基于反向設計法的鑄鋁油底殼設計及校核

摘 要：目前常用鑄鋁油底殼的設計往往是運用正向設計法，其往往會由于保證等壁厚參數特征而增加設計周期。文章采用反向設計法，模擬油底殼外圍金屬模設計過程，之后提取金屬模內腔的方式設計鑄鋁油底殼。同時以此設計出的鑄鋁油底殼為例，闡述油底殼設計過程中所需校核的內容及整體過程。關鍵詞：鑄鋁油底殼;反向設計法;油底殼校核中圖分類號：U466 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-90-05

Abstract：?At present， the common design method of cast aluminum oil pan is the forward design method，?which often increases the design period by ensuring the characteristics of equal wall thickness parameters. In this paper， the reverse design method is used to simulate the design process of the metal mold around the oil pan， and then the inner cavity of the metal mold is extracted to design the cast aluminum oil pan. At the same time， taking the designed cast aluminum oil pan as an example， the paper expounds the content and the whole process of checking in the design process of oil pan.Keywords： Cast aluminum oil pan; Reverse design method; Oil pan checkCLC NO.： U466 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）08-90-05

前言

隨著汽車技術的飛速發展，汽車用發動機鑄鋁油底殼逐漸取代了傳統的鈑金油底殼。相比于鈑金油底殼，鑄鋁油底殼的剛度更大、密度比更輕，在遇到飛石沖擊時防機油泄漏能力更強。目前在設計鑄鋁油底殼時往往采用正向設計的方式，即直接畫出殼體后再增加安裝凸臺及后法蘭等結構。這種設計方法在設計過程中無法考慮鑄造工藝，且由于先畫的和后畫的特征會重合在一起，使零件后期變更困難，每種零件需重新畫一遍，影響設計周期。

文章運用CATIA軟件，采用反向設計法，即通過設計鑄鋁油底殼內腔和外腔及后側金屬模，提取中心腔體空間（即油底殼）的方式。這種設計方法將鑄造、機加工工藝貫穿在整個設計過程中，充分考慮了制作工藝能力和制作水平。油底殼設計完結后其金屬模具也一并設計出來了。

1?鑄鋁油底殼反向設計法

由于鑄鋁油底殼內外鑄造凸臺、凹槽、圓孔等結構比較多，需根據實際鑄造工藝情況將其分別設計。設計時按照鑄造工藝（高壓鑄造）依次設計殼體基礎OILPAN_BASE、內腔砂型OILPAN_CORE、外腔砂型OILPAN_OUTSIDE和后法蘭砂型OILPAN_REAR，再布爾運算反轉設計出油底殼毛坯。最后根據油底殼機加工序的情況完成毛坯數模切削、鉆孔、攻螺紋等工作。

需要說明的是，在繪制數模時，油底殼每部分結構都需用單獨一個幾何體進行繪制，幾何體與幾何體之間通過布爾運算（“移除”命令、“添加”命令）進行處理關聯。這種畫法一旦以后進行尺寸和草圖變更，數模會很快進行更新并減少報錯風險。

其實布爾運算提供了一種方式，它可以在實體間合并處理前，先對實體進行一系列操作，相當于提供了一種緩沖，這種緩沖可有效防止直接使用命令時難于更改容易報錯的問題，是一種間接的方式。

1.1?殼體基礎OILPAN_BASE

殼體基礎OILPAN_BASE是油底殼殼體設計的基礎性結構，因為這是油底殼儲油的根本，也是油底殼等壁厚（本例中采用3mm壁厚）設計的基礎，其余結構是在此基礎上添加而成。因此它也可以看成是內腔體去掉凸臺、孔、肋板等輔助特征結構后的主體形狀。

設計時首先需根據整車邊界情況，確認出油底殼大致結構（是大小頭結構、中間大兩邊小結構還是其它形式）。之后繪制草圖曲線，并據此運用凸臺、凹槽等命令畫出殼體基礎OILPAN_BASE。注意點線面等幾何元素需單獨放置在有序幾何圖形集中，不要與幾何體混合放置在一起，做到實體與幾何圖形集分置。

1.2?內腔砂型OILPAN_CORE

內腔砂型是油底殼實際內腔形狀。當殼體基礎OILPAN_ BASE繪制完成后，在其基礎上增加法蘭螺栓孔處的內安裝空間避讓結構、加強筋結構、帶拔模斜度的上螺栓孔砂芯、放油塞內結構，并在油底殼分型面上設置長方體分型結構用來拔出。之后在長方體分型結構與殼體主體之間設置寬度為2mm、水平傾角30°的倒角結構，作為儲膠槽儲存油底殼密封膠。

特別的，對于鑄造件而言，其動模上會設置一些頂柱結構方便將零件與模具脫模開來。鑄鋁油底殼常將頂柱放在內腔加強筋處，避免與機油集濾器、擋油板干涉。因此內腔砂型OILPAN_CORE上也可以根據數量和位置需要布置頂柱。

