基于反向設(shè)計法的鑄鋁油底殼設(shè)計及校核

摘 要：目前常用鑄鋁油底殼的設(shè)計往往是運(yùn)用正向設(shè)計法，其往往會由于保證等壁厚參數(shù)特征而增加設(shè)計周期。文章采用反向設(shè)計法，模擬油底殼外圍金屬模設(shè)計過程，之后提取金屬模內(nèi)腔的方式設(shè)計鑄鋁油底殼。同時以此設(shè)計出的鑄鋁油底殼為例，闡述油底殼設(shè)計過程中所需校核的內(nèi)容及整體過程。關(guān)鍵詞：鑄鋁油底殼;反向設(shè)計法;油底殼校核中圖分類號：U466 ?文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)的飛速發(fā)展，汽車用發(fā)動機(jī)鑄鋁油底殼逐漸取代了傳統(tǒng)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(jī)油泄漏能力更強(qiáng)。目前在設(shè)計鑄鋁油底殼時往往采用正向設(shè)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(jié)構(gòu)。這種設(shè)計方法在設(shè)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(shè)計周期。

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

1?鑄鋁油底殼反向設(shè)計法

由于鑄鋁油底殼內(nèi)外鑄造凸臺、凹槽、圓孔等結(jié)構(gòu)比較多，需根據(jù)實(shí)際鑄造工藝情況將其分別設(shè)計。設(shè)計時按照鑄造工藝（高壓鑄造）依次設(shè)計殼體基礎(chǔ)OILPAN_BASE、內(nèi)腔砂型OILPAN_CORE、外腔砂型OILPAN_OUTSIDE和后法蘭砂型OILPAN_REAR，再布爾運(yùn)算反轉(zhuǎn)設(shè)計出油底殼毛坯。最后根據(jù)油底殼機(jī)加工序的情況完成毛坯數(shù)模切削、鉆孔、攻螺紋等工作。

需要說明的是，在繪制數(shù)模時，油底殼每部分結(jié)構(gòu)都需用單獨(dú)一個幾何體進(jìn)行繪制，幾何體與幾何體之間通過布爾運(yùn)算（“移除”命令、“添加”命令）進(jìn)行處理關(guān)聯(lián)。這種畫法一旦以后進(jìn)行尺寸和草圖變更，數(shù)模會很快進(jìn)行更新并減少報錯風(fēng)險。

其實(shí)布爾運(yùn)算提供了一種方式，它可以在實(shí)體間合并處理前，先對實(shí)體進(jìn)行一系列操作，相當(dāng)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(chǔ)OILPAN_BASE

殼體基礎(chǔ)OILPAN_BASE是油底殼殼體設(shè)計的基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@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(shè)計的基礎(chǔ)，其余結(jié)構(gòu)是在此基礎(chǔ)上添加而成。因此它也可以看成是內(nèi)腔體去掉凸臺、孔、肋板等輔助特征結(jié)構(gòu)后的主體形狀。

設(shè)計時首先需根據(jù)整車邊界情況，確認(rèn)出油底殼大致結(jié)構(gòu)（是大小頭結(jié)構(gòu)、中間大兩邊小結(jié)構(gòu)還是其它形式）。之后繪制草圖曲線，并據(jù)此運(yùn)用凸臺、凹槽等命令畫出殼體基礎(chǔ)OILPAN_BASE。注意點(diǎn)線面等幾何元素需單獨(dú)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(shí)體與幾何圖形集分置。

