發(fā)動(dòng)機(jī)艙自動(dòng)滅火器方案設(shè)計(jì)

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1自動(dòng)滅火器位置布局

發(fā)動(dòng)機(jī)艙是汽車(chē)的中樞區(qū)域，布局緊湊。而自動(dòng)滅火器受自身體積外形所限，必須有一個(gè)合適的位置和牢固的方式放置。

1.1車(chē)身駕駛室艙內(nèi)布局

本文所述的商用車(chē)，是典型的前置發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)型。車(chē)身發(fā)動(dòng)機(jī)艙是整車(chē)的首腦部位，是動(dòng)力總成中心及控制中心。它是由駕駛室地板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、面罩框、前保險(xiǎn)杠等組成的一個(gè)半封閉的空間。其中動(dòng)力總成核心發(fā)動(dòng)機(jī)和控制中樞ECU等均放置于此，重要部件還有蓄電池、前蒸發(fā)器、暖風(fēng)、風(fēng)窗洗滌壺、ABS、空壓泵、散熱水箱、前燈、防凍液壺等。另外，電子電器設(shè)備的電源線(xiàn)束、控制信號(hào)線(xiàn)束，進(jìn)排氣管道、液體循環(huán)管路等都在艙內(nèi)形成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)由于放置了眾多的零部件，導(dǎo)致布局空間相當(dāng)緊湊，而滅火器及其附屬支架占用空間較大。并且艙內(nèi)器件依托的車(chē)身本體鐵件大多是材料厚度較薄的鐵板，在滅火器本體3G動(dòng)載工況下零部件強(qiáng)度較難滿(mǎn)足安裝要求。

1.2滅火器的布置原則

滅火器在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)布置，需要在滿(mǎn)足滅火要求的前提下，選擇強(qiáng)度高的車(chē)身部位，不降低車(chē)身模態(tài)及零部件強(qiáng)度、剛度。

1.2.1針對(duì)易起火點(diǎn)布置

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)易起火部位主要有發(fā)動(dòng)機(jī)本體及其管路、蓄電池及其開(kāi)關(guān)等部位，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)引起的火患最難控制，后果最為慘烈。發(fā)動(dòng)機(jī)及其管路其上易著火點(diǎn)按照危險(xiǎn)性，依次為增壓器、發(fā)電機(jī)、高壓燃油泵及高壓燃油管、排氣管等。針對(duì)易著火點(diǎn)在艙內(nèi)的位置分布和法規(guī)規(guī)定的滅火劑劑量要求，最終確定在本車(chē)型上安裝左右對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)滅火器，內(nèi)貯干粉質(zhì)量均為400克。車(chē)身左側(cè)位置的滅火器滅主要針對(duì)高壓燃油泵、增壓器等的火情，并能兼顧蓄電池可能產(chǎn)生的險(xiǎn)情；車(chē)身右側(cè)的滅火器則主要排氣管、發(fā)電機(jī)等的火情。

1.2.2選擇車(chē)身強(qiáng)度足夠高的部位作為安裝位置

由于滅火器外殼較厚，加上支架和內(nèi)貯干粉質(zhì)量，整個(gè)滅火裝置的重量比較大，因此選擇厚度大、材料屈服強(qiáng)度較高的車(chē)身位置安裝，是非常重要的。而當(dāng)零件料厚達(dá)不到直接安裝要求時(shí)，就必須對(duì)零件貼加強(qiáng)膠片和焊接加強(qiáng)支架來(lái)保證足夠的安裝強(qiáng)度。本車(chē)型的面罩框采用的雙層鋼板結(jié)構(gòu)，骨架和外板都采用了高強(qiáng)度合金鋼，材料具有良好的強(qiáng)度和剛度性能，滅火器就安裝于面罩框的兩側(cè)位置。為了滿(mǎn)足較高的安全系數(shù)，使面罩框不至于出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題，面罩框骨架部位增加了加強(qiáng)板，滅火器支架直接安裝于增加了加強(qiáng)板的零件處。

