基于T B S模型的發動機凸輪軸設計

胡立萍， 張麗， 孫亞奇

（中國北方發動機研究所，天津 300400）

0 引言

凸輪軸是發動機配氣機構關鍵零件之一，是配氣機構的主要驅動件。凸輪軸按一定的運動規律、發火順序和配氣相位控制氣門按時開啟和關閉。凸輪軸設計的好壞對整個配氣機構的動力性能起著決定性的作用，嚴重影響發動機的性能和可靠性。隨著發動機強化程度的不斷提高，凸輪軸的工作環境更加惡劣，必須正確設計凸輪軸的結構形式與尺寸，以滿足發動機的設計要求。采用“TBS模型”，即在凸輪軸設計的最初階段，按照凸輪軸的基本功能和要求，在設計的“頂層”構筑一個三維的“基本骨架”模型，隨后的設計過程基本上都是在該“頂層基本骨架”的基礎上進行復制、細化、修改、完善并最終完成凸輪軸設計過程。

“TBS模型”可以結合參數化設計技術實現自頂向下的設計，它作為產品的各個模塊的整體結構功能框架，以參考復制和設計變更的方式生成各個子裝配和具體零件的細節設計，然后將細節設計后的零件以坐標重合的方式裝配在一起，摒棄了傳統裝配零件之間的對齊、配對或定位的裝配模式。

1 凸輪軸結構建模

根據發動機凸輪軸的設計思路及凸輪軸結構特點，將凸輪軸進行特征分解，從頂層到底層依次分解，底層為簡單的幾何體特征，三維建模時從底層開始構建。在頂層，將凸輪軸分為前端、中間凸輪軸、后端三個模塊（圖1），然后對每一部分按照從簡單到復雜的思路，完成三維實體模型。

圖1 凸輪軸模塊分解示意圖

1.1 坐標系建立

凸輪軸三維CAD模型的建模坐標基準（圖2）：以凸輪軸主軸頸中心線為X軸，X軸方向為從凸輪軸前端到凸輪軸后端，凸輪軸第一缸缸心面為YZ平面，其與X軸交點為坐標原點。

圖2 凸輪軸建模坐標系示意圖

1.2 骨架線確定

骨架線的確定主要是在發動機總體參數確定的前提下，確定凸輪軸建模的起始位置面及起始坐標系。

本文中以第一缸缸心面所在YZ面為凸輪軸三維CAD建模的起始參考面。按照各模塊在長度方向和角度的相對位置建立各個模塊的位置坐標（圖3）。

圖3 凸輪軸建模規范骨架線示意圖

圖4 前端起始面示意圖

1.3 模塊建模

1.3.1 凸輪軸前端建模

1）以初始平面Front面沿X負方向建立參考平面（偏距為l_qd）作為前端起始面（圖4）；

2）在前端起始面上草繪圓截面（直徑為D_zj_qd）（圖 5），沿 X 軸正向拉伸（長度為L_zj_qd）完成圓柱特征（圖 6）；

圖5 前端軸頸圓截面示意圖

圖6 凸輪軸前端圓柱特征

圖7 凸輪軸前端起始螺栓孔位置

3）垂直于前端起始面做參考面DTM2與TOP面成一角度（Angle_lwk_qs），參考面DTM3垂 直 于 DTM2，DTM4平行于DTM3（偏距為 l_lwk_qs）與 DTM2相交于軸 A_3（圖 9），通過2個尺寸分別定義前端（螺釘連接）起始螺栓孔的角度及徑向距離；

