發動機零部件參數化設計方法研究

（河南科技大學車輛與交通工程學院 471003)

0 引言

參數化設計是起源于工業化時代而興起的概念，現在逐漸延伸到數字化設計里，參數化設計主要應用到建筑領域，近些年也被廣泛的使用到發電機零部件及其他精細產品的設計工作中。參數化設計的思想已經貫穿到工業生產的多個方面，在發動機零部件的設計工作中，參數化顯示出更加重要的作用，幫助設計出最高效的發動機，節省發動機消耗的燃料。因此就需要對發動機的主要零部件進行分析，得到最適合的設計參數，本文針對發動機零部件的參數化的設計及逆行詳細的研究，以求最終得到零部件參數化的最佳方案。

1 參數化設計概述

參數化最早是應用在數學領域的專業術語，后來在20世紀后期被廣泛的應用到各個學科中，尤其是建筑學，但隨著機械工具的頻繁應用在一些方面，參數化也開始被使用到產品的設計領域。參數化設計包括2個方面，分別為參數化圖元和參數化修改引擎。參數化設計中的圖元的表現形式多數是構件，構件的不同也是因為參數的不同來反映，參數就可以保留所有圖元的信息。參數化修改引擎則是對構件的變化與其他關聯之間的信息進行修改，這就極大方便了在檢測設計過程中需要的各種數據的關系是否科學合理[1]。

2 發動機主要零部件分析

2.1 發動機主要零部件種類

發動機的主要零部件包括氣缸體、氣缸蓋、連桿總成、活塞、活塞環、曲軸、凸輪軸、連桿軸承、發動機主軸承、活塞銷、進氣門及排氣門，其中每一零部件的設計參數都對發動機的整體功能有著重要的影響，其中作為主要功能的氣缸的作用更加顯著。發動機氣缸就是一個把燃料的化學能轉化為動能的場所。通俗的講，就是燃料在汽缸內燃燒，由此產生一系列的壓力推動活塞進行上下運動，通過連桿把力再傳給曲軸，最終轉化為旋轉運動，最后通過變速器和傳動軸，把動力傳遞到驅動車輪上，從而推動機械前進運動，這就是發動機工作的原理。因此每一個零部件在運作中都會發揮重要的作用，對它們的設計工作也需要重視。

2.2 發動機零部件的設計參數

發動機零部件的設計參數直接關系到發動機的功能和工作效率，每一個零部件有適合整體結構的參數將會優化整體的發動機效能。發動機零部件的設計參數的得到需要經歷復雜的運算過程，發動機的任何零部件的尺寸都應該通過嚴密的計算來設計出圖紙。這些計算方式主要包括壓縮余隙的計算，曲軸軸向間隙計算，齒輪系計算，進、排氣門間隙分析計算等都是得到相應設計參數的具體方式，幫助最終設計出來的發動機能達到預想標準。

3 發動機零件參數化特征建模方式

發動機零件參數化特征建模方式在實施之前，需要得到完整的發動機零部件設計參數，這樣才能更加方便的得到與零部件設計參數相對應的驅動尺寸，才能給驅動參數進行默認賦值，再對驅動尺寸進行適當的修改，保證在最后實現發動機零部件的參數化。設計人員針對發動機零部件的設計圖紙建立參數化特征模型時，應該考慮到零部件的形狀和尺寸參數進行詳細的思考，得到正確的建模方案，分析參數化特征建模的內在聯系，最終清楚特征建模的先后順序及實現特征建模的具體方法。除此之外，設計人員還需要根據發動機零部件的尺寸參數的各種內在關系建立起相關的參數方程式和得到點線面的約束關系，最終以此來建立起必要的參數約束條件，這樣才能使參數化的發動機零部件設計工作簡單，同時也會滿足設計人員對發動機功能的需要。

4 不同方面發動機零部件參數化設計

4.1 在零件關聯方面參數的參數化設計

參數聯動實現的基礎是具備對發動機各個零部件的參數尺寸能夠清楚的確認，同時也建立起了零部件的參數化特征的模型，之后就可以通過建立起參數方程式或者電子計算機進行軟件編程來對發動機的各個零部件進行參數的約束，最后能實現零部件關聯方面參數的參數化設計。零部件的關聯關系就是，發動機其中的零部件尺寸將影響其他零部件尺寸的大小。

比如活塞的尺寸參數與活塞環的尺寸參數有密切的關系，同時其中必須是活塞環主動適應活塞的尺寸，這也就是有些發動機零部件的參數值必須隨著某些具有默認值的零部件進行改變，實現其零部件之間的關聯參數設計。現階段，零部件關聯方面參數的參數化設計的實現方式主要依靠CAD軟件來實現。

