的螺纹孔用于垂直方向振动时加速度传感器的安装使用，端盖使用的材料为铜铝合金。

支撑柱的两头带有外螺纹，支撑柱使用的材料为钢，安装在油箱中心起增加端盖刚性的作用。

垫高板均等设计有若干个高度，板上对称分布有24个Φ11 mm的通孔用于将垫高板固定在油箱底板上使用，垫高板使用的材料为POM。

压圈与定制式模拟油箱的压圈一致，无任何变化。

旋转块为方形结构，4个侧面均水平设计有孔径为M5的螺纹孔用于加速度传感器的安装使用，旋转块中间有一个Φ11的上下通孔用于将旋转块固定在模拟油箱上使用，转向块使用的材料为纲，安装在模拟油箱上起调节水平方向振动时加速度传感器的方向作用。

图4 组合式模拟油箱

图5 组合式模拟油箱（油箱的高度为200 mm）在垂直方向的共振检查扫频曲线

4 对两种模拟油箱的综合比较

上面是对两种模拟油箱做的简单介绍，那么究竟哪一种模拟油箱的设计更合理，更符合燃油泵支架总成对振动试验的使用要求呢？下面我们根据模拟油箱的设计要素对两种模拟油箱逐一进行比较。

4.1 结构刚性和连接强度

定制式模拟油箱主要使用的材料为铝合金，结构采用长方形，主要通过底部两侧4个Φ11的通孔和振动台实现连接。组合式模拟油箱主要使用的材料为钢，结构采用圆桶形，桶壁外侧和中间处都有加强支撑筋，主要通过底部外圈的8个Φ11通孔和振动台实现连接。从对两种模拟油箱共振检查的扫频曲线（见图5）来看，组合式模拟油箱在结构刚性和连接强度上优于定制式模拟油箱。

从曲线可以看出，组合式模拟油箱在油泵支架总成振动试验使用的频率范围（10～1 000 Hz）内无共振发生，完全符合结构刚性和连接强度要求。

4.2 造成试验安全隐患的风险

定制式模拟油箱的箱体采用铝合金浇注而成，端盖和油箱体之间采用石棉橡胶垫密封，该模拟油箱在使用中曾多次发生因箱体的浇注铝合金密度不够或浇注铝合金内部有气泡而引起的试验用油外泄。组合式模拟油箱的油箱体使用材料为钢板，箱体之间的连接采用焊接，端盖和油箱体之间采用O形橡胶圈密封，因焊接的可靠性和O形橡胶密封圈的有效密封，使该模拟油箱使用至今（经过数百个燃油泵支架总成的振动试验验证），还未发生过一起试验用油外泄。所以仅从这一点来看，组合式模拟油箱造成试验安全隐患的风险远低于定制式模拟油箱。

4.3 调节燃油泵支架总成安装高度变化的灵活度

定制式模拟油箱的安装高度因采用定制设计（少部分采用在原有模拟油箱的基础上变形加工而成），所以安装高度基本不能调节。组合式模拟油箱则因（几乎）所有的部件都在初期已经制作完成，任何安装高度的燃油泵支架总成都能通过选择组合模拟油箱的部件加以组合实现安装。所以组合式模拟油箱调节燃油泵支架总成安装高度变化的灵活度远优于定制式模拟油箱。

4.4 调节燃油泵支架总成法兰大小变化的灵活度

定制式模拟油箱端盖上用于燃油泵支架总成安装的大孔开孔直径因采用定制设计（少部分采用在原有端盖的基础上变形加工而成），所以大孔孔径基本不能调节。组合式模拟油箱则因各种直径开孔的端盖都已在初期制作完成，任何法兰小径的燃油泵支架总成都能通过选择合适开孔孔径的端盖实现安装。所以组合式模拟油箱调节燃油泵支架总成法兰小径变化的灵活度远优于定制式模拟油箱。

4.5 满足浮子杆长度变化的设计

定制式模拟油箱有单工位和双工位两种，因结构采用长方形和不大的内部空间，使单工位模拟油箱的内面积仅能满足一个带任意长度浮子杆的燃油泵支架总成的安装；双工位模拟油箱虽能同时满足两个燃油泵支架总成的安装，但也因内部空间不足，使两个燃油泵支架总成都不能携带浮子杆。组合式模拟油箱因采用圆桶形结构，桶内空间足以容纳两个带任意长度浮子杆的燃油泵支架总成的安装。所以组合式模拟油箱在满足浮子杆长度变化的设计方面优于定制式模拟油箱。

4.6 调节燃油泵支架总成行车方向变化的灵活度

定制式单工位模拟油箱因内部空间不足，使安装在内的燃油泵支架总成只能朝着油箱的一个方向摆放；定制式双工位模拟油箱虽能同时满足两个燃油泵支架总成行车方向的安装要求，但是在两个燃油泵支架总成都不携带浮子杆的前提下实现的。组合式模拟油箱因内部空间较大，使安装在内的燃油泵支架总成调节角度的回旋余地也较大，通过调节燃油泵支架总成的角度必能实现燃油泵支架总成行车方向的安装要求。所以组合式模拟油箱在调节燃油泵支架总成行车方向变化的灵活度方面优于定制式模拟油箱。

