基于T B S模型的發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸設(shè)計(jì)

胡立萍， 張麗， 孫亞奇

（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津 300400）

0 引言

凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件之一，是配氣機(jī)構(gòu)的主要驅(qū)動(dòng)件。凸輪軸按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、發(fā)火順序和配氣相位控制氣門按時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉。凸輪軸設(shè)計(jì)的好壞對(duì)整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性能起著決定性的作用，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高，凸輪軸的工作環(huán)境更加惡劣，必須正確設(shè)計(jì)凸輪軸的結(jié)構(gòu)形式與尺寸，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。采用“TBS模型”，即在凸輪軸設(shè)計(jì)的最初階段，按照凸輪軸的基本功能和要求，在設(shè)計(jì)的“頂層”構(gòu)筑一個(gè)三維的“基本骨架”模型，隨后的設(shè)計(jì)過(guò)程基本上都是在該“頂層基本骨架”的基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)制、細(xì)化、修改、完善并最終完成凸輪軸設(shè)計(jì)過(guò)程。

“TBS模型”可以結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自頂向下的設(shè)計(jì)，它作為產(chǎn)品的各個(gè)模塊的整體結(jié)構(gòu)功能框架，以參考復(fù)制和設(shè)計(jì)變更的方式生成各個(gè)子裝配和具體零件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，然后將細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)后的零件以坐標(biāo)重合的方式裝配在一起，摒棄了傳統(tǒng)裝配零件之間的對(duì)齊、配對(duì)或定位的裝配模式。

1 凸輪軸結(jié)構(gòu)建模

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的設(shè)計(jì)思路及凸輪軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將凸輪軸進(jìn)行特征分解，從頂層到底層依次分解，底層為簡(jiǎn)單的幾何體特征，三維建模時(shí)從底層開(kāi)始構(gòu)建。在頂層，將凸輪軸分為前端、中間凸輪軸、后端三個(gè)模塊（圖1），然后對(duì)每一部分按照從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的思路，完成三維實(shí)體模型。

圖1 凸輪軸模塊分解示意圖

1.1 坐標(biāo)系建立

凸輪軸三維CAD模型的建模坐標(biāo)基準(zhǔn)（圖2）：以凸輪軸主軸頸中心線為X軸，X軸方向?yàn)閺耐馆嗇S前端到凸輪軸后端，凸輪軸第一缸缸心面為YZ平面，其與X軸交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。

圖2 凸輪軸建模坐標(biāo)系示意圖

1.2 骨架線確定

骨架線的確定主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)總體參數(shù)確定的前提下，確定凸輪軸建模的起始位置面及起始坐標(biāo)系。

本文中以第一缸缸心面所在YZ面為凸輪軸三維CAD建模的起始參考面。按照各模塊在長(zhǎng)度方向和角度的相對(duì)位置建立各個(gè)模塊的位置坐標(biāo)（圖3）。

圖3 凸輪軸建模規(guī)范骨架線示意圖

圖4 前端起始面示意圖

1.3 模塊建模

1.3.1 凸輪軸前端建模

1）以初始平面Front面沿X負(fù)方向建立參考平面（偏距為l_qd）作為前端起始面（圖4）；

2）在前端起始面上草繪圓截面（直徑為D_zj_qd）（圖 5），沿 X 軸正向拉伸（長(zhǎng)度為L(zhǎng)_zj_qd）完成圓柱特征（圖 6）；

圖5 前端軸頸圓截面示意圖

圖6 凸輪軸前端圓柱特征

圖7 凸輪軸前端起始螺栓孔位置

3）垂直于前端起始面做參考面DTM2與TOP面成一角度（Angle_lwk_qs），參考面DTM3垂 直 于 DTM2，DTM4平行于DTM3（偏距為 l_lwk_qs）與 DTM2相交于軸 A_3（圖 9），通過(guò)2個(gè)尺寸分別定義前端（螺釘連接）起始螺栓孔的角度及徑向距離；

4）在軸A_3處同軸完成螺栓孔特征，螺栓孔特征具體形狀可通過(guò)修改參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)（圖8）；

