一種新的動(dòng)靜干涉檢查方法在柴油機(jī)零件工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

強(qiáng)智臻，郭昌明，周海濤，辛 花

（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西大同037036）

在新型柴油機(jī)設(shè)計(jì)工程階段，需要將完成概念設(shè)計(jì)的零件組裝，進(jìn)行干涉檢查。其中，針對(duì)運(yùn)動(dòng)件與固定件之間的干涉檢查，傳統(tǒng)二維檢測(cè)方法存在過程復(fù)雜，結(jié)果不精確等問題。

綜合pro／e中的運(yùn)動(dòng)件包絡(luò)制作和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)件、固定件允許最小間隙值進(jìn)行裝配檢查，確定零件是否滿足干涉要求。解決了設(shè)計(jì)中遇到的運(yùn)動(dòng)件固定件、運(yùn)動(dòng)件干涉檢查問題。

1 固定件、運(yùn)動(dòng)件干涉檢查問題說明

1.1 某固定件、運(yùn)動(dòng)件干涉檢查示例

下面以某新型柴油機(jī)開發(fā)過程中，固定件－運(yùn)動(dòng)件干涉檢查為例說明（圖1～圖4）。

圖1 某固定件、運(yùn)動(dòng)件裝配示意圖

圖2 固定件模型

圖3 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型

本例中主要關(guān)注圖2所示零件和圖4所示零件之間是否出現(xiàn)干涉問題。如果僅對(duì)模型進(jìn)行靜態(tài)裝配干涉檢查，而不考慮圖4所示零件在周期運(yùn)動(dòng)中，零件最大包絡(luò)。就無(wú)法確定實(shí)際工作狀態(tài)下零件之間是否會(huì)發(fā)生干涉。如果應(yīng)用傳統(tǒng)的二維干涉檢查方法，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡描述難度太大，需要較長(zhǎng)時(shí)間周期的問題。

1.2 傳統(tǒng)二維干涉檢查方法

傳統(tǒng)二維干涉檢查方法采用極值法或包絡(luò)法。極值法的檢查過程是在一個(gè)周期內(nèi)，凸輪從基圓轉(zhuǎn)動(dòng)至最大直徑時(shí)，需重點(diǎn)考慮零件也就出現(xiàn)了兩個(gè)運(yùn)動(dòng)極限位置。利用這兩個(gè)位置檢查運(yùn)動(dòng)件固定件是否發(fā)生干涉。這種方法只檢查兩個(gè)極限位置的干涉情況（如圖5、圖6所示），不能確定零件運(yùn)動(dòng)過程中是否發(fā)生干涉，檢查方法雖然簡(jiǎn)單但結(jié)果不完全可信。傳統(tǒng)二維包絡(luò)制作過程是將主動(dòng)零件旋轉(zhuǎn)一個(gè)特定角度（該角度一般設(shè)置為1°～3°）后，可以根據(jù)受驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)考察零件運(yùn)動(dòng)約束情況確定該零件的運(yùn)動(dòng)情況。重復(fù)該步驟，既可完成重點(diǎn)考察零件在一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡繪出重點(diǎn)考察零件的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)圖。然后根據(jù)包絡(luò)圖檢查干涉情況。這種做法的不足是耗時(shí)較長(zhǎng)，包絡(luò)曲線非連續(xù)，對(duì)于圖4所示結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零件，生成包絡(luò)僅為二維包絡(luò)，無(wú)法進(jìn)行全方位干涉檢查。同時(shí)，如果運(yùn)動(dòng)件做修改，重新制作包絡(luò)并檢查干涉需要重新進(jìn)行，工作耗時(shí)較長(zhǎng)。

在以前的設(shè)計(jì)過程中，由于包絡(luò)制作和干涉檢查難度較大，一般設(shè)計(jì)流程往往是在制作完成運(yùn)動(dòng)件的包絡(luò)后方開始固定件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工作需串聯(lián)進(jìn)行，這樣無(wú)形中就加長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。

圖4 需重點(diǎn)考察的某運(yùn)動(dòng)件模型圖

圖5 凸輪基圓位置干涉檢查

圖6 凸輪最大直徑處干涉檢查

2 利用運(yùn)動(dòng)件包絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查

利用運(yùn)動(dòng)件包絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查流程如下（圖7）。

圖7 利用運(yùn)動(dòng)件包絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查流程

2.1 制作動(dòng)態(tài)裝配

在pro／e4.0軟件環(huán)境下，將運(yùn)動(dòng)件按照其運(yùn)動(dòng)形式制作動(dòng)態(tài)裝配。在本次干涉檢查中，零件均為繞軸旋轉(zhuǎn)，將其定義為銷裝配［1］（圖8）。

圖8 運(yùn)動(dòng)件動(dòng)態(tài)裝配的制作

2.2 建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型

利用已生成的動(dòng)態(tài)裝配，定義伺服電機(jī)、凸輪副等運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式［2］。完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型建立（圖9）。

2.3 建立分析模型

根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，設(shè)定分析模型。完成設(shè)置后，pro／e4.0將按照用戶要求的仿真條件生成可視化仿真結(jié)果文件（圖10）。具體幀頻定義方法請(qǐng)參照參考文獻(xiàn)［3］。

