一種正壓型油箱油量傳感器安裝組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 軍，樊銀斌，周 佳，王 宇

（第一拖拉機(jī)股份有限公司，河南 洛陽 471004）

1 存在的問題

大馬力輪式拖拉機(jī)燃油箱設(shè)計(jì)時(shí)，為了滿足農(nóng)忙作業(yè)時(shí)的需要，一般要求加滿燃油的情況下，拖拉機(jī)能持續(xù)工作10 h以上[1]。某型拖拉機(jī)整機(jī)布置時(shí)，為擴(kuò)大燃油存儲(chǔ)量，充分利用底盤剩余空間，采用在駕駛室后壁板安裝一個(gè)金屬油箱作為主油箱，并在駕駛室左前懸架上安裝一個(gè)塑料油箱作為副油箱的雙油箱結(jié)構(gòu)，高低布置的主副油箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，主油箱的安裝位置高于側(cè)置的副油箱，加油口在主油箱上，主、副油箱之間通過一根通徑較粗的軟管連通，發(fā)動(dòng)機(jī)吸油管安裝在副油箱上吸取燃油，主油箱對(duì)副油箱進(jìn)行燃油補(bǔ)給，油量傳感器安裝在副油箱上，進(jìn)行油位的測(cè)量與提示?，F(xiàn)有技術(shù)中油量傳感器安裝組件結(jié)構(gòu)為：塑料副油箱上鑲嵌一個(gè)帶安裝孔的金屬法蘭，油量傳感器設(shè)計(jì)一個(gè)相應(yīng)的金屬法蘭盤并帶橡膠墊；安裝時(shí)在副油箱上的法蘭盤表面涂抹一圈密封膠，將油量傳感器的法蘭盤與其孔位對(duì)照，用螺釘通過均布于法蘭盤上的5個(gè)螺紋孔擰緊固定，油量傳感器與副油箱之間靠壓緊橡膠墊平面密封。

圖1 高低布置的主副油箱結(jié)構(gòu)Fig.1 High and low layout of the main and auxiliary tank structure

通常拖拉機(jī)燃油箱內(nèi)環(huán)境一般為負(fù)壓，圖1中主油箱高、副油箱低的布置中，副油箱長(zhǎng)期處于柴油飽滿的正壓狀態(tài)，加之拖拉機(jī)連續(xù)作業(yè)后持續(xù)的高溫回油會(huì)使油箱內(nèi)的油溫升高[2]，油氣的膨脹，更增大了副油箱內(nèi)的壓力，油量傳感器安裝處平面密封的結(jié)構(gòu)耐壓能力不足，市場(chǎng)反饋漏油問題比較普遍。

針對(duì)這種情況，筆者研制了一種適用于正壓型油箱的螺紋連接、雙密封油量傳感器安裝組件，既解決了漏油問題又方便裝配。

2 技術(shù)方案

筆者設(shè)計(jì)的這種正壓型油箱油量傳感器安裝組件，主要由副油箱上的螺紋預(yù)埋件、油量傳感器總成上的法蘭安裝座、O型圈組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 油箱與油量傳感器安裝結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Tank and fuel sensor installation structure drawing

副油箱1上鑲嵌有預(yù)埋件11，預(yù)埋件上部設(shè)有溝槽。油量傳感器總成2包括線束21、防護(hù)帽22、法蘭座23、信息管24、浮子25、密封蓋26、O型圈Ⅰ27、O型圈Ⅱ28；其中，法蘭座23頂部為凸臺(tái)231，上部為卡裝部232，中部為壓盤233，壓盤上設(shè)有溝槽234，下部為連接部235。預(yù)埋件11內(nèi)壁與連接部235外表面加工有相互配合的管螺紋，O型圈Ⅰ27安裝在溝槽234中，O型圈Ⅱ28卡裝在壓盤233和連接部235之間的溝槽上。

安裝時(shí)，將油量傳感器總成的連接部235旋入到副油箱上的預(yù)埋件11中，用S27的扳手卡住卡裝部232擰緊；擰緊后O型圈Ⅱ被壓入預(yù)埋件11上部的溝槽中與側(cè)壁形成徑向密封；O型圈Ⅰ受到壓盤233自上向下的擠壓與油箱表面形成平面密封，此一步完成油量傳感器與副油箱的組合。

進(jìn)一步地把組合好的副油箱安裝至拖拉機(jī)上的副油箱支架上，將線束21的插頭與拖拉機(jī)主線束對(duì)插，實(shí)現(xiàn)通信；信息管24內(nèi)部為線路板，線路板上焊接若干個(gè)電阻和干簧管，一個(gè)電阻連接一個(gè)干簧管，浮子25中間有通孔貫穿于信息管上，信息管下部焊接密封蓋26；浮子25為內(nèi)部帶磁鋼的發(fā)泡丁腈橡膠，能夠漂浮于柴油表面，當(dāng)油箱內(nèi)的油位變化時(shí)，浮子25跟隨上下浮動(dòng)，信息管24內(nèi)線路板上的干簧管感應(yīng)到磁鋼的磁力而閉合；連接干簧管的電阻值通過線束21輸出至拖拉機(jī)儀表，儀表的指針會(huì)隨著阻值的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到指示油位的目的。

3 核心零件計(jì)算校核

1）主副油箱高度差造成的壓力。某型拖拉機(jī)后背油箱加油口高出副油箱油量傳感器安裝面82 cm，根據(jù)液體壓強(qiáng)的計(jì)算公式P=ρg△h，則P=ρg△h=840×9.8×0.82=6.75 kPa；即油量傳感器安裝處長(zhǎng)期承受6.75 kPa左右的正壓。式中：ρ——柴油密度，取ρ=840 kg/m3；

