【摘 要】本文以某雙頂置凸輪軸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為例，介紹使用CATIA軟件的電子樣機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬（DMU Kinematics）模塊建立運(yùn)動(dòng)模型和分析運(yùn)動(dòng)間隙的方法，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，減少試制和試驗(yàn)驗(yàn)證次數(shù)，降低開發(fā)成本。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī)；運(yùn)動(dòng)模擬；間隙校核

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和起動(dòng)機(jī)構(gòu)等，前兩種機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)工作的主要運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)，與缸體、缸蓋組成的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)在總布置設(shè)計(jì)中占有重要的地位。兩大機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件與周邊零件的間隙隨曲軸的轉(zhuǎn)角而變化，運(yùn)動(dòng)軌跡影響著曲軸箱和氣門室的形狀，同時(shí)相鄰的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)零件氣門與活塞之間的動(dòng)態(tài)間隙也必須保持在一定的限值之上。進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)布置時(shí)要考慮保證這些間隙滿足設(shè)計(jì)要求，還要盡量避免設(shè)計(jì)過(guò)剩而影響布置的緊湊性。采用傳統(tǒng)的手工繪圖來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)間隙需要花費(fèi)大量的時(shí)間，且結(jié)果不精確，往往需要設(shè)計(jì)多余的間隙以確保零件之間不發(fā)生干涉。CATIA、Pro/E等大型工程軟件擁有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)模擬和間隙分析功能，幫助設(shè)計(jì)者提高布置設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

一、電子樣機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬

電子樣機(jī)DMU是對(duì)產(chǎn)品的真實(shí)化計(jì)算機(jī)模擬，滿足各種各樣的功能，提供用于工程設(shè)計(jì)、加工制造、產(chǎn)品拆裝維護(hù)的模擬環(huán)境；是支持產(chǎn)品和流程、信息傳遞、決策制定的公共平臺(tái)；覆蓋產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到維護(hù)服務(wù)的整個(gè)生命周期。實(shí)現(xiàn)三維是實(shí)現(xiàn)電子樣機(jī)的最基本的一步。由此可見，電子樣機(jī)技術(shù)主要是指在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，通過(guò)三維CAD/CAE/CAM軟件，建立完整的產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī)，組成電子化樣機(jī)的每個(gè)部件除了準(zhǔn)確定義三維幾何圖形外，還賦有相互間的裝配關(guān)系、技術(shù)關(guān)聯(lián)、工藝、公差、人力資源、材料、制造資源、成本等信息，電子樣機(jī)應(yīng)具有從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造到產(chǎn)品維護(hù)各階段所需的所有功能，為產(chǎn)品和流程開發(fā)以及從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品維護(hù)整個(gè)產(chǎn)品生命周期的信息交流和決策提供一個(gè)平臺(tái)。

1.電子樣機(jī)的功能和特點(diǎn)。CATIA V5的電子樣機(jī)功能由專門的Digital mockup單元里模塊DMU Kinematics，即CATIA V5電子樣機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬（Digital mockup Kinematics Simula

-tor）完成。電子樣機(jī)與CAX系統(tǒng)完全集成，并以“上下關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)”方式作業(yè)；可提供強(qiáng)大的可視化手段，除了虛擬顯示和多種瀏覽功能，還集成了漫游和截面透視等先進(jìn)手段；具備各種功能性檢測(cè)手段，如安裝/拆卸、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、干涉檢查、截面掃描等；具有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的配置和信息交流功能。由于電子樣機(jī)（DMU）技術(shù)加強(qiáng)了設(shè)計(jì)過(guò)程中最為關(guān)鍵的空間和尺寸控制之間的集成，在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中不斷對(duì)電子樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，大部分的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤都能被發(fā)現(xiàn)或避免，從而大大減少實(shí)物樣機(jī)的制作與驗(yàn)證。

2.電子樣機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬仿真的實(shí)現(xiàn)。DMU為設(shè)計(jì)者提供一種軟件環(huán)境，通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)提供的大量運(yùn)動(dòng)約束連接方式或者通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝配約束條件而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)約束連接，從而實(shí)現(xiàn)電子樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)模擬仿真，如對(duì)3D數(shù)模裝配體建立虛擬運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（Mechanism）并進(jìn)行動(dòng)作模擬，還根據(jù)要求測(cè)量3D數(shù)模之間的運(yùn)動(dòng)間隙。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（Mechanism）是運(yùn)動(dòng)模擬的信息組合，包含運(yùn)動(dòng)副（Joints）、驅(qū)動(dòng)命令（Commands）、固定零件（Fix

part）、運(yùn)動(dòng)規(guī)律（Laws）和加速度（Speed acceleration）等組成部分。

二、建立運(yùn)動(dòng)模型

1.建立3D數(shù)模。建立曲軸、連桿、活塞、凸輪軸、氣門等運(yùn)動(dòng)件和周邊零件如缸體、缸蓋的初步3D數(shù)模，并在裝配設(shè)計(jì)（Assembly design） 模塊中按零件實(shí)際位置和裝配關(guān)系對(duì)3D模型進(jìn)行裝配。運(yùn)動(dòng)件的初始位置一般按發(fā)動(dòng)機(jī)第一缸壓縮上止點(diǎn)來(lái)定義。為簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)模型，盡可能地保證軟件運(yùn)行速度，可根據(jù)實(shí)際情況省略不需要校核或不影響校核結(jié)果的零件如活塞銷，軸瓦等。

