蔣恩杰，付衛(wèi)元，李雙清，王瑞平，2

(1．寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江寧波 315336;2．浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司，浙江寧波 315800)

0 引言

目前，機械產(chǎn)品的運動和仿真分析是機械設(shè)計制造，尤其是發(fā)動機設(shè)計制造過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，因為發(fā)動機在進行設(shè)計前期要對運動機構(gòu)進行分析，以此來驗證機構(gòu)設(shè)計的合理性和可行性。機構(gòu)運動分析模塊是Pro/E中一個進行運動仿真和機構(gòu)分析的模塊。利用該模塊，可以根據(jù)設(shè)計意圖對一個完整的運動機構(gòu)添加驅(qū)動器、運動副，使其運動起來，以實現(xiàn)機構(gòu)的運動模擬，同時能對運動機構(gòu)進行運動的速度、軌跡、位移、運動干涉等情況的分析，為研究機構(gòu)模型和后續(xù)的實物驗證提供便利和一定的理論依據(jù)［1～2］。

發(fā)動機是一種復(fù)雜的機構(gòu)運動，既有回轉(zhuǎn)運動又有往復(fù)直線運動。本文通過在Pro/E平臺下，對發(fā)動機各零部件進行模擬裝配以及運動仿真的相關(guān)設(shè)計，在不考慮外在作用力的情況下對發(fā)動機進行運動分析，輸出各運動件之間的相對位置關(guān)系和運動軌跡，已得出發(fā)動機的運動規(guī)律和與設(shè)計相關(guān)的重要數(shù)據(jù)，從而為發(fā)動機產(chǎn)品設(shè)計工程師提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 機構(gòu)運動仿真的基礎(chǔ)知識

機構(gòu)運動分析模塊是Pro/E中一個強大的仿真和機構(gòu)分析模塊。當(dāng)各個零部件通過裝配模塊組成一個完整的機構(gòu)后，就可直接在機構(gòu)運動分析模塊中，根據(jù)設(shè)計者的設(shè)計意圖，定義機構(gòu)中的連接，設(shè)置伺服電機，運行機構(gòu)分析，觀察機構(gòu)是否存在干涉，還可以進行各種測量。機構(gòu)仿真設(shè)計的一般步驟如圖1。

圖1 機構(gòu)仿真設(shè)計流程圖

(1)定義模型 將各零件裝配成一個整體機構(gòu)，根據(jù)設(shè)計意圖定義各零件之間的連接方式以取得對應(yīng)的運動形式。

(2)添加驅(qū)動器 在Pro/E的機構(gòu)模塊下對模型添加伺服電機，使機構(gòu)運轉(zhuǎn)起來。

(3)準(zhǔn)備分析 完成原動件驅(qū)動添加后，定義其運動類型并設(shè)置運動環(huán)境，以此來進行機構(gòu)運動仿真。

(4)分析模型并獲得結(jié)果 通過“回放結(jié)果”來重新演示機構(gòu)運動過程，檢查干涉情況及查看相對運動的測量結(jié)果等［3］。

2 V6發(fā)動機的運動仿真及分析

筆者將以創(chuàng)建V6發(fā)動機的運動過程為例，來介紹機構(gòu)仿真運動的過程。V6發(fā)動機的運動件有曲軸、活塞連桿機構(gòu)、凸輪軸、滾子搖臂、氣門等。首先將各零部件的三維實體數(shù)模裝配起來，并保存在同一文件夾目錄下。

2．1 定義模型

如圖2所示，以缸體為基體，定義各個運動零件之間的運動副關(guān)系，滾子搖臂與液壓挺柱之間采用球和平面連接方式，此處液壓挺柱假設(shè)為剛性，氣門帽與滾子搖臂則采用槽與圓柱的連接方式。進入機構(gòu)運動分析模塊后，定義凸輪從動機構(gòu)連接，分別選取凸輪的外輪廓面和滾子搖臂的輪廓面作為凸輪1和凸輪2。然后用帶傳動方式等效代替鏈傳動來連接驅(qū)動鏈輪和進氣VVT以及進氣VVT和排氣VVT。