4.2 在裝配約束方面的參數化設計

裝配約束方面的參數設計將幫助發動機實現整體裝配的工作，通過零部件的裝配工作也會發現發動機各個零部件的參數是否合理，同時對零部件之間契合度也要檢測。在進行真正的實際裝配之前，發動機零部件設計人員可以通過計算機CAD軟件對整體零部件進行虛擬的裝配工作，軟件結果顯示成功之后，再進行真實的發動機裝配。裝配約束方面的參數化設計也存在集中條件，主要的約束條件為面耦合及等距耦合、對齊及等距對齊、插入、同軸及定向，只有全部滿足裝配約束條件才能進行發動機零部件的裝配工作。除此之外，在所有零部件參數尺寸符合要求的基礎上，還需要對參數的關系進行詳細分析并且得出相應的函數關系，通過計算機對裝配的發動機零部件進行比對。設計人員經過對零部件系統分析之后，對存在的問題及時的解決和修改不合理的零部件的參數尺寸，保證在實際操作中不會出現任何問題[2]。

5 對 V型發動機的參數化設計系統進行舉例研究

5.1 V型發動機零部件的結構特點分析

V型發動機就是將所有氣缸分成兩組，把相鄰氣缸以一定夾角布置在一起，使兩組氣缸形成有一個夾角的平面，從側面看氣缸成V字形，故稱V型發動機。V型發動機中的曲柄連桿機構中具有孔類、槽類、隆起、切割、圓角及扭拉等基準特征，但是如果按照發動機的功能進行對結構特點進行分析就會得到在缸體功能和缸體零部件模型方面存在與其他類型發動機不同的原因。在缸體總功能方面進行分析能夠得到其具有動力生成功能、支撐功能及附屬功能，在其下面還具有各種分類詳細的功能，同時對功能相對應的結構就是氣缸體子結構、上曲軸箱子結構及附屬子結構，還有在其下面具有各種分類詳細的結構。V型發動機零部件設計人員應該對這些結構特點有詳細的了解，才能設計出參數合理的發動機。

5.2 如何實現零部件參數化

V型發動機零部件設計人員應該對設計的零部件的形狀、尺寸和在整個V型發動機的位置有充分的了解，以便通過壓縮余隙的計算，曲軸軸向間隙計算，齒輪系計算，進、排氣門間隙分析計算得到相應的參數。設計人員在得到完整的設計參數之后，還需要得到與零部件設計參數相對應的驅動尺寸。設計人員在零部件參數得出的基礎上建立起相關的參數方程式和得到點線面的約束關系，這樣對建立起發動機零部件的整體組合模型有著十分重要的作用。除此之外，設計人員也要在零部件關聯和裝配約束方面進行必要的參數化設計工作，只要這樣按照嚴格的順序對零部件設計實行參數化，最終才能得到高質量的V型發動機。

5.3 自頂向下技術的應用

自頂向下技術應用廣泛，主要用于工程機械、高速車體設計。目前也應用在發動機設計工作中，在零部件設計工作中主要分為功能設計、概念設計和詳細設計3個步驟。自頂向下技術的實施理念就是希望設計人員首先考慮到V型發動機應該滿足的具體功能，根據這種想法進行設計零部件，同時計算出零部件應該選擇的參數，之后就需要對零部件的參數進行約束條件的考慮，通過相關的方程式或者幾何函數來計算，最終將V型發動機零部件設計圖紙進行虛擬裝配進行詳細分析，得出的不合理的地方進行參數的修改，使得得到高效率的V型發動機。設計人員想要具體應用自頂向下技術，還應該對設計過程有清晰的了解，同時要在每一次發現問題的設計方案中及時的進行修改，保證最終零部件裝配形成的V型發動機具有完備的功能。

5.4 V型發動機參數化設計的實現

V型發動機的參數化在實際設計過程中有其簡易的方面，就是指通過族表和程序進行零部件的設計工作。族表就是包含一些V型發動機零部件參數的表格，其中主要記錄一些已經被設計好的模型的驅動尺寸、參數和特征，這樣將極大簡化設計人員進行相關的計算參數的工作，節省大量的時間。設計人員在使用族表中的參數數據之前還是需要進行必要的驗證，確保裝配好的零部件全部滿足功能結構的需求。除此之外，程序也是實現V型發動機參數化設計的重要方式，程序能夠對尺寸參數、特征或零部件之間關聯參數進行修改，防止建立的模型在真正的實踐操作中出現問題，程序還具有能夠幫助在參數修改之后，生成其他不同的模型，設計人員進行比較進行選擇。

6 結束語

發動機零部件參數化設計經過實踐證明能夠加大其工作效率，節省其使用的各種能源燃料，發動機零部件生產加工商想要保證生產產品的質量，就需要重視提高發動機零部件設計的參數化。發動機類型廣泛，其中V型發動機零部件作為重要研究，對V型發動機零部件的結構特點進行分析，采取相關措施實現零部件參數化和實現自頂向下技術的應用，最后保證參數化設計的實現，這一系列實現發動機零部件參數化設計措施也可以應用到其他類型的發電機零部件設計工作中，總之參數化已經越來越廣泛的應用到發動機零部件設計里了。

【參考文獻】

[1]孟武功,趙萍麗.異形零件的參數化設計[J].汽車零部件,2017(03)：48-51.

[2]湯灝,郭克希,林弟,繞顯俊.發動機零部件參數化設計方法研究[J].公路與汽運,2014,(03)：6-9.