基于反向设计法的铸铝油底壳设计及校核

摘 要：目前常用鑄铝油底壳的设计往往是运用正向设计法，其往往会由于保证等壁厚参数特征而增加设计周期。文章采用反向设计法，模拟油底壳外围金属模设计过程，之后提取金属模内腔的方式设计铸铝油底壳。同时以此设计出的铸铝油底壳为例，阐述油底壳设计过程中所需校核的内容及整体过程。关键词：铸铝油底壳;反向设计法;油底壳校核中图分类号：U466  文献标识码：A  文章编号：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

随着汽车技术的飞速发展，汽车用发动机铸铝油底壳逐渐取代了传统的钣金油底壳。相比于钣金油底壳，铸铝油底壳的刚度更大、密度比更轻，在遇到飞石冲击时防机油泄漏能力更强。目前在设计铸铝油底壳时往往采用正向设计的方式，即直接画出壳体后再增加安装凸台及后法兰等结构。这种设计方法在设计过程中无法考虑铸造工艺，且由于先画的和后画的特征会重合在一起，使零件后期变更困难，每种零件需重新画一遍，影响设计周期。

文章运用CATIA软件，采用反向设计法，即通过设计铸铝油底壳内腔和外腔及后侧金属模，提取中心腔体空间（即油底壳）的方式。这种设计方法将铸造、机加工工艺贯穿在整个设计过程中，充分考虑了制作工艺能力和制作水平。油底壳设计完结后其金属模具也一并设计出来了。

1 铸铝油底壳反向设计法

由于铸铝油底壳内外铸造凸台、凹槽、圆孔等结构比较多，需根据实际铸造工艺情况将其分别设计。设计时按照铸造工艺（高压铸造）依次设计壳体基础OILPAN_BASE、内腔砂型OILPAN_CORE、外腔砂型OILPAN_OUTSIDE和后法兰砂型OILPAN_REAR，再布尔运算反转设计出油底壳毛坯。最后根据油底壳机加工序的情况完成毛坯数模切削、钻孔、攻螺纹等工作。

需要说明的是，在绘制数模时，油底壳每部分结构都需用单独一个几何体进行绘制，几何体与几何体之间通过布尔运算（“移除”命令、“添加”命令）进行处理关联。这种画法一旦以后进行尺寸和草图变更，数模会很快进行更新并减少报错风险。

其实布尔运算提供了一种方式，它可以在实体间合并处理前，先对实体进行一系列操作，相当于提供了一种缓冲，这种缓冲可有效防止直接使用命令时难于更改容易报错的问题，是一种间接的方式。

1.1 壳体基础OILPAN_BASE

壳体基础OILPAN_BASE是油底壳壳体设计的基础性结构，因为这是油底壳储油的根本，也是油底壳等壁厚（本例中采用3mm壁厚）设计的基础，其余结构是在此基础上添加而成。因此它也可以看成是内腔体去掉凸台、孔、肋板等辅助特征结构后的主体形状。

设计时首先需根据整车边界情况，确认出油底壳大致结构（是大小头结构、中间大两边小结构还是其它形式）。之后绘制草图曲线，并据此运用凸台、凹槽等命令画出壳体基础OILPAN_BASE。注意点线面等几何元素需单独放置在有序几何图形集中，不要与几何体混合放置在一起，做到实体与几何图形集分置。

1.2 内腔砂型OILPAN_CORE

内腔砂型是油底壳实际内腔形状。当壳体基础OILPAN_ BASE绘制完成后，在其基础上增加法兰螺栓孔处的内安装空间避让结构、加强筋结构、带拔模斜度的上螺栓孔砂芯、放油塞内结构，并在油底壳分型面上设置长方体分型结构用来拔出。之后在长方体分型结构与壳体主体之间设置宽度为2mm、水平倾角30°的倒角结构，作为储胶槽储存油底壳密封胶。

特别的，对于铸造件而言，其动模上会设置一些顶柱结构方便将零件与模具脱模开来。铸铝油底壳常将顶柱放在内腔加强筋处，避免与机油集滤器、挡油板干涉。因此内腔砂型OILPAN_CORE上也可以根据数量和位置需要布置顶柱。

1.3 外腔砂型OILPAN_OUTSIDE

外腔砂型OILPAN_OUTSIDE是油底壳外部砂型结构，包括部分后法兰轮廓。外腔砂型的主体结构是在壳体基础OILPAN_BASE的基础上，外轮廓增厚3mm而得出（具体壁厚根据实际油底壳上法兰受力、螺栓孔间距等进行设置）。之后在主体结构上添加法兰螺栓孔处的外安装空间避让、带拔模斜度的下螺栓孔砂芯（根据铸造工艺，长条型砂型的长与截面直径比值需≤5。对于常用的油底壳上法兰螺栓M6而言，金属模铸造孔砂芯最长为30mm。对于这种长度较大的螺栓孔时需采用上下双向砂芯拔模）、放油塞外部结构，并根据变速箱法兰轮廓结构在后侧设计出油底壳后法兰的形体结构。

