基于Creo的汽车膨胀水箱设计方法

张 丹，刘帅帅

（陕西华臻车辆部件有限公司，西安 710200）

0 引言

膨胀水箱是汽车冷却系统的重要部件，它的主要功能是为冷却液提供膨胀空间，补给冷却液损失，使冷却系统成为一个密闭的空间，隔绝空气进入，避免冷却系统内部零件氧化腐蚀。同时，稳定系统内部压力，提高水泵出水量。因此膨胀水箱对整个冷却系统是否正常运转至关重要。

膨胀水箱设计中，容积可根据冷却系统需求计算，但外形受整车布置影响，产品造型多为不规则体；同时，膨胀水箱大部分是由半透明塑料PP制成，壳体通过注塑成型，内置十字挡板，通过热板焊接工艺连接成一个整体，结构复杂。因此，在膨胀水箱三维设计中，模型容积无法直接测量，通常模型设计完成后，再填满容积进行校对，需要反复修改，直至产品满足设计容积，工作效率极低。

基于以上认识，为提高产品设计效率，减少重复性工作，确定以下设计思路：首先根据客户需求计算膨胀水箱容积；其次根据边界条件，通过三维设计软件Creo的Top-Down设计建立产品外形轮廓骨架模型，并通过骨架模型传递设计信息，分别完成零件设计；最后，通过Creo行为建模模块建立膨胀水箱容积与外形尺寸之间的关系，最终确定产品容积及最优尺寸。

1 基于Creo的膨胀水箱设计方法

1.1 确定膨胀水箱理论容积

国内卡车主机厂对现有膨胀水箱设计容积有明确的要求：包含膨胀容积，储备容积，最低液位必备容积，其中“冷态满”液位以上的膨胀容积必须介于冷却系统总容积的6%到12%之间，膨胀容积过小，导致溢出浪费，容积过大，不利于冷却系统内部压力建立，导致冷却液沸腾和水泵穴蚀；储备容积约占冷却系统总容积的10%左右；最低液位必备容积即防止空气通过加注管进入冷却系统的最低液位，一般根据经验判断[1，2]。箱体上需明显标记“冷态满”时的最高液位线MAX，以及防冻液最低液位线MIN。

1.2 通过Top-Down设计建立产品模型

现行注塑膨胀水箱分为上下壳体，内部分布加强筋，设计方法是先建立产品零件（不同的人来完成），再进行装配，装配干涉或设计变更，需对上/下壳体不断进行重复修改，反复装配验证，保证配合一致，造成时间和人员的浪费，工作效率极低；Top-Down的设计思想（以Creo为例），通过定义顶层的设计意图（骨架）并从产品结构的顶层向下传递信息到有效的子装配或零件中。产品确定设计意图后，可先进行结构及三维空间规划，再通过共享设计信息建立零件，设计变更时只需要改动骨架，子装配及零部件就会随之变化；同时，骨架模型一般按照静态安装位置绘制，零件可在装配模式下参考骨架模型建立，无需再进行装配[3]。如图1所示。

图1 传统设计流程与Top-Down设计流程

在膨胀水箱设计中的应用步骤是：

1）建立骨架模型，然后发布零件几何；

2）在装配模式下，分别创建零件，复制几何传递设计信息；

3）分别完成上壳体，下壳体结构设计。

1.3 通过Creo行为建模进行模型分析优化

膨胀水箱设计中，产品结构确定后需通过最原始的方式，对产品模型容积反复测量，尺寸反复修改，最终达到设计目标容积，工作量极大，效率低。

Creo行为建模是新一代目标导向智能型模型分析工具，它能对模型进行多种分析，并将分析结果应用到模型中去，获得最佳设计方案[4，5]。膨胀水箱设计中，以膨胀水箱容积为目标值，通过Creo行为建模容积分析可快速确定产品体积和外形尺寸；针对不规则产品，可将整个高度范围内容积以高度-容积的图形模式显示，精准确定各高度处容积，方便确定各腔体体积[6]。

