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基于ProE的路宝车发动机配气机构的三维建模设计【带PROE三维】【4张CAD图纸】【优秀】

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关键词：: 基于 proe 路宝车发动机配气机构三维建模设计 cad图纸 PROE三维

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基于ProE的路宝车发动机配气机构的三维建模设计

83页 19000字数+说明书+任务书+开题报告+PROE三维图纸+4张CAD图纸【详情如下】

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凸轮轴.jpg

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摘要

　　　本文介绍了基于Pro/E的微型乘用车发动机配气机构的建模与ANSYS进行有限元分析的相关知识。综述了国内外目前微型乘用车发动机配气机构的装配与分析的发展趋势。通过对发动机配气机构的使用性能、工作条件、结构、技术要求的了解，利用Pro/E绘出配气机构的三维图，并进行发动机配气机构的模拟装配，在有限元分析过程中，应用到了当今流行ANSYS有限元分析软件，通过Pro/E的三维建模，将此模型导入到ANSYS软件中进行分析，近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，对于工程实际具有重要的应用价值。基于以上的说明，我们可以知道本设计从理论上可以提高制造效率，节省劳动力，节约生产资源，加快了解汽车企业生产工艺设计、制造及应用的过程，Pro/E与ANSYS的紧密结合，比传统AutoCAD设计更能够缩短开发周期，提高生产制造水平。

关键词：配气机构；Pro/E；建模；ANSYS；有限元分析

ABSTRACT

　　　This paper introduced the relevant knowledge of miniature car valve train of engine based on Pro/E and the analysing of miniature car valve train of engine based on ANSYS.It summaried of the current miniature car valve train of engine manufacturing technology and development trend.Through the understanding of the using performance, working conditions, structure, the technical requirements, the author drew graphic model of the valve train with Pro/E and assembled of the valve train of engine.In the process of finite element analysis,it applied ANSYS that popular software of finite element analysis.Through the Pro/E three-dimensional modeling,it inport this model into the ANSYS software to analyze.In recent years, with the popularization of computer technology and the continuous improvement of computing speed ,finite element analysis in engineering design and analysis has been more and more attentioned,it has became an effective way that solving complex computing problem of engineering analysis,it has an importan actual application value in the project.Based on the above description,we can know that the design can improve manufacturing efficiency,save labor and productive resources in theory,it can speed up the production process of automobile enterprises and the process of manufacture,the Pro/E can combinate with the ANSYS to shorting the traditional development cycle than AutoCAD design and increases the production level.

