一种正压型油箱油量传感器安装组件的优化设计

刘 军，樊银斌，周 佳，王 宇

（第一拖拉机股份有限公司，河南 洛阳 471004）

1 存在的问题

大马力轮式拖拉机燃油箱设计时，为了满足农忙作业时的需要，一般要求加满燃油的情况下，拖拉机能持续工作10 h以上[1]。某型拖拉机整机布置时，为扩大燃油存储量，充分利用底盘剩余空间，采用在驾驶室后壁板安装一个金属油箱作为主油箱，并在驾驶室左前悬架上安装一个塑料油箱作为副油箱的双油箱结构，高低布置的主副油箱结构如图1所示。

图1中，主油箱的安装位置高于侧置的副油箱，加油口在主油箱上，主、副油箱之间通过一根通径较粗的软管连通，发动机吸油管安装在副油箱上吸取燃油，主油箱对副油箱进行燃油补给，油量传感器安装在副油箱上，进行油位的测量与提示。现有技术中油量传感器安装组件结构为：塑料副油箱上镶嵌一个带安装孔的金属法兰，油量传感器设计一个相应的金属法兰盘并带橡胶垫；安装时在副油箱上的法兰盘表面涂抹一圈密封胶，将油量传感器的法兰盘与其孔位对照，用螺钉通过均布于法兰盘上的5个螺纹孔拧紧固定，油量传感器与副油箱之间靠压紧橡胶垫平面密封。

图1 高低布置的主副油箱结构Fig.1 High and low layout of the main and auxiliary tank structure

通常拖拉机燃油箱内环境一般为负压，图1中主油箱高、副油箱低的布置中，副油箱长期处于柴油饱满的正压状态，加之拖拉机连续作业后持续的高温回油会使油箱内的油温升高[2]，油气的膨胀，更增大了副油箱内的压力，油量传感器安装处平面密封的结构耐压能力不足，市场反馈漏油问题比较普遍。

针对这种情况，笔者研制了一种适用于正压型油箱的螺纹连接、双密封油量传感器安装组件，既解决了漏油问题又方便装配。

2 技术方案

笔者设计的这种正压型油箱油量传感器安装组件，主要由副油箱上的螺纹预埋件、油量传感器总成上的法兰安装座、O型圈组成，具体结构如图2所示。

图2 油箱与油量传感器安装结构图Fig.2 Tank and fuel sensor installation structure drawing

副油箱1上镶嵌有预埋件11，预埋件上部设有沟槽。油量传感器总成2包括线束21、防护帽22、法兰座23、信息管24、浮子25、密封盖26、O型圈Ⅰ27、O型圈Ⅱ28；其中，法兰座23顶部为凸台231，上部为卡装部232，中部为压盘233，压盘上设有沟槽234，下部为连接部235。预埋件11内壁与连接部235外表面加工有相互配合的管螺纹，O型圈Ⅰ27安装在沟槽234中，O型圈Ⅱ28卡装在压盘233和连接部235之间的沟槽上。

安装时，将油量传感器总成的连接部235旋入到副油箱上的预埋件11中，用S27的扳手卡住卡装部232拧紧；拧紧后O型圈Ⅱ被压入预埋件11上部的沟槽中与侧壁形成径向密封；O型圈Ⅰ受到压盘233自上向下的挤压与油箱表面形成平面密封，此一步完成油量传感器与副油箱的组合。

进一步地把组合好的副油箱安装至拖拉机上的副油箱支架上，将线束21的插头与拖拉机主线束对插，实现通信；信息管24内部为线路板，线路板上焊接若干个电阻和干簧管，一个电阻连接一个干簧管，浮子25中间有通孔贯穿于信息管上，信息管下部焊接密封盖26；浮子25为内部带磁钢的发泡丁腈橡胶，能够漂浮于柴油表面，当油箱内的油位变化时，浮子25跟随上下浮动，信息管24内线路板上的干簧管感应到磁钢的磁力而闭合；连接干簧管的电阻值通过线束21输出至拖拉机仪表，仪表的指针会随着阻值的变化而转动，从而达到指示油位的目的。

3 核心零件计算校核

1）主副油箱高度差造成的压力。某型拖拉机后背油箱加油口高出副油箱油量传感器安装面82 cm，根据液体压强的计算公式P=ρg△h，则P=ρg△h=840×9.8×0.82=6.75 kPa；即油量传感器安装处长期承受6.75 kPa左右的正压。式中：ρ——柴油密度，取ρ=840 kg/m3；