1.2.3滅火器拆裝方便，并且不影響艙內(nèi)其他器件維護(hù)作業(yè)。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)器件數(shù)量比較多，有一些部件需要經(jīng)常性拆裝，滅火器布置之后不能影響其他部件后續(xù)操作。滅火器自身也需要拆裝方便，只需要簡(jiǎn)單工具就能實(shí)現(xiàn)一次拆裝操作。另外，滅火器布置位置盡量對(duì)稱(chēng)，既美觀又對(duì)車(chē)身模態(tài)有益。根據(jù)車(chē)身發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件布局，結(jié)合滅火器的放置原則，本車(chē)型最終確定了滅火器放置于面罩框內(nèi)側(cè)上安裝點(diǎn)處，以支架懸掛固定的布置方式。滅火器自身用圓形抱箍緊抱，并與滅火器支架連接，滅火器支架另一端用螺栓固定于面罩框上。

2滅火器布置方案

2.1面罩框本體加強(qiáng)方案

面罩框本體是由內(nèi)外兩層鋼板點(diǎn)焊而成，內(nèi)部為焊接骨架，外部為一體化沖壓成型的鋼板，安裝外飾件。面罩框骨架總成為幾塊高強(qiáng)度板材焊接而成，內(nèi)外板之間除搭接邊處，均有內(nèi)部空腔，由于滅火器重量較重，內(nèi)部需要增加加強(qiáng)板作為補(bǔ)充。加強(qiáng)板上需要焊接凸焊螺母，安裝螺栓可以直接與凸焊螺母配合，安裝便捷。

2.2滅火器支架設(shè)計(jì)方案

滅火器的安裝在滿(mǎn)足良好的布置位置基礎(chǔ)上，選擇安裝與固定方式也是極其重要的。目前主流的滅火器外殼為全鋁合金沖壓而成，無(wú)法用焊接的方式實(shí)現(xiàn)固定。而滅火器本體為了保證外形尺寸與密封性，不能在外殼壁隨意開(kāi)孔。因此，滅火器本體需要用夾持的方式實(shí)現(xiàn)固定。滅火器與面罩框之間為了安裝與安全需要，必須保持一定的安全距離。因此，兩者之間須用剛性支架進(jìn)行連接。支架自身既要能滿(mǎn)足滅火器本體的重力場(chǎng)動(dòng)載所需的材料屈服強(qiáng)度，也要滿(mǎn)足與面罩框連接在一起時(shí)候的模態(tài)特性。支架制作所用必須為高強(qiáng)度合金鋼板，并且要增加加強(qiáng)筋和鈑金件翻邊來(lái)增大其抗彎模量。

2.3滅火器連接支架方案對(duì)比

滅火器連接支架在不同材料和不同料厚情況下，對(duì)滅火器安裝狀態(tài)影響很大。增大連接支架的鈑金厚度，會(huì)增加滅火器的連接強(qiáng)度。但同時(shí)自身重量也會(huì)增加，對(duì)面罩框連接點(diǎn)處的局部應(yīng)力沖擊會(huì)更大，面罩框整體模態(tài)可能會(huì)降低。因此，本文針對(duì)連接支架在不同料厚下的應(yīng)力影響進(jìn)行了分析比較。

2.3.1方案一

滅火器本體、抱箍等為供應(yīng)商合成供貨，并提供了詳細(xì)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。面罩框加強(qiáng)板采用高強(qiáng)度合金鋼DC03，料厚2.0mm。滅火器連接支架的料厚為設(shè)計(jì)變量，從幾種車(chē)身鈑金件主流料厚中選擇合適的厚度。在方案一中，滅火器連接支架采用1.5mm厚度的鋼板，具體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)下表。

2.3.2方案二

在方案二中，增加滅火器連接支架材料厚度，采用2.0mm厚度同型鋼板。其余設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)均保持不變。