Key words：valve train；Pro/E；Three-Dimensional Map；ANSYS；Finite Element Analysis

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1 选题背景1

1.2 国内外发动机配气机构的发展趋势1

1.2.1 国内外发动机配气机构的发展趋势1

1.3 Pro/E及ANSYS的简介2

1.3.1 Pro/E的现状及功能特点2

1.3.2 ANSYS的现状及功能特点3

1.4 课题研究的主要内容3

1.5 课题研究的主要方法4

第2章气门组零件的建模5

2.1 概述5

2.2 气门的建模5

2.2.1 进气门的建模5

2.2.2 排气门的建模8

2.3其他零件的建模10

2.4本章小结19

第3章气门传动组零件的建模20

3.1 概述20

3.2 气门传动组设计中需注意的问题20

3.3 凸轮轴的建模20

3.4 摇臂的建模25

3.4.1 进气摇臂的建模25

3.4.2 排气摇臂的建模30

3.5 摇臂轴的建模32

3.5.1 进气摇臂轴的建模32

3.5.2 排气摇臂轴的建模36

3.6 其他零件的建模37

3.7 本章小结47

第4章配气机构的装配48

4.1 概述48

4.2 装配过程48

4.3 本章小结55

第5章气门的有限元分析56

5.1 概述56

5.2 ANSYS与Pro/E57

5.3 排气门的有限元分析60

5.3.1设置参数61

5.3.2 施加载荷和约束条件67

5.3.3查看结果71

5.4 本章小结74

结论75

参考文献76

致谢78

1.1 选题背景

　　　我国从二十世纪八十年代初引进微型车，20余年经历了三代产品，目前，已经形成以五大生产基地为主体的年产54.6万辆能力的微型车行业，基本上具备了迎接国际挑战的能力。微型车在我国占有很大的市场。据统计，2006年我国汽车保有量为3880万辆，微型车的比重已增加到31.65％，已达1228万辆[1]。在我国汽车发展史上，微型车近20年的历程走出了具有自己鲜明特色的发展道路。微型车已经稳稳地成为中国汽车市场中的主力车型。Pro/E是目前最先进的计算机辅助设计、制造和分析的软件，广泛应用于机械、电子、建筑、汽车等领域，利用Pro/E可以轻松地完成大多数的机械类设计、制造和分析任务。发动机是汽车结构中最重要的部分，如果说发动机是汽车的心脏，那么配气机构就是它的心房。配气机构作为发动机两大机构的重要部件之一，它的平稳性是保证配气机构正常工作的关键，它的功用是根据每一气缸内进行的工作循环顺序，定时的开启和关闭各缸的进、排气门，以保证新鲜的可燃混合气得以及时进入气缸并把燃烧后的废气及时排除气缸。最大限度的降低有害气体的排放量。

　　　通过运用Pro/E进行发动机配气机构的三维建模、及基于ANSYS有限元分析。虚拟技术在系统动力学仿真中的成功应用，这些不仅可以提高仿真精度，而且可以缩短产品设计周期，对于工程实际具有重要的应用价值。从而达到对配气机构的装配工艺进一步更深了解；这样可以从本质上提高制造效率，节省劳动力，节约生产资源；加快了解汽车企业生产工艺设计、制造及应用的过程，该毕业设计可以加强国内外流行三维Pro/E软件以及ANSYS软件的使用与掌握。目前在发达国家的汽车行业中，Pro/E软件以及ANSYS软件的应用已得到普遍应用，并取得了巨大的经济效益，新的轿车产品的开发周期已缩短至2年。Pro/E的三维建模与ANSYS的有限元分析紧密结合，比传统AutoCAD设计更能够缩短开发周期，这们也可以提高生产制造水平。

1.2 国内外发动机配气机构的发展趋势

1.2.1 国内外发动机配气机构的发展趋势

　　配气机构是发动机的主要组成部分，它的平稳性是保证配气机构正常工作的关键，因此研究配气机构动力学具有十分重要意义。发动机配气机构是一个弹性系统，工作时的弹性变形引起机构弹性振动，严重时机构无法正常工作。目前除试验方法观察机构动态性能和研究机构动力学之外，运用力学方法建立配气机构的力学模型，用计算机进行动态模拟研究已显示出非常突出的优越性。

　　　随着发动机高效率、高速化的发展，人们对其性能指标的要求更高，这给配气机构的设计以及制造工艺增加了难度。目前，广泛采用的是气门、凸轮式配气机构，它具有保证气缸密封性的优点。配气机构系统研究内容主要有两方面：一方面是零部件的设计，包括凸轮型线、气门摇臂机构的设计，气门弹簧及气门等零部件的设计；另一方面是机构的动力学问题，而对于机构动力性能的研究，又主要集中在气门的运动规律上。国外对配气机构的振动模型、摩擦及配气相位和可变气门正时等的研究有一些报道。国内也在致力于研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等问题1.4 课题研究的主要内容

　　　1．设计的主要内容

　　　（1）通过给定的二维图形结合着Pro/E软件转化为三维图形。

　　　（2）再建立起配气机构各个零部件的三维实体模型。

　　　（3）在零部件的实体模型的基础上,定义各个零部件之间的装配配合关系。

　　　（4）最后把每个部件都结合到一起进行模拟装配，从而建立起该装配体的实体模型。

　　　（5）选取排气门并导入ANSYS软件中对其受载和约束情况进行有限元分析，对气门承受的强度进行计算校核。

1.5 课题研究的主要方法

　　　收集有关微型乘用车发动机配气机构的相关资料。对配气机构的零部件进行建模，以气门组的气门为研究对象，在Pro/E参数化建模的基础上，将其三维模型导入ANSYS软件进行气门的有限元分析。第2章气门组的建模

2.1 概述

　　　1.配气机构的功用

　　　配气机构的功用是按照发动机每一缸的工作顺序和工作循环的要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，是新鲜的气体进入气缸，废气从气缸排出。所谓新鲜气体，对于汽油机就是汽油与空气的混合气，对于柴油机则为纯净的空气。配气机构应使发动机在各种工况下工作是厚的最佳的进气量，以保证发动机在各种工况下工作时具有最佳的性能。

