汽车燃油箱燃油晃动异响成因及防浪板方案研究
【摘 要】本文对汽车燃油箱燃油晃动异响成因进行了研究分析，对比总结了金属油箱、塑料油箱以及横置、纵置情况下的油箱晃动异响表现，并总结出一些缺陷油箱结构形式，进而提出了异响问题的解决方法，尤其是防浪板的布置方式。采用本文所述的方法，对某问题油箱进行防浪板设计、应用，有效的消除异响，显著提高整车NVH效果。本文增加了燃油箱设计者对燃油箱的燃油晃动异响机理的认识，并提供了几种缺陷油箱结构形式以及燃油晃动异响的解决方法。燃油箱内燃油晃动异响现象随着客户的追求不断提高、整车NVH性能不断提升、产品定位不断升级而逐渐得到重视。伴随计算机技术不断发展，已经产生一些液体晃动方面的分析方法、软件，如王照林等针对液体非线性晃动的一些定性理论以及稳定性问题进行了较为系统的研究；包光伟等采用VOF 方法对液体晃动进行了数值仿真；刘富等采用SPH 方法对棱形液舱在外加激励作用下，不同充液比工况所对应的舱内液体晃动进行了三维数值模拟，并将其与实验进行对比，两者吻合较好，同时成功地模拟出液体晃动产生的波浪翻卷和破碎。CAE分析作为重要的前期工程分析手段，也存在耗时长、准确性不足、费用高、技术门槛高等缺陷。在汽车行业当前快速迭代的市场环境下，略显乏力。本文基于十多年燃油箱开发设计、异响问题处理经验，总结概括一些异响因素，结构缺陷，并提出解决方法，可以很大程度上避免较为明显的晃动异响现象，从根本上提升设计质量，降低产品风险，减少产品开发周期。车辆在行驶过程中，尤其是在加/减速过程中，燃油箱内部的燃油由于惯性作用，将会发生晃动。在满足一些特定条件时，液面拍打油箱壳体，或者飞溅，从而产生异响，并通过振动向外辐射噪音。
油箱内液体的运动特征，是研究分析晃动异响原因的必要条件。经大量测试观察，油箱内液体运动规律如下：
制动时：从开始踩刹车到完全停止，液体向油箱前部移动。该过程因制动缓急不同而运动速度不同：急刹时液体向油箱前部快速流动，一般容易产生碎裂的水花飞溅声；缓刹时液面是从水平缓慢向前倾斜。该过程一般无异响问题：缓刹时液面是缓慢向前倾斜，不会产生液面拍打箱体的动作；急刹时背景噪音较大、乘客注意力转移等因素，塑料油箱一般感受不到水花飞溅声，下壳体特征复杂的金属油箱偶尔会发生异响。 停车时：在车辆停止的一瞬间，液体开始快速回流，液体在油箱内做前后往复流动。因车辆已停止，背景噪音已消失。油箱晃动异响大都产生在该阶段。不同的油箱布置形式、材料会产生不同的异响特征，见1.3述。 纵置油箱：一般用在微车、中大型MPV上。该布置型式的油箱，液体晃动时水花声较少。在停车后，液体在油箱内前后往复次数较多，可多达10次以上，而且往复一次间隔也较长，约1秒左右（跟油箱在纵向的尺寸相关）。如果油箱结构存在缺陷，停车后甚至可听到10余次较为明显的异响。
横置油箱：轿车、SUV常用的一种布置方式。该布置型式的油箱，在停车后，液体在油箱内前后往复次数较少，一般2次（跟油箱在纵向的尺寸相关）。而且往复一次间隔急促。如果油箱结构存在缺陷，停车后一般1~2次异响。金属油箱：可满足深冲工艺的冷轧低碳钢板，壁厚一般1mm，前十阶模态100~400Hz。塑料油箱：高密度聚乙烯（HDPE），平均厚度5mm，前十阶模态约30~150Hz。油箱产生的噪音，频率范围一般在30~500Hz，与金属油箱高阶模态重合度较高，对液体拍打箱体、液体飞溅的水花声阻挡效果不佳。在横置油箱方案中，往往在急刹时较为容易产生水花声，类似“哗啦啦”。如果油箱结构存在缺陷，可产生明显的“咚咚”声。塑料油箱则对高频噪音具有很好的阻隔性，无论在横置还是纵置方案中，均较难听到水花声。如果油箱结构存在缺陷，也可产生明显的“咚咚”声。不是所有油箱都一定产生异响。但由于设计开发时油箱受周边约束，油箱外形往往不太规则。油箱的上壳体两端如果存在台阶面，或者因下凹特征产生的空腔特征，都可能在某个油位状态时产生异响：
A：油位接近台阶面，晃动时液面拍打台阶面，产生“咚”一声；B：油位接近台阶面，液体拍打台阶面，并同时与腔体形成二次异响，产生“咕咚”声；油箱下壳体因避让排气管等系统所产生的特征，在较为平缓的路上滑行时也容易产生水花声。该特征在金属油箱上时有发生。另外，相关研究表明，液体在油箱内的晃动频率，与油箱纵向尺寸、液体深度相关：在纵向尺寸不变的情况下，液面升高，则液体晃动频率上升。这与油箱横置、纵置所展现的晃动异响特点相吻合，在异响问题解决、防浪板布置时需要考虑到。 油箱外形往往受周边约束，改善余地较少。目前比较普遍的做法是在油箱内增加防浪板来消除晃动异响问题。对于有结构缺陷的油箱，在特定位置设置防浪板，可以较好的消除液体拍打台阶面产生的噪音。以1.3所示的A情况，可以在台阶处增加防浪板：
例如某问题车型（纵置、塑料油箱），在半箱油、满油位条件下制动，均出现多次“咚咚”声。经研究，油箱上壳体因外部条件而产生台阶结构。后采取了上述防浪板方案，在前后两个大的台阶处增加防浪板（图6）。防浪板有效的避免了液体拍打上壳体台阶面，成功消除了“咚咚”声，取得预期效果。 防浪板位置：由于异响往往发生在停车后液体回流过程，所以，防浪板布置在中后位要优于前部； 防浪板高度：显然，更高的防浪板（深入液体部分越多），可更好的防止液体流动；1) 油箱的晃动异响，主要是由于油箱上壳体存在结构缺陷，在液体冲击过程中易形成撞击声。且油箱的布置形式、材料，其燃油晃动异响表现也存在差异性。塑料油箱的NVH整体效果要优于金属油箱。2) 油箱前期设计时，其上壳体要避免出现明显台阶结构。对于结构有缺陷的油箱，在合适的位置布置防浪板，可以有效的消除异响。[1]贾善坡等，储液容器内液体自由晃动的有限元分析计研究[J].船舶力学，2012(16).[2]宋庆华，塑料燃油箱防浪板设计分析[J].中国高校技术企业，2013(14).[3]陈学宏，Python语言在燃油箱晃动噪声模拟中的应用[J].中国高校技术企业，2012(12).[4]屠翔宇等，汽车燃油箱模态仿真分析及试验验证[J].噪声与振动控制，2012(21).
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首次发布时间：2023-04-15
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