基于Pro/E的V6發(fā)動機運動仿真分析實例*

蔣恩杰，付衛(wèi)元，李雙清，王瑞平，2

(1．寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江寧波 315336;2．浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司，浙江寧波 315800)

0 引言

目前，機械產(chǎn)品的運動和仿真分析是機械設(shè)計制造，尤其是發(fā)動機設(shè)計制造過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，因為發(fā)動機在進(jìn)行設(shè)計前期要對運動機構(gòu)進(jìn)行分析，以此來驗證機構(gòu)設(shè)計的合理性和可行性。機構(gòu)運動分析模塊是Pro/E中一個進(jìn)行運動仿真和機構(gòu)分析的模塊。利用該模塊，可以根據(jù)設(shè)計意圖對一個完整的運動機構(gòu)添加驅(qū)動器、運動副，使其運動起來，以實現(xiàn)機構(gòu)的運動模擬，同時能對運動機構(gòu)進(jìn)行運動的速度、軌跡、位移、運動干涉等情況的分析，為研究機構(gòu)模型和后續(xù)的實物驗證提供便利和一定的理論依據(jù)［1～2］。

發(fā)動機是一種復(fù)雜的機構(gòu)運動，既有回轉(zhuǎn)運動又有往復(fù)直線運動。本文通過在Pro/E平臺下，對發(fā)動機各零部件進(jìn)行模擬裝配以及運動仿真的相關(guān)設(shè)計，在不考慮外在作用力的情況下對發(fā)動機進(jìn)行運動分析，輸出各運動件之間的相對位置關(guān)系和運動軌跡，已得出發(fā)動機的運動規(guī)律和與設(shè)計相關(guān)的重要數(shù)據(jù)，從而為發(fā)動機產(chǎn)品設(shè)計工程師提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 機構(gòu)運動仿真的基礎(chǔ)知識

機構(gòu)運動分析模塊是Pro/E中一個強大的仿真和機構(gòu)分析模塊。當(dāng)各個零部件通過裝配模塊組成一個完整的機構(gòu)后，就可直接在機構(gòu)運動分析模塊中，根據(jù)設(shè)計者的設(shè)計意圖，定義機構(gòu)中的連接，設(shè)置伺服電機，運行機構(gòu)分析，觀察機構(gòu)是否存在干涉，還可以進(jìn)行各種測量。機構(gòu)仿真設(shè)計的一般步驟如圖1。

圖1 機構(gòu)仿真設(shè)計流程圖

(1)定義模型 將各零件裝配成一個整體機構(gòu)，根據(jù)設(shè)計意圖定義各零件之間的連接方式以取得對應(yīng)的運動形式。

(2)添加驅(qū)動器 在Pro/E的機構(gòu)模塊下對模型添加伺服電機，使機構(gòu)運轉(zhuǎn)起來。

(3)準(zhǔn)備分析 完成原動件驅(qū)動添加后，定義其運動類型并設(shè)置運動環(huán)境，以此來進(jìn)行機構(gòu)運動仿真。

(4)分析模型并獲得結(jié)果 通過“回放結(jié)果”來重新演示機構(gòu)運動過程，檢查干涉情況及查看相對運動的測量結(jié)果等［3］。

2 V6發(fā)動機的運動仿真及分析

筆者將以創(chuàng)建V6發(fā)動機的運動過程為例，來介紹機構(gòu)仿真運動的過程。V6發(fā)動機的運動件有曲軸、活塞連桿機構(gòu)、凸輪軸、滾子搖臂、氣門等。首先將各零部件的三維實體數(shù)模裝配起來，并保存在同一文件夾目錄下。

2．1 定義模型

如圖2所示，以缸體為基體，定義各個運動零件之間的運動副關(guān)系，滾子搖臂與液壓挺柱之間采用球和平面連接方式，此處液壓挺柱假設(shè)為剛性，氣門帽與滾子搖臂則采用槽與圓柱的連接方式。進(jìn)入機構(gòu)運動分析模塊后，定義凸輪從動機構(gòu)連接，分別選取凸輪的外輪廓面和滾子搖臂的輪廓面作為凸輪1和凸輪2。然后用帶傳動方式等效代替鏈傳動來連接驅(qū)動鏈輪和進(jìn)氣VVT以及進(jìn)氣VVT和排氣VVT。

