加油口蓋系統設計的研究

唐 淳

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

加油口蓋系統設計的研究

唐 淳

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文主要針對某一轎車的加油口蓋系統進行設計，闡述了如何對加油口蓋系統的各組成部分進行結構、布置和安裝設計，最后對設計完成后的加油口蓋系統進行了行程和力的校核，實車出來后經過試制試驗滿足目標性能要求。

加油口蓋；結構設計；校核

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-34-06

引言

汽車汽油加注口一般有兩個蓋，分別稱為油箱蓋和車身加油口蓋。前者緊固在油箱加油管頸上，有保證油箱的密封、調節油箱內氣壓的作用；后者位于車身側圍，是遮擋在汽車油箱加注口上的一個部件，是車身外飾的一個重要的組成部分，不但有配合側圍鈑金的裝飾作用還有開閉的性能要求，外部形狀主要依賴于車身側圍的形狀，加油口蓋的設計應充分考慮與側圍的間隙面差，與車身顏色的色差等相關因素，達到裝配簡單和性能要求平衡，既實用又具有自身特色。加油口蓋雖小，但它在車身上就相當于人臉上的一個器官，它對整車的外觀影響很大。加油口蓋的設計與制作的成功與否至關重要，前期設計及后期制作都不可小視。

近年來隨著車身設計的發展，汽車外造型結構的不斷變化，加油口蓋的外觀形面日趨復雜，制作難度也越來越高，本文結合目前加油口蓋的發展趨勢和加油口蓋的開發經驗，對加油口蓋的各種結構進行了匯總分析。針對某一款轎車的加油口蓋進行設計，詳細敘述了整個設計過程，并提出了設計要點，最終設計出了滿足目標性能的加油口蓋，為后續車型的設計提供了指導。

1、加油口蓋系統的型式介紹

加油口蓋的型式多種多樣，按照開啟方式分為機械式、電子式和手動式；按照主要材料可分為金屬加油口蓋和塑料加油口蓋；按照形狀可分為圓形、方形、菱形、橢圓形和其它形狀等；按照固定方式分為內藏式和外露式加油口蓋。

該車型屬于低端乘用車，考慮工作人員加油時的操作方便性，尤其加油人較多時，為了減少等待時間，選擇機械式開啟方式作為該車型的加油口蓋開啟方式。

鑒于塑料加油口蓋在本公司正在預研階段，有技術風險，成本又高，與車身色差難于控制，故采用金屬加油口蓋。

該車型沒有對分縫和型面特征的避讓，也沒有對空間的約束，根據整車造型風格，為該車型選取圓形作為該車型的加油口蓋形狀，圓形的加油口蓋工藝控制起來容易，容差能力強，制造成本低。

該車型屬于小型轎車，加油口蓋的尺寸不適宜很大，形狀為圓形，故選取內藏式加油口蓋作為該車型加油口蓋的固定形式。

2、加油口蓋系統的設計

加油口蓋系統由加油口蓋本體、加油口蓋開啟把手、加油口蓋拉絲、緩沖塊組成，加油口蓋系統的設計主要由法規要求、性能、成本和重量目標要求所決定，現根據企業標準、標桿車的測量數據和配置要求輸入這些指標，對加油口蓋系統進行設計。

1.法規要求（注油管旋蓋掛繩）

ECER34要求在加油口蓋上增加一個孔，用以固定注油管旋蓋。我們通常是在加油口蓋內板上開一個Φ6mm的孔來固定。

2.性能目標輸入，如表1所示:

表1 加油口蓋性能目標表

3.成本和重量目標輸入，如表2所示:

表2 成本和重量目標

2.1 加油口蓋系統的結構設計

加油口蓋系統由加油口蓋本體、加油口蓋開啟把手、加油口蓋拉絲、緩沖塊組成，現對加油口蓋系統的各個組成部分進行結構設計。

2.1.1 加油口蓋本體的結構設計

加油口蓋本體由加油口蓋外板、內板、鉸鏈、安裝支架、轉軸和彈簧組成。加油口蓋本體的結構如圖1所示。

1. 加油口蓋外板的設計

由于加油口蓋外板的型面直接根據造型A面確定，所以加油口蓋外板的設計主要指外板和內板連接形式的設計。

外板和內板的連接形式有兩種,一種是翻邊式結構；另一種是包邊式結構, 翻邊式結構比包邊結構少了一道包邊工序，模具成本低，但在在加油口蓋與側圍同一間隙下,需要更大的空間以免發生運動干涉，同一車身制造精度，需要更大的間隙要求。包邊式結構比翻邊式結構增加一道包邊工序,增大了模具成本,而且包邊工藝外觀難于控制,容易起皺，但是包邊式加油口蓋對空間要求比翻邊式低。

