柴油機活塞實體三維建模方法的研究

□ 郝立紅

蘭州交通大學博文學院機電工程系 蘭州 730101

活塞是發動機中承受熱載荷并將熱能轉換為機械能的主要部件，其設計質量及工作的可靠性、耐久性直接關系到發動機整體性能的優劣。針對活塞的實際工作情況，以降低冷卻油溫度、提高活塞使用壽命、為企業節約成本為目的，筆者采用Solid Works工具，對活塞實體進行三維建模，為活塞的結構設計和改進提供了重要依據，這對改進活塞設計、提高柴油機性能與可靠性是十分重要的。

1 活塞實體建模的步驟

1.1 生成新的零件文檔

雙擊啟動Solid Works制圖軟件，單擊標準工具欄上的“新建”按鈕，彈出“新建Solid Works文件”對話框，單擊“零件”按鈕，然后單擊“確定”按鈕，出現新零件窗口界面。

1.2 繪制活塞基體截面草圖

1.2.1 草圖繪制

單擊“草圖”工具欄上的“直線”，再單擊“工具”→“幾何關系”→“添加”，依次給水平線添加“水平約束”，給垂直線添加“垂直”。在上視基準面用直線命令中的中心線畫出兩條垂直的輔助中心線，再單擊“草圖”工具欄上的 “直線”，依次畫出尺寸為119.5 mm、310 mm、14 mm、35 mm、105.5 mm 的直線，單擊草圖工具欄上的圓繪制按鈕，完成半徑為32 mm和直徑為40 mm的圓繪制，在兩圓之間繪制一條直線，并分別為兩圓與直線添加“相切”幾何關系，完成活塞裙部基本截面的草圖輪廓。單擊“剪裁實體”按鈕，剪掉草圖多余的部分，完成活塞頂部ω槽截面的草圖輪廓，生成活塞基體截面草圖，如圖1所示。1.2.2 旋轉基體特征

在Command Manager的特征工具條中，單擊 “旋轉凸臺/基體”按鈕，在“旋轉”對話框中單擊確定按鈕。單擊視圖工具欄中的“整平顯示全圖”按鈕，顯示全圖并使其居于圖形區域，生成活塞基體截面的旋轉圖，如圖2所示。

1.3 生成氣環槽與油環槽

（1）單擊“矩形”按鈕，繪制5個矩形框，將上4個矩形框靠里的直線添加“共線”幾何關系，單擊智能尺寸按鈕，為氣環槽與油環槽草圖添加定性尺寸和定位尺寸。

（2）在Command manager的特征工具欄中，單擊“旋轉切除”按鈕，彈出對話框，單擊“旋轉軸”按鈕，在“設計樹”中選“基準軸線1”，單擊確定按鈕。單擊視圖工具欄中的“整屏顯示全圖”按鈕，顯示全圖并使其居于圖形區域，生成氣環槽與油環槽的旋轉圖，如圖3所示。

1.4 生成避閥坑圖

▲圖1 活塞基體截面草圖

▲圖2 活塞基體截面的旋轉

▲圖3 氣環槽與油環槽的旋轉

單擊工具欄中參考幾何體（G）的基準面，再選中活塞頂面為草圖繪制平面制圖。單擊“中心線”按鈕，再單擊“草圖”工具欄上的“直線”，依次畫尺寸為52 mm、52 mm兩直線，兩直線相交的點為將要繪制圓的圓心（繪制一條角度為45°的中心線），單擊 “圓”按鈕，繪制一直徑為90 mm的大圓和一半徑為R5 mm的小圓。選中“活塞頂面”，單擊“轉換實體引用”按鈕，將大圓投入到當前草圖中，將小圓分別與兩大圓添加 “幾何關系。單擊“剪裁實體”按鈕，剪掉草圖多余部分。單擊智能尺寸按鈕，添加定性尺寸和定位尺寸，在Command manager的特征工具欄圖中，單擊“拉伸切除”按鈕，在其對話框中方向設置為“給定深度”，拉伸切除深度為18.5 mm。單擊視圖工具欄中的“整屏顯示全圖”按鈕，顯示全圖。在特征工具欄中，單擊“圓周陣列”，選活塞基體圓柱面為陣列方向，陣列角度為360°，陣列數目為4，并選中“等間距”，單擊確定按鈕，生成避閥坑圖，如圖4所示。

