柴油機(jī)活塞實(shí)體三維建模方法的研究

□ 郝立紅

蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院機(jī)電工程系 蘭州 730101

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受熱載荷并將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要部件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量及工作的可靠性、耐久性直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的優(yōu)劣。針對活塞的實(shí)際工作情況，以降低冷卻油溫度、提高活塞使用壽命、為企業(yè)節(jié)約成本為目的，筆者采用Solid Works工具，對活塞實(shí)體進(jìn)行三維建模，為活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了重要依據(jù)，這對改進(jìn)活塞設(shè)計(jì)、提高柴油機(jī)性能與可靠性是十分重要的。

1 活塞實(shí)體建模的步驟

1.1 生成新的零件文檔

雙擊啟動(dòng)Solid Works制圖軟件，單擊標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(guān)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(zhǔn)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(guān)系，完成活塞裙部基本截面的草圖輪廓。單擊“剪裁實(shí)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(zhuǎn)基體特征

在Command Manager的特征工具條中，單擊 “旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體”按鈕，在“旋轉(zhuǎn)”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(qū)域，生成活塞基體截面的旋轉(zhuǎn)圖，如圖2所示。

1.3 生成氣環(huán)槽與油環(huán)槽

（1）單擊“矩形”按鈕，繪制5個(gè)矩形框，將上4個(gè)矩形框靠里的直線添加“共線”幾何關(guān)系，單擊智能尺寸按鈕，為氣環(huán)槽與油環(huán)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(zhuǎn)切除”按鈕，彈出對話框，單擊“旋轉(zhuǎn)軸”按鈕，在“設(shè)計(jì)樹”中選“基準(zhǔn)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(qū)域，生成氣環(huán)槽與油環(huán)槽的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)

▲圖3 氣環(huán)槽與油環(huán)槽的旋轉(zhuǎn)

單擊工具欄中參考幾何體（G）的基準(zhǔn)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(diǎn)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(zhuǎn)換實(shí)體引用”按鈕，將大圓投入到當(dāng)前草圖中，將小圓分別與兩大圓添加 “幾何關(guān)系。單擊“剪裁實(shí)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(shè)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(shù)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(huán)槽上的回油孔

（1）單擊“視圖定向”中的“前視”，選中油環(huán)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(gè)小圓。將原點(diǎn)與第4個(gè)小圓的圓心添加“重合”幾何關(guān)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(shè)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(huán)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(huán)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(diǎn)與小圓添加 “重合”幾何關(guān)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(shè)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(zhǔn)軸1”為陣列方向，陣列角度為360°，陣列數(shù)目為16。單擊工具欄中參考幾何體（G）的基準(zhǔn)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(diǎn)與小圓添加“重合”幾何關(guān)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(shè)置為“完全貫穿”，再單擊“圓周陣列”，選取“基準(zhǔn)軸1”為陣列方向，陣列角度為360°，陣列數(shù)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(zhǔn)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(diǎn)添加“重合”、“中點(diǎn)”幾何關(guān)系。選中大圓面，單擊“轉(zhuǎn)換實(shí)體按鈕”，將大圓投入到當(dāng)前草圖中。單擊“等距實(shí)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(guān)系。單擊“剪裁實(shí)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(diǎn)”，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(shí)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(diǎn)”，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(shí)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(shè)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(huán)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(shè)置為兩側(cè)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(qū)域，單擊前導(dǎo)視圖工具欄中的“旋轉(zhuǎn)視圖”，使圖形轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(zhǔn)軸”，彈出“基準(zhǔn)軸”對話框，單擊“參考實(shí)體”，在“圖形窗口中”選中活塞基體面，選擇“圓柱/圓錐面”選項(xiàng)，單擊確定按鈕，完成基準(zhǔn)軸線1的繪制。同理，選中活塞銷座孔面，生成基準(zhǔn)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(shí)體”，鏡像生成另一個(gè)擋圈槽。在Command manager的特征工具欄中，單擊“旋轉(zhuǎn)切除”按鈕，彈出對話框，單擊“旋轉(zhuǎn)軸”按鈕，在“設(shè)計(jì)樹”中選“基準(zhǔn)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(qū)域，生成擋圈槽旋轉(zhuǎn)切除圖，如圖9所示。

1.4.6 繪制3個(gè)冷卻油槽

▲圖9 擋圈槽旋轉(zhuǎn)切除

（1）選擇右視基準(zhǔn)面，單擊草圖工具欄中的“圓”按鈕，繪制3個(gè)冷卻油槽圓 。單擊草圖工具欄中的“直線”按鈕，將第2個(gè)和第3個(gè)圓與直線添加“相切”幾何關(guān)系，單擊“剪裁實(shí)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(zhuǎn)切除”按鈕，彈出對話框中，單擊“旋轉(zhuǎn)軸”按鈕，在“設(shè)計(jì)樹”中選“基準(zhǔn)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(qū)域。

（2）選擇上視基準(zhǔn)面，單擊工具欄中參考幾何體（G）的基準(zhǔn)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(diǎn)為圓點(diǎn)，繪一個(gè)半徑為40 mm的圓，小圓跟兩條豎直直線添加幾何關(guān)系，單擊顯示/刪除幾何關(guān)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(diǎn)和該直線，在彈出的對話框中點(diǎn)擊“重合”按鈕。單擊“剪裁實(shí)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(zhuǎn)切除圖，如圖10所示。

▲圖10 中央冷卻油腔旋轉(zhuǎn)切除

▲圖11 活塞整體模型

1.4.7 將頂部分成幾個(gè)圓形區(qū)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(gè)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(xiàng)卡下選擇“曲線”中的“分割線”。出現(xiàn)分割線對話框，在“分割類型”中選中“交叉點(diǎn)”，在圖形區(qū)域選取第一條分割線所劃分的面區(qū)域，單擊確定按鈕。同理，依次按照分割線，將頂部劃分成五個(gè)區(qū)域，得到活塞整體模型，生成活塞整體模型，如圖11所示。

2 結(jié)論

綜上所述，柴油機(jī)活塞的實(shí)體建模，利用應(yīng)力分析軟件針對活塞在工作過程中可能出現(xiàn)的工況及造成的損害進(jìn)行分析提供了依據(jù)，對于延長柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命、提高生產(chǎn)效率、降低企業(yè)成本均具有重要意義。

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