塑料加油口蓋剛度分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)

許露瑤，藍(lán)景玉

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

加油口蓋總成固定在車身上，對(duì)燃油加注口起保護(hù)、遮蓋作用。一般從水平剛度、垂向剛度及扭轉(zhuǎn)剛度三個(gè)方面分析評(píng)估加油口蓋的整體剛度。水平剛度指在水平工況載荷的作用下抵抗變形的能力；垂向剛度指在垂直工況載荷的作用下抵抗變形的能力；扭轉(zhuǎn)剛度指在扭轉(zhuǎn)載荷作用下抵抗變形的能力[1]。若整體剛度不足，會(huì)出現(xiàn)開啟時(shí)蓋板晃動(dòng)幅度過大；長(zhǎng)期使用過程中，在自身重力作用下發(fā)生Z向變形，易與側(cè)圍之間的間隙不足，嚴(yán)重可導(dǎo)致干涉?zhèn)醄2]。塑料加油口蓋總成開啟關(guān)閉頻率較高，因此，在新車型正向開發(fā)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注。

利用計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）仿真軟件進(jìn)行剛度模擬分析，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，并驗(yàn)證改進(jìn)方案可行性。本文通過詳細(xì)對(duì)標(biāo)尺寸相當(dāng)且剛度良好的競(jìng)品，確定差異大的設(shè)計(jì)參數(shù)，制定改進(jìn)方案，有效地提升了垂向剛度、水平剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

1 塑料加油口蓋剛度研究分析

1.1 塑料加油口蓋結(jié)構(gòu)

加油口蓋總成由蓋板、鉸鏈板、底座、轉(zhuǎn)軸、彈簧、執(zhí)行器機(jī)構(gòu)組成。蓋板為車身外觀件，可翻轉(zhuǎn)打開，同時(shí)對(duì)車身、油管起到密封的作用[3]。選擇的 2款競(jìng)品車塑料加油口蓋結(jié)構(gòu)組成與開發(fā)車型相同，圖 1為新開發(fā)車型加油口蓋結(jié)構(gòu)和車身連接示意圖。

圖1 某開發(fā)車型加油口蓋結(jié)構(gòu)和車身連接示意圖

1.2 塑料加油口蓋剛度分析

應(yīng)用HyperMesh軟件建立車有限元模型，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，模型信息如表1所示。使用Abaqus軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，約束加油口蓋與側(cè)圍內(nèi)板及側(cè)圍外板搭接處的 6個(gè)方向自由度；蓋板與鉸鏈板處于全開狀態(tài)（90°）。計(jì)算水平剛度時(shí)，沿著垂直蓋板方向施加30 N載荷；計(jì)算垂向剛度時(shí)，沿著與轉(zhuǎn)軸平行方向施加20 N載荷；計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，加載4 Nm力矩，如圖2所示。通過長(zhǎng)期開發(fā)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定目標(biāo)值，如表2所示。仿真計(jì)算得出，扭轉(zhuǎn)剛度仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)值，但是水平剛度以及垂向剛度不符合設(shè)計(jì)目標(biāo)值，尤其是垂向剛度與目標(biāo)值相差較大，存在干涉風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)影響正常開閉以及美觀性。

表1 模型信息

圖2 仿真分析邊界條件示意圖

表2 改善前模型剛度以及目標(biāo)值

1.3 競(jìng)品對(duì)標(biāo)分析

本文從材料屬性、輪廓尺寸、關(guān)鍵間隙配合等幾方面找出剛度不足的原因[4]。

1.3.1 材料屬性對(duì)比分析

開發(fā)車型與兩款競(jìng)品車塑料加油口蓋總成主要零件的材料屬性如表 3所示。數(shù)據(jù)顯示，除三款車型的鉸鏈板厚度存在差異，另外零部件材料、設(shè)計(jì)參數(shù)均一致。

表3 加油口蓋厚度材料對(duì)比

1.3.2 輪廓尺寸對(duì)比分析

如圖3、表4所示， 開發(fā)車型加油口蓋輪廓大小尺寸、鉸鏈軸線至按壓點(diǎn)距離、鉸鏈板鵝頸伸出量、鉸鏈板主體高度與平臺(tái)車型、競(jìng)品車并無太大差異。但是，鉸鏈板鵝頸高度以及與之匹配的底座鵝頸外殼高度均比平臺(tái)車型、競(jìng)品車型小。

圖3 加油口蓋輪廓尺寸示意圖

表4 輪廓尺寸對(duì)比表 單位：mm

1.3.3 關(guān)鍵匹配間隙對(duì)比分析

如圖4(a)—圖4 (d)、表5所示，加油口蓋總成打開狀態(tài)時(shí)，零部件關(guān)鍵間隙匹配主要為鉸鏈板與底座的間隙匹配、轉(zhuǎn)軸與周邊零件的匹配。加油口蓋鉸鏈板與轉(zhuǎn)軸、鉸鏈與底座的配合尺寸與競(jìng)品相一致。