4.7 满足加速度传感器安装位置变化的设计

对定制式模拟油箱，振动加速度传感器可通过预留在模拟油箱外部的M5螺纹孔实现安装，在未预留M5螺纹孔的位置只能采用胶水粘接的方法实现安装（通常振动加速度传感器的安装，螺纹连接方式优于粘接连接方式）。组合式模拟油箱在垂直方向振动时加速度传感器可通过端盖上平面预留的M5螺纹孔实现安装，水平方向可通过旋转块实现安装，因旋转块可通过螺栓安装在模拟油箱上的很多位置。所以组合式模拟油箱在满足加速度传感器安装位置变化的设计方面优于定制式模拟油箱。

4.8 重量轻

定制式模拟油箱的重量约为20 kg。组合式模拟油箱（共有五个高度）的重量在40～60 kg之间，所以每个高度的组合式模拟油箱重量都重于定制式模拟油箱。

图6 因安装在燃油泵支架总成上的波纹管和定制式模拟油箱端盖的下部相碰而导致的波纹管磨损

图7 两个不同高度的组合式模拟油箱在做振动试验

4.9 起重的便利性

定制式模拟油箱的外部没有抓手。组合式模拟油箱在箱壁外侧对称分布有4个抓手。所以定制式模拟油箱因重量轻而方便搬运，而组合式模拟油箱因有抓手同样方便搬运和起重。

4.10 避免碰撞

定制式模拟油箱因内部空间较小，同时也因设计时未考虑碰撞因素，使该模拟油箱在振动试验中曾发生燃油泵支架总成上的储油桶和模拟油箱内壁、燃油泵支架总成上的导线、波纹管和端盖的下部等相碰而导致的振动试验失败（见图6）。组合式模拟油箱因内部空间较大、端盖上的两个用于安装燃油泵支架总成的大孔位置设计合理以及安装孔下方倒的大角，都能有效地避免燃油泵支架总成在振动试验中发生不必要的碰撞。所以组合式模拟油箱在避免碰撞方面优于定制式模拟油箱。

4.11 制作成本和准备效率

定制式模拟油箱因采用定制设计（少部分采用在原有模拟油箱的基础上变形加工），所以模拟油箱的制作成本会随着燃油泵支架总成振动试验项目的增多而增加，使总成本较高；而变形加工也会使模拟油箱的准备时间变长，通常需要2天。组合式模拟油箱因采用组合和前期制作的方法，因此除首次制作需要花费较高的成本外，后续（因不再有新的油箱需求）几乎不需要再发生成本；而选择部件装配的方法也使模拟油箱的准备时间约在半小时（见图7）。所以组合式模拟油箱无论是在制作成本还是在准备效率方面都优于定制式模拟油箱。

5 总结

通过以上对两种模拟油箱进行的综合比较我们可以得到这样的结论，组合式模拟油箱除重量大于定制式模拟油箱处于劣势外（因燃油泵支架总成振动试验要求的随机振动量级并不大，所以相对较重的模拟油箱不会造成振动推力不够等影响），其他各个方面均优于定制式模拟油箱。目前组合式模拟油箱已经经过了数百个燃油泵支架总成振动试验的验证，从未发生过因模拟油箱的问题而导致的燃油泵支架总成的振动试验失败，这说明在定制式模拟油箱基础上改进和设计出的组合式模拟油箱取得了成功，完全符合燃油泵支架总成振动试验的使用要求，因此该模拟油箱是提高燃油泵支架总成振动试验的试验质量、缩短模拟油箱的准备时间和降低模拟油箱制作成本的好方法，适合在燃油泵支架总成的振动试验中长期使用。

[1] GB/T 28046.3-2011, 道路车辆 电器及电子设备的环境条件和试验 机械负荷[S].

[2] GB/T 2423.12-1997, 电工电子产品环境试验 试验方法 宽频带随机振动试验 高再现性[S].

姜震： 硕士，工程师，主要从事汽车发动机管理系统零部件的振动试验工作。

Application of Combined Simulation Tank in the Vibration Test of Fuel Pump Bracket

JIANG Zhen, XIE Ning, GAO Wei-zhong, CHEN Zhi-xi, SHEN Biao, WANG Jian-min, GUO Ya-jun, ZHOU Cheng
（Union Automobile Electronic System Co., Ltd., Shanghai 201112）

This paper introduces the application of combined simulation tank in the vibration test of fuel pump bracket. Through the comparisons of customized simulation tank and combined simulation tank, and the practical cases, it comes to the conclusion that the combined simulation tank is superior to the customized simulation tank, and it completely meets the demands of vibration test for the fuel pump bracket.

simulation tank; fuel pump bracket; vibration test

R852.25

A

1004-7204（2015）04-0006-06