1.3?外腔砂型OILPAN_OUTSIDE

外腔砂型OILPAN_OUTSIDE是油底殼外部砂型結構，包括部分后法蘭輪廓。外腔砂型的主體結構是在殼體基礎OILPAN_BASE的基礎上，外輪廓增厚3mm而得出（具體壁厚根據實際油底殼上法蘭受力、螺栓孔間距等進行設置）。之后在主體結構上添加法蘭螺栓孔處的外安裝空間避讓、帶拔模斜度的下螺栓孔砂芯（根據鑄造工藝，長條型砂型的長與截面直徑比值需≤5。對于常用的油底殼上法蘭螺栓M6而言，金屬模鑄造孔砂芯最長為30mm。對于這種長度較大的螺栓孔時需采用上下雙向砂芯拔模）、放油塞外部結構，并根據變速箱法蘭輪廓結構在后側設計出油底殼后法蘭的形體結構。

1.4?后法蘭砂型OILPAN_REAR

后法蘭砂型OILPAN_REAR是指油底殼后側從變速箱法蘭法向抽出的砂型結構。為保證變速箱密封性，油底殼后法蘭輪廓需與變速箱法蘭輪廓基本一致，與變速箱法蘭螺栓安裝孔對齊設置帶有螺紋的油底殼后法蘭螺栓孔。后法蘭砂型上需設置后法蘭螺栓安裝工具空間、后法蘭減除余肉的凹槽等結構，并根據拔模方向設置凹槽及孔位拔模斜度。同時其外側也設置有長方體分型結構。

1.5?布爾反轉及機加工處理

之后對1.2、1.3、1.4步生成的砂型進行布爾反轉，抽出砂型組中的空腔區域，得出鑄鋁油底殼毛坯形狀如圖7所示。

之所以叫毛坯，是因為此時放油塞螺栓孔和后法蘭變速箱螺栓孔在鑄造過程中尚未攻螺紋;上法蘭螺栓孔中還未完全打通且還是鑄造孔壁面;上法蘭與后法蘭端面尚有切削余量（一般為1.5mm）需機加切削;機油尺支管孔的端面和側面均需機加保證形位公差和粗糙度的要求。因此這就需要通過機加工的方式進行處理。

機加工處理在數模繪制中，主要通過CATIA的凸臺、凹槽、孔等命令來實現，主要需要完成如下內容：攻放油塞螺栓孔和后法蘭變速箱螺栓孔螺紋;切削上法蘭與后法蘭端面所保留的切削余量;銑通上法蘭螺栓孔;機加保證機油尺支管的粗糙度與形位公差。至此油底殼成品（即出圖紙做件的最終油底殼數模）設計完成，詳見圖8所示。

1.6?參數化設計及關聯性粘貼

為了方便油底殼參數變更時，包括殼體基礎OILPAN_ BASE、內腔砂型OILPAN_CORE、外腔砂型OILPAN_ OUTSIDE、后法蘭砂型OILPAN_REAR以及機加工序能同時自動變更調整，在本文的反向設計方法中還有至關重要的一點：參數化設計和關聯性粘貼。這一點貫穿整個設計步驟的始終。

參數化設計是指提前設定好常用的參數名稱及數值，在之后設計過程中凡是需要運用到此參數的，都可以右鍵通過“編輯公式”進行參數調用。它會在整個設計過程的后臺布置強大的參數網（類似于信號處理中的BT神經網絡），當參數值變化時，所有引用此參數的位置其特征都將隨之變化。

而關聯性粘貼則是指對幾何特征的關聯性調用，特征通過“發布”命令進行公開，其它幾何體復制發布的特征進行粘貼調用，粘貼時需右鍵“選擇性粘貼”，在選擇框中選擇“與原文檔相關聯的結果”。這種粘貼調用是有關聯的，一旦原始特征改變，這個特征會沿著“發布”這條途徑將變化的信息傳遞給所引用的位置進行更新，方便后期結構、尺寸設計調整。

2?油底殼校核

油底殼的功能是保存并向機油集濾器提供充足的機油，并與缸體下端面、放油螺栓處形成密封，防止機油滲漏。作為潤滑系統中的“大”零件，其功能的好壞直接影響發動機潤滑系統的性能。因此，一款油底殼設計出來后必須進行一系列校核，將失效模式及不良影響控制在樣件制作之前。以下將以鑄鋁油底殼為例，詳細闡述油底殼的校核過程。

2.1?裝配工藝性

裝配工藝性是指油底殼在裝配過程中所體現的工藝性能，主要包括兩方面內容：安裝孔位的一致性、裝配工具及行程的空間性。裝配工藝性的好壞直接影響量產節拍，以及后期4S店維修的方便性。

安裝孔位一致性是指零件孔的位置及大小是否與配合零件孔的特征相匹配。對于油底殼而言，主要是與缸體下法蘭安裝孔和與變速箱法蘭安裝孔。校核時檢查油底殼各部分孔位是否與缸體、變速箱的孔中心對齊，大小是否滿足螺栓孔安裝要求（是否還是螺紋孔）。

