汽車燃油箱燃油晃動異響成因及防浪板方案研究

張允峰 唐基榮

【摘 要】文章對汽車燃油箱燃油晃動異響成因進行了分析，對比了金屬油箱、塑料油箱及橫置、縱置情況下的油箱晃動異響表現(xiàn)，并總結出一些缺陷油箱結構形式，進而提出了異響問題的解決方法。采用文章所述的方法，對某問題油箱進行防浪板設計、應用，有效地消除了異響，顯著提高了整車NVH效果。文章增加了燃油箱設計者對燃油箱的燃油晃動異響機理的認識，并提供了幾種缺陷油箱結構形式及燃油晃動異響的解決方法。

【關鍵詞】燃油箱;晃動異響;防浪板

【中圖分類號】U464 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）02-0061-03

燃油箱內燃油晃動異響現(xiàn)象隨著客戶的追求不斷提高、整車NVH性能不斷提升、產品定位不斷升級而逐漸得到人們的重視。伴隨計算機技術不斷發(fā)展，已經產生一些液體晃動方面的分析方法、軟件，如王照林等人針對液體非線性晃動的一些定性理論及穩(wěn)定性問題進行了較為系統(tǒng)的研究;包光偉等人采用VOF方法對液體晃動進行了數(shù)值仿真;劉富等人采用SPH方法對棱形液艙在外加激勵作用下，不同充液比工況所對應的艙內液體晃動進行了三維數(shù)值模擬，并將其與實驗進行對比，兩者吻合較好，同時成功地模擬出液體晃動產生的波浪翻卷和破碎。

CAE分析作為重要的前期工程分析手段，存在耗時長、準確性不高、費用高、技術門檻高等缺陷。在當前汽車行業(yè)快速迭代的市場環(huán)境下，略顯乏力。本文基于十多年燃油箱開發(fā)設計、異響問題處理經驗，總結概括一些異響因素和結構缺陷，并提出解決方法，可以避免較為明顯的晃動異響現(xiàn)象，從根本上提升設計質量，降低產品風險，減少產品開發(fā)周期。

1 油箱晃動異響研究

1.1 油箱晃動異響機理

車輛在行駛過程中，尤其是在加速或減速過程中，燃油箱內部的燃油由于慣性作用，將會發(fā)生晃動。在滿足一些特定條件時，液面拍打油箱殼體，或者飛濺，從而產生異響，并通過振動向外輻射噪音（如圖1所示）。

1.2 油箱內液體運動特征

油箱內液體的運動特征，是研究分析晃動異響原因的必要條件。經大量測試觀察，油箱內液體運動規(guī)律如圖2所示。

勻速行駛：正常行駛過程中，液面較為穩(wěn)定。

制動時：從開始踩剎車到完全停止，液體向油箱前部移動。該過程因制動緩急不同而運動速度不同：急剎時液體向油箱前部快速流動，一般容易產生碎裂的水花飛濺聲;緩剎時液面是從水平緩慢向前傾斜。該過程一般無異響問題：緩剎時液面是緩慢向前傾斜，不會產生液面拍打箱體的動作;急剎時背景噪音較大、乘客注意力轉移等因素，塑料油箱一般感受不到水花飛濺聲，下殼體特征復雜的金屬油箱偶爾會發(fā)生異響。

停車時：在車輛停止的瞬間，液體開始快速回流，液體在油箱內做前后往復流動。油箱內燃油量較少時可以看到液體前后流動，當達到1/2以上時，主要表現(xiàn)是油箱前后液面的上下起伏運動。因車輛已停止，背景噪音已消失。油箱晃動異響大都產生在該階段。不同的油箱布置形式、材料會產生不同的異響特征。

1.3 油箱布置、材料對晃動異響的影響

典型的油箱布置，大體包括縱置油箱和橫置油箱兩種（如圖3所示）。

縱置油箱：一般用在微車、中大型MPV上。該布置形式的油箱，液體晃動時水花聲較少。在停車后，液體在油箱內前后往復次數(shù)較多，可達10次以上，而且往復一次間隔也較長，約1 s（跟油箱在縱向的尺寸相關）。如果油箱結構存在缺陷，停車后甚至可聽到十余次較為明顯的異響。

