【正文】 1 第 1 章 緒 論 選題背景 我國從二十世紀(jì)八十年代初引進(jìn)微型車， 20 余年經(jīng)歷了三代產(chǎn)品，目前，已經(jīng)形成以五大生產(chǎn)基地為主體的年產(chǎn) 萬輛能力的微型車行業(yè)，基本上具備了迎接國際挑戰(zhàn)的能力。微型車已經(jīng)穩(wěn)穩(wěn)地成為中國汽車市場中的主力車型。最大限度的降低有害氣體的 排放量。目前在發(fā)達(dá)國家的汽車行業(yè)中， Pro/E軟件以及 ANSYS 軟件的應(yīng)用已得到普遍應(yīng)用，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，新的轎車產(chǎn)品的開發(fā)周期已縮短至 2 年。目前除試驗(yàn)方法觀察機(jī)構(gòu)動態(tài)性能和研究機(jī)構(gòu)動力學(xué)之外，運(yùn)用力學(xué)方法建立配氣機(jī) 構(gòu)的力學(xué)模型，用計(jì)算 2 機(jī)進(jìn)行動態(tài)模擬研究已顯示出非常突出的優(yōu)越性。國外對配氣機(jī)構(gòu)的振動模型、摩擦及配氣相位和可變氣門正時(shí)等的研究有一些報(bào)道。 Pro/E 及 ANSYS 的簡介 Pro/E 的現(xiàn)狀及功能特點(diǎn) Pro/Engineer 是由美國 PTC（ Parametric Technology Corporation） 公司開發(fā)研制的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、分析及制造軟件。 Pro/E 是采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的、基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。 （ 4）支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)（規(guī)則排列的系列組件，交替排列， Pro/Program 3 的各種能用零件設(shè)計(jì)的程序化方法等）。所謂工程分析軟件，主要是在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。使用該軟件，能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。 ANSYS 作為有限元分析的主流軟件，在工程中的應(yīng)用日益成熟和廣泛。 （ 2）對于裝配件導(dǎo)入后，各零件間位置關(guān)系并不能 符合要求，容易造成分屬不同零件的點(diǎn)線的合并而改變各零件裝配關(guān)系。 （ 2）再建立起配氣機(jī)構(gòu)各個(gè)零部件的三維實(shí)體模型。 課題研究的主要方法 收集有關(guān)微型乘用車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的相關(guān)資料。配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)使發(fā)動機(jī)在各種工況下工作是厚的最佳的進(jìn)氣量，以保證發(fā)動機(jī)在各種工況下工作時(shí)具有最佳的性能。單擊“文件”工具欄中的新建工具，彈出“新建”對話框，如圖 所示。 圖 “草繪屬性”窗口 （ 2）根據(jù)已給的 PDF 文件，繪制進(jìn)氣門的草繪圖，繪圖時(shí)注意要選取旋轉(zhuǎn)軸，否則不能生成三維模型，如圖 所示。 圖 進(jìn)氣門三維圖 2 （ 3）最后畫出了進(jìn)氣門的三維視圖，對其進(jìn)行保存，如圖 所示。 （ 3）選擇 “ mmns_part_solid” 模板，表示零件模型為實(shí)體，單擊 “ 確定 ” 完成，如圖 所示。 圖 排氣門三維圖 其他零件建模 墊圈的建模 畫圖的過程比較簡單，在這就不做仔細(xì)的描述，畫完的圖形如圖 所示。 圖 “ 新建 ” 窗口 圖 選擇“單位類型 ” （ 2）點(diǎn)選 “ 類型 ” 選項(xiàng)中的 “ 零件 ” 單選按鈕，點(diǎn)選子類型選項(xiàng)組中的 “ 實(shí)體 ”單選鈕，并在名稱文本框中輸入新建文件的名稱，取消勾選 “ 使用默認(rèn)模板 ” 復(fù)選框，單擊 “ 確定 ” 彈出新文件選項(xiàng)對話框。 (a) (b) 圖 螺旋掃描 （ 2）在 “ 屬性 ” 菜單管理器中依次單擊 “ 常數(shù) ”→“ 穿過軸 ” →“ 右手定則 ” →“ 完成 ” 命令，系統(tǒng)彈出 “ 設(shè)置草繪平面 ” 菜單管理器，如圖 所示 。在工具欄內(nèi)單擊 按鈕完成草圖的繪制。 圖 菜單管理器 圖 切剪 （ 8）在如圖 所示的 “ 剪切：螺旋掃描 ” 對話框中單擊【確定】按鈕，完成螺紋的創(chuàng)建。 （ 2）在主菜單中單擊 “插入 ”→“ 螺旋掃描 ” →“ 伸出項(xiàng) ”命令，彈出如圖 所示的 “屬性 ”菜單管理器。 （ 6）在 “草繪視圖 ”菜單管理器中單擊 “缺省 ”命令，進(jìn)入草繪環(huán)境。 16 圖 菜單管理器 圖 設(shè)置平面 圖 選取方向 圖 選取 圖 軌跡 （ 1）系統(tǒng)提示 “在軌跡起始輸入節(jié)距值 ”，輸入起始節(jié)距值為 “3”，如圖 所示，單擊中 按鈕完成。 （ 5）再用同樣的方法為其他控制點(diǎn)輸入螺距值，最終生成的螺距曲線如圖 所示 。最終如圖 所示。 氣門傳動組設(shè)計(jì)中需注意的問題 氣門 傳動組中的每一個(gè)零件都對配氣機(jī)構(gòu)起到十分重要的作用，因此在畫每一個(gè)圖形的時(shí)候都仔細(xì)核對尺寸，以免在進(jìn)行裝配的時(shí)候產(chǎn)生約束，并對每一個(gè)零件進(jìn)行實(shí)體模型的比對，以免出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤。 （ 3）選擇 “ mmns_part_solid” 模板，表示零件模型為實(shí)體，單擊 “ 確定 ” 完成，如圖 所示。 （ a） 22 （ b） （ c） 圖 凸輪軸三維圖組 （ 1）整體凸輪軸的大體樣子已經(jīng)畫出來了，下面接著對凸輪軸兩側(cè)進(jìn)行打孔，選擇 圖標(biāo)進(jìn)行打孔，點(diǎn)擊 圖標(biāo)，進(jìn)行草繪孔，按照二維圖畫出草繪圖，如圖 所示。 23 圖 草繪孔 圖 選取放置 圖 選取偏照 圖 孔 1 24 （ 2）在對其內(nèi)部的深孔進(jìn)行加工，同樣也是選擇打孔 圖標(biāo)，打開后選擇標(biāo)準(zhǔn)孔 圖標(biāo)，選擇螺釘尺寸，并輸入空的深度，如圖 所示。 25 圖 孔草繪 圖 凸輪軸 三維圖 搖臂的建模 進(jìn)氣搖臂的建模 （ 1）運(yùn)行 Pro/E。 （ 1）先選擇 FRONT 為草繪平面，繪制出軸孔的圖形，如圖 所示。 28 圖 （ 1）在畫頂氣門的一側(cè)，具體的過程按照以一個(gè)為基準(zhǔn)的原則，在其基礎(chǔ)上一步一步的畫出草圖在進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)或去除材料，每一步都要結(jié)合著尺寸耐心的去畫，以達(dá)到如圖 （ a）（ b）（ c）（ d）（ e）組所示的效果。畫圖的主要過程圖如圖 （ a）（ b）（ c）（ d）（ e）（ f）（ g）（ h）（ i）組所示。 圖 拉伸 （ 2）對軸的內(nèi)部打通孔，目的是進(jìn)行潤滑作用，如圖 所示 。 35 圖 搖臂軸 （ 1）然后再在軸上畫出帶有沉孔的油道孔，依次點(diǎn)擊 ，選擇標(biāo)準(zhǔn)孔 ，輸入尺寸，如圖 所示。 (a) (b) 圖 排氣搖臂步驟組 (a) (b) (c) (d) 37 (e) (f) 圖 排氣搖臂圖組 （ 2） 按上述步驟完成排氣搖臂軸的建模 其他零件建模 滾輪建模 如圖 所示，過程見 圖中 左側(cè)的步驟。 39 圖 “新建”窗口 圖 選擇“類型” （ 2）點(diǎn)選 “ 類型 ” 選項(xiàng)中的 “ 零件 ” 單選按鈕，點(diǎn)選子類型選項(xiàng)組中的 “ 實(shí)體 ”單選鈕，并在名稱文本框中輸入新建文件的名稱，取消勾選 “ 使用默認(rèn)模板 ” 復(fù)選框，單擊 “ 確定 ” 彈出新文件選項(xiàng)對話框。 圖 驅(qū)動齒輪的軸孔草繪圖 畫出 鍵槽 的草繪圖， 拉伸去材料， 得到圖 所示。單擊 “ 文件 ” 工具欄中的新建工具，彈出 “ 新建 ” 對話框，如圖 所示。 圖 從動齒輪圓柱的草繪圖 43 畫出 軸孔的 草繪圖， 拉伸去材料， 得到圖 所示。 45 圖 從動齒輪輪齒的草繪圖 齒帶的建模 （ 1）運(yùn)行 Pro/E。 畫出 齒帶 的草繪圖， 掃描軌跡， 得到圖 所示。 48 第 4 章 配氣機(jī)構(gòu)的裝配 概述 配氣機(jī)構(gòu)的組成是由氣門組和氣門傳動組組成的 ,在對其進(jìn)行裝配時(shí)的注意事項(xiàng)由以下幾點(diǎn)：首先在安裝凸輪軸時(shí)要注意氣門正時(shí)的位置要按照發(fā)動機(jī)做功 的順序進(jìn)行裝配，其次在對搖臂往搖臂軸上安裝時(shí)注意搖臂在搖臂軸上的位置，盡量避免不必要的誤差產(chǎn)生，最后在安裝氣門時(shí)要注意氣門的角度以適應(yīng)氣門座，達(dá)到良好的密封效果，有些地方?jīng)]進(jìn)行結(jié)合性的組裝，類似于爆炸圖，這樣可以更加直觀的，如有什么不妥之處還請多多提出意見，好加以改進(jìn)。 圖 “ 新建 ” 窗口 圖 選擇“單位類型 ” （ 2）點(diǎn)擊確定后在菜單上面點(diǎn)擊 “ 插入 ” 命令，接著在點(diǎn)擊 “ 元件 ” 命令，彈出“ 裝配 ” ，然后打開自己所保存的零件圖，如圖 所示。 圖 兩者重合 （ 6）在按照搖臂軸上的進(jìn)氣搖臂的位置進(jìn)行尺寸上的約束，即點(diǎn)擊 “ 放置 ” 按鈕，增加 “ 新建約束 ” ，調(diào)整約束類型為 “ 對齊 ” 選擇兩個(gè)零件的平面驚醒約束，再點(diǎn)擊按鈕，選擇 按鈕，修改尺寸，如圖 所示。 