發(fā)動(dòng)機(jī)零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究

（河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院 471003)

0 引言

參數(shù)化設(shè)計(jì)是起源于工業(yè)化時(shí)代而興起的概念，現(xiàn)在逐漸延伸到數(shù)字化設(shè)計(jì)里，參數(shù)化設(shè)計(jì)主要應(yīng)用到建筑領(lǐng)域，近些年也被廣泛的使用到發(fā)電機(jī)零部件及其他精細(xì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作中。參數(shù)化設(shè)計(jì)的思想已經(jīng)貫穿到工業(yè)生產(chǎn)的多個(gè)方面，在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)工作中，參數(shù)化顯示出更加重要的作用，幫助設(shè)計(jì)出最高效的發(fā)動(dòng)機(jī)，節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的燃料。因此就需要對發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零部件進(jìn)行分析，得到最適合的設(shè)計(jì)參數(shù)，本文針對發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的參數(shù)化的設(shè)計(jì)及逆行詳細(xì)的研究，以求最終得到零部件參數(shù)化的最佳方案。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)概述

參數(shù)化最早是應(yīng)用在數(shù)學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)術(shù)語，后來在20世紀(jì)后期被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)學(xué)科中，尤其是建筑學(xué)，但隨著機(jī)械工具的頻繁應(yīng)用在一些方面，參數(shù)化也開始被使用到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。參數(shù)化設(shè)計(jì)包括2個(gè)方面，分別為參數(shù)化圖元和參數(shù)化修改引擎。參數(shù)化設(shè)計(jì)中的圖元的表現(xiàn)形式多數(shù)是構(gòu)件，構(gòu)件的不同也是因?yàn)閰?shù)的不同來反映，參數(shù)就可以保留所有圖元的信息。參數(shù)化修改引擎則是對構(gòu)件的變化與其他關(guān)聯(lián)之間的信息進(jìn)行修改，這就極大方便了在檢測設(shè)計(jì)過程中需要的各種數(shù)據(jù)的關(guān)系是否科學(xué)合理[1]。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件種類

發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零部件包括氣缸體、氣缸蓋、連桿總成、活塞、活塞環(huán)、曲軸、凸輪軸、連桿軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承、活塞銷、進(jìn)氣門及排氣門，其中每一零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)都對發(fā)動(dòng)機(jī)的整體功能有著重要的影響，其中作為主要功能的氣缸的作用更加顯著。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸就是一個(gè)把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的場所。通俗的講，就是燃料在汽缸內(nèi)燃燒，由此產(chǎn)生一系列的壓力推動(dòng)活塞進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，通過連桿把力再傳給曲軸，最終轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最后通過變速器和傳動(dòng)軸，把動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)車輪上，從而推動(dòng)機(jī)械前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，這就是發(fā)動(dòng)機(jī)工作的原理。因此每一個(gè)零部件在運(yùn)作中都會(huì)發(fā)揮重要的作用，對它們的設(shè)計(jì)工作也需要重視。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的功能和工作效率，每一個(gè)零部件有適合整體結(jié)構(gòu)的參數(shù)將會(huì)優(yōu)化整體的發(fā)動(dòng)機(jī)效能。發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)的得到需要經(jīng)歷復(fù)雜的運(yùn)算過程，發(fā)動(dòng)機(jī)的任何零部件的尺寸都應(yīng)該通過嚴(yán)密的計(jì)算來設(shè)計(jì)出圖紙。這些計(jì)算方式主要包括壓縮余隙的計(jì)算，曲軸軸向間隙計(jì)算，齒輪系計(jì)算，進(jìn)、排氣門間隙分析計(jì)算等都是得到相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)的具體方式，幫助最終設(shè)計(jì)出來的發(fā)動(dòng)機(jī)能達(dá)到預(yù)想標(biāo)準(zhǔn)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)零件參數(shù)化特征建模方式

