塑料加油口盖刚度分析以及优化设计

许露瑶，蓝景玉

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545005）

加油口盖总成固定在车身上，对燃油加注口起保护、遮盖作用。一般从水平刚度、垂向刚度及扭转刚度三个方面分析评估加油口盖的整体刚度。水平刚度指在水平工况载荷的作用下抵抗变形的能力；垂向刚度指在垂直工况载荷的作用下抵抗变形的能力；扭转刚度指在扭转载荷作用下抵抗变形的能力[1]。若整体刚度不足，会出现开启时盖板晃动幅度过大；长期使用过程中，在自身重力作用下发生Z向变形，易与侧围之间的间隙不足，严重可导致干涉伤漆[2]。塑料加油口盖总成开启关闭频率较高，因此，在新车型正向开发时需要重点关注。

利用计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）仿真软件进行刚度模拟分析，可及时发现设计缺陷，并验证改进方案可行性。本文通过详细对标尺寸相当且刚度良好的竞品，确定差异大的设计参数，制定改进方案，有效地提升了垂向刚度、水平刚度以及扭转刚度，满足设计目标要求。

1 塑料加油口盖刚度研究分析

1.1 塑料加油口盖结构

加油口盖总成由盖板、铰链板、底座、转轴、弹簧、执行器机构组成。盖板为车身外观件，可翻转打开，同时对车身、油管起到密封的作用[3]。选择的 2款竞品车塑料加油口盖结构组成与开发车型相同，图 1为新开发车型加油口盖结构和车身连接示意图。

图1 某开发车型加油口盖结构和车身连接示意图

1.2 塑料加油口盖刚度分析

应用HyperMesh软件建立车有限元模型，并设置相关参数，模型信息如表1所示。使用Abaqus软件进行模拟计算，约束加油口盖与侧围内板及侧围外板搭接处的 6个方向自由度；盖板与铰链板处于全开状态（90°）。计算水平刚度时，沿着垂直盖板方向施加30 N载荷；计算垂向刚度时，沿着与转轴平行方向施加20 N载荷；计算扭转刚度时，加载4 Nm力矩，如图2所示。通过长期开发经验设定目标值，如表2所示。仿真计算得出，扭转刚度仿真结果符合设计值，但是水平刚度以及垂向刚度不符合设计目标值，尤其是垂向刚度与目标值相差较大，存在干涉风险，可能会影响正常开闭以及美观性。

表1 模型信息

图2 仿真分析边界条件示意图

表2 改善前模型刚度以及目标值

1.3 竞品对标分析

本文从材料属性、轮廓尺寸、关键间隙配合等几方面找出刚度不足的原因[4]。

1.3.1 材料属性对比分析

开发车型与两款竞品车塑料加油口盖总成主要零件的材料属性如表 3所示。数据显示，除三款车型的铰链板厚度存在差异，另外零部件材料、设计参数均一致。

表3 加油口盖厚度材料对比

1.3.2 轮廓尺寸对比分析

如图3、表4所示， 开发车型加油口盖轮廓大小尺寸、铰链轴线至按压点距离、铰链板鹅颈伸出量、铰链板主体高度与平台车型、竞品车并无太大差异。但是，铰链板鹅颈高度以及与之匹配的底座鹅颈外壳高度均比平台车型、竞品车型小。

图3 加油口盖轮廓尺寸示意图

表4 轮廓尺寸对比表 单位：mm

1.3.3 关键匹配间隙对比分析

如图4(a)—图4 (d)、表5所示，加油口盖总成打开状态时，零部件关键间隙匹配主要为铰链板与底座的间隙匹配、转轴与周边零件的匹配。加油口盖铰链板与转轴、铰链与底座的配合尺寸与竞品相一致。

表5 关键间隙对比表

图4 加油口盖零件关键间隙

2 改善方案以及验证

综上对比分析，垂向刚度较差的开发车型铰链板厚度、铰链板鹅颈高度、底座鹅颈外壳高度较小，其他设计参数均大致相同。由此，评估出以下优化方案：方案1将底座鹅颈高度A由53 mm调整至60 mm，铰链板鹅颈高度E由45 mm调整至55 mm，如图5所示。方案2将铰链板厚度由2.5 mm至2.8 mm，如图6所示。分别通过CAE分析，两种方案均对刚度有较好的提升效果。材质、控制方式对其感知质量、成本有着较大的关系[5]。以上两种方案均是增加材料重量，且对产品成本影响不大，两者结合形成方案3。经过验证，方案3比方案1、2和竞品车型刚度更优，如表6所示。图7(a)—图7(c)为刚度位移云图。

图5 改善方案1示意图

图6 改善方案2示意图

图7 刚度位移云图

表6 改善前后刚度值对比表

式中，Kh为水平刚度；Kv为垂向刚度；Kt为扭转刚度；Fh为水平加载力；Fv为垂向加载力；T为扭转力矩；σh为局部坐标X向变形位移；σv为局部坐标Z向变形位移；θt为扭转角度；L1为扭转变形位移；L2为盖板纵向高度。通过式（1）—式（3）计算得出水平刚度、垂向刚度及扭转刚度。

目前，大部分主机厂在试验台架进行垂向刚度和水平刚度试验。汽车整车可靠性道路试验是优化与检测汽车性能的主要方式之一，加油口盖整体刚度在整车可靠性路试中进行验证[6]。刚度试验将 5个样件依次装在类似实车的夹具上，将加油口盖板处于完全打开状态，在加油口盖板上边缘中点施加垂直向下20 N的载荷，持续15 s；水平刚度试验将样件依次装在类似实车的夹具上，将加油口盖板处于完全打开状态，在加油口盖板右侧边缘中点水平施加30 N的载荷，持续15 s，分别用尺子量出测量点的位移，试验过程如图 8所示。将力移除后，加油口盖总成均满足不产生松动、异常晃动、错位、永久性变形和任何损坏，间隙面差仍符合DTS要求。通过将刚度仿真分析与试验值对比，差异不大，如表7、表8所示。此外，实物随整车可靠性路试在行驶56 000 km后，加油口盖开闭无异常，与周边系统匹配外观良好，整车可靠性路试验证后样件状态如图 9所示。以上试验表明，该加油口盖总成整体刚度良好。

图8 刚度试验图示

表7 垂向刚度仿真分析与试验值对比表

表8 水平刚度仿真分析与试验值对比表

图9 整车可靠性路试验证后样件状态

3 结束语

本文通过对开发车型以及竞品车塑料加油口盖结构组成、材料属性、轮廓尺寸以及关键间隙匹配进行分析，确定改善方向，通过CAE仿真模拟分析可行性，从正向开发的角度优化数据，避免开模后修模改善延长开发周期以及增加改模费用。实车刚度试验结果显示，满足设计目标要求，且用户感知品质良好。