【摘 要】本文以某双顶置凸轮轴汽油发动机为例，介绍使用CATIA软件的电子样机运动模拟（DMU Kinematics）模块建立运动模型和分析运动间隙的方法，从而提高设计质量和效率，减少试制和试验验证次数，降低开发成本。
【关键词】发动机；运动模拟；间隙校核
发动机运动机构包括曲柄连杆机构、配气机构、传动机构和起动机构等，前两种机构是发动机工作的主要运动系统。曲柄连杆机构和配气机构，与缸体、缸盖组成的发动机内部结构在总布置设计中占有重要的地位。两大机构的各个零件与周边零件的间隙随曲轴的转角而变化，运动轨迹影响着曲轴箱和气门室的形状，同时相邻的两个运动零件气门与活塞之间的动态间隙也必须保持在一定的限值之上。进行发动机布置时要考虑保证这些间隙满足设计要求，还要尽量避免设计过剩而影响布置的紧凑性。采用传统的手工绘图来测量运动间隙需要花费大量的时间，且结果不精确，往往需要设计多余的间隙以确保零件之间不发生干涉。CATIA、Pro/E等大型工程软件拥有强大的运动模拟和间隙分析功能，帮助设计者提高布置设计效率和质量。
一、电子样机运动模拟
电子样机DMU是对产品的真实化计算机模拟，满足各种各样的功能，提供用于工程设计、加工制造、产品拆装维护的模拟环境；是支持产品和流程、信息传递、决策制定的公共平台；覆盖产品从概念设计到维护服务的整个生命周期。实现三维是实现电子样机的最基本的一步。由此可见，电子样机技术主要是指在计算机平台上，通过三维CAD/CAE/CAM软件，建立完整的产品数字化样机，组成电子化样机的每个部件除了准确定义三维几何图形外，还赋有相互间的装配关系、技术关联、工艺、公差、人力资源、材料、制造资源、成本等信息，电子样机应具有从产品设计、制造到产品维护各阶段所需的所有功能，为产品和流程开发以及从产品概念设计到产品维护整个产品生命周期的信息交流和决策提供一个平台。
1.电子样机的功能和特点。CATIA V5的电子样机功能由专门的Digital mockup单元里模块DMU Kinematics，即CATIA V5电子样机运动机构模拟（Digital mockup Kinematics Simula
-tor）完成。电子样机与CAX系统完全集成，并以“上下关联的设计”方式作业；可提供强大的可视化手段，除了虚拟显示和多种浏览功能，还集成了漫游和截面透视等先进手段；具备各种功能性检测手段，如安装/拆卸、机构运动、干涉检查、截面扫描等；具有产品结构的配置和信息交流功能。由于电子样机（DMU）技术加强了设计过程中最为关键的空间和尺寸控制之间的集成，在产品开发过程中不断对电子样机进行验证，大部分的设计错误都能被发现或避免，从而大大减少实物样机的制作与验证。
2.电子样机运动模拟仿真的实现。DMU为设计者提供一种软件环境，通过调用系统提供的大量运动约束连接方式或者通过自动转换装配约束条件而产生运动约束连接，从而实现电子样机的运动模拟仿真，如对3D数模装配体建立虚拟运动机构（Mechanism）并进行动作模拟，还根据要求测量3D数模之间的运动间隙。运动机构（Mechanism）是运动模拟的信息组合，包含运动副（Joints）、驱动命令（Commands）、固定零件（Fix
part）、运动规律（Laws）和加速度（Speed acceleration）等组成部分。
二、建立运动模型
1.建立3D数模。建立曲轴、连杆、活塞、凸轮轴、气门等运动件和周边零件如缸体、缸盖的初步3D数模，并在装配设计（Assembly design） 模块中按零件实际位置和装配关系对3D模型进行装配。运动件的初始位置一般按发动机第一缸压缩上止点来定义。为简化运动模型，尽可能地保证软件运行速度，可根据实际情况省略不需要校核或不影响校核结果的零件如活塞销，轴瓦等。
2.运动机构分析。进入电子样机运动模拟（DMU Kine
-matics） 模块，在“插入（Insert）”菜单中选择 命令新建一个机构（Mechanism）。分析发动机实际运动，从前端或后端看，缸体、缸盖作为固定零件，曲柄连杆机构中，活塞沿气缸中心线作往复直线运动，连杆作平面复合运动，曲轴沿缸体上的轴承中心作旋转运动，曲柄连杆机构与配气机构的传统方式为曲轴通过链条驱动凸轮轴沿缸盖上的轴承中心作旋转运动，凸轮轴驱动气门、挺柱等做往复直线运动。根据这些运动特点来添加机构（Mechanism）的各个组成部分，运动模型即建立完成。
3.添加运动副（Joints）。对无相对运动的零件（如缸体、缸盖、气门导管等）用Rigid 运动副约束；根据实际运动关系，对有相对运动的各零件进行约束，并进行必要的简化。主要运动副见表1。
表1 主要运动副
如果在装配设计（Assembly design）中已将各零件按运动关系约束，可点击装配约束转换（Assembly constrains conversion）命令自动生成运动副。
4.建立驱动命令（Commands）。在电子样机的运动仿真里，为了使模型可以运动，驱动命令是必不可少的；用户可以在创建运动副时直接定义驱动命令，也可以在运动副创建之后定义驱动命令。运动模拟的主要目的是模拟机构运动动作并分析动作过程中的零件间隙，因此运动源是否与实际相符可不作要求。为方便模拟命令的操作，同时能够实现模拟过程中VVT对相位的调整，将曲轴和进、排气凸轮轴三个零件作为单独运动源，分别添加同一类型的驱动命令，即角度驱动。具体操作方法是在添加这三个零件与固定零件的运动副时，在对话框中勾选角度驱动（Angle driven）选项。
