国六轻型柴油车尿素箱总成的结构优化与验证_兰通仁.pdf

柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）工艺与材料国六轻型柴油车尿素箱总成的结构优化与验证兰通仁（厦门环境保护机动车污染控制技术中心，福建 厦门 361023）摘要：从降低制造成本、减少安装工时、结构轻量化角度出发，对符合国六排放标准的轻型柴油车尿素箱总成进行结构优化及验证。将尿素箱结构从分体式优化为一体式，并利用有限元软件对优化设计方案进行应力分析，根据分析结果选择最优方案。将采用最优方案生产的样件装配于实车上，进行等效于20万km的强化路面耐久可靠性测试。结果表明：优化后的一体式尿素箱在满足结构强度和耐久可靠性的前提下，不仅可以实现结构轻量化，而且可以减少安装工时和降低制造成本。该优化设计可以为柴油机后处理系统的可靠性设计提供参考。关键词：尿素箱；一体式；有限元分析；耐久可靠性Structure optimization and verification of the urea box assembly of a China-light diesel vehicleLAN Tongren（Xiamen Environment Protection Vehicle Emission Control Technology Center，Xiamen 361023，Fujian，China）Abstract：From the perspective of reducing manufacturing costs，reducing installation hours and lightweight，the structure optimization and verification of the urea box of a China-light diesel vehicle was carried out.The urea box structure was optimized from split to integrated structure，and the stress analysis of the optimized design scheme was simulated by finite element software，and the best scheme was selected based on the analysis results.The durability and reliability of the best scheme sample on the real vehicle was verified.The sample produced by the best scheme was assembled on a real vehicle and subjected to durability and reliability testing of the reinforced pavement equivalent to 200 000 km.The results show that the optimized integrated urea box not only achieves lightweight but also achieves the goal of reducing installation hours and production costs under the premise of meeting the requirements of structural strength，durability and reliability.It can provide reference for the reliability design for the subsequent post-processing system.Key words：urea box；integrated；finite element simulation；durability and reliabilityDOI：10.3969/j.issn.1671-0614.2023.02.0090前言GB 18352.62016轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）（以下简称“国六法规”）的实施，对整车排放控制提出了更高的要求。