基于成本和外觀要求，該車型選擇了翻邊結構。翻邊結構的內板和外板的焊接方式有兩種，一種是氬弧焊；一種是點焊，如圖2所示。氬弧焊的焊接邊為5mm；點焊的焊接邊為8mm～12mm，非焊點處為3mm。氬弧焊的焊接邊較短，對空間要求比點焊低，成本略高，點焊的焊接邊較長，對空間要求較高，該車型的分縫為2.5，面差為0，間隙較小，故點焊式的結構難于布置。選擇氬弧焊的連接形式作為該車型加油口蓋內外板的連接方式。加油口蓋外板R角，一周都是等半徑的，且保證不出現沖壓負角。

為了避免在裝調過程中劃傷側圍,將外板翻邊方向和側圍外板沖壓方向成60度夾角。如圖3所示。

2. 加油口蓋內板的設計

加油口蓋內板是加油口蓋上面比較重要的件，它連結外板和鉸鏈，具備一定的運動限位作用，同時又對加油口蓋的強度起主要作用。為了強度滿足要求，通常在內板上做出一些貫穿筋，為了避免加油口蓋整體比較重，在設計滿足要求的前提下，在內板上相應開出合適的減重孔，既節省了材料，又可以減重。有利于改善加油口蓋的下垂和支架強度不足的情況。有的車型將加油口蓋內板和鉸鏈做成一個件，可以提高強度，減少焊接工序，提高整體的精度，但是由于此件形狀復雜，材料利用率很低，成型困難，單件精度不容易控制，故大多數車型還是分開設計。內板的翻邊高度要和外板平齊，或者比外板低1mm。如圖4所示。

有的車型將加油口蓋內板和鉸鏈做成一個件，可以提高強度，減少焊接工序，提高整體的精度，但是由于此件形狀復雜，材料利用率很低，成型困難，單件精度不容易控制，故大多數車型還是分開設計。內板的翻邊高度要和外板平齊，或者比外板低1mm。如圖5所示。

3. 加油口蓋鉸鏈的設計

加油口蓋鉸鏈是連接轉軸和內外板的橋梁，強度要求較高，故在設計時應增加加強筋的設計，盡量縮短彎臂的長度，保證強度。一般在鉸鏈上設計固定注油管旋蓋的孔位，在此處設計懸掛方便，擰動加油口蓋時，旋蓋掛線不會繞進。如圖6所示。

如果布置空間不足，也可將固定注油管旋蓋的孔位設計在內板上。鉸鏈和轉軸通過卷邊連接，卷邊不僅要保證旋轉軸與內板配合滿足加油口蓋運動順暢的要求，而且保證旋轉軸不得松動及脫出。卷邊和轉軸為間隙配合。如圖7所示。

4. 加油口蓋安裝支架的設計

安裝支架是連接加油口蓋與加油口底座的關鍵部件。它和內板一起，作為加油口蓋的重要的連結部件，對強度，剛度都要求比較可靠。在安裝支架上要做出加油口蓋開啟的限位結構。考慮借用現有車型的部件。其安裝面與加油口底座鈑金型面配合須相互平行，并且是平面。如圖8所示。

5. 加油口蓋轉軸的設計

旋轉軸與內板相配合的卷邊距離與加油口蓋外板寬度比D/L＝ 1/3 ～1/2為宜，如果小于1/3，容易出現加油口蓋晃動，鉸鏈強度不夠等現象，導致平度和間隙出現問題；如果大于1/2，會導致支架布置的難度。考慮借用公司現有車型的部件。如圖9所示。

6. 加油口蓋彈簧的設計

加油口蓋彈簧有彈簧式和彈片式。彈簧式結構可靠性最好，質量易于保證，發生故障率很少。其缺點是加油口蓋總成制作時工藝較復雜，組裝時有一定困難，一旦發生斷裂或彈性不足，更換難度較大。彈片式結構安裝方便，占用空間小，最大難點是熱處理。熱處理不當會出現以下問題:硬度過高（超過50HRC）導致制件脆，受一定壓力易產生斷裂；而硬度偏低（小于40HRC）則會導致彈力不足，且極易變形，反復多次開啟使用會出現彈性失效的情況，耐久不好，容易脫落。 綜合上述優缺點，從可靠性考慮，選擇彈簧式作為該車型的彈簧。如圖10所示。