使用拖動元件工具，拖動凸輪軸旋轉(zhuǎn)，檢查凸輪是否帶動氣門在氣門導(dǎo)管內(nèi)上下運動。

2．2 添加驅(qū)動器

在機構(gòu)運動分析模塊下定義曲軸的軸線為伺服電動機的旋轉(zhuǎn)軸，并設(shè)置轉(zhuǎn)速為36°/s。如圖3所示，將曲軸、凸輪軸及進排氣VVT都置于第一缸壓縮上止點位置，考慮到整個模型的數(shù)據(jù)較大，為方便分析計算，隱藏一部分非運動件和第2到第6缸的運動件，以1缸的運動件為例進行運動仿真分析。

圖2 各個運動副之間的連接關(guān)系圖

圖3 第一缸壓縮上止點位置圖

2．3 分析模型

在機構(gòu)分析中新建運動分析，在類型中選取運動學(xué)，然后在首選項中定義運行時間，V6發(fā)動機是V型4沖程發(fā)動機，完成一個周期曲軸需要運轉(zhuǎn)720°，因之前設(shè)定曲軸轉(zhuǎn)速為36°/s，故運行時間需設(shè)定為20 s的倍數(shù)，在此設(shè)定運行時間為20 s。點擊運行，執(zhí)行分析，機構(gòu)將按設(shè)定的運動方式進行運動。

2．4 查看和分析仿真結(jié)果

進入“回放”窗口，可以查看整個機構(gòu)的運動情況，以便于分析發(fā)動機運動件之間的運動規(guī)律。因V6采用雙VVT結(jié)構(gòu)，進氣VVT可提前40°±2°(曲軸轉(zhuǎn)角)，排氣 VVT 可延遲35°±2°(曲軸轉(zhuǎn)角)，故從以下幾方面進行分析。

2．4．1 進、排氣VVT未工作的分析

2．4．1．1 進、排氣門的升程測量

因為氣門導(dǎo)管是相對靜止的，而氣門是運動的，故選取導(dǎo)管的軸線與導(dǎo)管下平面的交點作為靜止點，選取氣門軸線與氣門盤端面的交點作為運動點，測量分析進、排氣門的升程量。

如圖4、5所示，該曲線就是運動點到靜止點的距離隨時間變化的運動規(guī)律。從圖中可看出進、排氣門的開啟和關(guān)閉時間。將測量結(jié)果以Excel形式導(dǎo)出，并對數(shù)據(jù)進行簡單的處理后可以得出進、排氣門的升程量以及氣門重疊角，如圖6。

從圖6中可得到進氣門的升程量為10．9 mm，排氣門的升程量為10．6 mm。

圖4 進氣門升程圖

圖5 排氣門升程圖

圖6 進、排氣門升程曲線圖

2．4．1．2 進、排氣門及活塞之間最小距離測量

選取進、排氣門之間距離最小的兩個點作為進氣門與排氣門之間的最小距離的測量點，選取進氣門與活塞、排氣門與活塞之間距離最小的兩個點作為進氣門與活塞、排氣門與活塞的測量點，分別測量進、排氣門及活塞之間的最小距離，檢測三者之間的運動過程中是否有干涉的可能性。

從圖7可看出第一條曲線是進氣門與活塞最小距離隨時間的變化規(guī)律，最小距離為4．7 mm，第二條曲線是進、排氣門之間的最小距離隨時間的變化規(guī)律，最小距離為4．3 mm，第三條曲線是排氣門與活塞的最小距離隨時間的變化規(guī)律，最小距離為4．2 mm。

圖7 進氣門、排氣門及活塞之間的最小距離

2．4．2 進氣VVT開啟40°(曲軸轉(zhuǎn)角)和排氣VVT開啟0°(曲軸轉(zhuǎn)角)

調(diào)節(jié)進氣VVT的初始位置，使進氣VVT的位置相對于初始位置提前20°(凸輪轉(zhuǎn)角)其余保持不變，進入機構(gòu)運動仿真模塊，運行分析，分析結(jié)果如圖8。

因排氣VVT未發(fā)生變化，故排氣門與活塞之間的間隙不再作分析。從圖8可看出，進氣門與活塞之間的最小間隙為1．6 mm，進氣門與排氣門之間的最小間隙為3．7 mm。