为了满足国六法规的排放要求，大多数车用柴油机后处理系统采用了氧化催化器（DOC）-颗粒捕集器（DPF）-选择性催化还原（SCR）催化器的技术路线 1-4。SCR作者简介：兰通仁（1977），男，本科，高级工程师，主要研究方向为动力、排放相关零部件系统设计匹配。-44柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）催化器的技术路线需要尿素参与反应，因此尿素箱成为了柴油机后处理系统的关键部件。此外，国六法规要求排放后处理系统耐久里程不低于16万km或20万km，这对尿素箱的耐久可靠性也提出了更高要求。在此背景下，可节油减排、降低制造成本、减少安装工时、轻量化是尿素箱的发展趋势。近年来，国内主机厂和科研院校大多专注于尿素箱支架结构设计优化工作，但对尿素箱总成一体化结构优化的研究较少。为了实现降低尿素箱制造成本、减少安装工时、轻量化的目标，本文对某企业生产的符合国六法规的轻型柴油车尿素箱进行结构改进，利用有限元软件对尿素箱结构进行优化和模态性能分析，以确定优化方案；按照优化方案进行样件试制，并对样件进行耐久可靠性测试。1设计目的在对符合国六法规车辆的尾气进行车载自动诊断（OBD）标定时需要发动机与尿素箱匹配。原尿素箱总成由发动机厂商设计并由整车企业进行生产和安装。尿素箱采用分体式结构，设计方案如图1所示。分析评估发现，由于需要单独金属支架，这种分体式尿素箱的设计方案存在制造成本高、安装工艺复杂、安装工时长、质量大等问题。因此，要设计一款可以降低制造成本、减少安装工时又轻量化的一体式尿素箱。2尿素箱优化设计方案的有限元模拟及改进取消尿素箱金属支架后，该一体式尿素箱安装座直接与车身连接。在实际使用过程中车辆振动和加减速过程中产生的冲击力、尿素箱内部溶液产生的冲击力都需要由尿素箱自身结构来承担。尿素箱结构强度应符合该企业的标准，即锁付点附件的应力应小于材料屈服强度（9.8 MPa）。利用有限元软件对尿素箱进行强度分析，确认该一体式尿素箱能否满足使用要求。2.1 建立有限元模型2.1.1输入数据根据车身安装孔位置及该款车型续航里程（燃油与尿素消耗比例）要求确定尿素箱三维几何数据，尿素箱材料为聚乙烯（PE），其材料参数见表1。该一体式尿素箱满载总质量为15 kg，其有限元模型如图2所示。2.1.2建模方法该一体式尿素箱整体为壁厚4 mm的薄壁结构，使用shell单元进行离散化。锁付点的螺栓孔将上下表面的washer单元采用RB2单元刚化后连接到上表面的孔中心，在此位置尿素箱需要镶嵌金属套筒一体成型。将尿素箱下半部分的节点通过RB3单元连接到质心坐标位置的节点上，后续的载荷通过此节图1原分体式尿素箱设计方案表1尿素箱材料参数参数材料厚度/mm弹性模量/GPa泊松比密度/（gcm3）屈服强度/MPa抗拉强度/MPa参数值40.840.950.380.9219.817.6图2一体式尿素箱有限元模型-45柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）点施加。假设尿素箱锁付点对应的车身结构是完全刚性的，本文仅分析尿素箱锁付在刚性平面上的锁付结构强度。2.1.3模型质量控制车身模型的shell网格基础尺寸为10 mm，因为线性静力分析对网格质量要求不高，采用Hypermesh软件默认的网格控制要求即可。2.2 工况分析将4个锁付点的RB2单元的集中节点的6个方向自由度完全约束，如图3所示。选取28工况法中的8个典型工况进行分析，载荷工况见表2。其中，工况3、4、6、7、8的应力分析结果如图4所示。由图4可知：工况3、4、6、7、8的最大应力分别为 10.1 MPa、10.1 MPa、10.3 MPa、11.5 MPa、11.6 MPa，均超过材料的屈服强度（9.8 MPa），表明该一体式尿素箱的设计方案满足不了整车强度需求。2.3 方案改进经过与尿素箱供应商及尿素箱材料供应商沟通，有以下2个改进方案：方案1为保持尿素箱的厚度不变，将材料的屈服强度提升到15 MPa以上，抗拉强度提升至20 MPa。此时，工况3、4、6、7、8的最大应力均低于材料的屈服强度（15 MPa），且有29%以上的安全裕度，尿素箱强度符合要求。方案2为保持尿素箱的材料不变，将尿素箱的厚度由4 mm提升至5 mm，对该方案进行应力分析。