應用CATIA對汽車發動機機構運動模擬分析

【摘 要】本文以某雙頂置凸輪軸汽油發動機為例，介紹使用CATIA軟件的電子樣機運動模擬（DMU Kinematics）模塊建立運動模型和分析運動間隙的方法，從而提高設計質量和效率，減少試制和試驗驗證次數，降低開發成本。

【關鍵詞】發動機；運動模擬；間隙校核

發動機運動機構包括曲柄連桿機構、配氣機構、傳動機構和起動機構等，前兩種機構是發動機工作的主要運動系統。曲柄連桿機構和配氣機構，與缸體、缸蓋組成的發動機內部結構在總布置設計中占有重要的地位。兩大機構的各個零件與周邊零件的間隙隨曲軸的轉角而變化，運動軌跡影響著曲軸箱和氣門室的形狀，同時相鄰的兩個運動零件氣門與活塞之間的動態間隙也必須保持在一定的限值之上。進行發動機布置時要考慮保證這些間隙滿足設計要求，還要盡量避免設計過剩而影響布置的緊湊性。采用傳統的手工繪圖來測量運動間隙需要花費大量的時間，且結果不精確，往往需要設計多余的間隙以確保零件之間不發生干涉。CATIA、Pro/E等大型工程軟件擁有強大的運動模擬和間隙分析功能，幫助設計者提高布置設計效率和質量。

一、電子樣機運動模擬

電子樣機DMU是對產品的真實化計算機模擬，滿足各種各樣的功能，提供用于工程設計、加工制造、產品拆裝維護的模擬環境；是支持產品和流程、信息傳遞、決策制定的公共平臺；覆蓋產品從概念設計到維護服務的整個生命周期。實現三維是實現電子樣機的最基本的一步。由此可見，電子樣機技術主要是指在計算機平臺上，通過三維CAD/CAE/CAM軟件，建立完整的產品數字化樣機，組成電子化樣機的每個部件除了準確定義三維幾何圖形外，還賦有相互間的裝配關系、技術關聯、工藝、公差、人力資源、材料、制造資源、成本等信息，電子樣機應具有從產品設計、制造到產品維護各階段所需的所有功能，為產品和流程開發以及從產品概念設計到產品維護整個產品生命周期的信息交流和決策提供一個平臺。

1.電子樣機的功能和特點。CATIA V5的電子樣機功能由專門的Digital mockup單元里模塊DMU Kinematics，即CATIA V5電子樣機運動機構模擬（Digital mockup Kinematics Simula

-tor）完成。電子樣機與CAX系統完全集成，并以“上下關聯的設計”方式作業；可提供強大的可視化手段，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手段；具備各種功能性檢測手段，如安裝/拆卸、機構運動、干涉檢查、截面掃描等；具有產品結構的配置和信息交流功能。由于電子樣機（DMU）技術加強了設計過程中最為關鍵的空間和尺寸控制之間的集成，在產品開發過程中不斷對電子樣機進行驗證，大部分的設計錯誤都能被發現或避免，從而大大減少實物樣機的制作與驗證。

2.電子樣機運動模擬仿真的實現。DMU為設計者提供一種軟件環境，通過調用系統提供的大量運動約束連接方式或者通過自動轉換裝配約束條件而產生運動約束連接，從而實現電子樣機的運動模擬仿真，如對3D數模裝配體建立虛擬運動機構（Mechanism）并進行動作模擬，還根據要求測量3D數模之間的運動間隙。運動機構（Mechanism）是運動模擬的信息組合，包含運動副（Joints）、驅動命令（Commands）、固定零件（Fix

part）、運動規律（Laws）和加速度（Speed acceleration）等組成部分。

二、建立運動模型

1.建立3D數模。建立曲軸、連桿、活塞、凸輪軸、氣門等運動件和周邊零件如缸體、缸蓋的初步3D數模，并在裝配設計（Assembly design） 模塊中按零件實際位置和裝配關系對3D模型進行裝配。運動件的初始位置一般按發動機第一缸壓縮上止點來定義。為簡化運動模型，盡可能地保證軟件運行速度，可根據實際情況省略不需要校核或不影響校核結果的零件如活塞銷，軸瓦等。

2.運動機構分析。進入電子樣機運動模擬（DMU Kine

-matics） 模塊，在“插入（Insert）”菜單中選擇 命令新建一個機構（Mechanism）。分析發動機實際運動，從前端或后端看，缸體、缸蓋作為固定零件，曲柄連桿機構中，活塞沿氣缸中心線作往復直線運動，連桿作平面復合運動，曲軸沿缸體上的軸承中心作旋轉運動，曲柄連桿機構與配氣機構的傳統方式為曲軸通過鏈條驅動凸輪軸沿缸蓋上的軸承中心作旋轉運動，凸輪軸驅動氣門、挺柱等做往復直線運動。根據這些運動特點來添加機構（Mechanism）的各個組成部分，運動模型即建立完成。

3.添加運動副（Joints）。對無相對運動的零件（如缸體、缸蓋、氣門導管等）用Rigid 運動副約束；根據實際運動關系，對有相對運動的各零件進行約束，并進行必要的簡化。主要運動副見表1。

表1 主要運動副

如果在裝配設計（Assembly design）中已將各零件按運動關系約束，可點擊裝配約束轉換（Assembly constrains conversion）命令自動生成運動副。

4.建立驅動命令（Commands）。在電子樣機的運動仿真里，為了使模型可以運動，驅動命令是必不可少的；用戶可以在創建運動副時直接定義驅動命令，也可以在運動副創建之后定義驅動命令。運動模擬的主要目的是模擬機構運動動作并分析動作過程中的零件間隙，因此運動源是否與實際相符可不作要求。為方便模擬命令的操作，同時能夠實現模擬過程中VVT對相位的調整，將曲軸和進、排氣凸輪軸三個零件作為單獨運動源，分別添加同一類型的驅動命令，即角度驅動。具體操作方法是在添加這三個零件與固定零件的運動副時，在對話框中勾選角度驅動（Angle driven）選項。