裝配工具及行程的空間性是指油底殼安裝時套筒扳手或丁字扳手能否順暢安裝螺栓，不與油底殼及其它零件干涉。以缸體下法蘭M6安裝螺栓為例，裝配線上使用套筒扳手最大直徑為14mm。校核時在油底殼螺栓安裝面上畫出直徑14mm的圓并拉伸出圓柱，檢查圓柱是否與油底殼有干涉。由于套筒工具運動行程是瞬時行程，套筒與油底殼間距需≥2mm即可。

2.2?空間工藝性

空間工藝性是指油底殼與周圍零件需保證的間隙，主要包括外部空間工藝性和內部空間工藝性。

由于在行車過程中發動機相對于懸置支架會有所晃動，使油底殼與周圍零件間隙時大時小。為避免油底殼與周圍零件發生磕碰，外部空間工藝性要求油底殼與周圍零件間隙≥25mm。校核時需詳細檢查與每一個零件的間隙情況。

由于油底殼內部主要是機油集濾器，內部空間工藝性主要是保證集濾器與油底殼內壁面間距≥5mm，確保安裝油底殼時內壁不會與集濾器發生磕碰（浮子式集濾器除外）。

2.3?制作工藝性

制作工藝性是指所設計的零件是否能通過現有工藝實現。一般需將數模發送給供應商進行工藝評審，但作為設計人員來說必須提前進行制作工藝性校核。

以鑄造油底殼為例，需檢查內外壁面是否有充足的拔模斜度（拔模角需≥1.5°，太小制作成本會大大增加），兩面銜接處是否有倒圓角（半徑R≥1mm，倒角C≥1mm），大平面處是否有加強筋提高剛性，內腔或外腔是否有空間布置鑄造頂柱以及頂柱位置和數量是否合理等等內容。

2.4?機油尺刻度位置情況

一般機油尺上會有兩個刻度，分別表示油底殼內最大機油量和最小機油量。對于鑄鋁油底殼來說，往往會在其側面布置機油尺安裝凸臺，用以插入安裝機油尺，如圖18所示，機油尺桿會深入到油底殼機油液面中。

油底殼內壁上會有一個機油尺桿孔，如果機油液面完全沒過此孔，當機油尺桿插回機油尺導管內時，導管內氣體會向下壓縮導管內機油液面造成機油尺讀數偏低（一般會低約0.5L左右）。由于這種現象類似于醫院用注射器，因此被稱為“柱塞效應”。

油底殼設計中為防止出現“柱塞效應”，需校核最大機油量時機油液面是否完全沒過油底殼上機油尺桿孔，若沒過必須想辦法降低機油液面。一般設計都是盡量使液面剛剛開始接觸或未接觸機油尺桿孔為宜，如圖19所示。

2.5 曲軸刮油情況

曲軸運轉時若平衡塊攪拌機油，會使油底殼內機油含有大量氣泡，影響機油泵流量和機油潤滑。同時攪拌還會加速曲軸箱氣體與機油接觸融合，加速機油稀釋變質。為防止以上情況發生，設計時要求在整車傾角情況下，油底殼最大機油量時油面與曲軸運轉包絡體之間間隙需大于7.5至10mm，如圖20所示（圖20以最大加油量為5L的為例，具體需根據實際發動機情況自行設定）。

2.6 裝配托盤和物流周轉架空間情況

發動機在裝配和物流運輸過程中，主要靠裝配托盤、物流周轉架進行支撐。一般裝配托盤立柱、周轉架支撐柱都是支撐在缸體下端面的外沿上，這就要求發動機吊裝在其上時，油底殼不能與裝配托盤立柱、周轉架支撐柱干涉，一般需保留8mm以上間隙。如圖21所示，可以看出此時裝配托盤與油底殼已經發生干涉，需對油底殼進行優化。

2.7?油面金字塔吸油情況

為保證汽車能在各種斜度路況下行駛，就需要保證在各種傾角情況下，機油集濾器都能連續不斷地吸到機油。這就需要確保機油集濾器中吸油管始終在油面金字塔之中。

油面金字塔是指油底殼內機油量為（最小機油量-0.5L）以及在發動機布置傾角情況下，整車再前傾、后傾、左傾、右傾36°時，機油重合的部分。當集濾器中吸油管頭深入其中時，無論整車傾角如何集濾器都能吸到機油。油面金字塔校核時，需先在數模上畫出四個方向傾角時機油狀態，然后提取重合部分，與吸油管頭位置進行對比，如圖22、23所示。

3?結論

本文基于反向設計法，簡要描述了新的鑄鋁油底殼設計方法，在設計過程中充分考慮了鑄造和機加工藝能力。設計完結后，油底殼與其金屬模具一并設計出來，且方便后期修改。為保證油底殼的使用功能，油底殼數模設計完成后，還需進行裝配工藝性、空間工藝性、制作工藝性等內容的校核，滿足間距、尺寸等要求，使零件在樣件制作之初規避風險，降低成本損失。本文所舉的鑄鋁油底殼的例子為公司現生產的一款成熟機型，從實際量產性能來看這些校核內容可以有效提升油底殼質量，減少甚至消除質量問題，對以后油底殼設計具有指導性意義。

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