2.運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析。進(jìn)入電子樣機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬（DMU Kine

-matics） 模塊，在“插入（Insert）”菜單中選擇 命令新建一個(gè)機(jī)構(gòu)（Mechanism）。分析發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)，從前端或后端看，缸體、缸蓋作為固定零件，曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，活塞沿氣缸中心線作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，連桿作平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)，曲軸沿缸體上的軸承中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)與配氣機(jī)構(gòu)的傳統(tǒng)方式為曲軸通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)凸輪軸沿缸蓋上的軸承中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，凸輪軸驅(qū)動(dòng)氣門、挺柱等做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這些運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)來(lái)添加機(jī)構(gòu)（Mechanism）的各個(gè)組成部分，運(yùn)動(dòng)模型即建立完成。

3.添加運(yùn)動(dòng)副（Joints）。對(duì)無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件（如缸體、缸蓋、氣門導(dǎo)管等）用Rigid 運(yùn)動(dòng)副約束；根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的各零件進(jìn)行約束，并進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。主要運(yùn)動(dòng)副見表1。

表1 主要運(yùn)動(dòng)副

如果在裝配設(shè)計(jì)（Assembly design）中已將各零件按運(yùn)動(dòng)關(guān)系約束，可點(diǎn)擊裝配約束轉(zhuǎn)換（Assembly constrains conversion）命令自動(dòng)生成運(yùn)動(dòng)副。

4.建立驅(qū)動(dòng)命令（Commands）。在電子樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真里，為了使模型可以運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)命令是必不可少的；用戶可以在創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副時(shí)直接定義驅(qū)動(dòng)命令，也可以在運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建之后定義驅(qū)動(dòng)命令。運(yùn)動(dòng)模擬的主要目的是模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作并分析動(dòng)作過(guò)程中的零件間隙，因此運(yùn)動(dòng)源是否與實(shí)際相符可不作要求。為方便模擬命令的操作，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)模擬過(guò)程中VVT對(duì)相位的調(diào)整，將曲軸和進(jìn)、排氣凸輪軸三個(gè)零件作為單獨(dú)運(yùn)動(dòng)源，分別添加同一類型的驅(qū)動(dòng)命令，即角度驅(qū)動(dòng)。具體操作方法是在添加這三個(gè)零件與固定零件的運(yùn)動(dòng)副時(shí)，在對(duì)話框中勾選角度驅(qū)動(dòng)（Angle driven）選項(xiàng)。

5.指定固定零件（Fix part）。當(dāng)運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建完成后，機(jī)構(gòu)并不能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真。為了使運(yùn)動(dòng)仿真的命令能夠運(yùn)行，在電子樣機(jī)模擬機(jī)構(gòu)里必須要有固定的零件，也就是系統(tǒng)的支架。當(dāng)由于沒有固定零件機(jī)構(gòu)不能運(yùn)行仿真時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示用戶次機(jī)構(gòu)沒有固定零件?？捎肍ixed Part 命令指定固定零件，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體可作為該虛擬機(jī)構(gòu)的固定零件。

6.定義運(yùn)動(dòng)規(guī)律（Laws）。用公式編輯器對(duì)曲軸驅(qū)動(dòng)定義一個(gè)角速度值，根據(jù)曲軸與凸輪軸的實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系，定義進(jìn)、排氣凸輪軸驅(qū)動(dòng)的角速度值為曲軸驅(qū)動(dòng)角速度值的2倍。完成機(jī)構(gòu)即運(yùn)動(dòng)模型的建立后，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬和間隙分析。

三、間隙分析

氣門間隙通常是發(fā)動(dòng)機(jī)處于冷態(tài)時(shí)，在氣門腳及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中留有適當(dāng)?shù)拈g隙，以補(bǔ)償氣門受熱后的膨脹量，這一預(yù)留間隙稱為氣門間隙。一般排氣門的氣門間隙要略大于進(jìn)氣門的氣門間隙。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，由于配氣機(jī)構(gòu)零件的磨損或松動(dòng)，或是氣門在工作時(shí)因溫度升高而膨脹都會(huì)導(dǎo)致原有氣門間隙的變化。氣門間隙的大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各方面的性能影響極大：間隙過(guò)小，發(fā)動(dòng)機(jī)在熱態(tài)下由于氣門桿膨脹可能會(huì)造成氣門漏氣，導(dǎo)致功率下降，甚至燒壞氣門；間隙過(guò)大，傳動(dòng)零件之間以及氣門與氣門座之間容易產(chǎn)生沖撞，同時(shí)使氣門開啟的持續(xù)時(shí)間減少，進(jìn)氣和排氣不充分，也會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。因此，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，必須調(diào)整好氣門間隙。對(duì)建立的機(jī)構(gòu)使用Simulation with laws 命令，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模擬，各零件的3D模型按照實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系運(yùn)動(dòng)。如需模擬VVT工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，可使用Simulation with commands 命令，先調(diào)整凸輪軸的初始相位，再模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作一個(gè)循環(huán)的運(yùn)動(dòng)情況。在運(yùn)動(dòng)模擬過(guò)程中，勾選激活傳感器（Activate sensors）選項(xiàng)可對(duì)關(guān)注的尺寸進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，輸出零件之間、或零件某特征與另一零件某特征之間隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的間隙數(shù)值圖表，主要用于對(duì)相位變化比較敏感的間隙分析，如活塞和進(jìn)、排氣門的運(yùn)動(dòng)間隙。也可使用包絡(luò)體（Swept volume） 和軌跡（Trace） 命令生成零件和零件上某個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體和運(yùn)動(dòng)軌跡，然后使用碰撞分析（Clash） 、剖切分析（Sectioning） 和距離區(qū)域分析（Distance and band analysis） 等各種空間分析工具檢查其與周邊零件的間隙，如曲軸和連桿運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體與曲軸箱間隙、凸輪軸運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體與氣門室間隙。

