摘要：本文介紹了在產品開發中對JX493 發動機改型的應用，使用ＵＧ軟件針對JX493 結構改型的問題，對其改型前、改型后的狀態進行CAD 建模及UG/Motion 機構運動仿真分析計算，解決了其存在的問題，為改進設計提供理論依據，從而減少了開發費用和開發周期。
關鍵詞：CAD/CAE 機構運動 仿真

前言

隨著市場經濟的發展，企業竟爭愈發激烈，要求企業必須縮短產品的開發周期、降低開發成本、提高產品質量，實現新產品的快速開發。對于企業要實現這一目標，必須改進傳統的產品設計方法，誰能掌握計算機應用技術并應用于產品開發、制造，誰就能夠掌握市場的主動。目前作為汽車設計中一個重要的環節，CAD／CAE 技術為汽車設計驗證、缺陷修改、及減少對于物理實驗的依賴起重要作用。

江鈴汽車股份公司十分重視CAD／CAE／CAM／PDM 等計算機技術在企業中的應用，也為我們實現企業十三字方針：高品質、多品種、中價位、優質服務，提供了現代化的手段和基礎保障。幾年來，在全公司已全面普及了二維ＣＡＤ應用，并及時引進了EDS 公司的三維CAD／CAE／CAM 軟件系統，應用于公司的新產品開發、制造、工程分析等工作中。計算機應用技術，提高了新產品開發、制造的效率，縮短了新產品的開發周期，改進了產品設計、制造的質量，并使企業形成了一種全新的新產品設計開發理念。

本文介紹針對JX493 發動機改型而影響到結構是否能滿足要求，這一實際工程問題所作的CAD 三維建模和CAE 機構運動仿真分析。

1 問題背景

由于某型發動機改型后，引起發動機相關結構的改進。首先在改進配氣機構后，發現該發動機凸輪軸在運行中檢查到撓動較大，凸輪軸剛度不夠。比較幾種方案，確定對凸輪軸軸頸整體加粗，增加凸輪軸強度。然而凸輪軸軸頸整體加粗后，導致了曲軸連桿與凸輪軸在運轉中結構是否合理，并快速進行結構調整，確定結構調整方案的可行性。在滿足結構和強度要求下，在原有條件下修改凸輪軸軸頸結構，進行避讓曲軸連桿大頭干涉。由于凸輪軸、曲軸連桿的安裝位置比較緊湊，修改凸輪軸軸頸結構將需要對其進行機構運動仿真分析。設計部門針對該問題提出了許多方案，利用機構運動仿真分析對于各種方案進行比較評估，時間緊，任務重，十分重要。一旦結構調整確定，不允許有大更改，否則就必須凸輪軸等部件重新開模需數十萬元，并需要較長的時間，直接影響產品的開發周期。

2 準備工作

2.1 確立分析思路

明確該型發動機改型后的問題，確定分析問題的關鍵，關鍵在于凸輪軸軸頸整體加粗后，導致了曲軸連桿大頭與凸輪軸在運轉中結構是否合理。一方面在滿足強度要求上的結構布置合理，一方面針對凸輪配氣機構與曲軸運動機構，必須從靜態和動態兩方面來考慮其在工作狀態下，能否發生干涉，目的是比較幾種方案結構布置合理性。

2.2 確立分析模型

本次機構運動仿真分析的重點部位是凸輪配氣機構與曲軸運動機構，首先必須建立該機構運動仿真分析的各部件三維CAD 數模，然后確定機構運動的運動件、約束即運動幅等，最后進行機構仿真分析比較，確定不同方案結構布置合理性。

3 CAD 模型的建立

本次機構運動仿真分析以某型車發動機改型為例，重點針對凸輪配氣機構、曲軸運動機構進行仿真分析，重點將建立其凸輪配氣機構及曲軸運動機構三維ＣＡＤ數學模型，并針對曲軸運動機構和凸輪配氣機構的部分關心的部件做細致的仿真分析。由于公司具有各部件的二維圖樣，然后每個部件根據二維圖進行三維CAD 實體建模并裝配。具體三維CAD 模型 （見圖1）。

圖1 凸輪配氣機構、曲軸運動機構

4 構運動仿真分析的建立及實現

4.1 凸輪配氣機構及曲軸運動機構之間的運動仿真分析的桿系建立在ＵＧ／Ｍotion 模塊應用中,首先確定運動桿件,在凸輪配氣機構中將搖臂、頂桿等轉換為齒輪、齒條等作為桿系件，下面為典型的凸輪機構。曲軸運動機構中將曲軸、連桿、活塞等部件作為桿系件。這樣將整個凸輪配氣機構和曲軸運動機構的桿系件建立。（見圖2）。

4.2 桿系間的運動副

在UG/Motion 中，在確定了桿系件后，將確定桿系件之間的約束即運動副，對于JOINTS（運動副）有以下幾種：

具體來說，凸輪配氣機構和曲軸運動機構的運動幅均在上面加載有（圖2）。

4.3 機構的運動仿真分析

圖 2 機構的桿系件及運動幅

5 機構運動仿真分析方案比較

本分析主要關心凸輪軸的軸頸變粗對周圍結構的影響（即曲軸連桿的大頭），為了排除其他因素（如：活塞、曲軸、齒輪、頂桿、搖臂等）的干擾，所以在運動仿真的圖面上去除了干擾因素。在上面的情況下，比較幾種方案得到了結構的比較結果。

方案一 凸輪軸的軸頸均勻加粗（確保凸輪軸在工作中的強度）
方案二 凸輪軸的軸頸加粗后按不同運動狀態進行局部切除（先確保凸輪軸的強度，后確保其在運動工作狀態下軸頸與連桿大頭不干涉）

下面是機構運動在一個工作循環的五種狀態情況：（A、B、C、D、E ）

6 結論

通過前面的機構運動仿真分析，可以看出：

(1) 先滿足強度要求，結構上凸輪軸的改進對相關的部件有不同程度的影響，主要在結構上對曲軸連桿機構中的連桿影響最大。
(2) 從機構運動仿真的角度分析，凸輪軸的不同改型對曲軸連桿機構中的連桿大頭運動中是否干涉，它影響到整個產品生命。

從本質上講，通過從強度、剛度的分析對配氣機構中凸輪軸改進將對結構造成影響，比較二種方案之間的不同，針對客觀情況，得出如下結論：通過分析和比較，不能簡單均勻加粗凸輪軸軸頸，但可以通過加粗凸輪軸軸頸和改變結構按不同相位進行局部切除，一方面以達到強度、剛度要求，一方面使配氣機構的凸輪軸和曲軸連桿機構在工作中不發生干涉，來解決產品改型所引出的工程問題。

參考文獻
1 姚建國等編 《制造業信息化工程的關鍵技術及應用》 機械工業出版社 ‘2001 UGS 中國用戶論文集
2 姚建國等編 《CAD/CAM/CAE/PDM 技術開發與創新》 東南大學出版社 ‘2000 UGS 中國用戶論文集