发动机零部件参数化设计方法研究

（河南科技大学车辆与交通工程学院 471003)

0 引言

参数化设计是起源于工业化时代而兴起的概念，现在逐渐延伸到数字化设计里，参数化设计主要应用到建筑领域，近些年也被广泛的使用到发电机零部件及其他精细产品的设计工作中。参数化设计的思想已经贯穿到工业生产的多个方面，在发动机零部件的设计工作中，参数化显示出更加重要的作用，帮助设计出最高效的发动机，节省发动机消耗的燃料。因此就需要对发动机的主要零部件进行分析，得到最适合的设计参数，本文针对发动机零部件的参数化的设计及逆行详细的研究，以求最终得到零部件参数化的最佳方案。

1 参数化设计概述

参数化最早是应用在数学领域的专业术语，后来在20世纪后期被广泛的应用到各个学科中，尤其是建筑学，但随着机械工具的频繁应用在一些方面，参数化也开始被使用到产品的设计领域。参数化设计包括2个方面，分别为参数化图元和参数化修改引擎。参数化设计中的图元的表现形式多数是构件，构件的不同也是因为参数的不同来反映，参数就可以保留所有图元的信息。参数化修改引擎则是对构件的变化与其他关联之间的信息进行修改，这就极大方便了在检测设计过程中需要的各种数据的关系是否科学合理[1]。

2 发动机主要零部件分析

2.1 发动机主要零部件种类

发动机的主要零部件包括气缸体、气缸盖、连杆总成、活塞、活塞环、曲轴、凸轮轴、连杆轴承、发动机主轴承、活塞销、进气门及排气门，其中每一零部件的设计参数都对发动机的整体功能有着重要的影响，其中作为主要功能的气缸的作用更加显著。发动机气缸就是一个把燃料的化学能转化为动能的场所。通俗的讲，就是燃料在汽缸内燃烧，由此产生一系列的压力推动活塞进行上下运动，通过连杆把力再传给曲轴，最终转化为旋转运动，最后通过变速器和传动轴，把动力传递到驱动车轮上，从而推动机械前进运动，这就是发动机工作的原理。因此每一个零部件在运作中都会发挥重要的作用，对它们的设计工作也需要重视。

2.2 发动机零部件的设计参数

发动机零部件的设计参数直接关系到发动机的功能和工作效率，每一个零部件有适合整体结构的参数将会优化整体的发动机效能。发动机零部件的设计参数的得到需要经历复杂的运算过程，发动机的任何零部件的尺寸都应该通过严密的计算来设计出图纸。这些计算方式主要包括压缩余隙的计算，曲轴轴向间隙计算，齿轮系计算，进、排气门间隙分析计算等都是得到相应设计参数的具体方式，帮助最终设计出来的发动机能达到预想标准。

3 发动机零件参数化特征建模方式

发动机零件参数化特征建模方式在实施之前，需要得到完整的发动机零部件设计参数，这样才能更加方便的得到与零部件设计参数相对应的驱动尺寸，才能给驱动参数进行默认赋值，再对驱动尺寸进行适当的修改，保证在最后实现发动机零部件的参数化。设计人员针对发动机零部件的设计图纸建立参数化特征模型时，应该考虑到零部件的形状和尺寸参数进行详细的思考，得到正确的建模方案，分析参数化特征建模的内在联系，最终清楚特征建模的先后顺序及实现特征建模的具体方法。除此之外，设计人员还需要根据发动机零部件的尺寸参数的各种内在关系建立起相关的参数方程式和得到点线面的约束关系，最终以此来建立起必要的参数约束条件，这样才能使参数化的发动机零部件设计工作简单，同时也会满足设计人员对发动机功能的需要。

4 不同方面发动机零部件参数化设计

4.1 在零件关联方面参数的参数化设计

参数联动实现的基础是具备对发动机各个零部件的参数尺寸能够清楚的确认，同时也建立起了零部件的参数化特征的模型，之后就可以通过建立起参数方程式或者电子计算机进行软件编程来对发动机的各个零部件进行参数的约束，最后能实现零部件关联方面参数的参数化设计。零部件的关联关系就是，发动机其中的零部件尺寸将影响其他零部件尺寸的大小。

比如活塞的尺寸参数与活塞环的尺寸参数有密切的关系，同时其中必须是活塞环主动适应活塞的尺寸，这也就是有些发动机零部件的参数值必须随着某些具有默认值的零部件进行改变，实现其零部件之间的关联参数设计。现阶段，零部件关联方面参数的参数化设计的实现方式主要依靠CAD软件来实现。