　　　2.配气机构的组成

　　　气门式配气机构由气门组和气门传动组两部分组成，每组的零件组成则与气门的位置、凸轮轴的位置和气门驱动形式等有关。本次设计的配气机构是凸轮轴上置式，由凸轮轴直接驱动摇臂，摇臂在驱动气门，这种方式是配气机构的刚度大，驱动气门的能量损失小[4]。

2.2 气门的建模

2.2.1 进气门的建模

　　　1.创建新文件夹的步骤

　　　（1）运行Pro/E。单击“文件”工具栏中的新建工具，弹出“新建”对话框，如图2.1所示。

参考文献

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[27]张金柱，韩玉敏，石美玉主编.汽车工程专业英语[M].北京：化学工业出版社[M]，2005.5

内容简介：: SY-025-BY-3毕业设计（论文）任务书学生姓名刘一麟院系汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程指导教师姓名张德生职称副教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称基于Pro/E的路宝车发动机配气机构的三维建模设计1、设计（论文）目的、意义微型汽车在我国有很大市场，从0.9L到1.6L，价格适合我国国情，适合正在发展的中国现况。汽车配气机构作为发动机两大机构的重要部件之一，它的装配质量和效率直接关系到发动机本身乃至整车性能的发挥和控制的质量，也直接影响着它的动力性和经济性。配气机构的功用是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜充量得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出；在压缩与膨胀行程中，保证燃烧室的密封。新鲜充量对于汽油机而言是汽油和空气的混合气。以我国哈飞公司生产的“路宝”乘用车为例：如今微型乘用车汽车占汽车保有量的1/3，哈飞每年生产近20万轻型乘用车，对其安装的465式发动机进行采用SOHC间接驱动气门的配气机构，对于小排量的乘用车而言，其优点就在于结构简单，维修便捷，经济适用。产品的装配是产品生命周期的重要环节，面对顾客的需求日益多样化的市场现状，以手工装配为主的传统装配方法逐步暴露出其缺陷：1.零件全部加工完成后才可进行装配；2.不能体现并行设计的思想。针对这些问题，致力于产品的模拟装配技术的研究。需要的应用价值。虚拟装配作为虚拟制造实施的核心技术之一，通过运用Pro/E进行配气机构的模拟装配设计，从而达到对配气机构的装配工艺进一步加深了解；这样可以从本质上提高制造效率，节省劳动力，节约生产资源；加快了解汽车企业生产工艺加工、制造及应用的工程，还可以加强对三维制图软件的使用与掌握。2、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）收集有关国内外微型及普及型配气机构工艺相关资料，通过对变速器操纵机构工作条件的了解，提出配气机构的装配工艺方案，符合装配工艺设计方法规定，提出问题，提出自己的观点，解决问题，再Pro/E参数化建模的基础上，进行装配建模虚拟装配过程，从而实现汽车配气机构的动态装配。其主要人任务是用可视化手段研究和解决产品的可装配性问题。从设计方法、结构原理、材料及应用等方面分析微型车配气机构装配技术，提出自己的设计思想及加工方法。技术要求： 1.用三维软件Pro/E建立汽车配气机构零部件的三维几何模型和装配模型； 2.在Pro/E的环境中，首先建立起配气机构各个零部件的三维模型，再在零部件的实体模型的基础上，定义各个零部件之间的装配配合关系，从而建立起该装配体模型；3.图纸和说明书要符合规范、标准化、清晰；4.选取典型零件进行静力学有限元分析。三、进度安排（1）调研、资料收集、完成开题报告第1、2周（ 2月28 日 3月13 日）(2) 根据给出的相关尺寸参数进行建模与分析第 3、4、5周（ 3月 14日 4月3 日）(3) 绘制PRO/E零件图第6、7、8周（ 4月4 日 4月24 日）（4）绘制PRO/E总装配图，按序列。及选取典型元件做静力学分析第9、10、11周（ 4月25 日 5 月13 日）（5）设计1.5万字说明书一份，零件图一套（PRO/E零件图）第12、13、14周（ 5月14 日 6月 5日）（6）毕业设计审核、修改第15、16周（6 月6 日6 月21 日）（7）毕业设计答辩准备及答辩第17周（6 月21 日 6月27 日）四、参考文献1. 周尔民基于Pro/E的汽车配气机构虚拟装配仿真技术J。北京：汽车工程，2007，62. 王明武.FD配气凸轮的研究与应用J。汽车科技.2010，33. 夏金良发动机配气机构设计研究D。哈尔滨工程大学，2006，84. 冯樱.基于Pro/E的汽车配气机构装配及运动仿真的动画实现J。机械工程师，2007.35. 富成科.机械制造基础M。人民交通出版社，1999.16. 沈宜慧.机械工程材料M。人民交通出版社，1998.17. 徐瀚.机械设计手册M。