使用拖動元件工具，拖動凸輪軸旋轉(zhuǎn)，檢查凸輪是否帶動氣門在氣門導(dǎo)管內(nèi)上下運動。

2．2 添加驅(qū)動器

在機構(gòu)運動分析模塊下定義曲軸的軸線為伺服電動機的旋轉(zhuǎn)軸，并設(shè)置轉(zhuǎn)速為36°/s。如圖3所示，將曲軸、凸輪軸及進(jìn)排氣VVT都置于第一缸壓縮上止點位置，考慮到整個模型的數(shù)據(jù)較大，為方便分析計算，隱藏一部分非運動件和第2到第6缸的運動件，以1缸的運動件為例進(jìn)行運動仿真分析。

圖2 各個運動副之間的連接關(guān)系圖

圖3 第一缸壓縮上止點位置圖

2．3 分析模型

在機構(gòu)分析中新建運動分析，在類型中選取運動學(xué)，然后在首選項中定義運行時間，V6發(fā)動機是V型4沖程發(fā)動機，完成一個周期曲軸需要運轉(zhuǎn)720°，因之前設(shè)定曲軸轉(zhuǎn)速為36°/s，故運行時間需設(shè)定為20 s的倍數(shù)，在此設(shè)定運行時間為20 s。點擊運行，執(zhí)行分析，機構(gòu)將按設(shè)定的運動方式進(jìn)行運動。

2．4 查看和分析仿真結(jié)果

進(jìn)入“回放”窗口，可以查看整個機構(gòu)的運動情況，以便于分析發(fā)動機運動件之間的運動規(guī)律。因V6采用雙VVT結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣VVT可提前40°±2°(曲軸轉(zhuǎn)角)，排氣 VVT 可延遲35°±2°(曲軸轉(zhuǎn)角)，故從以下幾方面進(jìn)行分析。

2．4．1 進(jìn)、排氣VVT未工作的分析

2．4．1．1 進(jìn)、排氣門的升程測量

因為氣門導(dǎo)管是相對靜止的，而氣門是運動的，故選取導(dǎo)管的軸線與導(dǎo)管下平面的交點作為靜止點，選取氣門軸線與氣門盤端面的交點作為運動點，測量分析進(jìn)、排氣門的升程量。

如圖4、5所示，該曲線就是運動點到靜止點的距離隨時間變化的運動規(guī)律。從圖中可看出進(jìn)、排氣門的開啟和關(guān)閉時間。將測量結(jié)果以Excel形式導(dǎo)出，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理后可以得出進(jìn)、排氣門的升程量以及氣門重疊角，如圖6。

從圖6中可得到進(jìn)氣門的升程量為10．9 mm，排氣門的升程量為10．6 mm。

圖4 進(jìn)氣門升程圖

圖5 排氣門升程圖

圖6 進(jìn)、排氣門升程曲線圖

2．4．1．2 進(jìn)、排氣門及活塞之間最小距離測量

選取進(jìn)、排氣門之間距離最小的兩個點作為進(jìn)氣門與排氣門之間的最小距離的測量點，選取進(jìn)氣門與活塞、排氣門與活塞之間距離最小的兩個點作為進(jìn)氣門與活塞、排氣門與活塞的測量點，分別測量進(jìn)、排氣門及活塞之間的最小距離，檢測三者之間的運動過程中是否有干涉的可能性。

從圖7可看出第一條曲線是進(jìn)氣門與活塞最小距離隨時間的變化規(guī)律，最小距離為4．7 mm，第二條曲線是進(jìn)、排氣門之間的最小距離隨時間的變化規(guī)律，最小距離為4．3 mm，第三條曲線是排氣門與活塞的最小距離隨時間的變化規(guī)律，最小距離為4．2 mm。

圖7 進(jìn)氣門、排氣門及活塞之間的最小距離

2．4．2 進(jìn)氣VVT開啟40°(曲軸轉(zhuǎn)角)和排氣VVT開啟0°(曲軸轉(zhuǎn)角)

調(diào)節(jié)進(jìn)氣VVT的初始位置，使進(jìn)氣VVT的位置相對于初始位置提前20°(凸輪轉(zhuǎn)角)其余保持不變，進(jìn)入機構(gòu)運動仿真模塊，運行分析，分析結(jié)果如圖8。

因排氣VVT未發(fā)生變化，故排氣門與活塞之間的間隙不再作分析。從圖8可看出，進(jìn)氣門與活塞之間的最小間隙為1．6 mm，進(jìn)氣門與排氣門之間的最小間隙為3．7 mm。

