摘要：本文介紹了在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中對(duì)JX493 發(fā)動(dòng)機(jī)改型的應(yīng)用，使用ＵＧ軟件針對(duì)JX493 結(jié)構(gòu)改型的問(wèn)題，對(duì)其改型前、改型后的狀態(tài)進(jìn)行CAD 建模及UG/Motion 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析計(jì)算，解決了其存在的問(wèn)題，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，從而減少了開(kāi)發(fā)費(fèi)用和開(kāi)發(fā)周期。
關(guān)鍵詞：CAD/CAE 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng) 仿真

前言

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)竟?fàn)幱l(fā)激烈，要求企業(yè)必須縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)。對(duì)于企業(yè)要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須改進(jìn)傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，誰(shuí)能掌握計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)并應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、制造，誰(shuí)就能夠掌握市場(chǎng)的主動(dòng)。目前作為汽車設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，CAD／CAE 技術(shù)為汽車設(shè)計(jì)驗(yàn)證、缺陷修改、及減少對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)的依賴起重要作用。

江鈴汽車股份公司十分重視CAD／CAE／CAM／PDM 等計(jì)算機(jī)技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用，也為我們實(shí)現(xiàn)企業(yè)十三字方針：高品質(zhì)、多品種、中價(jià)位、優(yōu)質(zhì)服務(wù)，提供了現(xiàn)代化的手段和基礎(chǔ)保障。幾年來(lái)，在全公司已全面普及了二維ＣＡＤ應(yīng)用，并及時(shí)引進(jìn)了EDS 公司的三維CAD／CAE／CAM 軟件系統(tǒng)，應(yīng)用于公司的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、制造、工程分析等工作中。計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，提高了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、制造的效率，縮短了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，改進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的質(zhì)量，并使企業(yè)形成了一種全新的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)理念。

本文介紹針對(duì)JX493 發(fā)動(dòng)機(jī)改型而影響到結(jié)構(gòu)是否能滿足要求，這一實(shí)際工程問(wèn)題所作的CAD 三維建模和CAE 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析。

1 問(wèn)題背景

由于某型發(fā)動(dòng)機(jī)改型后，引起發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。首先在改進(jìn)配氣機(jī)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸在運(yùn)行中檢查到撓動(dòng)較大，凸輪軸剛度不夠。比較幾種方案，確定對(duì)凸輪軸軸頸整體加粗，增加凸輪軸強(qiáng)度。然而凸輪軸軸頸整體加粗后，導(dǎo)致了曲軸連桿與凸輪軸在運(yùn)轉(zhuǎn)中結(jié)構(gòu)是否合理，并快速進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，確定結(jié)構(gòu)調(diào)整方案的可行性。在滿足結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求下，在原有條件下修改凸輪軸軸頸結(jié)構(gòu)，進(jìn)行避讓曲軸連桿大頭干涉。由于凸輪軸、曲軸連桿的安裝位置比較緊湊，修改凸輪軸軸頸結(jié)構(gòu)將需要對(duì)其進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析。設(shè)計(jì)部門針對(duì)該問(wèn)題提出了許多方案，利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析對(duì)于各種方案進(jìn)行比較評(píng)估，時(shí)間緊，任務(wù)重，十分重要。一旦結(jié)構(gòu)調(diào)整確定，不允許有大更改，否則就必須凸輪軸等部件重新開(kāi)模需數(shù)十萬(wàn)元，并需要較長(zhǎng)的時(shí)間，直接影響產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

2 準(zhǔn)備工作

2.1 確立分析思路

明確該型發(fā)動(dòng)機(jī)改型后的問(wèn)題，確定分析問(wèn)題的關(guān)鍵，關(guān)鍵在于凸輪軸軸頸整體加粗后，導(dǎo)致了曲軸連桿大頭與凸輪軸在運(yùn)轉(zhuǎn)中結(jié)構(gòu)是否合理。一方面在滿足強(qiáng)度要求上的結(jié)構(gòu)布置合理，一方面針對(duì)凸輪配氣機(jī)構(gòu)與曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，必須從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面來(lái)考慮其在工作狀態(tài)下，能否發(fā)生干涉，目的是比較幾種方案結(jié)構(gòu)布置合理性。

2.2 確立分析模型

本次機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析的重點(diǎn)部位是凸輪配氣機(jī)構(gòu)與曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，首先必須建立該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析的各部件三維CAD 數(shù)模，然后確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)件、約束即運(yùn)動(dòng)幅等，最后進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真分析比較，確定不同方案結(jié)構(gòu)布置合理性。