發(fā)動(dòng)機(jī)零件參數(shù)化特征建模方式在實(shí)施之前，需要得到完整的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)參數(shù)，這樣才能更加方便的得到與零部件設(shè)計(jì)參數(shù)相對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)尺寸，才能給驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行默認(rèn)賦值，再對驅(qū)動(dòng)尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模ＷC在最后實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的參數(shù)化。設(shè)計(jì)人員針對發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)圖紙建立參數(shù)化特征模型時(shí)，應(yīng)該考慮到零部件的形狀和尺寸參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的思考，得到正確的建模方案，分析參數(shù)化特征建模的內(nèi)在聯(lián)系，最終清楚特征建模的先后順序及實(shí)現(xiàn)特征建模的具體方法。除此之外，設(shè)計(jì)人員還需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的尺寸參數(shù)的各種內(nèi)在關(guān)系建立起相關(guān)的參數(shù)方程式和得到點(diǎn)線面的約束關(guān)系，最終以此來建立起必要的參數(shù)約束條件，這樣才能使參數(shù)化的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)工作簡單，同時(shí)也會(huì)滿足設(shè)計(jì)人員對發(fā)動(dòng)機(jī)功能的需要。

4 不同方面發(fā)動(dòng)機(jī)零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)

4.1 在零件關(guān)聯(lián)方面參數(shù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是具備對發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件的參數(shù)尺寸能夠清楚的確認(rèn)，同時(shí)也建立起了零部件的參數(shù)化特征的模型，之后就可以通過建立起參數(shù)方程式或者電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件編程來對發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)零部件進(jìn)行參數(shù)的約束，最后能實(shí)現(xiàn)零部件關(guān)聯(lián)方面參數(shù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。零部件的關(guān)聯(lián)關(guān)系就是，發(fā)動(dòng)機(jī)其中的零部件尺寸將影響其他零部件尺寸的大小。

比如活塞的尺寸參數(shù)與活塞環(huán)的尺寸參數(shù)有密切的關(guān)系，同時(shí)其中必須是活塞環(huán)主動(dòng)適應(yīng)活塞的尺寸，這也就是有些發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的參數(shù)值必須隨著某些具有默認(rèn)值的零部件進(jìn)行改變，實(shí)現(xiàn)其零部件之間的關(guān)聯(lián)參數(shù)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段，零部件關(guān)聯(lián)方面參數(shù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方式主要依靠CAD軟件來實(shí)現(xiàn)。

4.2 在裝配約束方面的參數(shù)化設(shè)計(jì)

裝配約束方面的參數(shù)設(shè)計(jì)將幫助發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)整體裝配的工作，通過零部件的裝配工作也會(huì)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件的參數(shù)是否合理，同時(shí)對零部件之間契合度也要檢測。在進(jìn)行真正的實(shí)際裝配之前，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)人員可以通過計(jì)算機(jī)CAD軟件對整體零部件進(jìn)行虛擬的裝配工作，軟件結(jié)果顯示成功之后，再進(jìn)行真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配。裝配約束方面的參數(shù)化設(shè)計(jì)也存在集中條件，主要的約束條件為面耦合及等距耦合、對齊及等距對齊、插入、同軸及定向，只有全部滿足裝配約束條件才能進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的裝配工作。除此之外，在所有零部件參數(shù)尺寸符合要求的基礎(chǔ)上，還需要對參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析并且得出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，通過計(jì)算機(jī)對裝配的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件進(jìn)行比對。設(shè)計(jì)人員經(jīng)過對零部件系統(tǒng)分析之后，對存在的問題及時(shí)的解決和修改不合理的零部件的參數(shù)尺寸，保證在實(shí)際操作中不會(huì)出現(xiàn)任何問題[2]。

5 對 V型發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行舉例研究

5.1 V型發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

V型發(fā)動(dòng)機(jī)就是將所有氣缸分成兩組，把相鄰氣缸以一定夾角布置在一起，使兩組氣缸形成有一個(gè)夾角的平面，從側(cè)面看氣缸成V字形，故稱V型發(fā)動(dòng)機(jī)。V型發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)中具有孔類、槽類、隆起、切割、圓角及扭拉等基準(zhǔn)特征，但是如果按照發(fā)動(dòng)機(jī)的功能進(jìn)行對結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析就會(huì)得到在缸體功能和缸體零部件模型方面存在與其他類型發(fā)動(dòng)機(jī)不同的原因。在缸體總功能方面進(jìn)行分析能夠得到其具有動(dòng)力生成功能、支撐功能及附屬功能，在其下面還具有各種分類詳細(xì)的功能，同時(shí)對功能相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)就是氣缸體子結(jié)構(gòu)、上曲軸箱子結(jié)構(gòu)及附屬子結(jié)構(gòu)，還有在其下面具有各種分類詳細(xì)的結(jié)構(gòu)。V型發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有詳細(xì)的了解，才能設(shè)計(jì)出參數(shù)合理的發(fā)動(dòng)機(jī)。

