528300 順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 佛山|成偉華

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汽車發(fā)動機典型進(jìn)氣道的設(shè)計與實現(xiàn)

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氣道在汽車發(fā)動機中起著重要的作用，可以決定發(fā)動機諸多參數(shù)指標(biāo)。設(shè)計方法先進(jìn)、制造技術(shù)精良的氣道能夠賦予發(fā)動機優(yōu)良的性能。本文分析了氣道三維掃描的設(shè)計方法，討論了設(shè)計的方法路徑，最終通過該方法設(shè)計出并快速成形了氣道樣品，氣道芯盒也一并被加工出來。關(guān)鍵詞：發(fā)動機；氣道；設(shè)計

隨著科技的進(jìn)步，發(fā)動機技術(shù)也越來越先進(jìn)，越來越多效率高、可靠度大、重量低、油耗低、排放低的發(fā)動機被研制出來。氣道在發(fā)動機中起著“咽喉”的作用，可以控制進(jìn)入發(fā)動機或者排出的氣缸中的氣流方向以及大小，進(jìn)而決定著發(fā)動機的功率、油耗等硬性參數(shù)［1］。傳統(tǒng)方法主要依靠在實驗臺上不斷地對石膏和木模修改和嘗試，這樣不僅難以設(shè)計出符合要求的形狀，而且費時費力，因此現(xiàn)在智能化技術(shù)對于氣道設(shè)計來說是必須的。

傳統(tǒng)氣道設(shè)計存在的問題分析

相比于設(shè)計其他的汽車零部件，氣道設(shè)計師不能提供準(zhǔn)確的、能夠引導(dǎo)生產(chǎn)過程的工程圖紙，所以氣道設(shè)計中設(shè)計師只能通過類比或者自己的經(jīng)驗畫出大致的輪廓圖，進(jìn)一步在實驗臺中進(jìn)行不斷的嘗試，最后確定最滿足要求的氣道。其主要的設(shè)計過程包括：

（1）根據(jù)氣道的圖紙，適當(dāng)修改制成氣道最初模型；（2）根據(jù)模型生產(chǎn)出氣道芯盒，之后進(jìn)行反復(fù)驗證、測試，直到符合要求，進(jìn)而澆鑄出氣道的實驗樣件；（3）對樣件進(jìn)行切片、測量，得出模具的參考圖紙，加工、修整之后拋光、成形；（4）進(jìn)行穩(wěn)壓實驗，樣品合格后投入生產(chǎn)；不合格的話重新澆鑄并進(jìn)行實驗［2］。

由上我們看出，傳統(tǒng)方法的隨機性、不確定性均很強，研制周期長，模具精度低，制造工藝水平低、研制成本較高，這些特征都影響的發(fā)動機性能的提升。

掃描氣道的形狀

對氣道的外形進(jìn)行三維測量能夠得到氣道表面準(zhǔn)確的形狀，準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)是提高曲面設(shè)計速度及品質(zhì)的重要前提保證。測量氣道的外形時，首先要往氣道中灌入模具膠，待膠凝固之后將氣道型芯拔出。由于氣道型芯本身具有一定的彈性，因此不能使用接觸式測量，本文采取的措施是使用3D SCAN三維激光掃描儀對氣道進(jìn)行三維掃描。下圖1表示的對氣道掃描之后得到的點云數(shù)據(jù)。

圖1　氣道掃描點云示意圖

為了獲取完整的外形數(shù)據(jù)，采用PolyWorks軟件分析和拼接點云數(shù)據(jù)，最終得到氣道的完整點云，如圖2所示。

圖2　氣道完整點云示意圖

氣道的造型

在獲得了點云數(shù)據(jù)之后，需要把點云擬合起來形成光滑曲面。本文采用Imageware軟件處理點云數(shù)據(jù)。處理點時，對點的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、排序、顯示以及取樣和剖面。之后創(chuàng)建曲線，在這之前要判斷生成曲線的類型（點陣曲線、光滑曲線）。創(chuàng)建好曲線之后，改變控制點的數(shù)量來對曲線進(jìn)行一定的調(diào)整。最后進(jìn)行診斷和修改，判斷曲線吻合度的依據(jù)是曲線的曲率。

創(chuàng)建曲面與創(chuàng)建曲線的過程類似。首先確定曲面的類型，其次創(chuàng)建曲面，創(chuàng)建的方法有點陣、蒙皮、過橋面等。最后，使用Imageware軟件對曲面進(jìn)行評估以及實時的檢測，評估曲面和點陣之間的吻合度，檢查曲面的連續(xù)性以及光順性，檢測結(jié)果由斑馬圖以及色彩分布圖來呈現(xiàn)。圖3表示的就是造型出的氣道形狀。

圖3氣道造型結(jié)果示意圖

氣道模型的加工

造型完成之后，就要開始進(jìn)行加工過程。首先要確定出氣道上模和下模之間的分界線，之后使用Pro/E生成氣道的型芯文件和芯盒文件，最后，將兩個文件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)遞到激光快速成型加工儀中進(jìn)行快速加工。激光快速成型加工儀（LRP）是一種新型儀器，具有傳統(tǒng)制造方法所不具備的復(fù)制性高、互換性強、加工成本低、周期短的特點，能夠?qū)⒃O(shè)計出的氣道形狀準(zhǔn)確的反映出來，符合現(xiàn)代快速加工的要求［3］。圖4表示的是LRP加工出的氣道型芯，圖5表示的是加工出的氣道芯盒。

圖4　加工出的氣道型芯示意圖

圖5　加工出的氣道芯盒示意圖

結(jié)語

三維造型在氣道設(shè)計過程中是一個重點環(huán)節(jié)。3D SCAN掃描儀與Polyworks軟件的有機結(jié)合能夠幫助設(shè)計師獲取氣道的點云數(shù)據(jù)，Imageware軟件能夠幫助設(shè)計師完成對點云數(shù)據(jù)的造型，準(zhǔn)確的獲得氣道的曲面模型，在這個基礎(chǔ)上，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的修改就可以得到新的氣道。

參考：

［1］夏興蘭，王勝利，陳大陸. 發(fā)動機氣道的造型設(shè)計［J］. 現(xiàn)代車用動力，2015，02:8-11.

［2］程莎莉. 發(fā)動機氣道三維流動特性的研究［D］.重慶大學(xué)，2012.

［3］劉鵬飛，徐春龍，檀麗宏. 基于CAD/CFD發(fā)動機氣道的設(shè)計［J］. 小型內(nèi)燃機與摩托車，2012，02:46-50.