表5 關(guān)鍵間隙對(duì)比表

圖4 加油口蓋零件關(guān)鍵間隙

2 改善方案以及驗(yàn)證

綜上對(duì)比分析，垂向剛度較差的開發(fā)車型鉸鏈板厚度、鉸鏈板鵝頸高度、底座鵝頸外殼高度較小，其他設(shè)計(jì)參數(shù)均大致相同。由此，評(píng)估出以下優(yōu)化方案：方案1將底座鵝頸高度A由53 mm調(diào)整至60 mm，鉸鏈板鵝頸高度E由45 mm調(diào)整至55 mm，如圖5所示。方案2將鉸鏈板厚度由2.5 mm至2.8 mm，如圖6所示。分別通過CAE分析，兩種方案均對(duì)剛度有較好的提升效果。材質(zhì)、控制方式對(duì)其感知質(zhì)量、成本有著較大的關(guān)系[5]。以上兩種方案均是增加材料重量，且對(duì)產(chǎn)品成本影響不大，兩者結(jié)合形成方案3。經(jīng)過驗(yàn)證，方案3比方案1、2和競(jìng)品車型剛度更優(yōu)，如表6所示。圖7(a)—圖7(c)為剛度位移云圖。

圖5 改善方案1示意圖

圖6 改善方案2示意圖

圖7 剛度位移云圖

表6 改善前后剛度值對(duì)比表

式中，Kh為水平剛度；Kv為垂向剛度；Kt為扭轉(zhuǎn)剛度；Fh為水平加載力；Fv為垂向加載力；T為扭轉(zhuǎn)力矩；σh為局部坐標(biāo)X向變形位移；σv為局部坐標(biāo)Z向變形位移；θt為扭轉(zhuǎn)角度；L1為扭轉(zhuǎn)變形位移；L2為蓋板縱向高度。通過式（1）—式（3）計(jì)算得出水平剛度、垂向剛度及扭轉(zhuǎn)剛度。

目前，大部分主機(jī)廠在試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行垂向剛度和水平剛度試驗(yàn)。汽車整車可靠性道路試驗(yàn)是優(yōu)化與檢測(cè)汽車性能的主要方式之一，加油口蓋整體剛度在整車可靠性路試中進(jìn)行驗(yàn)證[6]。剛度試驗(yàn)將 5個(gè)樣件依次裝在類似實(shí)車的夾具上，將加油口蓋板處于完全打開狀態(tài)，在加油口蓋板上邊緣中點(diǎn)施加垂直向下20 N的載荷，持續(xù)15 s；水平剛度試驗(yàn)將樣件依次裝在類似實(shí)車的夾具上，將加油口蓋板處于完全打開狀態(tài)，在加油口蓋板右側(cè)邊緣中點(diǎn)水平施加30 N的載荷，持續(xù)15 s，分別用尺子量出測(cè)量點(diǎn)的位移，試驗(yàn)過程如圖 8所示。將力移除后，加油口蓋總成均滿足不產(chǎn)生松動(dòng)、異常晃動(dòng)、錯(cuò)位、永久性變形和任何損壞，間隙面差仍符合DTS要求。通過將剛度仿真分析與試驗(yàn)值對(duì)比，差異不大，如表7、表8所示。此外，實(shí)物隨整車可靠性路試在行駛56 000 km后，加油口蓋開閉無異常，與周邊系統(tǒng)匹配外觀良好，整車可靠性路試驗(yàn)證后樣件狀態(tài)如圖 9所示。以上試驗(yàn)表明，該加油口蓋總成整體剛度良好。

圖8 剛度試驗(yàn)圖示

表7 垂向剛度仿真分析與試驗(yàn)值對(duì)比表

表8 水平剛度仿真分析與試驗(yàn)值對(duì)比表

圖9 整車可靠性路試驗(yàn)證后樣件狀態(tài)

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)開發(fā)車型以及競(jìng)品車塑料加油口蓋結(jié)構(gòu)組成、材料屬性、輪廓尺寸以及關(guān)鍵間隙匹配進(jìn)行分析，確定改善方向，通過CAE仿真模擬分析可行性，從正向開發(fā)的角度優(yōu)化數(shù)據(jù)，避免開模后修模改善延長(zhǎng)開發(fā)周期以及增加改模費(fèi)用。實(shí)車剛度試驗(yàn)結(jié)果顯示，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，且用戶感知品質(zhì)良好。