周志，李海豐，揭林瓏

湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北十堰 442002

0 引言

汽車輕量化的提出與發(fā)展對汽車零部件的設(shè)計(jì)與制造產(chǎn)生了重要影響，由此帶來了較大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)價(jià)值。現(xiàn)今，隨著國家碳排放和節(jié)能環(huán)保相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的實(shí)施與收緊，汽車零部件對整車的貢獻(xiàn)不再局限于個(gè)別零部件的輕量化，而是逐步擴(kuò)展開來。燃油箱作為汽車構(gòu)造中的關(guān)鍵部件，目前雖已在部分車型上實(shí)現(xiàn)了輕量化，但整體推廣運(yùn)用情況仍不理想。本文從材料、結(jié)構(gòu)、工藝3個(gè)方面介紹了目前塑料燃油箱的輕量化技術(shù)以及市場現(xiàn)狀，提出了今后的發(fā)展方向，以進(jìn)一步推進(jìn)塑料燃油箱的研究與發(fā)展。

1 塑料燃油箱

燃油箱是汽車上貯存燃油的容器，起著對油液沉降雜質(zhì)、隔離污染物、穩(wěn)定安全供油的作用。目前市面可見的燃油箱有金屬油箱和塑料油箱，前者的材質(zhì)一般可選用鍍鋅鋼板、鋁(鎂)合金、不銹鋼等，生產(chǎn)流程一般為：下料→沖孔→折彎(沖壓)→焊接→前處理→涂裝等。由于金屬材質(zhì)油箱價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、不易破損，在商用車等需要大容量油箱的車型上廣泛使用，乘用車上也因其易于加工和焊接而在早期運(yùn)用較多。后來發(fā)現(xiàn)金屬油箱易生銹、質(zhì)量大，越來越不適應(yīng)汽車工業(yè)“新四化”，特別是輕量化的要求，因此，塑料油箱的開發(fā)使用應(yīng)運(yùn)而生。以往認(rèn)為塑料油箱主要通過減重來提高車輛的能源使用效率(表1)，同時(shí)具有耐用、防腐、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，后來隨著國家節(jié)能環(huán)保、碳排放等政策的收緊，塑料油箱在這方面體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢。

表1 汽車減重效果

綜合而言，塑料燃油箱主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)輕質(zhì)，減重效果明顯；

(2)耐蝕，特別適合于高寒、高鹽地區(qū)；

(3)造型設(shè)計(jì)靈活，可充分利用整車空間；

(4)安全，受熱彈性變形而避免爆炸；

(5)制造工藝簡單，生產(chǎn)成本低；

(6)整個(gè)制造工序能耗低、排放少；

(7)余料及報(bào)廢件均可回收。

圖1展示了某車型的異形塑料燃油箱。

圖1 某車型的異形塑料燃油箱

2 塑料燃油箱材質(zhì)

目前塑料燃油箱的原材料均為聚乙烯(PE)，作為一種常見的熱塑性樹脂，PE無毒無臭，具有很好的耐低溫性能，并且化學(xué)性能穩(wěn)定，能耐大多數(shù)無氧化性酸及堿的腐蝕；同時(shí)常溫下也不溶于一般溶劑，電絕緣性好且吸水性小。PE的合成方式多且產(chǎn)量大，因此被選用為塑料燃油箱的原材料。在實(shí)際工程應(yīng)用中，PE因密度的差異，性能有很大區(qū)別。

聚乙烯依聚合方法、分子量高低及鏈結(jié)構(gòu)不同主要分為高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)以及線性低密度聚乙烯(LLDPE)。HDPE一般是在管式或釜式低壓反應(yīng)器中以乙烯為原料，用氧或有機(jī)過氧化物為引發(fā)劑引發(fā)聚合反應(yīng)制得，具有較高的耐油性、耐蒸汽滲透性和抗環(huán)境應(yīng)力開裂性，此外電絕緣性和抗沖擊性及耐寒性能也很好;LDPE是在引發(fā)劑的作用下，以乙烯為原料高壓壓縮進(jìn)行聚合反應(yīng)制得，有良好的柔韌性、延伸性、電絕緣性、易加工性和一定的透氣性;LLDPE是在催化劑作用下經(jīng)高壓或低壓進(jìn)行氣相流化床聚合制成，相比LDPE有較高的軟化溫度和熔融溫度，強(qiáng)度大、韌性好。表2給出了3種材料的性能特點(diǎn)對比。

表2 3種材料性能特點(diǎn)對比

HDPE因具有較高的剛性和韌性、良好的耐熱性和耐寒性以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定而成為目前汽車燃油箱的主要材料，在多層燃油箱中主要用在油箱的最內(nèi)層和最外層；而LLDPE因其韌性好、強(qiáng)度大，在油箱中被作為黏結(jié)劑使用。HDPE根據(jù)其特性在不同塑膠模具中又分為注射級、吹塑級和擠出級，不同用途的HDPE的物理性能見表3。