具体步骤是：

1）设定目标容积，通过Creo行为建模进行容积分析，确定产品外形尺寸最优组合；

2）使用UDA（用户自定义）分析特征，得到容积沿高度变化的图形函数，获得某一高度尺寸处容积，快速确定各腔体容积（MIN/MAX线位置）。

2 基于Creo的膨胀水箱设计实例

2.1 膨胀水箱容积计算

对某款重型卡车膨胀水箱进行设计，冷却系统总容积约为72.2L，膨胀水箱目标容积如下：

式(1)中，V1为膨胀容积；V2为储备容积；V3为最低液位必备容积，估算约为3.5L；V为膨胀水箱总容积。

膨胀水箱分为上下两个壳体，总容积为上、下壳体容积总和，参考边界，下壳体设计高度86.5mm，容积目标值为7.15L，上壳体设计高度92.5mm，容积目标值8.55L。

2.2 建立骨架，零件设计

建立膨胀水箱总成骨架后，通过发布几何约束可被零件参考的曲面、链、参考等，未发布的几何不能被引用，从而使上壳体和下壳体建立时互相之间独立，不会出现交互引用导致的错误。

2.2.1 建立骨架模型

发布几何，如图2所示。

图2 膨胀水箱骨架及骨架模型树

2.2.2 建立零件

复制几何，如图3、图4所示。

图3 膨胀水箱上壳体

图4 膨胀水箱下壳体

2.2.3 零件结构设计

如图5、图6所示。

图5 膨胀水箱上壳体

图6 膨胀水箱下壳体

2.3 容积分析，尺寸优化

该案例中通过Creo行为建模分别对上壳体、下壳体进行容积分析，在设定目标体积的前提下，完成产品设计尺寸优化。

以下壳体设计为例：

2.3.1 容积优化

1）通过“分析”---“测量”—“体积”分别确定下壳体抽壳前后体积。

抽壳前体积：MEASURE_VOLUME_1

抽壳后体积：MEASURE_VOLUME_2

2）进入行为建模模块，下壳体容积VOL通过“分析”命令里的“关系”约束。

VOL=ONE_SIDED_VOLUME：FID_MEASURE_VOLUME_1-ONE_SIDED_VOLUME：FID_MEASURE_VOLUME_2，即下壳体容积等于抽壳前体积减去抽壳后体积。

3）通过“分析”中的敏感度分析，可得到下壳体容积与设计高度，设计宽度的关系，优化设计尺寸。

如图7所示，底部台阶高度H设计在59mm时，容积可达到预期的7.15L。

图7 台阶高度敏感度分析结果

如图8所示，底部台阶宽度W设计在65mm时，容积可达到预期的7.15L。

图8 台阶宽度敏感度分析结果

4）通过“分析”中的可行性/优化分析，可确定目标体积下，多个外形尺寸的最优解。

设定下壳体目标体积为VOL，台阶高度尺寸H，宽度尺寸W为变量，参考步骤3）中的尺寸，对H，W尺寸进行范围约定；

通过可行性优化分析，H=60.19mm，W=64.96mm时，VOL=7.15mm，如图9所示。

图9 体积与变量优化分析结果

通过上述可行性分析，可以准确定义产品尺寸和容积大小。

2.3.2 确定MIN线

使用UDA（用户自定义）分析特征设定域点范围为下壳体整个高度，测量过域点平面MIN以下容积，可以得到下壳体容积沿整个高度方向变化的图形函数。该膨胀水箱最低液位容积为3.5L，从图形中获取MIN线在下壳体高度方向的0.3处，即距离下壳体底面向上86.5×0.3=25.95mm处，如图10、图11所示。

图10 下壳体体积测量

图11 沿高度变化的容积曲线

3 结语

在膨胀水箱设计过程中，使用Creo软件，通过Top-Down设计建立骨架模型，约束零件之间的空间位置，避免设计干涉，同时传递设计信息，最大限度减少设计中出现的重复性修改。使用Creo行为建模模块进行容积分析，以容积为目标，尺寸为变量，实现尺寸优化设计，通过UDA分析获得容积沿整个高度方向变化的图形函数，确定各腔体容积。利用该方法可提高设计师工作效率，减少设计工作量，大大缩短设计周期。