5.指定固定零件（Fix part）。当运动副创建完成后，机构并不能进行运动学的仿真。为了使运动仿真的命令能够运行，在电子样机模拟机构里必须要有固定的零件，也就是系统的支架。当由于没有固定零件机构不能运行仿真时，系统会提示用户次机构没有固定零件。可用Fixed Part 命令指定固定零件，汽车发动机缸体可作为该虚拟机构的固定零件。 6.定义运动规律（Laws）。用公式编辑器对曲轴驱动定义一个角速度值，根据曲轴与凸轮轴的实际运动关系，定义进、排气凸轮轴驱动的角速度值为曲轴驱动角速度值的2倍。完成机构即运动模型的建立后，进行运动模拟和间隙分析。
三、间隙分析
气门间隙通常是发动机处于冷态时，在气门脚及其传动机构中留有适当的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量，这一预留间隙称为气门间隙。一般排气门的气门间隙要略大于进气门的气门间隙。发动机工作过程中，由于配气机构零件的磨损或松动，或是气门在工作时因温度升高而膨胀都会导致原有气门间隙的变化。气门间隙的大小对发动机各方面的性能影响极大：间隙过小，发动机在热态下由于气门杆膨胀可能会造成气门漏气，导致功率下降，甚至烧坏气门；间隙过大，传动零件之间以及气门与气门座之间容易产生冲撞，同时使气门开启的持续时间减少，进气和排气不充分，也会直接影响发动机的正常工作。因此，为了保证发动机的正常工作，必须调整好气门间隙。对建立的机构使用Simulation with laws 命令，实现运动模拟，各零件的3D模型按照实际运动关系运动。如需模拟VVT工作时的运动情况，可使用Simulation with commands 命令，先调整凸轮轴的初始相位，再模拟发动机工作一个循环的运动情况。在运动模拟过程中，勾选激活传感器（Activate sensors）选项可对关注的尺寸进行动态测量，输出零件之间、或零件某特征与另一零件某特征之间随曲轴转角变化的间隙数值图表，主要用于对相位变化比较敏感的间隙分析，如活塞和进、排气门的运动间隙。也可使用包络体（Swept volume） 和轨迹（Trace） 命令生成零件和零件上某个点的运动包络体和运动轨迹，然后使用碰撞分析（Clash） 、剖切分析（Sectioning） 和距离区域分析（Distance and band analysis） 等各种空间分析工具检查其与周边零件的间隙，如曲轴和连杆运动包络体与曲轴箱间隙、凸轮轴运动包络体与气门室间隙。
四、发动机运动模拟及结果应用
发动机运动学模拟可以进行零部件干涉检查、动画制作、凸轮零件反求设计、物理量规律求解以及系统优化等。下面对常用的分析结果应用情况进行举例说明。干涉检查是三维软件虚拟装配设 计最基本的零部件验证功能，分静态检查和动态检查两种使用方式。静态检查操作在CATIA环境下进行，完成装配后，执行“分析”→“模型”→“全局干涉”，可以查看所有干涉情况，执行“分析”→“模 型”→“配合间隙”，可以查看两个零件之间的最小间隙或干涉体积。动态检查操作在机构环境进行，在“回放” 对话框点击“冲突检测设置”，或者“工具”→“组件设置”→“冲突检测设置”，确定是否进行动态干涉检查计算，需要更长的运算时间和更高的计算机硬件资源配置。在CATIA中有专门的动画模块，元件分解、视角变换和显示状态等动画动作需要在该环境设置。在机构模块可以将曲柄连杆机构、配气机构的运动学模拟设置传递到动画模块，将运动模拟作为动画制作的 一个环节（时间线或子动画），实现发 动机产品演示动画的准确运行。
通过运动学、动力学模拟可以对 发动机的技术参数规律进行输出，CATIA软件提供了丰富的测量量库和强大的测量量定义功能，用户可以方便地定制所需的技术参数规律曲线。在发动机零部件设计中，箱体和缸盖是其中的2个关键的重要零件，它们的设计难点之一是确定水道、油道以及其他不规则形状腔体。例如，推杆在配气机构运动过程中的空间范围是通过箱体、缸盖设计确定出运动空间腔体的重要依据。利用机构模拟创建推杆运动包络零件，通过“编辑”→“缩放模型”，放大模型以得到所需要空间范围，利用布尔减运算创建箱体、缸盖零件上推杆的运动空间范围腔体特征。
五、结语
本文所阐述的发动机机构运动模拟方法，可帮助设计人员较快地完成发动机布置过程中的间隙校核工作。建立运动模型过程中运用的一些技巧在保证模拟运动与实际运动的基本对应关系得到满足的基础上，又使建模和间隙分析过程能尽量地简单，操作方便。与传统的手工绘图方法相比，基于CATIA的运动模拟方法缩短了间隙校核的工作时间，降低了设计人员的工作强度，提高了间隙校核的精确性。从而提高布置设计的效率和质量，减少试制和试验验证的次数，降低开发成本。
参 考 文 献
[1]鲁君尚编著.无师自通CATIA V5之电子样机[M].北京航天航空大学出版社，2008
[2]徐兀编著.汽车发动机现代设计[M].人民交通出版社，1995