5）通過(guò)參數(shù)（陣列角度Angle_zl_lwk和陣列個(gè)數(shù)N_zl_lwk）來(lái)陣列完成其它螺栓孔（圖9）；

6）完成凸輪軸前端模型（圖 10）。

1.3.2 中間凸輪軸模塊建模

1）以第一缸缸心線所在YZ面為凸輪軸三維CAD建模的起始參考面，沿X軸負(fù)方向做一參考平面平行于骨架線初始平面right面（偏矩為l_tl_2j），該參考平面為凸輪1的中心面；凸輪1的中心面關(guān)于第一缸缸心面鏡像得到凸輪2中心面；沿X軸負(fù)方向做一參考平面平行于骨架線初始平面缸心面（偏矩為l_zczj_2j），該參考平面為支承軸頸中心面（見(jiàn)圖11）。

2）做一參考面與top面成一角度（Angle_tl_2j），作為凸輪向量面，做另一參考面與FRONT面成相同角度（Angle_tl_2j）作為凸輪輔助面，2個(gè)面作為凸輪建模參照（如圖 12）；

3）把凸輪已知升程表按圖13格式輸入文件中，以凸輪中心面為草繪平面，以凸輪向量面、凸輪輔助面作為參照，在草繪中插入坐標(biāo)系，以該坐標(biāo)系為基準(zhǔn)通過(guò)讀入凸輪升程表極坐標(biāo)文件（圖14）生成樣條曲線，即凸輪型線（圖 15）；

圖8 起始螺栓孔特征

圖9 凸輪軸前端螺栓孔特征

圖10 凸輪軸前端模型

圖11 凸輪軸單元位置平面示意圖

圖12 凸輪軸單元凸輪向量面示意圖

圖13 凸輪升程表文件

圖14 凸輪型線文件讀入

圖15 凸輪型線

4）利用凸輪型線兩側(cè)拉伸厚度b_tl_2j，完成凸輪特征（圖16），同理完成另一凸輪（圖 17）；

5）以一個(gè)凸輪表面為草繪平面，草繪主軸頸截面（圖18），拉伸至另一凸輪表面，完成主軸頸特征（圖19）；

6）以支承軸頸中心面為草繪平面，草繪支承軸頸截面（圖20），兩側(cè)拉伸 L_zczj_2j，完成支承軸頸特征（圖21）；

7）以支承軸頸前端面沿X軸正方向做一參考面（偏距為缸心距L），稱為缸心距面（圖22）；完成a、b兩段主軸頸特征，其中b段主軸頸拉伸到缸心距面（圖23）；

圖16 單個(gè)凸輪特征

圖17 2個(gè)凸輪特征

圖18 主軸頸截面

圖19 凸輪軸主軸頸特征

圖20 支承軸頸截面

1.3.3 凸輪軸后端建模

1） 以 初 始 平 面RIGHT面沿X正方向建立參考平面（偏距為l_hd）作為后端起始面（圖 24）；

2）以后端起始面為參照，作螺紋截面（圖25），沿X軸旋轉(zhuǎn)360°完成螺紋特征（圖26）；

3）平行于后端起始面做參考面DTM2作為螺紋起始面，作參考面DTM3平行于DTM2（偏距為L(zhǎng)_lw），通過(guò)尺寸L_lw定義后端螺紋孔螺紋深度（圖27）；

圖21 支承軸頸特征

圖22 缸心距面示意圖

圖23 凸輪軸單元其它主軸頸特征

4）在2個(gè)參考面間完成修飾螺紋特征（圖28），完成后端模型。

1.4 建立凸輪軸三維實(shí)體造型

按照設(shè)計(jì)要求，在總體骨架線基礎(chǔ)上，將所需軸段按照在長(zhǎng)度方向和角度方向的位置以坐標(biāo)系裝配在凸輪軸軸段組合模型中，完成凸輪軸軸段組合模型。在凸輪軸的基本模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)所需的油孔、銷釘孔及其它詳細(xì)特征，得到凸輪軸的三維實(shí)體造型（圖29）。

圖25凸輪軸后端螺紋截面

圖26 凸輪軸后端螺紋特征

2 結(jié)語(yǔ)

采用基于特征的TBS模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)也可進(jìn)行快速變型設(shè)計(jì)，即通過(guò)對(duì)原有設(shè)計(jì)模型進(jìn)行快速修改，以獲得新的設(shè)計(jì)效果。不僅提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，而且可加快系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)速度。該造型方法可指導(dǎo)不同結(jié)構(gòu)凸輪軸的設(shè)計(jì)。

圖27 后端螺紋孔螺紋深度

圖28 凸輪軸后端模型

圖29 凸輪軸三維實(shí)體造型