1.4.1 生成上油環槽上的回油孔

（1）單擊“視圖定向”中的“前視”，選中油環槽底面為草圖繪制平面。單擊“圓”按鈕，繪制半徑為R4 mm的7個小圓。將原點與第4個小圓的圓心添加“重合”幾何關系，單擊智能尺寸按鈕，添加定性尺寸和定位尺寸。

（2）在Command manager的特征工具欄中，單擊“拉伸切除”按鈕，在其對話框中方向設置為“完全貫穿”。單擊視圖工具欄中的“整屏顯示全圖”按鈕，顯示全圖，生成上油環槽上的回油孔圖，如圖5所示。

1.4.2 生成下回油孔

▲圖4 避閥坑圖

單擊“視圖定向”中的“前視”，選中油環槽底面為草圖繪制平面。單擊“圓”按鈕，繪制一直徑為3.5 mm的小圓，將原點與小圓添加 “重合”幾何關系。在Command manager的特征工具欄，單擊圖“拉伸 切除”按鈕，在其對話框中方向設置為“完全貫穿”。單擊視圖工具欄中的“整屏顯示全圖”按鈕，顯示全圖。單擊“圓周陣列”，選取“基準軸1”為陣列方向，陣列角度為360°，陣列數目為16。單擊工具欄中參考幾何體（G）的基準面，再選中活塞裙部為草圖繪制平面制圖。單擊“圓”按鈕，繪制一半徑為R3.5 mm的小圓，將原點與小圓添加“重合”幾何關系。單擊智能尺寸按鈕，添加定性尺寸和定位尺寸。在Command manager的特征工具欄中，單擊“拉伸切除”按鈕，在其對話框中方向設置為“完全貫穿”，再單擊“圓周陣列”，選取“基準軸1”為陣列方向，陣列角度為360°，陣列數目為16，并選中“等間距”，單擊確定按鈕。單擊視圖工具欄中的“整屏顯示全圖”按鈕，顯示全圖，生成活塞全圖，如圖6所示。

1.4.3 生成連桿通道孔

單擊工具欄中參考幾何體（G）的基準面，再選中大圓面為草圖繪制平面，繪制一條豎直和水平的中心線，并將其與原點添加“重合”、“中點”幾何關系。選中大圓面，單擊“轉換實體按鈕”，將大圓投入到當前草圖中。單擊“等距實體”按鈕，在“等距距離”中輸入“50”，選中中心線。單擊“直線”按鈕，繪制一條水平線。單擊“圓”，在水平直線與大圓之間繪制一半徑為R10 mm的小圓，將水平直線和大圓分別與小圓添加“相切”幾何關系。單擊“剪裁實體”按鈕，剪掉草圖多余部分，單擊草圖工具欄中的“鏡像”按鈕，彈出“鏡像”對話框，單擊“鏡像點”，在“圖形窗口中”中選水平的中心線，在對話框中，單擊“要鏡像的實體”，在“圖形窗口中”選中繪制的草圖邊線。再一次單擊草圖工具欄中的“鏡像”按鈕，彈出鏡像對話框，單擊“鏡像點”，在“圖形窗口中”中選豎直的中心線。在對話框中，單擊 “要鏡像的實體”，在 “圖形窗口中”選中繪制的草圖邊線。在Command manager的特征工具欄中，單擊“拉伸切除”按鈕，在其對話框中方向設置為“給定深度”，拉伸切除深度為130 mm。單擊視圖工具欄中的“整屏顯示全圖”按鈕，顯示全圖，生成連桿通道孔的拉伸切除圖，如圖7所示。

▲圖5 上油環槽上的回油孔

▲圖6 活塞全圖

▲圖7 連桿通道孔的拉伸切除

▲圖8 活塞銷座孔的拉伸切除

1.4.4 繪制活塞銷座孔

單擊草圖工具欄中的 “圓”按鈕，繪制銷座孔圓。單擊“智能尺寸”按鈕，為其添加定性尺寸和定位尺寸。拉伸切除特征——打銷座孔，在Command manager的特征工具欄中單擊拉伸切按鈕，在其對話框中方向設置為兩側對稱，拉伸切除深度為330 mm。單擊視圖工具欄中的“整屏顯示全圖”按鈕，顯示全圖，并使其居于圖形區域，單擊前導視圖工具欄中的“旋轉視圖”，使圖形轉過一定角度，生成活塞銷座孔的拉伸切除圖，如圖8所示。