表3 不同用途的HDPE的物理性能

近年來，因其在吹塑級材料中優(yōu)異的物理性能，已經(jīng)發(fā)展為吹塑成型的主要原材料。同時(shí)，為滿足日益增多的油箱市場需求，不少廠家也推出了油箱專用HDPE料供多層共擠出工藝使用。

3 塑料燃油箱結(jié)構(gòu)

3.1 外觀結(jié)構(gòu)

商用車燃油箱的容積一般在100 L左右，乘用車一般在40～100 L。塑料燃油箱一般為異形件，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全指標(biāo)的前提下，厚度一般在4～10 mm，考慮到防滲漏多使用多層結(jié)構(gòu)。金屬油箱一般都是焊接成型，受到撞擊時(shí)容易發(fā)生斷裂，而塑料燃油箱的抗沖擊性要優(yōu)于金屬油箱。此外，燃油箱外部還有一些功能結(jié)構(gòu)如油表傳感器、加油口、通氣口等，這對油箱的模具在形狀和尺寸方面提出了較高的要求。圖2展示了塑料燃油箱的外部結(jié)構(gòu)。

圖2 塑料燃油箱的外部結(jié)構(gòu)

3.2 本體結(jié)構(gòu)

早期研發(fā)的塑料燃油箱有單層、三層和五層結(jié)構(gòu)，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)其安全性和抗?jié)B透性較差，最終目前使用的多為六層結(jié)構(gòu)塑料燃油箱，其結(jié)構(gòu)見表4。燃油箱結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外分別為：基礎(chǔ)層、黏合層、功能層、黏合層、回收料層、裝飾層(新料層)。六層塑料燃油箱結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，各層材料及性能要求見表5。其中基礎(chǔ)層在內(nèi)壁，主要的作用是為了讓燃油箱有足夠的強(qiáng)度、硬度以及穩(wěn)定性?；A(chǔ)層主要的材質(zhì)是HDPE。黏合層位于基礎(chǔ)層和功能層之間，因?yàn)榛A(chǔ)層和功能層材質(zhì)的不同，兩者之間進(jìn)行黏結(jié)是比較困難的，所以需要黏合層進(jìn)行黏結(jié)，黏結(jié)工藝是多層共擠出吹塑技術(shù)的重點(diǎn)。如果黏結(jié)工藝不佳將會(huì)導(dǎo)致黏結(jié)不良，發(fā)生層與層之間的脫離，從而使燃油箱的性能下降，黏合物的主要原材料是PE。功能層主要作用是阻隔燃料的滲透比如乙醇、汽油等燃料，同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)燃油箱的耐熱性，其重點(diǎn)在于材質(zhì)的選擇，選用的材質(zhì)需要有良好的阻隔性能、耐腐蝕性等?，F(xiàn)階段塑料燃油箱功能層大多數(shù)使用的材料是聚酰胺(PA)、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)等。其中PA具有良好的阻隔性能、耐腐蝕性能，但是吸濕性較差;EVOH有良好的加工性能，但是其吸附濕氣后，會(huì)對阻隔性能產(chǎn)生影響?；厥樟蠈泳褪菍⒓庸み^程中產(chǎn)生的廢料回收再利用，成分主要還是HDPE，回收再利用多次也不會(huì)影響其性能。

表4 塑料燃油箱結(jié)構(gòu)

圖3 六層塑料燃油箱結(jié)構(gòu)組成

表5 塑料燃油箱各層材料及性能要求

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金屬燃油箱一般通過焊接工藝設(shè)計(jì)成長方形或者圓柱形，并且在車架上利用支架進(jìn)行加固處理，整體的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性非常好；而塑料燃油箱由于造型靈活，多數(shù)情況下會(huì)根據(jù)車輛的空間設(shè)計(jì)成不規(guī)則形狀，在提升整車空間利用的同時(shí)，也給設(shè)計(jì)工作帶來了挑戰(zhàn)，即需要保證油箱的整體強(qiáng)度和安全性。油箱容積較大，行駛過程中油液的晃動(dòng)對油箱沖擊較大，在惡劣工況下更容易產(chǎn)生泄漏、疲勞損傷等破壞，因此要充分考慮車輛的使用工況(如油箱滿載、空載、常規(guī)等工況)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分優(yōu)化。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，汽車仿真模擬或有限元分析(CAE)被大量應(yīng)用并取得了很好效果，以往依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的油箱結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在可以充分利用CAE對油箱壁厚的設(shè)定、加強(qiáng)筋的布置、防波板的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)際上，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前業(yè)界使用的仿真分析軟件有Hypermesh、Ansys、Abaqus等，使用的分析方法主要為有限元分析法和拓?fù)鋬?yōu)化法。一般工作流程是先建立油箱的有限元模型，進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分及定義材料屬性；其次加載幾何和載荷工況，進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析以及疲勞分析等，獲得結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、六階模態(tài)和疲勞壽命等指標(biāo)，此外也有振動(dòng)與噪聲(NVH)分析、碰撞模擬等；然后與技術(shù)要求對比，綜合比較結(jié)構(gòu)優(yōu)劣，隨著增材制造技術(shù)(3D打印)的發(fā)展，也可借助3D打印來驗(yàn)證設(shè)計(jì)，以縮短開發(fā)周期并提高結(jié)構(gòu)的可靠度。此外，塑料燃油箱的設(shè)計(jì)還需考慮國家或行業(yè)的法規(guī)要求等。