△h——液面高度差，根據(jù)實(shí)際取△h=0.82 m。

2）O型圈的選型。規(guī)格的選擇：根據(jù)預(yù)埋件和法蘭座的相關(guān)尺寸，參照標(biāo)準(zhǔn)[3]設(shè)計(jì)溝槽234、壓盤233和連接部235之間的溝槽以及預(yù)埋件上部溝槽尺寸；選取O型圈Ⅰ規(guī)格：50×5.3-G-N-GB/T 3452.1-2005[4]；選取O型圈Ⅱ規(guī)格：40×2.65-G-N-GB/T 3452.1-2005[4]。為防止從溝槽內(nèi)脫落，O型圈在安裝前須受到拉伸，安裝后受到擠壓起到密封作用，本研究結(jié)構(gòu)中O型圈Ⅰ、O型圈Ⅱ均為靜密封，在靜密封場(chǎng)合、密封介質(zhì)為油時(shí)，要求初始拉伸量為1 mm～1.04 mm，壓縮率為15%～25%。拉伸量和壓縮率按下列公式計(jì)算。

式中：d1——O型圈內(nèi)徑，單位mm；

d2——O型圈橫截面直徑，單位mm；

d3——溝槽內(nèi)徑，單位mm；

h——溝槽深度，單位mm。

3）對(duì)本方案中O型圈的拉伸量和壓縮率進(jìn)行驗(yàn)算。

O型圈Ⅰ：d1=50 mm，d2=5.3 mm，溝槽內(nèi)徑d3=52+0.1-0.1mm，溝槽深h=4.2 mm；

代入式（1）得最大初始拉伸量α=（52.1+5.3）/（50+5.3）=1.038 mm；

代入式（2）得壓縮率ω=（5.3-4.2）/5.3=20.7%；

O型圈Ⅱ：d1=40 mm，d2=2.65 mm；溝槽底徑d3=41.5+0.150mm，溝槽深h=2.2 mm；

代入式（1）得最大初始拉伸量α=（41.65+2.65）/（40+2.65）=1.038 mm；

代入式（2）得壓縮率ω=（2.65-2.2）/2.65=17%；

綜上，選用的O型圈拉伸量和壓縮率能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4）材質(zhì)的選擇：因工作介質(zhì)為柴油，選用耐油性和機(jī)械性能好的丁腈橡膠。

5）硬度的選擇：硬度根據(jù)壓力來選擇，一般低壓下用低硬度的材料，高壓下用高硬度的材料，結(jié)合前述工作壓力6.75 kPa，選用邵氏硬度（70±5）HA。

4 主要特點(diǎn)

1）油量傳感器采用螺紋連接安裝到副油箱上，尤其是G11/2的管螺紋[5]，相比于普通螺紋連接緊密性更好，能承受較大壓力。采用螺紋連接后，滲漏油主要來自兩個(gè)方面，如圖3所示，一是油量傳感器與金屬預(yù)埋件的螺紋牙間的縫隙，二是金屬預(yù)埋件與塑料之間縫隙。因此，筆者設(shè)計(jì)兩道O型圈密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)的O型圈徑向密封，阻擋了油量傳感器與預(yù)埋件之間的滲漏；外側(cè)的O型圈軸向密封，阻擋了預(yù)埋件和塑料之間的滲漏；軸向密封對(duì)徑向密封形成密封補(bǔ)償，增強(qiáng)了密封性能。

2）油量傳感器的法蘭座上部設(shè)計(jì)S27外六方卡裝部，方便使用扳手緊固，相比于現(xiàn)有技術(shù)中采用5個(gè)M5*16螺釘固定，提高了裝配效率，且不需要打平面密封膠，減少了輔料消耗。

3）油量傳感器的線束采用沿法蘭座中軸線垂直向上的出線方式，并通過注塑固定，解決了采用螺紋連接衍生的“因預(yù)埋件與法蘭座連接部加工時(shí)螺紋切入角無法保證一致，造成的水平方向出線時(shí)螺紋擰緊后導(dǎo)線打死彎問題”，保護(hù)導(dǎo)線，并保證了批量裝配一致性。

4）油量傳感器上設(shè)有橡膠防護(hù)帽，起到防水、防塵、絕緣作用，保證傳感電路的可靠，橡膠防護(hù)帽的安裝采用在法蘭座頂部設(shè)計(jì)帶唇部的凸臺(tái)，通過唇部撐開防護(hù)帽卡裝的方式，能夠有效防止脫落。

5）柴油具有一定的腐蝕性，為避免與柴油接觸的金屬組件生銹，設(shè)計(jì)的油量傳感器法蘭座選用不銹鋼材質(zhì)，螺紋預(yù)埋件選用黃銅材質(zhì)，兩道O型圈選用耐油性強(qiáng)的丁腈橡膠，增強(qiáng)整個(gè)組件的可靠性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6]，對(duì)安裝此種新型組件的副油箱樣品進(jìn)行了耐壓性能試驗(yàn)，分別驗(yàn)證了35 kPa、40 kPa兩種壓力，各采用2只樣品，試驗(yàn)時(shí)將油箱各通口堵塞，油量傳感器用30 N·m的預(yù)緊力裝配擰緊，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 耐壓性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Pressure resistance test results

將采用此種新型組件的副油箱安裝至拖拉機(jī)后，加滿燃油進(jìn)行顛簸靜置試驗(yàn)，也未出現(xiàn)漏油。

6 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的正壓型油箱用油量傳感器安裝組件，提供了一種長(zhǎng)期承受正壓狀態(tài)的塑料油箱油量傳感器耐壓、密封性能提升方案；通過管螺紋連接和雙O型圈密封的結(jié)構(gòu)，提高了油量傳感器安裝處的耐壓能力，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的漏油問題，延長(zhǎng)了油量傳感器的使用壽命。