橫置油箱：轎車、SUV常用的一種布置方式。該布置形式的油箱，在停車后，液體在油箱內前后往復次數(shù)較少，一般2次（跟油箱在縱向的尺寸相關）。而且往復一次間隔急促。如果油箱結構存在缺陷，停車后一般發(fā)生1～2次異響。

從材料上劃分，油箱可分為金屬油箱、塑料油箱。

金屬油箱：可滿足深沖工藝的冷軋低碳鋼板，壁厚一般為1 mm，前十階模態(tài)為100～400 Hz。

塑料油箱：高密度聚乙烯（HDPE），平均厚度為5 mm，前十階模態(tài)為30～150 Hz。

油箱產生的噪音，頻率范圍一般在30～500 Hz，與金屬油箱高階模態(tài)重合度較高，對液體拍打箱體、液體飛濺的水花聲阻擋效果不佳。在橫置油箱方案中，往往在急剎時容易產生水花聲，類似“嘩啦啦”聲。如果油箱結構存在缺陷，可產生明顯的“咚咚”聲。塑料油箱則對高頻噪音具有很好的阻隔作用，無論在橫置還是縱置方案中，均較難聽到水花聲。如果油箱結構存在缺陷，也可產生明顯的“咚咚”聲。

1.4 油箱晃動異響產生的典型結構

不是所有油箱都一定產生異響。但由于設計開發(fā)時油箱受周邊約束，所以油箱外形往往不太規(guī)則。如前所述，油箱的上殼體兩端如果存在臺階面，或者因下凹特征產生的空腔特征，在特定燃油量時，因燃油液面上下運動時擊打臺階面而產生異響（如圖4所示）。

圖4各情況下的異響特點：A.油位接近臺階面，晃動時液面拍打臺階面，產生“咚”的一聲;B.油位接近臺階面，液體拍打臺階面，并同時與腔體形成二次異響，產生“咕咚”聲;C.與A類似，往往在較扁的油箱、滿油位時產生。

油箱下殼體因避讓排氣管等系統(tǒng)所產生的特征，在較為平緩的路上滑行時也容易產生水花聲。該特征在金屬油箱上時有發(fā)生。

此外，相關研究表明，液體在油箱內的晃動頻率與油箱縱向尺寸、液體深度相關：在縱向尺寸不變的情況下，液面升高，則液體晃動頻率上升。這與油箱橫置、縱置所展現(xiàn)的晃動異響特點相吻合，在異響問題解決、防浪板布置時需要重點考慮。

2 防浪板布置與結構

油箱外形往往受周邊約束，改善余地較少。目前比較普遍的做法是在油箱內增加防浪板來消除晃動異響問題。對于有結構缺陷的油箱，在特定位置設置防浪板，可以較好地消除液體拍打臺階面產生的噪音。以圖4所示的A情況，可以在臺階處增加防浪板（如圖5所示）。

例如，某問題車型（縱置、塑料油箱），在半箱油、滿油位條件下制動，均出現(xiàn)多次“咚咚”聲。經研究，油箱上殼體因外部條件而產生臺階結構。隨后采取了上述防浪板方案，在前后兩個大的臺階處增加防浪板（如圖6所示）。防浪板有效地避免了液體拍打上殼體臺階面，成功消除了“咚咚”聲，取得預期效果。

對于防浪板結構，相關研究有如下結論。

防浪板位置：由于異響往往發(fā)生在停車后液體回流過程，所以防浪板布置在中后位要優(yōu)于前部。

防浪板高度：顯然，更高的防浪板（深入液體部分越多），可更好地防止液體流動。

防浪板開孔：同理，小開孔可更好地防止液體流動。

3 總結

本文著重研究了燃油在油箱內的運動特征和異響發(fā)生的機理，并總結出一些異響結構和解決方法，提升了燃油系統(tǒng)設計者對燃油箱晃動異響問題的認識水平。

（1）油箱的晃動異響，主要是由于油箱上殼體存在結構缺陷，在液體沖擊過程中易形成撞擊聲。而且，油箱的不同布置形式、不同材料，其燃油晃動異響表現(xiàn)也存在差異性。塑料油箱的NVH整體效果要優(yōu)于金屬油箱。

（2）油箱前期設計時，其上殼體要避免出現(xiàn)明顯臺階結構。對于結構有缺陷的油箱，在合適的位置布置防浪板，可以有效地消除異響。

參 考 文 獻

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