1.2?內(nèi)腔砂型OILPAN_CORE

內(nèi)腔砂型是油底殼實(shí)際內(nèi)腔形狀。當(dāng)殼體基礎(chǔ)OILPAN_ BASE繪制完成后，在其基礎(chǔ)上增加法蘭螺栓孔處的內(nèi)安裝空間避讓結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)、帶拔模斜度的上螺栓孔砂芯、放油塞內(nèi)結(jié)構(gòu)，并在油底殼分型面上設(shè)置長方體分型結(jié)構(gòu)用來拔出。之后在長方體分型結(jié)構(gòu)與殼體主體之間設(shè)置寬度為2mm、水平傾角30°的倒角結(jié)構(gòu)，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(shè)置一些頂柱結(jié)構(gòu)方便將零件與模具脫模開來。鑄鋁油底殼常將頂柱放在內(nèi)腔加強(qiáng)筋處，避免與機(jī)油集濾器、擋油板干涉。因此內(nèi)腔砂型OILPAN_CORE上也可以根據(jù)數(shù)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(jié)構(gòu)，包括部分后法蘭輪廓。外腔砂型的主體結(jié)構(gòu)是在殼體基礎(chǔ)OILPAN_BASE的基礎(chǔ)上，外輪廓增厚3mm而得出（具體壁厚根據(jù)實(shí)際油底殼上法蘭受力、螺栓孔間距等進(jìn)行設(shè)置）。之后在主體結(jié)構(gòu)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(jù)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(jié)構(gòu)，并根據(jù)變速箱法蘭輪廓結(jié)構(gòu)在后側(cè)設(shè)計出油底殼后法蘭的形體結(jié)構(gòu)。

1.4?后法蘭砂型OILPAN_REAR

后法蘭砂型OILPAN_REAR是指油底殼后側(cè)從變速箱法蘭法向抽出的砂型結(jié)構(gòu)。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(shè)置帶有螺紋的油底殼后法蘭螺栓孔。后法蘭砂型上需設(shè)置后法蘭螺栓安裝工具空間、后法蘭減除余肉的凹槽等結(jié)構(gòu)，并根據(jù)拔模方向設(shè)置凹槽及孔位拔模斜度。同時其外側(cè)也設(shè)置有長方體分型結(jié)構(gòu)。

1.5?布爾反轉(zhuǎn)及機(jī)加工處理

之后對1.2、1.3、1.4步生成的砂型進(jìn)行布爾反轉(zhuǎn)，抽出砂型組中的空腔區(qū)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?yàn)榇藭r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(jī)加切削;機(jī)油尺支管孔的端面和側(cè)面均需機(jī)加保證形位公差和粗糙度的要求。因此這就需要通過機(jī)加工的方式進(jìn)行處理。

機(jī)加工處理在數(shù)模繪制中，主要通過CATIA的凸臺、凹槽、孔等命令來實(shí)現(xiàn)，主要需要完成如下內(nèi)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(jī)加保證機(jī)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(shù)模）設(shè)計完成，詳見圖8所示。

1.6?參數(shù)化設(shè)計及關(guān)聯(lián)性粘貼

為了方便油底殼參數(shù)變更時，包括殼體基礎(chǔ)OILPAN_ BASE、內(nèi)腔砂型OILPAN_CORE、外腔砂型OILPAN_ OUTSIDE、后法蘭砂型OILPAN_REAR以及機(jī)加工序能同時自動變更調(diào)整，在本文的反向設(shè)計方法中還有至關(guān)重要的一點(diǎn)：參數(shù)化設(shè)計和關(guān)聯(lián)性粘貼。這一點(diǎn)貫穿整個設(shè)計步驟的始終。

參數(shù)化設(shè)計是指提前設(shè)定好常用的參數(shù)名稱及數(shù)值，在之后設(shè)計過程中凡是需要運(yùn)用到此參數(shù)的，都可以右鍵通過“編輯公式”進(jìn)行參數(shù)調(diào)用。它會在整個設(shè)計過程的后臺布置強(qiáng)大的參數(shù)網(wǎng)（類似于信號處理中的BT神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），當(dāng)參數(shù)值變化時，所有引用此參數(shù)的位置其特征都將隨之變化。

而關(guān)聯(lián)性粘貼則是指對幾何特征的關(guān)聯(lián)性調(diào)用，特征通過“發(fā)布”命令進(jìn)行公開，其它幾何體復(fù)制發(fā)布的特征進(jìn)行粘貼調(diào)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(guān)聯(lián)的結(jié)果”。這種粘貼調(diào)用是有關(guān)聯(lián)的，一旦原始特征改變，這個特征會沿著“發(fā)布”這條途徑將變化的信息傳遞給所引用的位置進(jìn)行更新，方便后期結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計調(diào)整。

2?油底殼校核

油底殼的功能是保存并向機(jī)油集濾器提供充足的機(jī)油，并與缸體下端面、放油螺栓處形成密封，防止機(jī)油滲漏。作為潤滑系統(tǒng)中的“大”零件，其功能的好壞直接影響發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的性能。因此，一款油底殼設(shè)計出來后必須進(jìn)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(xì)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(xiàn)的工藝性能，主要包括兩方面內(nèi)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(chǎn)節(jié)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(yùn)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(nèi)部空間工藝性。