此时，工况3、4、6、7、8的最大应力分别为7.0 MPa、7.0 MPa、7.1 MPa、8.0 MPa、8.0 MPa，均低于材料的屈服强度（9.8 MPa），安全裕度为22.5%，尿素箱强度符合要求。方案1和方案2在结构强度上均能满足尿素箱实际使用需求。综合考量尿素箱成型工艺、材料改善难易程度等因素，决定按方案2进行产品开发。方案2尿素箱的应力分析结果如图5所示。3实车耐久可靠性验证按照方案2进行样件试制，然后再对试制样件进行实车道路验证，验证通过后方可批量生产。3.1 耐久可靠性标准国六法规要求：排放相关零部件需要满足20万km耐久要求。结合该企业自身对整车及相关零部件的检验标准，采用8 000 km强化耐久工况进图3RB2单元集中节点约束表2有限元模型的8个典型载荷工况工况12345678工况说明向前4g1）：在尿素箱质心处沿X轴正向施加4m2）的力向后4g：在尿素箱质心处沿X轴负向施加4m的力向前11g：在尿素箱质心处沿X轴正向施加11m的力向后11g：在尿素箱质心处沿X轴负向施加11m的力向上4g：在尿素箱质心处沿Z轴正向施加4m的力向下6g：在尿素箱质心处沿Z轴负向施加6m的力向左3g：在尿素箱质心处沿Y轴正向施加3m的力向右3g：在尿素箱质心处沿Y轴负向施加3m的力加速度载荷X4g4g11g11gY3g3gZ1g1g1g1g3g7g1g1g注：1）g为重力加速度；2）m为尿素箱质量。-46柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）行实车考核（强化耐久工况与正常驾驶工况里程比为125）。3.2 耐久可靠性测试道路耐久可靠性测试道路由6种路面组成，即高速环道路面、长直线性能路面、可靠性和耐久性试验路面、防抱死制动系统（ABS）试验路面、综合试验路面、石块路面。测试道路平面图如图6所示。3.3 实车道路耐久可靠性试验结果完成8 000 km强化耐久工况（相当于20万km正常驾驶工况）后，将尿素箱清洗干净，检查尿素箱外观无变形、龟裂，金属支架保持完好无任何异常现象，如图7所示。由图7可知，优化后尿素箱能满足耐久可靠性要求。图5方案2尿素箱的应力分析结果图4一体式尿素箱应力分析结果-47柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）4尿素箱总成优化设计前后优缺点对比尿素箱由分体式优化设计为一体式结构，安装工艺简单，节省了金属支架成本和尿素箱金属支架预装工时成本。优化前后尿素箱总成差异见表3。由表3可知，优化后尿素箱总成优势明显。经过优化设计，该一体式尿素箱在安装时直接可用4个螺栓安装在车体上，安装方式简单，减少了安装工人劳动强度和安装时间，节省了人力成本。而且，该优化设计减少了金属支架，既减小了整车质量，又减少了金属支架的采购成本。缺点是优化后的尿素箱维修成本相对较高。5结语设计开发了一种一体式尿素箱，通过有限元软件对其三维数据进行强度模拟，并进行二次优化。对最终优化方案进行样件试制，并对样件进行8 000 km强化耐久验证。耐久可靠性验证后样件无开裂、变形等现象，完全可以满足整车可靠性使用要求。从尿素箱总成零件数量、质量、安装工序、安装工时和成本等角度，对比了尿素箱总成结构优化前后的差异。结果表明：优化后，尿素箱总成零件数量减少2个、质量减少4 kg、安装工序减少2步、安装工时减少6.5 min、安装夹具减少2套、节省成本158元。此次尿素箱优化设计将分体式的尿素箱总成设计为一体式尿素箱总成，满足了企业节省制造成本、减少安装工时、轻量化的目的。该优化设计可为柴油机后处理系统的可靠性设计提供参考。参考文献1 李俊普，陈宁，刘伟达，等.柴油机后处理系统材料腐蚀对催化剂性能的影响 J.内燃机与动力装置，2022，39（4）：35-40.2 刘颖帅，胡广地，齐宝华.固态SCR技术降低柴油机尾气NOx的排放 J.环境工程学报，2021，15（2）：626-634.3 郭冬雪，潘伟，王泽宇，等.国六柴油机故障诊断智能决策支持系统 J.内燃机与配件，2022，13（16）：59-61.4 郭冬雪，潘伟，庄明超，等.国六柴油机进气流量控制策略优化 J.内燃机与动力装置，2022，39（3）：6.图6测试道路平面示意图图7耐久可靠性试验后尿素箱外观表3优化前后尿素箱总成差异项目总成零件数量总成质量/kg安装工序安装工时/min安装夹具数量零件成本/元优化前3838.03458优化后1411.51300-48