3滅火器布置方案有限元分析

在確定滅火器布置方案之后，需要分別進(jìn)行應(yīng)力分析，以驗(yàn)證面罩框、連接支架的整體強(qiáng)度、模態(tài)等是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)方案一和方案二中的數(shù)據(jù)，前處理采用hapermesh軟件，求解器采用ABAQUS軟件。計(jì)算3G動(dòng)載工況驗(yàn)證滅火器支架及相關(guān)零部件的強(qiáng)度；在前處理過(guò)程中，輸入邊界條件，約束面罩框總成與車(chē)身的安裝孔全部自由度，計(jì)算模態(tài)。目標(biāo)值要求滅火器支架總成一階模態(tài)值不小于33Hz。

3.1方案一

滅火器支架總成一階模態(tài)：滅火器支架總成二階模態(tài)：3G動(dòng)載工況驗(yàn)證面罩框骨架上加強(qiáng)板應(yīng)力結(jié)果：

3.2方案二

滅火器支架總成一階模態(tài)：滅火器支架總成二階模態(tài)：3G動(dòng)載工況驗(yàn)證面罩框骨架上加強(qiáng)板應(yīng)力結(jié)果：

3.3方案比較由有限元分析

方案一中1.5mm支架在3G動(dòng)載工況下的應(yīng)力滿(mǎn)足要求，但是一階模態(tài)比較低，滅火器連接支架可能在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，滅火器連接支架需要通過(guò)增加厚度加強(qiáng)筋等增大一階模態(tài)。方案二中2.0mm料厚滅火器連接支架在模態(tài)分析和3G動(dòng)載工況下，均滿(mǎn)足合格標(biāo)準(zhǔn)，一階模態(tài)37.5Hz，超過(guò)面罩框一階模態(tài)最低標(biāo)準(zhǔn)33Hz；3G動(dòng)載下面罩框骨架上加強(qiáng)板應(yīng)力68.9Mpa，比方案一略有上升，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于面罩框骨架上加強(qiáng)板的應(yīng)力極限120Mpa。方案二中滅火器連接支架能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，2.0mm厚度鋼板也是車(chē)身最常用板材，設(shè)計(jì)該料厚是可行的。面罩框加強(qiáng)板、滅火器抱箍等也均能滿(mǎn)足要求，方案二為本車(chē)型所采納。

4結(jié)論

根據(jù)滅火器的布置原則，選擇面罩框部位作為安裝位置，該部位車(chē)身強(qiáng)度足夠高、便于拆裝。滅火器采用左右對(duì)稱(chēng)布置，左右各懸置一個(gè)。為了滿(mǎn)足較高的安全系數(shù)，使面罩框不至于出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題，面罩框骨架部位增加了加強(qiáng)板，滅火器通過(guò)連接支架安裝于此處位置。由于布置方案對(duì)滅火器連接支架要求最高，本車(chē)型對(duì)連接支架進(jìn)行了差異化方案設(shè)計(jì)。本車(chē)選擇了兩組方案，以滅火器連接支架的鈑金厚度為變量，分別驗(yàn)證能否滿(mǎn)足面罩框模態(tài)特性和滅火器重力場(chǎng)動(dòng)載要求。經(jīng)過(guò)有限元分析，連接支架設(shè)計(jì)厚度2.0mm能夠滿(mǎn)足安裝要求，本車(chē)最終采用了方案二作為布置方案。本車(chē)自動(dòng)滅火器布置方案既保證了及時(shí)撲滅火情的需要，也滿(mǎn)足了車(chē)身自身的強(qiáng)度和模態(tài)特性，后續(xù)即可以進(jìn)行大批量產(chǎn)品車(chē)驗(yàn)證。如果本方案最終被采納，對(duì)于車(chē)輛安全性與車(chē)身性能的提升均會(huì)起到較大作用。

作者：孟兵 單位：南京汽車(chē)集團(tuán)有限公司汽車(chē)工程研究院