4 塑料燃油箱成型工藝

對油箱這種中空制品可采用吹塑、滾塑工藝成型。吹塑工藝不易產(chǎn)生熔接縫，壁厚的允許范圍大，制品強(qiáng)度高；設(shè)備投入較少，生產(chǎn)速度快，效率高。滾塑亦稱旋轉(zhuǎn)成型，工藝雖簡單，但生產(chǎn)效率和產(chǎn)品尺寸精度較低，主要適用于體積較大產(chǎn)品的成型。因此目前塑料燃油箱采用的是多層共擠出吹塑成型技術(shù)，多層的原因主要是為了解決防滲透問題。早期的塑料燃油箱為單層結(jié)構(gòu)，為提高阻隔性，對油箱的內(nèi)表面采用表面處理技術(shù)進(jìn)行增強(qiáng)。單層塑料油箱的內(nèi)壁表面處理技術(shù)見表6。后來某公司在20世紀(jì)70年代研發(fā)了三層共擠吹塑容器，隨著在汽車工業(yè)上的運(yùn)用，其層級也越來越多，這種多層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了優(yōu)于單層結(jié)構(gòu)的良好的防滲透能力，經(jīng)過發(fā)展改進(jìn)并優(yōu)化后，現(xiàn)今的塑料油箱主要是由功能層、基礎(chǔ)層、回收料層和黏合層等六層結(jié)構(gòu)組成的層狀結(jié)構(gòu)。

表6 單層塑料油箱的內(nèi)壁表面處理技術(shù)

在對多層塑料燃油箱工藝分析時(shí)，一般先借助數(shù)模軟件對箱體進(jìn)行壁厚分析，要求壁厚相對均勻，吹塑成型時(shí)對各段料胚的氣壓應(yīng)保持一致。同時(shí)，為保證美觀，箱體壁外側(cè)的虎皮紋路要成型明顯，所以對料胚施加的氣壓要相對高一些。其次利用SolidWorks Flow Simulation對所設(shè)計(jì)箱體進(jìn)行模流分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，得到吹塑箱體的成型方案。主要的成型參數(shù)包括料筒前段溫度、料筒后段溫度、模頭溫度、擠出時(shí)間、吹氣壓力(吹氣方式)、吹氣冷卻時(shí)間、模具溫度等。在選用設(shè)備時(shí)，考慮節(jié)能要求，可使用全自動(dòng)節(jié)能型中空吹塑機(jī)，主要的設(shè)備參數(shù)包括螺桿直徑、最大制品容積、最大吹氣壓力、鎖模力、模具最大尺寸、開合模行程、最大口模直徑、儲(chǔ)料量、螺桿加熱功率等。最后設(shè)計(jì)并校核吹膜模具。

5 塑料燃油箱市場現(xiàn)狀

目前全球市場上塑料燃油箱的前三大供應(yīng)商為法國英瑞杰(Inergy)、德國考特斯(Kautex)及美國邦迪(Ti Walbro)，作為行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，三家共占有全球3/4左右的市場份額，而國內(nèi)著名的塑料燃油箱生產(chǎn)廠商僅有亞普和江蘇塑光。雖然我國塑料燃油箱市場國產(chǎn)化率達(dá)65%左右，但從表7可以看出國產(chǎn)產(chǎn)品在國際市場上占比較少，差距較大。

表7 塑料燃油箱市場主要的中外制造商

6 結(jié)束語

目前Inergy的零排放車輛燃油系統(tǒng)(PZEV)和雙片熱成型法等技術(shù)都符合美國的PZEV燃油標(biāo)準(zhǔn)(目前世界上汽車界最高的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn))，特別是Inergy的燃油系統(tǒng)有著和標(biāo)準(zhǔn)吹塑油箱一樣的六層結(jié)構(gòu)，這意味著多層復(fù)合塑料燃油箱是汽車燃油箱未來的發(fā)展方向。塑料燃油箱在國內(nèi)還有很大的發(fā)展空間，但也面臨著很多挑戰(zhàn)，主要是在實(shí)現(xiàn)車輛輕量化的同時(shí)保證良好的使用性能，還要符合日趨嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)。這對塑料燃油箱的研發(fā)提出了更高要求，其中阻隔性的提升，特別是具有良好阻隔性的材料(如韓國推出的可用于油箱的環(huán)保聚酮類材料POK)、結(jié)構(gòu)及工藝；以及整個(gè)生產(chǎn)制造、使用、報(bào)廢的產(chǎn)品全壽命周期下的節(jié)能環(huán)保與回收再生使用等，這是目前汽車廠商和燃油箱生產(chǎn)廠家應(yīng)共同探索研究的重要課題。