圖8 進(jìn)氣VVT開啟，排氣VVT未開啟

2．4．3 進(jìn)氣 VVT開啟0°(曲軸轉(zhuǎn)角)和排氣 VVT開啟35°(曲軸轉(zhuǎn)角)

調(diào)節(jié)排氣VVT的初始位置，使排氣VVT的位置相對于初始位置延遲17．5°(凸輪轉(zhuǎn)角)其余保持不變，進(jìn)入機構(gòu)運動仿真模塊，運行分析，分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 進(jìn)氣VVT未開啟，排氣VVT開啟

因進(jìn)氣VVT未發(fā)生變化，故進(jìn)氣門與活塞之間的間隙不再作分析。從圖9可以看出，排氣門與活塞之間的最小間隙為1．8 mm，進(jìn)氣門與排氣門之間的最小間隙為3．8 mm。

2．4．4 進(jìn)氣VVT開啟40°(曲軸轉(zhuǎn)角)和排氣VVT開啟35°(曲軸轉(zhuǎn)角)

調(diào)節(jié)進(jìn)、排氣VVT的初始位置，使進(jìn)氣VVT的位置相對于初始位置提前20°(凸輪轉(zhuǎn)角)，排氣VVT的位置相對于初始位置延遲17．5°(凸輪轉(zhuǎn)角)，其余保持不變，進(jìn)入機構(gòu)運動仿真模塊，運行分析，分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 進(jìn)、排氣VVT開啟

從圖10可以看出進(jìn)氣門與排氣門之間的最小間隙為2．7 mm，進(jìn)氣門與活塞之間的最小間隙為2．1 mm，排氣門與活塞之間的最小間隙為1．8 mm。

2．4．5 分析總結(jié)

根據(jù)以上分析結(jié)果，統(tǒng)計各運動件在不同狀態(tài)下的最小間隙見表1。材料選擇Inconel625。防止膨脹節(jié)材料的腐蝕破壞。

(4)管廊上固定點位置的設(shè)置

在管廊上，如果采用直管壓力平衡型膨脹節(jié)來吸收二次應(yīng)力，那么所有固定點設(shè)置的間隔盡可能保持同樣的間隔。中間固定支架上的軸向力主要來自兩邊膨脹節(jié)伸縮所需要的熱脹力，在相同操作條件下，此熱脹力又跟左右管段的長度存在一定的正比關(guān)系，當(dāng)固定點左右相反方向的熱脹力相互抵消不了時，就會作用在固定點上，產(chǎn)生比較大的軸向推力。

所以，保持等距的固定點間隔對于降低固定點的推力起到很大的作用。

從另一種角度，管線的條件不變，改變膨脹節(jié)的剛度同樣可以降低固定點推力。但是，采取此種膨脹節(jié)剛度不同的做法，勢必造成膨脹節(jié)采購周期的增加，并且給現(xiàn)場的安裝帶來不便。

(5)管廊上各個排放支管柔性的考慮

很多管廊上的排放支管溫度都很高，所以應(yīng)力計算的時候，特別是在管廊上設(shè)置膨脹節(jié)的時候，一定要考慮把加膨脹節(jié)管段的所有支管一起連接進(jìn)去計算，以免計算的管架推力產(chǎn)生偏差，造成膨脹節(jié)的破壞。

3 結(jié)論

在化工管廊的設(shè)計中，有效的采用直管壓力平衡型膨脹節(jié)在一定程度上能吸收管線產(chǎn)生的二次應(yīng)力，降低固定點的推力，減小管道的阻力降。但直管壓力平衡型膨脹節(jié)作為柔性元件，在設(shè)計的過程中一定要分析考慮各方面的影響因素，做好管架形式，起到更好保護膨脹節(jié)的作用。

另一方面，安裝在管廊上的膨脹節(jié)下波紋處容易積液結(jié)晶，而且膨脹節(jié)在加工過程中，它的疲勞壽命很難保證。所以在管廊的設(shè)計中，如果地方充足，從成本和使用壽命的角度來講，能采用自然補償?shù)脑挘€是盡量選擇自然補償?shù)男问絹砀淖児艿廊嵝浴?/p>

［1］ GB/T12777－2008．金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件［S］．

［2］ 唐永進(jìn)．壓力管道應(yīng)力分析［M］．北京:中國石化出版社，2010．