四、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬及結(jié)果應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬可以進(jìn)行零部件干涉檢查、動(dòng)畫制作、凸輪零件反求設(shè)計(jì)、物理量規(guī)律求解以及系統(tǒng)優(yōu)化等。下面對(duì)常用的分析結(jié)果應(yīng)用情況進(jìn)行舉例說(shuō)明。干涉檢查是三維軟件虛擬裝配設(shè) 計(jì)最基本的零部件驗(yàn)證功能，分靜態(tài)檢查和動(dòng)態(tài)檢查兩種使用方式。靜態(tài)檢查操作在CATIA環(huán)境下進(jìn)行，完成裝配后，執(zhí)行“分析”→“模型”→“全局干涉”，可以查看所有干涉情況，執(zhí)行“分析”→“模 型”→“配合間隙”，可以查看兩個(gè)零件之間的最小間隙或干涉體積。動(dòng)態(tài)檢查操作在機(jī)構(gòu)環(huán)境進(jìn)行，在“回放” 對(duì)話框點(diǎn)擊“沖突檢測(cè)設(shè)置”，或者“工具”→“組件設(shè)置”→“沖突檢測(cè)設(shè)置”，確定是否進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查計(jì)算，需要更長(zhǎng)的運(yùn)算時(shí)間和更高的計(jì)算機(jī)硬件資源配置。在CATIA中有專門的動(dòng)畫模塊，元件分解、視角變換和顯示狀態(tài)等動(dòng)畫動(dòng)作需要在該環(huán)境設(shè)置。在機(jī)構(gòu)模塊可以將曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬設(shè)置傳遞到動(dòng)畫模塊，將運(yùn)動(dòng)模擬作為動(dòng)畫制作的 一個(gè)環(huán)節(jié)（時(shí)間線或子動(dòng)畫），實(shí)現(xiàn)發(fā) 動(dòng)機(jī)產(chǎn)品演示動(dòng)畫的準(zhǔn)確運(yùn)行。

通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模擬可以對(duì) 發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)規(guī)律進(jìn)行輸出，CATIA軟件提供了豐富的測(cè)量量庫(kù)和強(qiáng)大的測(cè)量量定義功能，用戶可以方便地定制所需的技術(shù)參數(shù)規(guī)律曲線。在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)中，箱體和缸蓋是其中的2個(gè)關(guān)鍵的重要零件，它們的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一是確定水道、油道以及其他不規(guī)則形狀腔體。例如，推桿在配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的空間范圍是通過(guò)箱體、缸蓋設(shè)計(jì)確定出運(yùn)動(dòng)空間腔體的重要依據(jù)。利用機(jī)構(gòu)模擬創(chuàng)建推桿運(yùn)動(dòng)包絡(luò)零件，通過(guò)“編輯”→“縮放模型”，放大模型以得到所需要空間范圍，利用布爾減運(yùn)算創(chuàng)建箱體、缸蓋零件上推桿的運(yùn)動(dòng)空間范圍腔體特征。

五、結(jié)語(yǔ)

本文所闡述的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬方法，可幫助設(shè)計(jì)人員較快地完成發(fā)動(dòng)機(jī)布置過(guò)程中的間隙校核工作。建立運(yùn)動(dòng)模型過(guò)程中運(yùn)用的一些技巧在保證模擬運(yùn)動(dòng)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)的基本對(duì)應(yīng)關(guān)系得到滿足的基礎(chǔ)上，又使建模和間隙分析過(guò)程能盡量地簡(jiǎn)單，操作方便。與傳統(tǒng)的手工繪圖方法相比，基于CATIA的運(yùn)動(dòng)模擬方法縮短了間隙校核的工作時(shí)間，降低了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，提高了間隙校核的精確性。從而提高布置設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，減少試制和試驗(yàn)驗(yàn)證的次數(shù)，降低開發(fā)成本。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]魯君尚編著.無(wú)師自通CATIA V5之電子樣機(jī)[M].北京航天航空大學(xué)出版社，2008

[2]徐兀編著.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)[M].人民交通出版社，1995