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UG CAD/CAE 在产品开发中的应用
江铃汽车股份公司 蔡志武
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摘要：本文介绍了在产品开发中对JX493 发动机改型的应用，使用ＵＧ软件针对JX493 结构改型的问题，对其改型前、改型后的状态进行CAD 建模及UG/Motion 机构运动仿真分析计算，解决了其存在的问题，为改进设计提供理论依据，从而减少了开发费用和开发周期。
关键词：CAD/CAE 机构运动 仿真
前言
随着市场经济的发展，企业竟争愈发激烈，要求企业必须缩短产品的开发周期、降低开发成本、提高产品质量，实现新产品的快速开发。对于企业要实现这一目标，必须改进传统的产品设计方法，谁能掌握计算机应用技术并应用于产品开发、制造，谁就能够掌握市场的主动。目前作为汽车设计中一个重要的环节，CAD／CAE 技术为汽车设计验证、缺陷修改、及减少对于物理实验的依赖起重要作用。
江铃汽车股份公司十分重视CAD／CAE／CAM／PDM 等计算机技术在企业中的应用，也为我们实现企业十三字方针：高品质、多品种、中价位、优质服务，提供了现代化的手段和基础保障。几年来，在全公司已全面普及了二维ＣＡＤ应用，并及时引进了EDS 公司的三维CAD／CAE／CAM 软件系统，应用于公司的新产品开发、制造、工程分析等工作中。计算机应用技术，提高了新产品开发、制造的效率，缩短了新产品的开发周期，改进了产品设计、制造的质量，并使企业形成了一种全新的新产品设计开发理念。
本文介绍针对JX493 发动机改型而影响到结构是否能满足要求，这一实际工程问题所作的CAD 三维建模和CAE 机构运动仿真分析。
1 问题背景
由于某型发动机改型后，引起发动机相关结构的改进。首先在改进配气机构后，发现该发动机凸轮轴在运行中检查到挠动较大，凸轮轴刚度不够。比较几种方案，确定对凸轮轴轴颈整体加粗，增加凸轮轴强度。然而凸轮轴轴颈整体加粗后，导致了曲轴连杆与凸轮轴在运转中结构是否合理，并快速进行结构调整，确定结构调整方案的可行性。在满足结构和强度要求下，在原有条件下修改凸轮轴轴颈结构，进行避让曲轴连杆大头干涉。由于凸轮轴、曲轴连杆的安装位置比较紧凑，修改凸轮轴轴颈结构将需要对其进行机构运动仿真分析。设计部门针对该问题提出了许多方案，利用机构运动仿真分析对于各种方案进行比较评估，时间紧，任务重，十分重要。一旦结构调整确定，不允许有大更改，否则就必须凸轮轴等部件重新开模需数十万元，并需要较长的时间，直接影响产品的开发周期。
2 准备工作
2.1 确立分析思路
明确该型发动机改型后的问题，确定分析问题的关键，关键在于凸轮轴轴颈整体加粗后，导致了曲轴连杆大头与凸轮轴在运转中结构是否合理。一方面在满足强度要求上的结构布置合理，一方面针对凸轮配气机构与曲轴运动机构，必须从静态和动态两方面来考虑其在工作状态下，能否发生干涉，目的是比较几种方案结构布置合理性。
2.2 确立分析模型
本次机构运动仿真分析的重点部位是凸轮配气机构与曲轴运动机构，首先必须建立该机构运动仿真分析的各部件三维CAD 数模，然后确定机构运动的运动件、约束即运动幅等，最后进行机构仿真分析比较，确定不同方案结构布置合理性。
3 CAD 模型的建立
本次机构运动仿真分析以某型车发动机改型为例，重点针对凸轮配气机构、曲轴运动机构进行仿真分析，重点将建立其凸轮配气机构及曲轴运动机构三维ＣＡＤ数学模型，并针对曲轴运动机构和凸轮配气机构的部分关心的部件做细致的仿真分析。由于公司具有各部件的二维图样，然后每个部件根据二维图进行三维CAD 实体建模并装配。具体三维CAD 模型 （见图1）。

（图片）

图1 凸轮配气机构、曲轴运动机构

4 构运动仿真分析的建立及实现
4.1 凸轮配气机构及曲轴运动机构之间的运动仿真分析的杆系建立在ＵＧ／Ｍotion 模块应用中,首先确定运动杆件,在凸轮配气机构中将摇臂、顶杆等转换为齿轮、齿条等作为杆系件，下面为典型的凸轮机构。曲轴运动机构中将曲轴、连杆、活塞等部件作为杆系件。这样将整个凸轮配气机构和曲轴运动机构的杆系件建立。（见图2）。
4.2 杆系间的运动副
在UG/Motion 中，在确定了杆系件后，将确定杆系件之间的约束即运动副，对于JOINTS（运动副）有以下几种：

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具体来说，凸轮配气机构和曲轴运动机构的运动幅均在上面加载有（图2）。
4.3 机构的运动仿真分析

（图片） （图片）

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图 2 机构的杆系件及运动幅

5 机构运动仿真分析方案比较
本分析主要关心凸轮轴的轴颈变粗对周围结构的影响（即曲轴连杆的大头），为了排除其他因素（如：活塞、曲轴、齿轮、顶杆、摇臂等）的干扰，所以在运动仿真的图面上去除了干扰因素。在上面的情况下，比较几种方案得到了结构的比较结果。
方案一 凸轮轴的轴颈均匀加粗（确保凸轮轴在工作中的强度）
方案二 凸轮轴的轴颈加粗后按不同运动状态进行局部切除（先确保凸轮轴的强度，后确保其在运动工作状态下轴颈与连杆大头不干涉）
下面是机构运动在一个工作循环的五种状态情况：（A、B、C、D、E ）

（图片）

（图片）

6 结论
通过前面的机构运动仿真分析，可以看出：
(1) 先满足强度要求，结构上凸轮轴的改进对相关的部件有不同程度的影响，主要在结构上对曲轴连杆机构中的连杆影响最大。
(2) 从机构运动仿真的角度分析，凸轮轴的不同改型对曲轴连杆机构中的连杆大头运动中是否干涉，它影响到整个产品生命。
从本质上讲，通过从强度、刚度的分析对配气机构中凸轮轴改进将对结构造成影响，比较二种方案之间的不同，针对客观情况，得出如下结论：通过分析和比较，不能简单均匀加粗凸轮轴轴颈，但可以通过加粗凸轮轴轴颈和改变结构按不同相位进行局部切除，一方面以达到强度、刚度要求，一方面使配气机构的凸轮轴和曲轴连杆机构在工作中不发生干涉，来解决产品改型所引出的工程问题。
参考文献
1 姚建国等编 《制造业信息化工程的关键技术及应用》 机械工业出版社 ‘2001 UGS 中国用户论文集
2 姚建国等编 《CAD/CAM/CAE/PDM 技术开发与创新》 东南大学出版社 ‘2000 UGS 中国用户论文集 5/13/2005

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