5.指定固定零件（Fix part）。當運動副創建完成后，機構并不能進行運動學的仿真。為了使運動仿真的命令能夠運行，在電子樣機模擬機構里必須要有固定的零件，也就是系統的支架。當由于沒有固定零件機構不能運行仿真時，系統會提示用戶次機構沒有固定零件。可用Fixed Part 命令指定固定零件，汽車發動機缸體可作為該虛擬機構的固定零件。

6.定義運動規律（Laws）。用公式編輯器對曲軸驅動定義一個角速度值，根據曲軸與凸輪軸的實際運動關系，定義進、排氣凸輪軸驅動的角速度值為曲軸驅動角速度值的2倍。完成機構即運動模型的建立后，進行運動模擬和間隙分析。

三、間隙分析

氣門間隙通常是發動機處于冷態時，在氣門腳及其傳動機構中留有適當的間隙，以補償氣門受熱后的膨脹量，這一預留間隙稱為氣門間隙。一般排氣門的氣門間隙要略大于進氣門的氣門間隙。發動機工作過程中，由于配氣機構零件的磨損或松動，或是氣門在工作時因溫度升高而膨脹都會導致原有氣門間隙的變化。氣門間隙的大小對發動機各方面的性能影響極大：間隙過小，發動機在熱態下由于氣門桿膨脹可能會造成氣門漏氣，導致功率下降，甚至燒壞氣門；間隙過大，傳動零件之間以及氣門與氣門座之間容易產生沖撞，同時使氣門開啟的持續時間減少，進氣和排氣不充分，也會直接影響發動機的正常工作。因此，為了保證發動機的正常工作，必須調整好氣門間隙。對建立的機構使用Simulation with laws 命令，實現運動模擬，各零件的3D模型按照實際運動關系運動。如需模擬VVT工作時的運動情況，可使用Simulation with commands 命令，先調整凸輪軸的初始相位，再模擬發動機工作一個循環的運動情況。在運動模擬過程中，勾選激活傳感器（Activate sensors）選項可對關注的尺寸進行動態測量，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角變化的間隙數值圖表，主要用于對相位變化比較敏感的間隙分析，如活塞和進、排氣門的運動間隙。也可使用包絡體（Swept volume） 和軌跡（Trace） 命令生成零件和零件上某個點的運動包絡體和運動軌跡，然后使用碰撞分析（Clash） 、剖切分析（Sectioning） 和距離區域分析（Distance and band analysis） 等各種空間分析工具檢查其與周邊零件的間隙，如曲軸和連桿運動包絡體與曲軸箱間隙、凸輪軸運動包絡體與氣門室間隙。

四、發動機運動模擬及結果應用

發動機運動學模擬可以進行零部件干涉檢查、動畫制作、凸輪零件反求設計、物理量規律求解以及系統優化等。下面對常用的分析結果應用情況進行舉例說明。干涉檢查是三維軟件虛擬裝配設 計最基本的零部件驗證功能，分靜態檢查和動態檢查兩種使用方式。靜態檢查操作在CATIA環境下進行，完成裝配后，執行“分析”→“模型”→“全局干涉”，可以查看所有干涉情況，執行“分析”→“模 型”→“配合間隙”，可以查看兩個零件之間的最小間隙或干涉體積。動態檢查操作在機構環境進行，在“回放” 對話框點擊“沖突檢測設置”，或者“工具”→“組件設置”→“沖突檢測設置”，確定是否進行動態干涉檢查計算，需要更長的運算時間和更高的計算機硬件資源配置。在CATIA中有專門的動畫模塊，元件分解、視角變換和顯示狀態等動畫動作需要在該環境設置。在機構模塊可以將曲柄連桿機構、配氣機構的運動學模擬設置傳遞到動畫模塊，將運動模擬作為動畫制作的 一個環節（時間線或子動畫），實現發 動機產品演示動畫的準確運行。

通過運動學、動力學模擬可以對 發動機的技術參數規律進行輸出，CATIA軟件提供了豐富的測量量庫和強大的測量量定義功能，用戶可以方便地定制所需的技術參數規律曲線。在發動機零部件設計中，箱體和缸蓋是其中的2個關鍵的重要零件，它們的設計難點之一是確定水道、油道以及其他不規則形狀腔體。例如，推桿在配氣機構運動過程中的空間范圍是通過箱體、缸蓋設計確定出運動空間腔體的重要依據。利用機構模擬創建推桿運動包絡零件，通過“編輯”→“縮放模型”，放大模型以得到所需要空間范圍，利用布爾減運算創建箱體、缸蓋零件上推桿的運動空間范圍腔體特征。

五、結語

本文所闡述的發動機機構運動模擬方法，可幫助設計人員較快地完成發動機布置過程中的間隙校核工作。建立運動模型過程中運用的一些技巧在保證模擬運動與實際運動的基本對應關系得到滿足的基礎上，又使建模和間隙分析過程能盡量地簡單，操作方便。與傳統的手工繪圖方法相比，基于CATIA的運動模擬方法縮短了間隙校核的工作時間，降低了設計人員的工作強度，提高了間隙校核的精確性。從而提高布置設計的效率和質量，減少試制和試驗驗證的次數，降低開發成本。

參 考 文 獻

[1]魯君尚編著.無師自通CATIA V5之電子樣機[M].北京航天航空大學出版社，2008

[2]徐兀編著.汽車發動機現代設計[M].人民交通出版社，1995