某轻卡一体油箱轻量化结构优化与试验分析

李智威

（江西五十铃汽车有限公司，江西 南昌 330010）

轻卡通常指总质量在6 t以下的商用车型，主要承担城乡物流运输工作任务。随着近年电商业的飞速发展，轻卡销量也节节攀升，我国以江铃、福田、江淮等轻卡制造厂商为代表，推出一系列直瀑式驾驶室的轻卡车型，不断满足用户的多元化和场景化的需求[1-5]。油箱是轻卡重要的储存燃油的部件，传统的轻卡油箱材质一般为铁质或铝合金，油箱容积通常为60 L~120 L，通过箍带及悬臂支架固定于车架纵梁一侧。传统轻卡车型的尿素箱为独立系统，其容积为12 L~16 L，也采用悬臂支架将尿素箱固定于车架一侧，为排气系统提供尿素来源，促进排放目标达成。本研究从油箱和尿素箱系统的力学结构特征出发，减少固定支架系统并应用轻质材料[6-10]，进行轻卡一体油箱轻量化结构优化设计，油箱和尿素箱都采用PE材质，采用一套箍带固定支架，在油箱本体进行凸台设计，将尿素箱放置于油箱凸台上端，结构紧凑，受力均匀，释放了整车布置空间，提升了轻卡特种改装应用市场前景，实现减重15 kg。为了确保一体油箱结构稳健性，采用结构强度ABAQUS仿真软件对一体油箱进行了CAE强度分析，详细研究了该系统结构的理论强度。同时，结合顾客用车场景及道路耐久试验，开展了充分的道路耐久试验和专项试验，试验结果表明，该轻量化一体油箱结构紧凑，减重效果显著，满足性能目标要求的同时结构新颖，极大地提升了产品品质和吸引力。

1 一体油箱轻量化结构设计

传统轻卡的油箱和尿素箱为独立系统部件，分别安装于车架一侧，其中油箱采用L型箍带式支架固定，油箱内部设置了金属隔板，金属油箱容积为83 L，而尿素箱采用笼式金属固定支架固定，尿素箱容积为16 L，油箱与尿素箱相距约500 mm。考虑到轻质材料的优越性能，本研究开展了创新一体油箱轻量化结构优化设计，油箱本体及尿素箱系统通过一套箍带式支架固定于车架一侧，油箱和尿素箱容积与传统结构保持一致，通过在油箱本体中部设置凸台结构，将T型尿素箱安置于油箱凸台上端，油箱本体和尿素箱都开1 mm下沉槽，提高箍带摩擦力，一体油箱轻量化结构与传统油箱及尿素箱对比如图1所示，该结构新颖紧凑，单车可实现减重15 kg，降本增效。

图1 一体油箱轻量化结构与传统油箱及尿素箱对比示意图

2 一体油箱CAE分析

2.1 CAE建模及边界条件

CAE有限元分析是以数值分析为基础的计算机工程辅助设计，可快速有效进行结构刚强度及油液冲击等分析工作，节约大量的物理样车及试验工装费用。本研究采用非线性ABAQUS软件，对某轻卡一体油箱系统进行了有限元模型搭建，网格尺寸为4 mm，单元类型为Shell壳单元及四面体Solid实体单元，模型节点数量为69 000，网格单元数量为250 000，在有限元网格模型完成搭建后，进行了网格质量检查，确保计算精度。其中，一体油箱方案（不含燃油）重量为30 kg，油箱本体和尿素箱材料牌号为HPDE，固定支架为Q235，箍带为尼龙材质，一体油箱有限元边界模型如图2所示。

图2 一体油箱有限元边界模型

2.2 CAE强度分析

开展某轻卡一体油箱CAE强度分析，载荷边界条件为X向5 g冲击，Y向5 g加载，详细分析油箱本体、尿素箱本体、固定支架和箍带的强度性能，得到如图3所示的CAE强度分析结果。

根据图3所示的一体油箱CAE强度分析结果可以得出，油箱本体在X向5 g工况下，出现最大应力为4.1 MPa，小于其材料HDPE的屈服强度23 MPa，满足设计目标；尿素箱在Y向5 g的工况下，出现最大应力为4.9 MPa，小于其材料HDPE的屈服强度23 MPa，满足设计目标；固定支架在X向5 g工况下，出现最大应力为189.2 MPa，小于其材料Q235的屈服强度235 MPa，满足设计目标；箍带在Y向5 g工况下，出现最大应力为213.6 MPa，小于其材料的屈服强度315 MPa，满足设计目标。综合分析可知，本设计的一体油箱整体结构强度性能符合设计性能目标要求。

图3 一体油箱CAE强度分析结果

3 一体油箱试验验证分析

轻卡作为重要的商用车型之一，其行驶里程通常为30万 km以上且用户场景和工况复杂多变，因此，必须充分严格地开展整车道路耐久试验，以把控整车及零部件耐久疲劳性能。本研究在某试验场进行了4.5万 km的耐久路试，包括山路、坏路、高速道路、平路等综合路面，样车数量为3台，耐久试验条件说明如图4所示。

图4 一体油箱道路耐久试验条件

按照图4所示的条件进行了充分的道路耐久试验，试验完成后，进行整车拆解，并对一体油箱道路耐久样件进行详细的分析，试验后的样件如图5所示。经分析，一体油箱外观、密封性能、电子功能液位阻值输出性能均合格，满足开发耐久性能目标要求。

图5 一体油箱道路耐久试验结果

4 结论

综上所述，本研究结合数值分析及汽车设计理论，从油箱和尿素箱系统的力学结构特征着手，进行轻卡一体油箱轻量化结构优化设计，采用一套箍带固定支架，结合CAE分析及道路耐久验证试验分析结果可知：

1）一体油箱在X向5 g冲击，Y向5 g加载工况下，油箱本体最大应力为4.1 MPa，小于其材料HDPE的屈服强度；尿素箱最大应力为4.9 MPa，小于其材料HDPE的屈服强度；固定支架最大应力为189.2 MPa，小于其材料Q235的屈服强度；箍带最大应力为213.6 MPa，小于其材料屈服强度315 MPa。故一体油箱整体结构强度性能符合设计性能目标要求。

2）一体油箱道路耐久试验完成后，其外观、密封性能、电子功能液位阻值输出性能均合格，满足开发耐久性能目标要求。研究结果表明，一体油箱结构紧凑，受力均匀，释放了整车布置空间，提升了轻卡特种改装应用市场前景，实现减重15 kg，结构新颖，极大地提高了产品品质和吸引力。