汽车燃油箱开裂漏油原因及改进措施

肖海明 ，朱小文 ，杨 军

（江铃汽车股份有限公司产品开发总院，江西 南昌 330010）

燃油箱是固定于汽车上用于存贮燃油的独立箱体总成，包含油箱上的进油管嘴、通气管嘴、翻车阀、隔热板、挡油板等部件，燃油箱的主要功能是储存油液，此外还有散发油液中的热量，逸出混在油液中的气体，沉淀油液中的污物等作用[1]。汽车燃油箱是汽车燃油供给系统的关键部件，国家对它的结构、安全方面有着十分严格的要求[2]。燃油箱在工作过程中承受来自道路激励引发的各种激励载荷，其在使用过程中容易出现开裂等失效模式。研究小组简要介绍了燃油箱的分类以及设计要点，并结合江铃汽车股份有限公司某一轻卡金属燃油箱在耐久路试过程中出现的开裂漏油现象，利用头脑风暴方法，找出了导致燃油箱开裂的原因，为后续车型的设计开发提供参考[3-4]。

1 燃油箱的分类及设计要点

燃油箱按所用材料可分为金属燃油箱和塑料燃油箱，分别如图1、图2所示。金属燃油箱一般是由几块薄板件焊接成型，油箱上有焊缝，设计不合理或在外界振动激励作用下容易开裂漏油。塑料燃油箱是一次性吹塑成型的，具有更好的抗冲击、耐腐蚀、防变形开裂的性能，在汽车经历过严重的撞击事故后，塑料油箱除发生变形外，不会发生开裂漏油现象，意外失火的可能性大大降低[5]。本研究针对江铃汽车股份有限公司某轻卡车型使用的金属油箱，介绍其设计特点，并针对其在耐久路试时出现的开裂漏油现象进行分析。金属油箱的设计特点：壁板厚度一般为1 mm～1.5 mm，油箱内一般设有隔板，隔板的作用是使回油区与泵的吸油区隔开，增大油液循环的路径，降低油液的循环速度，有利于降温散热、气泡析出和杂质沉淀，一般沿油箱的纵向布置，其高度一般为最低液面高度。有时隔板高于液面，在中部开有较大的窗口并配上适当面积的滤网，对油液进行粗滤。金属燃油箱无法成型形状复杂的外形，与排气管的间隙不得小于50 mm，与地板的间隙，不算隔振垫处不得小于5 mm，与后桥间隙不小于25 mm，油箱距地面的高度不应是整车最小离地间隙。

图2 塑料燃油箱

2 燃油箱失效模式分析

针对某一轻卡车型金属燃油箱在耐久路试中由于路面加速度激励和内部油液对油箱的冲击，导致油箱本体焊点开裂的现象，如图3、图4所示，课题组利用头脑风暴方法，从以下方面着手进行分析。

图3 焊点脱落

图4 箱盖脱落

2.1 焊接质量不合格

金属油箱是由箱体及箱盖、隔板、加强板等通过焊接制造而成，焊接的好坏很大程度上决定了焊点是否会开裂。金属油箱一般采用缝焊工艺：焊件装配成搭接或斜对接头并置于两滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法。

要求供应商加强内部质量过程管控，焊接质量需每班次检测1次，要求焊缝纹路清晰无飞溅、无毛刺、无泄漏，利用试水检测、焊接工艺参数控制、破坏性试验等控制方法进行实验。

从失效的同批次油箱中随机抽查检测，发现油箱的焊接质量符合要求。

2.2 箱盖设计不合理

为了提高燃油箱箱盖表面刚度，一般在其表面采用压筋处理。针对耐久路试时发现压筋处发生开裂漏油，且油箱端盖加强筋某一R角处开裂的现象。经工艺检查分析发现，是模具不良造成箱盖加强筋R处尖角过渡不平顺，导致应力集中，与使用中外力叠加造成疲劳开裂[6]。通过修改模具，加大R角平滑过渡，问题得以有效解决。

2.3 燃油箱振动开裂

考虑燃油箱可能由于箱体内燃油晃动导致箱体受到冲击振动而出现裂纹，从而使车辆在耐久路试时漏油，课题组利用常见的有限元分析软件HyperMesh及Abaqus，通过有限元分析方法对燃油箱进行模态分析，计算其模态值是否符合江铃汽车股份有限公司设计要求。

3 燃油箱有限元分析

3.1 模态分析

模态分析是研究结构动力特性的一种近似方法，主要用来研究机械结构的固有振动特性，包括固有频率和振型，是振动系统的固有特性。对结构的动态响应、动载荷的产生和传播以及结构振动的形式等具有重要影响。作为具有有限个自由度的弹性系统，振动微分方程为：

式中，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，¨x(t)为加速度向量，.x(t)为速度向量，x(t)为位移向量，F(t)为作用在弹性体上的激励。在无阻尼自由振动情况下，进行傅式变换可得：

变换为特征方程：

式中，ω为系统固有频率，φ为系统振型。

3.2 有限元模型

将三维软件建立的燃油箱模型导入到有限元软件HyperMesh软件中进行网格划分，由于金属燃油箱是薄板件，单元类型采用四边形壳单元，单元边长为4 mm，此模型单元有68 889个，节点总数70 289个，燃油箱总成各部件之间采用焊接连接方式，其材料参数如表1所示。在螺栓孔位置处对燃油箱进行6个自由度的约束，计算燃油箱在此状态下的约束模态[7-10]。

表1 燃油箱材料参数

从图5、图6可知，此燃油箱一阶、二阶模态分别为25.8 Hz、36.2 Hz，由于国家以及江铃汽车股份有限公司规定的振动试验频率为30 Hz，其不满足设计要求。说明该燃油箱刚度不足，容易在外界的激励频率下发生共振现象，有开裂的风险，因此模态需要进行优化设计。

图5 燃油箱一阶模态振型云图

图6 燃油箱二阶模态振型云图

3.3 优化方案

此燃油箱的壁厚为1 mm，为了提高其模态，将壁厚改成1.5 mm，重新进行有限元分析，其分析结果如图7、图8所示。此时燃油箱的一阶频率为31.2 Hz，二阶频率为38 Hz，满足江铃汽车股份有限公司标准要求。

图7 优化后的一阶频率

图8 优化后的二阶频率

4 结论

综上所述，课题组分析了汽车燃油箱的组成及金属燃油箱和塑料燃油箱的优缺点，并阐述了金属燃油箱设计开发时的一些参数，为后续车型出风口的设计提供了一定的参考。根据某一车型金属燃油箱在耐久路试过程中出现的开裂漏油的现象，课题组利用有限元分析软件，对其燃油箱进行模态分析。分析结果表明，此模态不符合设计要求，通过增加燃油箱的壁厚，可以改善其模态性能。