机械工业出版社，2002.88. 成大先.机械设计手册。化学工业出版社，2002.119. 张德永.Pro/E数控加工（基础篇）。清华大学出版社，2005.1010.王宝玺.汽车拖拉机制造工艺学M。机械工业出版社，2002.1011.熊志旺.SEAT发动机曲轴的结构及工艺性能分析研究D。南京理工大学，200412.岳陆游，胡天策，储亚峰.基于Pro/E三维夹具设计研究J。机械工程师，2006.0313.刘力.机械制图M。高等教育出版社，200414.周静卿.机械制图与计算机绘图M。机械工业出版社，199815.王章全.三维制图百例M。清华大学出版社，2004五、备注指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日SY-025-BY-3毕业设计（论文）开题报告学生姓名刘一麟院系汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程指导教师姓名张德生职称副教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称基于Pro/E的路宝车发动机配气机构的三维建模设计1、设计（论文）目的、意义微型汽车在我国有很大市场，从0.9L到1.6L，价格适合我国国情，适合正在发展的中国现况。汽车配气机构作为发动机两大机构的重要部件之一，它的装配质量和效率直接关系到发动机本身乃至整车性能的发挥和控制的质量，也直接影响着它的动力性和经济性。配气机构的功用是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜充量得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出；在压缩与膨胀行程中，保证燃烧室的密封。新鲜充量对于汽油机而言是汽油和空气的混合气。以我国哈飞公司生产的“路宝”乘用车为例：如今微型乘用车汽车占汽车保有量的1/3，哈飞每年生产近20万轻型乘用车，对其安装的465式发动机进行采用SOHC间接驱动气门的配气机构，对于小排量的乘用车而言，其优点就在于结构简单，维修便捷，经济适用。产品的装配是产品生命周期的重要环节，面对顾客的需求日益多样化的市场现状，以手工装配为主的传统装配方法逐步暴露出其缺陷：1.零件全部加工完成后才可进行装配；2.不能体现并行设计的思想。针对这些问题，致力于产品的模拟装配技术的研究。需要的应用价值。虚拟装配作为虚拟制造实施的核心技术之一，通过运用Pro/E进行配气机构的模拟装配设计，从而达到对配气机构的装配工艺进一步加深了解；这样可以从本质上提高制造效率，节省劳动力，节约生产资源；加快了解汽车企业生产工艺加工、制造及应用的工程，还可以加强对三维制图软件的使用与掌握。2、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）收集有关国内外微型及普及型配气机构工艺相关资料，通过对变速器操纵机构工作条件的了解，提出配气机构的装配工艺方案，符合装配工艺设计方法规定，提出问题，提出自己的观点，解决问题，再Pro/E参数化建模的基础上，进行装配建模虚拟装配过程，从而实现汽车配气机构的动态装配。其主要人任务是用可视化手段研究和解决产品的可装配性问题。从设计方法、结构原理、材料及应用等方面分析微型车配气机构装配技术，提出自己的设计思想及加工方法。技术要求： 1.用三维软件Pro/E建立汽车配气机构零部件的三维几何模型和装配模型； 2.在Pro/E的环境中，首先建立起配气机构各个零部件的三维模型，再在零部件的实体模型的基础上，定义各个零部件之间的装配配合关系，从而建立起该装配体模型；3.图纸和说明书要符合规范、标准化、清晰；4.选取典型零件进行静力学有限元分析。三、技术路线（研究方法）典型零件静力学分析绘制模拟装配三维视图驱动组（凸轮轴）、气门组（气门、气门弹簧、摇臂）装配程序确认零件结构确认收集资料，进行可行性分析完成课题研究绘制零件图确定总体设计方案完成开题报告四、进度安排（1）调研、资料收集、完成开题报告第1、2周（ 2月28 日 3月13 日）(2) 根据给出的相关尺寸参数进行建模与分析第 3、4、5周（ 3月 14日 4月3 日）(3) 绘制PRO/E零件图第6、7、8周（ 4月4 日 4月24 日）（4）绘制PRO/E总装配图，按序列。及选取典型元件做静力学分析第9、10、11周（ 4月25 日 5 月13 日）（5）设计1.5万字说明书一份，零件图一套（PRO/E零件图）第12、13、14周（ 5月14 日 6月 5日）（6）毕业设计审核、修改第15、16周（6 月6 日6 月21 日）（7）毕业设计答辩准备及答辩第17周（6 月21 日 6月27 日）5、参考文献1. 周尔民基于Pro/E的汽车配气机构虚拟装配仿真技术J。北京：汽车工程，2007，62. 王明武.FD配气凸轮的研究与应用J。汽车科技.2010，33. 夏金良发动机配气机构设计研究D。哈尔滨工程大学，2006，84. 冯樱.