4.2 在装配约束方面的参数化设计

装配约束方面的参数设计将帮助发动机实现整体装配的工作，通过零部件的装配工作也会发现发动机各个零部件的参数是否合理，同时对零部件之间契合度也要检测。在进行真正的实际装配之前，发动机零部件设计人员可以通过计算机CAD软件对整体零部件进行虚拟的装配工作，软件结果显示成功之后，再进行真实的发动机装配。装配约束方面的参数化设计也存在集中条件，主要的约束条件为面耦合及等距耦合、对齐及等距对齐、插入、同轴及定向，只有全部满足装配约束条件才能进行发动机零部件的装配工作。除此之外，在所有零部件参数尺寸符合要求的基础上，还需要对参数的关系进行详细分析并且得出相应的函数关系，通过计算机对装配的发动机零部件进行比对。设计人员经过对零部件系统分析之后，对存在的问题及时的解决和修改不合理的零部件的参数尺寸，保证在实际操作中不会出现任何问题[2]。

5 对 V型发动机的参数化设计系统进行举例研究

5.1 V型发动机零部件的结构特点分析

V型发动机就是将所有气缸分成两组，把相邻气缸以一定夹角布置在一起，使两组气缸形成有一个夹角的平面，从侧面看气缸成V字形，故称V型发动机。V型发动机中的曲柄连杆机构中具有孔类、槽类、隆起、切割、圆角及扭拉等基准特征，但是如果按照发动机的功能进行对结构特点进行分析就会得到在缸体功能和缸体零部件模型方面存在与其他类型发动机不同的原因。在缸体总功能方面进行分析能够得到其具有动力生成功能、支撑功能及附属功能，在其下面还具有各种分类详细的功能，同时对功能相对应的结构就是气缸体子结构、上曲轴箱子结构及附属子结构，还有在其下面具有各种分类详细的结构。V型发动机零部件设计人员应该对这些结构特点有详细的了解，才能设计出参数合理的发动机。

5.2 如何实现零部件参数化

V型发动机零部件设计人员应该对设计的零部件的形状、尺寸和在整个V型发动机的位置有充分的了解，以便通过压缩余隙的计算，曲轴轴向间隙计算，齿轮系计算，进、排气门间隙分析计算得到相应的参数。设计人员在得到完整的设计参数之后，还需要得到与零部件设计参数相对应的驱动尺寸。设计人员在零部件参数得出的基础上建立起相关的参数方程式和得到点线面的约束关系，这样对建立起发动机零部件的整体组合模型有着十分重要的作用。除此之外，设计人员也要在零部件关联和装配约束方面进行必要的参数化设计工作，只要这样按照严格的顺序对零部件设计实行参数化，最终才能得到高质量的V型发动机。

5.3 自顶向下技术的应用

自顶向下技术应用广泛，主要用于工程机械、高速车体设计。目前也应用在发动机设计工作中，在零部件设计工作中主要分为功能设计、概念设计和详细设计3个步骤。自顶向下技术的实施理念就是希望设计人员首先考虑到V型发动机应该满足的具体功能，根据这种想法进行设计零部件，同时计算出零部件应该选择的参数，之后就需要对零部件的参数进行约束条件的考虑，通过相关的方程式或者几何函数来计算，最终将V型发动机零部件设计图纸进行虚拟装配进行详细分析，得出的不合理的地方进行参数的修改，使得得到高效率的V型发动机。设计人员想要具体应用自顶向下技术，还应该对设计过程有清晰的了解，同时要在每一次发现问题的设计方案中及时的进行修改，保证最终零部件装配形成的V型发动机具有完备的功能。

5.4 V型发动机参数化设计的实现

V型发动机的参数化在实际设计过程中有其简易的方面，就是指通过族表和程序进行零部件的设计工作。族表就是包含一些V型发动机零部件参数的表格，其中主要记录一些已经被设计好的模型的驱动尺寸、参数和特征，这样将极大简化设计人员进行相关的计算参数的工作，节省大量的时间。设计人员在使用族表中的参数数据之前还是需要进行必要的验证，确保装配好的零部件全部满足功能结构的需求。除此之外，程序也是实现V型发动机参数化设计的重要方式，程序能够对尺寸参数、特征或零部件之间关联参数进行修改，防止建立的模型在真正的实践操作中出现问题，程序还具有能够帮助在参数修改之后，生成其他不同的模型，设计人员进行比较进行选择。

6 结束语

发动机零部件参数化设计经过实践证明能够加大其工作效率，节省其使用的各种能源燃料，发动机零部件生产加工商想要保证生产产品的质量，就需要重视提高发动机零部件设计的参数化。发动机类型广泛，其中V型发动机零部件作为重要研究，对V型发动机零部件的结构特点进行分析，采取相关措施实现零部件参数化和实现自顶向下技术的应用，最后保证参数化设计的实现，这一系列实现发动机零部件参数化设计措施也可以应用到其他类型的发电机零部件设计工作中，总之参数化已经越来越广泛的应用到发动机零部件设计里了。

【参考文献】

[1]孟武功,赵萍丽.异形零件的参数化设计[J].汽车零部件,2017(03)：48-51.

[2]汤灏,郭克希,林弟,绕显俊.发动机零部件参数化设计方法研究[J].公路与汽运,2014,(03)：6-9.