△h——液面高度差，根据实际取△h=0.82 m。

2）O型圈的选型。规格的选择：根据预埋件和法兰座的相关尺寸，参照标准[3]设计沟槽234、压盘233和连接部235之间的沟槽以及预埋件上部沟槽尺寸；选取O型圈Ⅰ规格：50×5.3-G-N-GB/T 3452.1-2005[4]；选取O型圈Ⅱ规格：40×2.65-G-N-GB/T 3452.1-2005[4]。为防止从沟槽内脱落，O型圈在安装前须受到拉伸，安装后受到挤压起到密封作用，本研究结构中O型圈Ⅰ、O型圈Ⅱ均为静密封，在静密封场合、密封介质为油时，要求初始拉伸量为1 mm～1.04 mm，压缩率为15%～25%。拉伸量和压缩率按下列公式计算。

式中：d1——O型圈内径，单位mm；

d2——O型圈横截面直径，单位mm；

d3——沟槽内径，单位mm；

h——沟槽深度，单位mm。

3）对本方案中O型圈的拉伸量和压缩率进行验算。

O型圈Ⅰ：d1=50 mm，d2=5.3 mm，沟槽内径d3=52+0.1-0.1mm，沟槽深h=4.2 mm；

代入式（1）得最大初始拉伸量α=（52.1+5.3）/（50+5.3）=1.038 mm；

代入式（2）得压缩率ω=（5.3-4.2）/5.3=20.7%；

O型圈Ⅱ：d1=40 mm，d2=2.65 mm；沟槽底径d3=41.5+0.150mm，沟槽深h=2.2 mm；

代入式（1）得最大初始拉伸量α=（41.65+2.65）/（40+2.65）=1.038 mm；

代入式（2）得压缩率ω=（2.65-2.2）/2.65=17%；

综上，选用的O型圈拉伸量和压缩率能够满足设计要求。

4）材质的选择：因工作介质为柴油，选用耐油性和机械性能好的丁腈橡胶。

5）硬度的选择：硬度根据压力来选择，一般低压下用低硬度的材料，高压下用高硬度的材料，结合前述工作压力6.75 kPa，选用邵氏硬度（70±5）HA。

4 主要特点

1）油量传感器采用螺纹连接安装到副油箱上，尤其是G11/2的管螺纹[5]，相比于普通螺纹连接紧密性更好，能承受较大压力。采用螺纹连接后，渗漏油主要来自两个方面，如图3所示，一是油量传感器与金属预埋件的螺纹牙间的缝隙，二是金属预埋件与塑料之间缝隙。因此，笔者设计两道O型圈密封结构，内侧的O型圈径向密封，阻挡了油量传感器与预埋件之间的渗漏；外侧的O型圈轴向密封，阻挡了预埋件和塑料之间的渗漏；轴向密封对径向密封形成密封补偿，增强了密封性能。

2）油量传感器的法兰座上部设计S27外六方卡装部，方便使用扳手紧固，相比于现有技术中采用5个M5*16螺钉固定，提高了装配效率，且不需要打平面密封胶，减少了辅料消耗。

3）油量传感器的线束采用沿法兰座中轴线垂直向上的出线方式，并通过注塑固定，解决了采用螺纹连接衍生的“因预埋件与法兰座连接部加工时螺纹切入角无法保证一致，造成的水平方向出线时螺纹拧紧后导线打死弯问题”，保护导线，并保证了批量装配一致性。

4）油量传感器上设有橡胶防护帽，起到防水、防尘、绝缘作用，保证传感电路的可靠，橡胶防护帽的安装采用在法兰座顶部设计带唇部的凸台，通过唇部撑开防护帽卡装的方式，能够有效防止脱落。

5）柴油具有一定的腐蚀性，为避免与柴油接触的金属组件生锈，设计的油量传感器法兰座选用不锈钢材质，螺纹预埋件选用黄铜材质，两道O型圈选用耐油性强的丁腈橡胶，增强整个组件的可靠性。

5 试验验证

按照相关标准[6]，对安装此种新型组件的副油箱样品进行了耐压性能试验，分别验证了35 kPa、40 kPa两种压力，各采用2只样品，试验时将油箱各通口堵塞，油量传感器用30 N·m的预紧力装配拧紧，试验结果如表1所示。

表1 耐压性能试验结果Tab.1 Pressure resistance test results

将采用此种新型组件的副油箱安装至拖拉机后，加满燃油进行颠簸静置试验，也未出现漏油。

6 结束语

笔者设计的正压型油箱用油量传感器安装组件，提供了一种长期承受正压状态的塑料油箱油量传感器耐压、密封性能提升方案；通过管螺纹连接和双O型圈密封的结构，提高了油量传感器安装处的耐压能力，解决了现有技术中的漏油问题，延长了油量传感器的使用寿命。