塑料加油口蓋剛度分析以及優化設計

許露瑤，藍景玉

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

加油口蓋總成固定在車身上，對燃油加注口起保護、遮蓋作用。一般從水平剛度、垂向剛度及扭轉剛度三個方面分析評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；扭轉剛度指在扭轉載荷作用下抵抗變形的能力[1]。若整體剛度不足，會出現開啟時蓋板晃動幅度過大；長期使用過程中，在自身重力作用下發生Z向變形，易與側圍之間的間隙不足，嚴重可導致干涉傷漆[2]。塑料加油口蓋總成開啟關閉頻率較高，因此，在新車型正向開發時需要重點關注。

利用計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）仿真軟件進行剛度模擬分析，可及時發現設計缺陷，并驗證改進方案可行性。本文通過詳細對標尺寸相當且剛度良好的競品，確定差異大的設計參數，制定改進方案，有效地提升了垂向剛度、水平剛度以及扭轉剛度，滿足設計目標要求。

1 塑料加油口蓋剛度研究分析

1.1 塑料加油口蓋結構

加油口蓋總成由蓋板、鉸鏈板、底座、轉軸、彈簧、執行器機構組成。蓋板為車身外觀件，可翻轉打開，同時對車身、油管起到密封的作用[3]。選擇的 2款競品車塑料加油口蓋結構組成與開發車型相同，圖 1為新開發車型加油口蓋結構和車身連接示意圖。

圖1 某開發車型加油口蓋結構和車身連接示意圖

1.2 塑料加油口蓋剛度分析

應用HyperMesh軟件建立車有限元模型，并設置相關參數，模型信息如表1所示。使用Abaqus軟件進行模擬計算，約束加油口蓋與側圍內板及側圍外板搭接處的 6個方向自由度；蓋板與鉸鏈板處于全開狀態（90°）。計算水平剛度時，沿著垂直蓋板方向施加30 N載荷；計算垂向剛度時，沿著與轉軸平行方向施加20 N載荷；計算扭轉剛度時，加載4 Nm力矩，如圖2所示。通過長期開發經驗設定目標值，如表2所示。仿真計算得出，扭轉剛度仿真結果符合設計值，但是水平剛度以及垂向剛度不符合設計目標值，尤其是垂向剛度與目標值相差較大，存在干涉風險，可能會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值

1.3 競品對標分析

本文從材料屬性、輪廓尺寸、關鍵間隙配合等幾方面找出剛度不足的原因[4]。

1.3.1 材料屬性對比分析

開發車型與兩款競品車塑料加油口蓋總成主要零件的材料屬性如表 3所示。數據顯示，除三款車型的鉸鏈板厚度存在差異，另外零部件材料、設計參數均一致。

表3 加油口蓋厚度材料對比

1.3.2 輪廓尺寸對比分析

如圖3、表4所示， 開發車型加油口蓋輪廓大小尺寸、鉸鏈軸線至按壓點距離、鉸鏈板鵝頸伸出量、鉸鏈板主體高度與平臺車型、競品車并無太大差異。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車型、競品車型小。

圖3 加油口蓋輪廓尺寸示意圖

表4 輪廓尺寸對比表 單位：mm

1.3.3 關鍵匹配間隙對比分析

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

表5 關鍵間隙對比表

圖4 加油口蓋零件關鍵間隙

2 改善方案以及驗證

綜上對比分析，垂向剛度較差的開發車型鉸鏈板厚度、鉸鏈板鵝頸高度、底座鵝頸外殼高度較小，其他設計參數均大致相同。由此，評估出以下優化方案：方案1將底座鵝頸高度A由53 mm調整至60 mm，鉸鏈板鵝頸高度E由45 mm調整至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，兩種方案均對剛度有較好的提升效果。材質、控制方式對其感知質量、成本有著較大的關系[5]。以上兩種方案均是增加材料重量，且對產品成本影響不大，兩者結合形成方案3。經過驗證，方案3比方案1、2和競品車型剛度更優，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 改善前后剛度值對比表

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

目前，大部分主機廠在試驗臺架進行垂向剛度和水平剛度試驗。汽車整車可靠性道路試驗是優化與檢測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行驗證[6]。剛度試驗將 5個樣件依次裝在類似實車的夾具上，將加油口蓋板處于完全打開狀態，在加油口蓋板上邊緣中點施加垂直向下20 N的載荷，持續15 s；水平剛度試驗將樣件依次裝在類似實車的夾具上，將加油口蓋板處于完全打開狀態，在加油口蓋板右側邊緣中點水平施加30 N的載荷，持續15 s，分別用尺子量出測量點的位移，試驗過程如圖 8所示。將力移除后，加油口蓋總成均滿足不產生松動、異?；蝿?、錯位、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值對比，差異不大，如表7、表8所示。此外，實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，與周邊系統匹配外觀良好，整車可靠性路試驗證后樣件狀態如圖 9所示。以上試驗表明，該加油口蓋總成整體剛度良好。

圖8 剛度試驗圖示

表7 垂向剛度仿真分析與試驗值對比表

表8 水平剛度仿真分析與試驗值對比表

圖9 整車可靠性路試驗證后樣件狀態

3 結束語

本文通過對開發車型以及競品車塑料加油口蓋結構組成、材料屬性、輪廓尺寸以及關鍵間隙匹配進行分析，確定改善方向，通過CAE仿真模擬分析可行性，從正向開發的角度優化數據，避免開模后修模改善延長開發周期以及增加改模費用。實車剛度試驗結果顯示，滿足設計目標要求，且用戶感知品質良好。