3 CAD 模型的建立

本次機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析以某型車發(fā)動(dòng)機(jī)改型為例，重點(diǎn)針對(duì)凸輪配氣機(jī)構(gòu)、曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，重點(diǎn)將建立其凸輪配氣機(jī)構(gòu)及曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維ＣＡＤ數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和凸輪配氣機(jī)構(gòu)的部分關(guān)心的部件做細(xì)致的仿真分析。由于公司具有各部件的二維圖樣，然后每個(gè)部件根據(jù)二維圖進(jìn)行三維CAD 實(shí)體建模并裝配。具體三維CAD 模型 （見(jiàn)圖1）。

圖1 凸輪配氣機(jī)構(gòu)、曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

4 構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析的建立及實(shí)現(xiàn)

4.1 凸輪配氣機(jī)構(gòu)及曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)仿真分析的桿系建立在ＵＧ／Ｍotion 模塊應(yīng)用中,首先確定運(yùn)動(dòng)桿件,在凸輪配氣機(jī)構(gòu)中將搖臂、頂桿等轉(zhuǎn)換為齒輪、齒條等作為桿系件，下面為典型的凸輪機(jī)構(gòu)。曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中將曲軸、連桿、活塞等部件作為桿系件。這樣將整個(gè)凸輪配氣機(jī)構(gòu)和曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的桿系件建立。（見(jiàn)圖2）。

4.2 桿系間的運(yùn)動(dòng)副

在UG/Motion 中，在確定了桿系件后，將確定桿系件之間的約束即運(yùn)動(dòng)副，對(duì)于JOINTS（運(yùn)動(dòng)副）有以下幾種：

具體來(lái)說(shuō)，凸輪配氣機(jī)構(gòu)和曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)幅均在上面加載有（圖2）。

4.3 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析

圖 2 機(jī)構(gòu)的桿系件及運(yùn)動(dòng)幅

5 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析方案比較

本分析主要關(guān)心凸輪軸的軸頸變粗對(duì)周圍結(jié)構(gòu)的影響（即曲軸連桿的大頭），為了排除其他因素（如：活塞、曲軸、齒輪、頂桿、搖臂等）的干擾，所以在運(yùn)動(dòng)仿真的圖面上去除了干擾因素。在上面的情況下，比較幾種方案得到了結(jié)構(gòu)的比較結(jié)果。

方案一 凸輪軸的軸頸均勻加粗（確保凸輪軸在工作中的強(qiáng)度）
方案二 凸輪軸的軸頸加粗后按不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行局部切除（先確保凸輪軸的強(qiáng)度，后確保其在運(yùn)動(dòng)工作狀態(tài)下軸頸與連桿大頭不干涉）

下面是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)在一個(gè)工作循環(huán)的五種狀態(tài)情況：（A、B、C、D、E ）

6 結(jié)論

通過(guò)前面的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析，可以看出：

(1) 先滿足強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)上凸輪軸的改進(jìn)對(duì)相關(guān)的部件有不同程度的影響，主要在結(jié)構(gòu)上對(duì)曲軸連桿機(jī)構(gòu)中的連桿影響最大。
(2) 從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的角度分析，凸輪軸的不同改型對(duì)曲軸連桿機(jī)構(gòu)中的連桿大頭運(yùn)動(dòng)中是否干涉，它影響到整個(gè)產(chǎn)品生命。

從本質(zhì)上講，通過(guò)從強(qiáng)度、剛度的分析對(duì)配氣機(jī)構(gòu)中凸輪軸改進(jìn)將對(duì)結(jié)構(gòu)造成影響，比較二種方案之間的不同，針對(duì)客觀情況，得出如下結(jié)論：通過(guò)分析和比較，不能簡(jiǎn)單均勻加粗凸輪軸軸頸，但可以通過(guò)加粗凸輪軸軸頸和改變結(jié)構(gòu)按不同相位進(jìn)行局部切除，一方面以達(dá)到強(qiáng)度、剛度要求，一方面使配氣機(jī)構(gòu)的凸輪軸和曲軸連桿機(jī)構(gòu)在工作中不發(fā)生干涉，來(lái)解決產(chǎn)品改型所引出的工程問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)
1 姚建國(guó)等編 《制造業(yè)信息化工程的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》 機(jī)械工業(yè)出版社 ‘2001 UGS 中國(guó)用戶論文集
2 姚建國(guó)等編 《CAD/CAM/CAE/PDM 技術(shù)開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新》 東南大學(xué)出版社 ‘2000 UGS 中國(guó)用戶論文集