由于在行車過程中發(fā)動機(jī)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(fā)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(xì)檢查與每一個零件的間隙情況。

由于油底殼內(nèi)部主要是機(jī)油集濾器，內(nèi)部空間工藝性主要是保證集濾器與油底殼內(nèi)壁面間距≥5mm，確保安裝油底殼時內(nèi)壁不會與集濾器發(fā)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(shè)計的零件是否能通過現(xiàn)有工藝實(shí)現(xiàn)。一般需將數(shù)模發(fā)送給供應(yīng)商進(jìn)行工藝評審，但作為設(shè)計人員來說必須提前進(jìn)行制作工藝性校核。

以鑄造油底殼為例，需檢查內(nèi)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(qiáng)筋提高剛性，內(nèi)腔或外腔是否有空間布置鑄造頂柱以及頂柱位置和數(shù)量是否合理等等內(nèi)容。

2.4?機(jī)油尺刻度位置情況

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

油底殼內(nèi)壁上會有一個機(jī)油尺桿孔，如果機(jī)油液面完全沒過此孔，當(dāng)機(jī)油尺桿插回機(jī)油尺導(dǎo)管內(nèi)時，導(dǎo)管內(nèi)氣體會向下壓縮導(dǎo)管內(nèi)機(jī)油液面造成機(jī)油尺讀數(shù)偏低（一般會低約0.5L左右）。由于這種現(xiàn)象類似于醫(yī)院用注射器，因此被稱為“柱塞效應(yīng)”。

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

2.5 曲軸刮油情況

曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)時若平衡塊攪拌機(jī)油，會使油底殼內(nèi)機(jī)油含有大量氣泡，影響機(jī)油泵流量和機(jī)油潤滑。同時攪拌還會加速曲軸箱氣體與機(jī)油接觸融合，加速機(jī)油稀釋變質(zhì)。為防止以上情況發(fā)生，設(shè)計時要求在整車傾角情況下，油底殼最大機(jī)油量時油面與曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)包絡(luò)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(jù)實(shí)際發(fā)動機(jī)情況自行設(shè)定）。

2.6 裝配托盤和物流周轉(zhuǎn)架空間情況

發(fā)動機(jī)在裝配和物流運(yùn)輸過程中，主要靠裝配托盤、物流周轉(zhuǎn)架進(jìn)行支撐。一般裝配托盤立柱、周轉(zhuǎn)架支撐柱都是支撐在缸體下端面的外沿上，這就要求發(fā)動機(jī)吊裝在其上時，油底殼不能與裝配托盤立柱、周轉(zhuǎn)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(jīng)發(fā)生干涉，需對油底殼進(jìn)行優(yōu)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(jī)油集濾器都能連續(xù)不斷地吸到機(jī)油。這就需要確保機(jī)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(nèi)機(jī)油量為（最小機(jī)油量-0.5L）以及在發(fā)動機(jī)布置傾角情況下，整車再前傾、后傾、左傾、右傾36°時，機(jī)油重合的部分。當(dāng)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(jī)油。油面金字塔校核時，需先在數(shù)模上畫出四個方向傾角時機(jī)油狀態(tài)，然后提取重合部分，與吸油管頭位置進(jìn)行對比，如圖22、23所示。

3?結(jié)論

本文基于反向設(shè)計法，簡要描述了新的鑄鋁油底殼設(shè)計方法，在設(shè)計過程中充分考慮了鑄造和機(jī)加工藝能力。設(shè)計完結(jié)后，油底殼與其金屬模具一并設(shè)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(shù)模設(shè)計完成后，還需進(jìn)行裝配工藝性、空間工藝性、制作工藝性等內(nèi)容的校核，滿足間距、尺寸等要求，使零件在樣件制作之初規(guī)避風(fēng)險，降低成本損失。本文所舉的鑄鋁油底殼的例子為公司現(xiàn)生產(chǎn)的一款成熟機(jī)型，從實(shí)際量產(chǎn)性能來看這些校核內(nèi)容可以有效提升油底殼質(zhì)量，減少甚至消除質(zhì)量問題，對以后油底殼設(shè)計具有指導(dǎo)性意義。

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