5.2 如何實(shí)現(xiàn)零部件參數(shù)化

V型發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對設(shè)計(jì)的零部件的形狀、尺寸和在整個(gè)V型發(fā)動(dòng)機(jī)的位置有充分的了解，以便通過壓縮余隙的計(jì)算，曲軸軸向間隙計(jì)算，齒輪系計(jì)算，進(jìn)、排氣門間隙分析計(jì)算得到相應(yīng)的參數(shù)。設(shè)計(jì)人員在得到完整的設(shè)計(jì)參數(shù)之后，還需要得到與零部件設(shè)計(jì)參數(shù)相對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)尺寸。設(shè)計(jì)人員在零部件參數(shù)得出的基礎(chǔ)上建立起相關(guān)的參數(shù)方程式和得到點(diǎn)線面的約束關(guān)系，這樣對建立起發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的整體組合模型有著十分重要的作用。除此之外，設(shè)計(jì)人員也要在零部件關(guān)聯(lián)和裝配約束方面進(jìn)行必要的參數(shù)化設(shè)計(jì)工作，只要這樣按照嚴(yán)格的順序?qū)α悴考O(shè)計(jì)實(shí)行參數(shù)化，最終才能得到高質(zhì)量的V型發(fā)動(dòng)機(jī)。

5.3 自頂向下技術(shù)的應(yīng)用

自頂向下技術(shù)應(yīng)用廣泛，主要用于工程機(jī)械、高速車體設(shè)計(jì)。目前也應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作中，在零部件設(shè)計(jì)工作中主要分為功能設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)3個(gè)步驟。自頂向下技術(shù)的實(shí)施理念就是希望設(shè)計(jì)人員首先考慮到V型發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該滿足的具體功能，根據(jù)這種想法進(jìn)行設(shè)計(jì)零部件，同時(shí)計(jì)算出零部件應(yīng)該選擇的參數(shù)，之后就需要對零部件的參數(shù)進(jìn)行約束條件的考慮，通過相關(guān)的方程式或者幾何函數(shù)來計(jì)算，最終將V型發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行虛擬裝配進(jìn)行詳細(xì)分析，得出的不合理的地方進(jìn)行參數(shù)的修改，使得得到高效率的V型發(fā)動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)人員想要具體應(yīng)用自頂向下技術(shù)，還應(yīng)該對設(shè)計(jì)過程有清晰的了解，同時(shí)要在每一次發(fā)現(xiàn)問題的設(shè)計(jì)方案中及時(shí)的進(jìn)行修改，保證最終零部件裝配形成的V型發(fā)動(dòng)機(jī)具有完備的功能。

5.4 V型發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

V型發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)化在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中有其簡易的方面，就是指通過族表和程序進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)工作。族表就是包含一些V型發(fā)動(dòng)機(jī)零部件參數(shù)的表格，其中主要記錄一些已經(jīng)被設(shè)計(jì)好的模型的驅(qū)動(dòng)尺寸、參數(shù)和特征，這樣將極大簡化設(shè)計(jì)人員進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算參數(shù)的工作，節(jié)省大量的時(shí)間。設(shè)計(jì)人員在使用族表中的參數(shù)數(shù)據(jù)之前還是需要進(jìn)行必要的驗(yàn)證，確保裝配好的零部件全部滿足功能結(jié)構(gòu)的需求。除此之外，程序也是實(shí)現(xiàn)V型發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)的重要方式，程序能夠?qū)Τ叽鐓?shù)、特征或零部件之間關(guān)聯(lián)參數(shù)進(jìn)行修改，防止建立的模型在真正的實(shí)踐操作中出現(xiàn)問題，程序還具有能夠幫助在參數(shù)修改之后，生成其他不同的模型，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行比較進(jìn)行選擇。

6 結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)經(jīng)過實(shí)踐證明能夠加大其工作效率，節(jié)省其使用的各種能源燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件生產(chǎn)加工商想要保證生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，就需要重視提高發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)的參數(shù)化。發(fā)動(dòng)機(jī)類型廣泛，其中V型發(fā)動(dòng)機(jī)零部件作為重要研究，對V型發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，采取相關(guān)措施實(shí)現(xiàn)零部件參數(shù)化和實(shí)現(xiàn)自頂向下技術(shù)的應(yīng)用，最后保證參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，這一系列實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)措施也可以應(yīng)用到其他類型的發(fā)電機(jī)零部件設(shè)計(jì)工作中，總之參數(shù)化已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)里了。

【參考文獻(xiàn)】

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