7. 加油口蓋本體所用的材料及料厚選擇如表3所示。

表3 材料及料厚

目前由于防腐蝕性要求，有些公司加油口蓋所用材料也選用鍍鋅板。

2.1.2 加油口蓋開啟把手的結構設計

借用現有車型開啟把手，以降低成本。如圖11所示。

2.1.3 加油口蓋拉絲的結構設計

加油口蓋拉絲總成包括加油口蓋拉絲和執行器。

加油口蓋拉絲長度根據走向確定，固定卡扣借用現有車型拉絲固定卡扣。執行器借用現有車型執行器，以降低成本和技術難度。如圖12所示。

執行器具體結構如圖13所示。

執行器的結構原理:當拉動執行器內部拉絲，拉絲帶動鎖銷向執行器內部運動；松開執行器內部拉絲，執行器內部彈簧推動鎖銷回位。

執行器的部件構成如表4所示。

表4

2.1.4 加油口蓋緩沖塊的結構設計

借用現有車型緩沖塊，以降低成本。如圖14所示。

2.2 加油口蓋系統的布置設計

2.2.1 加油口蓋本體的布置設計

加油口蓋的位置跟油箱的布置的位置有關。

1. 油箱在后底板位置的，加油口蓋一般布置在后輪罩的上方；

2. 油箱在前底板位置的，加油口蓋一般布置在B柱位置。

該車型油箱在后底板位置，故大概位置布置在后輪罩的上方。設計時盡量選取在車身形面平緩區域，盡量為外凸形面，避免為內凹形面。原因是內凹形面結構不穩定，當制件形面產生回彈之后極易形成光影聚焦區，與整車形面不光順，影響整車外觀品質。如受整車造型所限，加油口蓋的布置受整車美學設計的要求，無法選在外凸平緩部位，那就在后期制作時從工藝上進行控制。必須采用拉延工藝，使加油口蓋外板在成形過程中得到充分延展以消除其內應力，避免因表面回彈產生外板表面曲率與設計不符而與整車光順性不匹配。

1.加油口蓋的準確位置:由油管的走向，油管的高度，和后門的間隙要求，和輪包的間隙要求來決定。

2.加油口蓋鉸鏈的布置:盡量平行于車身外表面，如不滿足要求在這個基礎上微調。

3.加油口蓋大小的確定:在滿足加油槍要求的基礎上盡可能小，小的蓋子造型較好。

4.加油口蓋典型斷面的設計:借用現有的斷面來布置，再根據位置微調。

準確的位置要通過加油口蓋處的斷面校核確定，校核需要考慮油管的走向，油管的高度，借用件情況等造型約束條件。該車型油管借用，油箱口蓋借用，走向和高度確定，故加油口蓋的位置隨即確定。加油口蓋與車身的固定方式及工具空間，需要對固定螺栓的工具進行空間校核；

加油槍的布置校核:加油口蓋開啟到最大位置時，加油時加油槍進出操作方便性的校核，主要應該滿足國內外加油槍尺寸的要求。市場上使用的加油槍主要是24.5和21兩種，校核主要指加油管是否加油槍的直徑相匹配即加油管第一直線段長度要保證加油槍能插入，使加油阻力比較小。加油管第一直線段與ZX面的角度要求在45°左右，使加油槍能順利插入。加油口蓋布置垂直斷面如圖15所示:

布置要點:1、間隙滿足設計要求:（2.5～3）；

2、內板和油箱蓋間隙要求≥7mm；

3、角度要求≥3；

5加油槍包絡和周邊間隙≥7mm；

加油口蓋布置水平斷面如圖16所示:

布置要點:1、間隙滿足設計要求:（2.5～3）；

2、內板和油箱蓋間隙要求≥7mm；

3、過關后加油口蓋外板和側圍外板間隙要求≥3mm；

4、執行器和鈑金干涉量0.5mm；

2.2.2 加油口蓋開啟把手的布置設計

加油口蓋開啟把手布置于駕駛員座椅左側，與地毯的距離需要大于15mm，以滿足手的操作空間要求。

2.2.3 加油口蓋拉絲的布置設計

拉絲在車身中的布置路徑應盡量順暢。大角度小半徑的彎轉會造成拉絲管內鋼絲因彈性外張，消耗拉絲的部分行程，造成實際裝配后行程縮短的現象。因此設計、布置和現場裝配中應避免這種大角度小半徑的彎轉。拉絲的布置遵循可實現的最小路徑原則，以降低成本。

執行器的布置應考慮與內板的配合間隙，影響到加油口蓋的間隙、面差及晃動與否。如下圖17所示位執行器的布置圖，其中a為執行器固定端端到鈑金固定處的距離 ，b為執行器卡銷的最大行程，c為卡銷寬度，d為加油口蓋內板卡銷口卡接點到鈑金固定處的距離，考慮距離d要大于距離a,但是又不太大，不然超出距離a+b或接近距離a+b會造成執行器失效，要求卡接距離a+b-d≥3mm。

2.2.4 緩沖塊的布置設計

緩沖塊布置于加油口蓋內板的兩側，既要保證最大距離的緩沖效果，又要保證滿足一定的壓縮量。壓縮量要求為0.5mm。緩沖塊的布置如圖8所示:

2.3 加油口蓋系統的安裝設計

2.3.1 加油口蓋本體的安裝設計

加油口蓋通過兩個螺栓墊圈組合件（11251-06161）固定在車體上，該螺栓為公司同類轎車加油口蓋的固定螺栓型號，有利于現場的供件和人員操作。

2.3.2 加油口蓋開啟把手的安裝設計

加油口蓋開啟把手借用公司現有車型，故選擇和該車型固定相同的螺栓型號（11251-06161）固定于車體上。

2.3.3 加油口蓋拉絲的安裝設計

拉絲用卡扣固定在側圍鈑金上，適用孔徑為Φ6.5± 0.2mm，板厚T=1.5mm～2.0mm，與Φ4.8mm拉絲配合使用。固定卡扣數量:4個。

2.3.4 緩沖塊的安裝設計

緩沖塊裝配在加油口蓋內板上，適用孔徑為Φ5.5± 0.2mm，壓縮量為0.5mm。

2.4 加油口蓋系統的行程和力的校核

設計完成后的加油口蓋要進行行程和力的校核，才能證明此加油口蓋的設計是否合理。

加油口蓋的結構原理圖如圖19所示:

2.4.1 行程校核

1. 執行器行程＝執行器作用行程＋后空行程

如下圖20所示，a為鈑金到執行器的距離3.0mm，b為執行器端頭最大的伸出量9.8mm，c為端頭寬度。該車型執行器行程為12mm±0.5mm，執行器作用行程（下圖中b-a）為6.8±1.5mm。

執行器行程12mm±0.5mm=執行器作用行程6.8mm± 1.5mm+執行器后空行程5.2mm

2.把手行程＝把手空行程＋把手作用行程＋后空行程，如圖21所示:

加油口加油口蓋開啟把手最大開啟角度為37°，A=22mm±1mm，B=42mm+1mm，C=25mm±1mm，其中A為初始圓柱銷中心到拉絲卡接面距離，B為把手開啟最大角時圓柱銷中心到拉絲卡接面距離，C為自由狀態時圓柱銷中心到拉絲卡接面距離。

把手行程（B-A）為20mm±1mm，把手作用行程（B-C）為17mm±1.5mm

把手行程20mm±1mm＝把手空行程（3mm）＋把手作用行程17mm±1.5mm＋后空行程（0mm）

3 執行器與把手行程需滿足下列關系式

執行器作用行程＜把手作用行程*行程效率＜執行器行程

執行器作用行程=6.8mm±1.5mm

把手作用行程=17mm±1.5mm

行程效率=0.7～0.8

執行器行程=12mm±0.5mm

代入關系式

6.8+1.5=8.3＜(17-1.5)*0.7=10.85＜12±0.5

加油口蓋執行器滿足設計要求。

2.4.2 把手開啟力校核

該車型加油口蓋開啟力設計目標值為≤23N，加油口蓋開啟力計算如下:

當把手開啟到執行器作用行程即將完成時所需開啟力最大，此時把手受力如下圖22所示

當把手開啟到執行器作用行程即將完成時所需開啟力最大，此時把手受力如下圖22所示:

由把手受力可得:F1*L1=F2*L2+F3*L3

F2=回位彈簧預拉力+回位彈簧變形拉力k*Δx2=6+ 0.4*10=10N

F3=（執行器彈簧預壓力+執行器彈簧變形拉力k*Δx3+執行器摩擦力μ*N）/負載效率=（6+0.4*（6+1.5）+0.7*15）/0.6=32.5N

F1=（F2*L2+F3*L3）/L1=（10*23+32.5*30）/60=20.1N≤23N

加油口蓋把手開啟力滿足設計要求。

3、結論

本文針對某一轎車的加油口蓋系統，介紹了從目前現存的加油口蓋的型式，敘述了各種的優缺點，并針對這款轎車的市場定位進行結構選型。通過該車型性能、成本、重量目標的輸入和法規的要求，對該款轎車的加油口蓋進行結構、布置和安裝設計。最后對設計完成后的加油口蓋系統進行了行程和力的校核。整個過程為轎車加油口蓋系統的設計提供了指導。

[1] 臧傳福等.加油口蓋結構的研究[M]. 汽車制造業,2012.

[2] 孫海濤等.轎車車身加油口蓋零件[J].上海汽車,2010.

[3] 萬曉敏等.加油口蓋的工藝分析及壓形翻邊模[J].模具技術,2000.

The Researching of fuel door system design

Tang Chun
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

This paper discusses the design of fuel door aim at some car.It recites how to design the structure、layout and installing of fuel door. At last it checks the journey and power of finished fuel door and compares of the initial goal value. It is proved that it is right design.

fuel door; structure design; check

U462.1

A

1671-7988(2015)07-34-06

唐淳，就職于安徽江淮汽車技術中心，車體設計專家，主要從事開閉件的設計和研發工作。