1.4.5 生成擋圈槽

先選擇前視基準面，單擊草圖工具欄中的“矩形按鈕，單擊智能尺寸按鈕為其添加定性尺寸和定位尺寸。然后單擊“插入”→“參考幾何體”→“基準軸”，彈出“基準軸”對話框，單擊“參考實體”，在“圖形窗口中”選中活塞基體面，選擇“圓柱/圓錐面”選項，單擊確定按鈕，完成基準軸線1的繪制。同理，選中活塞銷座孔面，生成基準軸線2，再單擊特征工具欄的“鏡像”，彈出對話框，單擊“要鏡像的實體”，鏡像生成另一個擋圈槽。在Command manager的特征工具欄中，單擊“旋轉切除”按鈕，彈出對話框，單擊“旋轉軸”按鈕，在“設計樹”中選“基準軸線2”，單擊確定按鈕。單擊視圖工具欄中的“整屏顯示全圖”按鈕，顯示全圖，并使其居于圖形區域，生成擋圈槽旋轉切除圖，如圖9所示。

1.4.6 繪制3個冷卻油槽

▲圖9 擋圈槽旋轉切除

（1）選擇右視基準面，單擊草圖工具欄中的“圓”按鈕，繪制3個冷卻油槽圓 。單擊草圖工具欄中的“直線”按鈕，將第2個和第3個圓與直線添加“相切”幾何關系，單擊“剪裁實體”按鈕，剪掉草圖多余部分。單擊智能尺寸按鈕為冷卻槽草圖，添加定性尺寸和定位尺寸。在Command manager的特征工具欄中，單擊“旋轉切除”按鈕，彈出對話框中，單擊“旋轉軸”按鈕，在“設計樹”中選“基準軸線1”，單擊確定按鈕。單擊視圖工具欄中的“整屏顯示全圖”按鈕，顯示全圖，并使其居于圖形區域。

（2）選擇上視基準面，單擊工具欄中參考幾何體（G）的基準面，再單擊草圖工具欄中的“直線”按鈕，依次繪制尺寸為64.3 mm、109 mm、32 mm的直線，在距第2段109 mm的直線上40 mm處的點為圓點，繪一個半徑為40 mm的圓，小圓跟兩條豎直直線添加幾何關系，單擊顯示/刪除幾何關系按鈕，兩直線與圓相切，其中繪出的一條豎直為109 mm的直線，按住“Ctrl”按鈕，選中原點和該直線，在彈出的對話框中點擊“重合”按鈕。單擊“剪裁實體”按鈕，剪掉草圖多余部分。單擊智能尺寸按鈕，為冷卻油腔草圖添加定性尺寸和定位尺寸，生成中央冷卻油腔旋轉切除圖，如圖10所示。

▲圖10 中央冷卻油腔旋轉切除

▲圖11 活塞整體模型

1.4.7 將頂部分成幾個圓形區域

（1）單擊“視圖定向”中的“上視”按鈕，選中活塞頂面作為草圖繪制平面。單擊草圖工具欄里的“圓”按鈕，繪制4個圓。單擊“智能尺寸”按鈕，圓添加定性尺寸和定位尺寸。

（2）在Command Manager中的“插入”選項卡下選擇“曲線”中的“分割線”。出現分割線對話框，在“分割類型”中選中“交叉點”，在圖形區域選取第一條分割線所劃分的面區域，單擊確定按鈕。同理，依次按照分割線，將頂部劃分成五個區域，得到活塞整體模型，生成活塞整體模型，如圖11所示。

2 結論

綜上所述，柴油機活塞的實體建模，利用應力分析軟件針對活塞在工作過程中可能出現的工況及造成的損害進行分析提供了依據，對于延長柴油機發動機使用壽命、提高生產效率、降低企業成本均具有重要意義。

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