1.4 后法兰砂型OILPAN_REAR

后法兰砂型OILPAN_REAR是指油底壳后侧从变速箱法兰法向抽出的砂型结构。为保证变速箱密封性，油底壳后法兰轮廓需与变速箱法兰轮廓基本一致，与变速箱法兰螺栓安装孔对齐设置带有螺纹的油底壳后法兰螺栓孔。后法兰砂型上需设置后法兰螺栓安装工具空间、后法兰减除余肉的凹槽等结构，并根据拔模方向设置凹槽及孔位拔模斜度。同时其外侧也设置有长方体分型结构。

1.5 布尔反转及机加工处理

之后对1.2、1.3、1.4步生成的砂型进行布尔反转，抽出砂型组中的空腔区域，得出铸铝油底壳毛坯形状如图7所示。

之所以叫毛坯，是因为此时放油塞螺栓孔和后法兰变速箱螺栓孔在铸造过程中尚未攻螺纹;上法兰螺栓孔中还未完全打通且还是铸造孔壁面;上法兰与后法兰端面尚有切削余量（一般为1.5mm）需机加切削;机油尺支管孔的端面和侧面均需机加保证形位公差和粗糙度的要求。因此这就需要通过机加工的方式进行处理。

机加工处理在数模绘制中，主要通过CATIA的凸台、凹槽、孔等命令来实现，主要需要完成如下内容：攻放油塞螺栓孔和后法兰变速箱螺栓孔螺纹;切削上法兰与后法兰端面所保留的切削余量;铣通上法兰螺栓孔;机加保证机油尺支管的粗糙度与形位公差。至此油底壳成品（即出图纸做件的最终油底壳数模）设计完成，详见图8所示。

1.6 参数化设计及关联性粘贴

为了方便油底壳参数变更时，包括壳体基础OILPAN_ BASE、内腔砂型OILPAN_CORE、外腔砂型OILPAN_ OUTSIDE、后法兰砂型OILPAN_REAR以及机加工序能同时自动变更调整，在本文的反向设计方法中还有至关重要的一点：参数化设计和关联性粘贴。这一点贯穿整个设计步骤的始终。

参数化设计是指提前设定好常用的参数名称及数值，在之后设计过程中凡是需要运用到此参数的，都可以右键通过“编辑公式”进行参数调用。它会在整个设计过程的后台布置强大的参数网（类似于信号处理中的BT神经网络），当参数值变化时，所有引用此参数的位置其特征都将随之变化。

而关联性粘贴则是指对几何特征的关联性调用，特征通过“发布”命令进行公开，其它几何体复制发布的特征进行粘贴调用，粘贴时需右键“选择性粘贴”，在选择框中选择“与原文档相关联的结果”。这种粘贴调用是有关联的，一旦原始特征改变，这个特征会沿着“发布”这条途径将变化的信息传递给所引用的位置进行更新，方便后期结构、尺寸设计调整。

2 油底壳校核

油底壳的功能是保存并向机油集滤器提供充足的机油，并与缸体下端面、放油螺栓处形成密封，防止机油渗漏。作为润滑系统中的“大”零件，其功能的好坏直接影响发动机润滑系统的性能。因此，一款油底壳设计出来后必须进行一系列校核，将失效模式及不良影响控制在样件制作之前。以下将以铸铝油底壳为例，详细阐述油底壳的校核过程。

2.1 装配工藝性

装配工艺性是指油底壳在装配过程中所体现的工艺性能，主要包括两方面内容：安装孔位的一致性、装配工具及行程的空间性。装配工艺性的好坏直接影响量产节拍，以及后期4S店维修的方便性。

安装孔位一致性是指零件孔的位置及大小是否与配合零件孔的特征相匹配。对于油底壳而言，主要是与缸体下法兰安装孔和与变速箱法兰安装孔。校核时检查油底壳各部分孔位是否与缸体、变速箱的孔中心对齐，大小是否满足螺栓孔安装要求（是否还是螺纹孔）。

装配工具及行程的空间性是指油底壳安装时套筒扳手或丁字扳手能否顺畅安装螺栓，不与油底壳及其它零件干涉。以缸体下法兰M6安装螺栓为例，装配线上使用套筒扳手最大直径为14mm。校核时在油底壳螺栓安装面上画出直径14mm的圆并拉伸出圆柱，检查圆柱是否与油底壳有干涉。由于套筒工具运动行程是瞬时行程，套筒与油底壳间距需≥2mm即可。