2.4 制作重點(diǎn)考察零件的包絡(luò)模型

（1）求解原理

在本次檢查過程中，重點(diǎn)考察零件運(yùn)動(dòng)原理如圖11所示。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的某個(gè)特定剖面，其在某一特定時(shí)刻某一特定點(diǎn)的平面位置可以用如下數(shù)學(xué)關(guān)系式表示。

以搖臂軸中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，凸輪軸中心與搖臂軸中心距離為（x，y），在某一特定時(shí)刻凸輪與搖臂接觸時(shí)，R0為凸輪基圓直徑，ω為角速度，t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，凸輪接觸直徑為Rt［4］。

由以上關(guān)系式得出某點(diǎn)S在某時(shí)刻的坐標(biāo)值表達(dá)式為：

圖9 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型的建立

圖10 分析模型的建立

圖11 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系簡(jiǎn)圖

根據(jù)以上公式即可得出S點(diǎn)在任一特定時(shí)刻的位置。同理，任一特定點(diǎn)在任何時(shí)刻的坐標(biāo)都可以求解，那么重點(diǎn)考察零件所有點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)的坐標(biāo)均可以求解。

求出點(diǎn)坐標(biāo)后，根據(jù)最大空間包絡(luò)體生成原理生成連續(xù)性的零件模型既為重點(diǎn)考察零件的包絡(luò)模型。

（2）軟件求解應(yīng)用

利用pro／e4.0機(jī)構(gòu)應(yīng)用程序下回放模塊中的創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)包絡(luò)功能，創(chuàng)建重點(diǎn)考察零件的包絡(luò)模型（圖12、圖13）。

2.5 將包絡(luò)模型與固定件裝配

運(yùn)動(dòng)件包絡(luò)模型與固定件按照工程要求的實(shí)際情況完成裝配（圖14）。

圖12 運(yùn)動(dòng)包絡(luò)的制作

圖13 生成的重點(diǎn)考察零件包絡(luò)模型

圖14 運(yùn)動(dòng)件包絡(luò)與固定件裝配模型

2.6 檢查干涉情況

利用pro／e4.0中，分析／模型／全局間隙檢查功能。按照工程實(shí)際中所需的運(yùn)動(dòng)件與固定件之間最小配合間隙設(shè)定間隙值，軟件即可判斷裝配模型中零件之間間隙是否滿足設(shè)計(jì)要求（圖15）。

圖15 干涉檢查結(jié)果

2.7 根據(jù)干涉檢查結(jié)果，判斷零件是否滿足設(shè)計(jì)要求

根據(jù)干涉檢查結(jié)果，如果重點(diǎn)考慮零件與固定件之間的間隙值大于工程實(shí)際允許的間隙值，既認(rèn)為該零件設(shè)計(jì)滿足工程實(shí)際要求。反之，零件應(yīng)進(jìn)行修改。修改后重新檢查干涉，直至滿足要求。

3 結(jié)論

針對(duì)工程設(shè)計(jì)階段的運(yùn)動(dòng)件－固定件之間的干涉檢查，這種方法具有以下特點(diǎn)：

（1）由二維繪制生成包絡(luò)線變?yōu)楦鶕?jù)運(yùn)動(dòng)關(guān)系生成包絡(luò)模型，使運(yùn)動(dòng)件、固定件干涉檢查流程得以簡(jiǎn)化；

（2）由傳統(tǒng)的二維包絡(luò)線檢查變?yōu)槿S包絡(luò)模型的干涉檢查，使檢查結(jié)果更準(zhǔn)確；

（3）當(dāng)由于其他原因，某個(gè)固定件需要修改時(shí)，這種方法可以實(shí)現(xiàn)裝配體自動(dòng)更新后，只需進(jìn)行全局間隙檢查既可判斷零件修改是否滿足干涉要求；

（4）當(dāng)由于其他原因，某個(gè)運(yùn)動(dòng)件需要修改時(shí)，這種方法可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型自動(dòng)更新，只需重新創(chuàng)建包絡(luò)，完成包絡(luò)體和固定件之間裝配后，進(jìn)行全局間隙檢查既可判斷零件修改是否滿足干涉要求；

（5）與傳統(tǒng)包絡(luò)制作相比，包絡(luò)制作簡(jiǎn)化后。允許部分運(yùn)動(dòng)件、固定件設(shè)計(jì)并行，從而縮短設(shè)計(jì)周期。

綜上所述，應(yīng)用這種方法，可以減少工作時(shí)間，避免工作失誤，從而縮短柴油機(jī)工程設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)時(shí)間周期。

［1］馬成習(xí).基于Pro／E的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)建模及其運(yùn)動(dòng)仿真［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2008，（6）：51－53.

［2］PTC公司內(nèi)部資料.Pro／ENGINEER Wildfire4.0 簡(jiǎn)介［Z］.

［3］張繼春，楊建國(guó).裝配設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真及Pro／E實(shí)現(xiàn)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［4］徐 波，何 偉，陳國(guó)華.凸輪機(jī)構(gòu)氣門升程的新算法［J］.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2001，（01）：21－23.