圖 加入滾軸 （ 10）接下來再把進(jìn)氣門組裝到進(jìn)氣搖臂上，過程也和上面類似，得到圖 所示。 圖 整體組裝組 (a) 55 圖 整體組裝組 (b) 圖 整體組裝組 (c) 本章小結(jié) 本章主要介紹了 Pro/E 的配氣機(jī)構(gòu)裝配模式及裝配基礎(chǔ)，如何進(jìn)入裝配（組件）模式；如何將元件添加到組件中；如何進(jìn)行裝配等。由于有限元法計(jì)算精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一，有限元的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)。 ANSYS 軟件是國際流行的融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，具有強(qiáng)大處理、求解和后處理功能。它是第一個(gè)通過了 ISO9001 質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)軟件，是美國機(jī)械工程師協(xié)會（ ASME）、美國核安全局 (NQA)及近 20 種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件，在我國， ANSYS 軟件第一個(gè)通過了中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員的認(rèn)證，并在國務(wù)院 17 個(gè)部委推廣使用。 在啟動 ANSYS 后，就可以打開 ANSYS 的圖形用戶界面（ GUI）。 （ 4） ANSYS Toolbar（工具條窗口）允許用戶自定義一些按鈕來執(zhí)行一些 ANSYS命令或者函數(shù)，安裝時(shí) ANSYS 已經(jīng)默認(rèn)定義了一些按鈕執(zhí)行相 應(yīng)的功能。 （ 8） Output Window（輸出窗口）輸出窗口接收 ANSYS 程序運(yùn)行時(shí)所有的文本輸出，比如命令 的響應(yīng)、注釋，警告、錯(cuò)誤以及其他的各種消息。所以，問題的關(guān)鍵是如何把這兩個(gè)軟件結(jié)合起來，將 Pro/E 中生成的模型完整地導(dǎo)入到 ANSYS 中去，進(jìn)而完成所需的有限元分析。 導(dǎo)入方法與對策 將 PRO/ 的模型導(dǎo)入 一般有 2 種方 法。本次設(shè)計(jì)采用的就是這種方法。Computer Aided Manufacturing (CAM) systems (計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) amp。 排氣門的有限元分析 氣門是發(fā)動機(jī)的重要零件之一 ,它既是燃燒室的組成部分 ,又是氣體進(jìn)、出燃燒室的通道 ,工作時(shí)需承受較高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷 ,尤其是排氣門 ,由于經(jīng)常受到高溫燃?xì)獾臎_刷 ,因而易產(chǎn)生漏氣、腐蝕與燒損等現(xiàn)象 ,工作條件也就更為嚴(yán)酷。 ③ 氣門頭部裂紋和碎落 。它的密度為 7900kg/m3 ,柏松比 u 為 0. 3, 彈性模量 E 為 210GPa, 切變模量 G 為 81GPa,室溫下的 σ b = 885Mpa[19]。M = 0. 657kg。通過應(yīng)用凸輪廓線方程得到氣門 M 的位移曲線 ,從而得到 X 的方程式 ,代入動力學(xué)方程式可得到凸輪在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)的幾條載荷曲線 , 由曲線圖 [21]可知 , 當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)速為 n =20xx rad /min時(shí) ,氣門所受到的最大載荷 ,即氣門的落座力為 F = 2636. 8N。 （ 3）單擊 OK 按鈕，完成文件名的修改。 （ 7）從實(shí)用菜單中選擇 Utility Menu:Plot Repot 命令，指定標(biāo)題 static analysis of a gear 將顯示在圖形窗口的左下角。 （ 1）從主菜單中選 Utility MenuPreprocessorElement Type Add/Edit/Delete 命令，將打開 Element Type 對話框，如圖 所示。如圖 所示。 （ 2）依次雙擊 StructuralLinearElasticIsotropic，展開材料屬性的樹形結(jié)構(gòu)，將打開材料的彈性模量 EX 和泊松比 PRXY 的定義的對話框，如圖 所示 。 （ 7）單擊 OK 按鈕，關(guān)閉對話框，并返回到定義材料模型屬性窗口，在此窗口的左邊一欄參考號為 1 的材料屬性下方出現(xiàn)密度選項(xiàng)。 （ 2）