汽車發(fā)動(dòng)機(jī)典型進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(dòng)機(jī)典型進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

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

隨著科技的進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，越來(lái)越多效率高、可靠度大、重量低、油耗低、排放低的發(fā)動(dòng)機(jī)被研制出來(lái)。氣道在發(fā)動(dòng)機(jī)中起著“咽喉”的作用，可以控制進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的功率、油耗等硬性參數(shù)［1］。傳統(tǒng)方法主要依靠在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上不斷地對(duì)石膏和木模修改和嘗試，這樣不僅難以設(shè)計(jì)出符合要求的形狀，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此現(xiàn)在智能化技術(shù)對(duì)于氣道設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是必須的。

傳統(tǒng)氣道設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題分析

相比于設(shè)計(jì)其他的汽車零部件，氣道設(shè)計(jì)師不能提供準(zhǔn)確的、能夠引導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程的工程圖紙，所以氣道設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)師只能通過(guò)類比或者自己的經(jīng)驗(yàn)畫出大致的輪廓圖，進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(jì)過(guò)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(yàn)證、測(cè)試，直到符合要求，進(jìn)而澆鑄出氣道的實(shí)驗(yàn)樣件；（3）對(duì)樣件進(jìn)行切片、測(cè)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(shí)驗(yàn)，樣品合格后投入生產(chǎn)；不合格的話重新澆鑄并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［2］。

由上我們看出，傳統(tǒng)方法的隨機(jī)性、不確定性均很強(qiáng)，研制周期長(zhǎng)，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(dòng)機(jī)性能的提升。

掃描氣道的形狀

對(duì)氣道的外形進(jìn)行三維測(cè)量能夠得到氣道表面準(zhǔn)確的形狀，準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)是提高曲面設(shè)計(jì)速度及品質(zhì)的重要前提保證。測(cè)量氣道的外形時(shí)，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(cè)量，本文采取的措施是使用3D SCAN三維激光掃描儀對(duì)氣道進(jìn)行三維掃描。下圖1表示的對(duì)氣道掃描之后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1　氣道掃描點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，最終得到氣道的完整點(diǎn)云，如圖2所示。

圖2　氣道完整點(diǎn)云示意圖

氣道的造型

在獲得了點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，需要把點(diǎn)云擬合起來(lái)形成光滑曲面。本文采用Imageware軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。處理點(diǎn)時(shí)，對(duì)點(diǎn)的測(cè)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(diǎn)陣曲線、光滑曲線）。創(chuàng)建好曲線之后，改變控制點(diǎn)的數(shù)量來(lái)對(duì)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(guò)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(diǎn)陣、蒙皮、過(guò)橋面等。最后，使用Imageware軟件對(duì)曲面進(jìn)行評(píng)估以及實(shí)時(shí)的檢測(cè)，評(píng)估曲面和點(diǎn)陣之間的吻合度，檢查曲面的連續(xù)性以及光順性，檢測(cè)結(jié)果由斑馬圖以及色彩分布圖來(lái)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(guò)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(gè)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(qiáng)、加工成本低、周期短的特點(diǎn)，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)出的氣道形狀準(zhǔn)確的反映出來(lái)，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(yǔ)

三維造型在氣道設(shè)計(jì)過(guò)程中是一個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)。3D SCAN掃描儀與Polyworks軟件的有機(jī)結(jié)合能夠幫助設(shè)計(jì)師獲取氣道的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，Imageware軟件能夠幫助設(shè)計(jì)師完成對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的造型，準(zhǔn)確的獲得氣道的曲面模型，在這個(gè)基礎(chǔ)上，對(duì)點(diǎn)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(dòng)機(jī)氣道的造型設(shè)計(jì)［J］. 現(xiàn)代車用動(dòng)力，2015，02:8-11.

［2］程莎莉. 發(fā)動(dòng)機(jī)氣道三維流動(dòng)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(dòng)機(jī)氣道的設(shè)計(jì)［J］. 小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2012，02:46-50.