基于Pro/E的汽车配气机构装配及运动仿真的动画实现J。机械工程师，2007.35. 富成科.机械制造基础M。人民交通出版社，1999.16. 沈宜慧.机械工程材料M。人民交通出版社，1998.17. 徐瀚.机械设计手册M。机械工业出版社，2002.88. 成大先.机械设计手册。化学工业出版社，2002.119. 张德永.Pro/E数控加工（基础篇）。清华大学出版社，2005.1010.王宝玺.汽车拖拉机制造工艺学M。机械工业出版社，2002.1011.熊志旺.SEAT发动机曲轴的结构及工艺性能分析研究D。南京理工大学，200412.岳陆游，胡天策，储亚峰.基于Pro/E三维夹具设计研究J。机械工程师，2006.0313.刘力.机械制图M。高等教育出版社，200414.周静卿.机械制图与计算机绘图M。机械工业出版社，199815.王章全.三维制图百例M。清华大学出版社，2004六、备注七、指导教师意见：签字：年月日黑龙江工程学院本科生毕业设计本科学生毕业设计基于Pro/E的路宝车发动机配气机构的三维建模设计系部名称：汽车与交通工程学院专业班级：车辆工程07-8 学生姓名：指导教师：职称：黑龙江工程学院二一一年六月摘要本文介绍了基于Pro/E的微型乘用车发动机配气机构的建模与ANSYS进行有限元分析的相关知识。综述了国内外目前微型乘用车发动机配气机构的装配与分析的发展趋势。通过对发动机配气机构的使用性能、工作条件、结构、技术要求的了解，利用Pro/E绘出配气机构的三维图，并进行发动机配气机构的模拟装配，在有限元分析过程中，应用到了当今流行ANSYS有限元分析软件，通过Pro/E的三维建模，将此模型导入到ANSYS软件中进行分析，近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，对于工程实际具有重要的应用价值。基于以上的说明，我们可以知道本设计从理论上可以提高制造效率，节省劳动力，节约生产资源，加快了解汽车企业生产工艺设计、制造及应用的过程，Pro/E与ANSYS的紧密结合，比传统AutoCAD设计更能够缩短开发周期，提高生产制造水平。关键词：配气机构；Pro/E；建模；ANSYS；有限元分析ABSTRACTThis paper introduced the relevant knowledge of miniature car valve train of engine based on Pro/E and the analysing of miniature car valve train of engine based on ANSYS.It summaried of the current miniature car valve train of engine manufacturing technology and development trend.Through the understanding of the using performance, working conditions, structure, the technical requirements, the author drew graphic model of the valve train with Pro/E and assembled of the valve train of engine.In the process of finite element analysis,it applied ANSYS that popular software of finite element analysis.Through the Pro/E three-dimensional modeling,it inport this model into the ANSYS software to analyze.In recent years, with the popularization of computer technology and the continuous improvement of computing speed ,finite element analysis in engineering design and analysis has been more and more attentioned,it has became an effective way that solving complex computing problem of engineering analysis,it has an importan actual application value in the project.Based on the above description,we can know that the design can improve manufacturing efficiency,save labor and productive resources in theory,it can