圖8 進氣VVT開啟，排氣VVT未開啟

2．4．3 進氣 VVT開啟0°(曲軸轉(zhuǎn)角)和排氣 VVT開啟35°(曲軸轉(zhuǎn)角)

調(diào)節(jié)排氣VVT的初始位置，使排氣VVT的位置相對于初始位置延遲17．5°(凸輪轉(zhuǎn)角)其余保持不變，進入機構(gòu)運動仿真模塊，運行分析，分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 進氣VVT未開啟，排氣VVT開啟

因進氣VVT未發(fā)生變化，故進氣門與活塞之間的間隙不再作分析。從圖9可以看出，排氣門與活塞之間的最小間隙為1．8 mm，進氣門與排氣門之間的最小間隙為3．8 mm。

2．4．4 進氣VVT開啟40°(曲軸轉(zhuǎn)角)和排氣VVT開啟35°(曲軸轉(zhuǎn)角)

調(diào)節(jié)進、排氣VVT的初始位置，使進氣VVT的位置相對于初始位置提前20°(凸輪轉(zhuǎn)角)，排氣VVT的位置相對于初始位置延遲17．5°(凸輪轉(zhuǎn)角)，其余保持不變，進入機構(gòu)運動仿真模塊，運行分析，分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 進、排氣VVT開啟

從圖10可以看出進氣門與排氣門之間的最小間隙為2．7 mm，進氣門與活塞之間的最小間隙為2．1 mm，排氣門與活塞之間的最小間隙為1．8 mm。

2．4．5 分析總結(jié)

根據(jù)以上分析結(jié)果，統(tǒng)計各運動件在不同狀態(tài)下的最小間隙見表1。材料選擇Inconel625。防止膨脹節(jié)材料的腐蝕破壞。

(4)管廊上固定點位置的設(shè)置

在管廊上，如果采用直管壓力平衡型膨脹節(jié)來吸收二次應(yīng)力，那么所有固定點設(shè)置的間隔盡可能保持同樣的間隔。中間固定支架上的軸向力主要來自兩邊膨脹節(jié)伸縮所需要的熱脹力，在相同操作條件下，此熱脹力又跟左右管段的長度存在一定的正比關(guān)系，當(dāng)固定點左右相反方向的熱脹力相互抵消不了時，就會作用在固定點上，產(chǎn)生比較大的軸向推力。

所以，保持等距的固定點間隔對于降低固定點的推力起到很大的作用。

從另一種角度，管線的條件不變，改變膨脹節(jié)的剛度同樣可以降低固定點推力。但是，采取此種膨脹節(jié)剛度不同的做法，勢必造成膨脹節(jié)采購周期的增加，并且給現(xiàn)場的安裝帶來不便。

(5)管廊上各個排放支管柔性的考慮

很多管廊上的排放支管溫度都很高，所以應(yīng)力計算的時候，特別是在管廊上設(shè)置膨脹節(jié)的時候，一定要考慮把加膨脹節(jié)管段的所有支管一起連接進去計算，以免計算的管架推力產(chǎn)生偏差，造成膨脹節(jié)的破壞。

3 結(jié)論

在化工管廊的設(shè)計中，有效的采用直管壓力平衡型膨脹節(jié)在一定程度上能吸收管線產(chǎn)生的二次應(yīng)力，降低固定點的推力，減小管道的阻力降。但直管壓力平衡型膨脹節(jié)作為柔性元件，在設(shè)計的過程中一定要分析考慮各方面的影響因素，做好管架形式，起到更好保護膨脹節(jié)的作用。

另一方面，安裝在管廊上的膨脹節(jié)下波紋處容易積液結(jié)晶，而且膨脹節(jié)在加工過程中，它的疲勞壽命很難保證。所以在管廊的設(shè)計中，如果地方充足，從成本和使用壽命的角度來講，能采用自然補償?shù)脑挘€是盡量選擇自然補償?shù)男问絹砀淖児艿廊嵝浴?/p>

［1］ GB/T12777－2008．金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件［S］．

［2］ 唐永進．壓力管道應(yīng)力分析［M］．北京:中國石化出版社，2010．