2.2 空间工艺性

空间工艺性是指油底壳与周围零件需保证的间隙，主要包括外部空间工艺性和内部空间工艺性。

由于在行车过程中发动机相对于悬置支架会有所晃动，使油底壳与周围零件间隙时大时小。为避免油底壳与周围零件发生磕碰，外部空间工艺性要求油底壳与周围零件间隙≥25mm。校核时需详细检查与每一个零件的间隙情况。

由于油底壳内部主要是机油集滤器，内部空间工艺性主要是保证集滤器与油底壳内壁面间距≥5mm，确保安装油底壳时内壁不会与集滤器发生磕碰（浮子式集滤器除外）。

2.3 制作工艺性

制作工艺性是指所设计的零件是否能通过现有工艺实现。一般需将数模发送给供应商进行工艺评审，但作为设计人员来说必须提前进行制作工艺性校核。

以铸造油底壳为例，需检查内外壁面是否有充足的拔模斜度（拔模角需≥1.5°，太小制作成本会大大增加），两面衔接处是否有倒圆角（半径R≥1mm，倒角C≥1mm），大平面处是否有加强筋提高刚性，内腔或外腔是否有空间布置铸造顶柱以及顶柱位置和数量是否合理等等内容。

2.4 机油尺刻度位置情况

一般机油尺上会有两个刻度，分别表示油底壳内最大机油量和最小机油量。对于铸铝油底壳来说，往往会在其侧面布置机油尺安装凸台，用以插入安装机油尺，如图18所示，机油尺杆会深入到油底壳机油液面中。

油底壳内壁上会有一个机油尺杆孔，如果机油液面完全没过此孔，当机油尺杆插回机油尺导管内时，导管内气体会向下压缩导管内机油液面造成机油尺读数偏低（一般会低约0.5L左右）。由于这种现象类似于医院用注射器，因此被称为“柱塞效应”。

油底壳设计中为防止出现“柱塞效应”，需校核最大机油量时机油液面是否完全没过油底壳上机油尺杆孔，若没过必须想办法降低机油液面。一般设计都是尽量使液面刚刚开始接触或未接触机油尺杆孔为宜，如图19所示。

2.5 曲轴刮油情况

曲轴运转时若平衡块搅拌机油，会使油底壳内机油含有大量气泡，影响机油泵流量和机油润滑。同时搅拌还会加速曲轴箱气体与机油接触融合，加速机油稀释变质。为防止以上情况发生，设计时要求在整车倾角情况下，油底壳最大机油量时油面与曲轴运转包络体之间间隙需大于7.5至10mm，如图20所示（图20以最大加油量为5L的为例，具体需根据实际发动机情况自行设定）。

2.6 装配托盘和物流周转架空间情况

发动机在装配和物流运输过程中，主要靠装配托盘、物流周转架进行支撑。一般装配托盘立柱、周转架支撑柱都是支撑在缸体下端面的外沿上，这就要求发动机吊装在其上时，油底壳不能与装配托盘立柱、周转架支撑柱干涉，一般需保留8mm以上间隙。如图21所示，可以看出此时装配托盘与油底壳已经发生干涉，需对油底壳进行优化。

2.7 油面金字塔吸油情况

为保证汽车能在各种斜度路况下行驶，就需要保证在各种倾角情况下，机油集滤器都能连续不断地吸到机油。这就需要确保机油集滤器中吸油管始终在油面金字塔之中。

油面金字塔是指油底壳内机油量为（最小机油量-0.5L）以及在发动机布置倾角情况下，整车再前倾、后倾、左倾、右倾36°时，机油重合的部分。当集滤器中吸油管头深入其中时，无论整车倾角如何集滤器都能吸到机油。油面金字塔校核时，需先在数模上画出四个方向倾角时机油状态，然后提取重合部分，与吸油管头位置进行对比，如图22、23所示。

3 结论

本文基于反向设计法，简要描述了新的铸铝油底壳设计方法，在设计过程中充分考虑了铸造和机加工艺能力。设计完结后，油底壳与其金属模具一并设计出来，且方便后期修改。为保证油底壳的使用功能，油底壳数模设计完成后，还需进行装配工艺性、空间工艺性、制作工艺性等内容的校核，满足间距、尺寸等要求，使零件在样件制作之初规避风险，降低成本损失。本文所举的铸铝油底壳的例子为公司现生产的一款成熟机型，从实际量产性能来看这些校核内容可以有效提升油底壳质量，减少甚至消除质量问题，对以后油底壳设计具有指导性意义。

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