4）在軸A_3處同軸完成螺栓孔特征，螺栓孔特征具體形狀可通過修改參數來實現（圖8）；

5）通過參數（陣列角度Angle_zl_lwk和陣列個數N_zl_lwk）來陣列完成其它螺栓孔（圖9）；

6）完成凸輪軸前端模型（圖 10）。

1.3.2 中間凸輪軸模塊建模

1）以第一缸缸心線所在YZ面為凸輪軸三維CAD建模的起始參考面，沿X軸負方向做一參考平面平行于骨架線初始平面right面（偏矩為l_tl_2j），該參考平面為凸輪1的中心面；凸輪1的中心面關于第一缸缸心面鏡像得到凸輪2中心面；沿X軸負方向做一參考平面平行于骨架線初始平面缸心面（偏矩為l_zczj_2j），該參考平面為支承軸頸中心面（見圖11）。

2）做一參考面與top面成一角度（Angle_tl_2j），作為凸輪向量面，做另一參考面與FRONT面成相同角度（Angle_tl_2j）作為凸輪輔助面，2個面作為凸輪建模參照（如圖 12）；

3）把凸輪已知升程表按圖13格式輸入文件中，以凸輪中心面為草繪平面，以凸輪向量面、凸輪輔助面作為參照，在草繪中插入坐標系，以該坐標系為基準通過讀入凸輪升程表極坐標文件（圖14）生成樣條曲線，即凸輪型線（圖 15）；

圖8 起始螺栓孔特征

圖9 凸輪軸前端螺栓孔特征

圖10 凸輪軸前端模型

圖11 凸輪軸單元位置平面示意圖

圖12 凸輪軸單元凸輪向量面示意圖

圖13 凸輪升程表文件

圖14 凸輪型線文件讀入

圖15 凸輪型線

4）利用凸輪型線兩側拉伸厚度b_tl_2j，完成凸輪特征（圖16），同理完成另一凸輪（圖 17）；

5）以一個凸輪表面為草繪平面，草繪主軸頸截面（圖18），拉伸至另一凸輪表面，完成主軸頸特征（圖19）；

6）以支承軸頸中心面為草繪平面，草繪支承軸頸截面（圖20），兩側拉伸 L_zczj_2j，完成支承軸頸特征（圖21）；

7）以支承軸頸前端面沿X軸正方向做一參考面（偏距為缸心距L），稱為缸心距面（圖22）；完成a、b兩段主軸頸特征，其中b段主軸頸拉伸到缸心距面（圖23）；

圖16 單個凸輪特征

圖17 2個凸輪特征

圖18 主軸頸截面

圖19 凸輪軸主軸頸特征

圖20 支承軸頸截面

1.3.3 凸輪軸后端建模

1） 以 初 始 平 面RIGHT面沿X正方向建立參考平面（偏距為l_hd）作為后端起始面（圖 24）；

2）以后端起始面為參照，作螺紋截面（圖25），沿X軸旋轉360°完成螺紋特征（圖26）；

3）平行于后端起始面做參考面DTM2作為螺紋起始面，作參考面DTM3平行于DTM2（偏距為L_lw），通過尺寸L_lw定義后端螺紋孔螺紋深度（圖27）；

圖21 支承軸頸特征

圖22 缸心距面示意圖

圖23 凸輪軸單元其它主軸頸特征

4）在2個參考面間完成修飾螺紋特征（圖28），完成后端模型。

1.4 建立凸輪軸三維實體造型

按照設計要求，在總體骨架線基礎上，將所需軸段按照在長度方向和角度方向的位置以坐標系裝配在凸輪軸軸段組合模型中，完成凸輪軸軸段組合模型。在凸輪軸的基本模型基礎上，設計所需的油孔、銷釘孔及其它詳細特征，得到凸輪軸的三維實體造型（圖29）。

圖25凸輪軸后端螺紋截面

圖26 凸輪軸后端螺紋特征

2 結語

采用基于特征的TBS模型對發動機凸輪軸進行結構設計，同時也可進行快速變型設計，即通過對原有設計模型進行快速修改，以獲得新的設計效果。不僅提高產品設計效率，而且可加快系列產品開發設計速度。該造型方法可指導不同結構凸輪軸的設計。

圖27 后端螺紋孔螺紋深度

圖28 凸輪軸后端模型

圖29 凸輪軸三維實體造型