speed up the production process of automobile enterprises and the process of manufacture,the Pro/E can combinate with the ANSYS to shorting the traditional development cycle than AutoCAD design and increases the production level.Key words：valve train；Pro/E；Three-Dimensional Map；ANSYS；Finite Element Analysis黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要IABSTRACTII第1章绪论11.1 选题背景11.2 国内外发动机配气机构的发展趋势11.2.1 国内外发动机配气机构的发展趋势11.3 Pro/E及ANSYS的简介21.3.1 Pro/E的现状及功能特点21.3.2 ANSYS的现状及功能特点31.4 课题研究的主要内容31.5 课题研究的主要方法4第2章气门组零件的建模52.1 概述52.2 气门的建模52.2.1 进气门的建模52.2.2 排气门的建模82.3其他零件的建模102.4本章小结19第3章气门传动组零件的建模203.1 概述203.2 气门传动组设计中需注意的问题203.3 凸轮轴的建模203.4 摇臂的建模253.4.1 进气摇臂的建模253.4.2 排气摇臂的建模303.5 摇臂轴的建模323.5.1 进气摇臂轴的建模323.5.2 排气摇臂轴的建模363.6 其他零件的建模373.7 本章小结47第4章配气机构的装配484.1 概述484.2 装配过程484.3 本章小结55第5章气门的有限元分析565.1 概述565.2 ANSYS与Pro/E575.3 排气门的有限元分析605.3.1设置参数615.3.2 施加载荷和约束条件675.3.3查看结果715.4 本章小结74结论75参考文献76致谢78第1章绪论1.1 选题背景我国从二十世纪八十年代初引进微型车，20余年经历了三代产品，目前，已经形成以五大生产基地为主体的年产54.6万辆能力的微型车行业，基本上具备了迎接国际挑战的能力。微型车在我国占有很大的市场。据统计，2006年我国汽车保有量为3880万辆，微型车的比重已增加到31.65，已达1228万辆1。在我国汽车发展史上，微型车近20年的历程走出了具有自己鲜明特色的发展道路。微型车已经稳稳地成为中国汽车市场中的主力车型。Pro/E是目前最先进的计算机辅助设计、制造和分析的软件，广泛应用于机械、电子、建筑、汽车等领域，利用Pro/E可以轻松地完成大多数的机械类设计、制造和分析任务。发动机是汽车结构中最重要的部分，如果说发动机是汽车的心脏，那么配气机构就是它的心房。配气机构作为发动机两大机构的重要部件之一，它的平稳性是保证配气机构正常工作的关键，它的功用是根据每一气缸内进行的工作循环顺序，定时的开启和关闭各缸的进、排气门，以保证新鲜的可燃混合气得以及时进入气缸并把燃烧后的废气及时排除气缸。最大限度的降低有害气体的排放量。通过运用Pro/E进行发动机配气机构的三维建模、及基于ANSYS有限元分析。虚拟技术在系统动力学仿真中的成功应用，这些不仅可以提高仿真精度，而且可以缩短产品设计周期，对于工程实际具有重要的应用价值。从而达到对配气机构的装配工艺进一步更深了解；这样可以从本质上提高制造效率，节省劳动力，节约生产资源；加快了解汽车企业生产工艺设计、制造及应用的过程，该毕业设计可以加强国内外流行三维Pro/E软件以及ANSYS软件的使用与掌握。目前在发达国家的汽车行业中，Pro/E软件以及ANSYS软件的应用已得到普遍应用，并取得了巨大的经济效益，新的轿车产品的开发周期已缩短至2年。Pro/E的三维建模与ANSYS的有限元分析紧密结合，比传统AutoCAD设计更能够缩短开发周期，这们也可以提高生产制造水平。1.2 国内外发动机配气机构的发展趋势1.2.1 国内外发动机配气机构的发展趋势配气机构是发动机的主要组成部分，它的平稳性是保证配气机构正常工作的关键，因此研究配气机构动力学具有十分重要意义。发动机配气机构是一个弹性系统，工作时的弹性变形引起机构弹性振动，严重时机构无法正常工作。目前除试验方法观察机构动态性能和研究机构动力学之外，运用力学方法建立配气机构的力学模型，用计算机进行动态模拟研究已显示出非常突出的优越性。随着发动机高效率、高速化的发展，人们对其性能指标的要求更高，这给配气机构的设计以及制造工艺增加了难度。目前，广泛采用的是气门、凸轮式配气机构，它具有保证气缸密封性的优点。配气机构系统研究内容主要有两方面：一方面是零部件的设计，包括凸轮型线、气门摇臂机构的设计，气门弹簧及气门等零部件的设计；另一方面是机构的动力学问题，而对于机构动力性能的研究，又主要集中在气门的运动规律上。国外对配气机构的振动模型、摩擦及配气相位和可变气门正时等的研究有一些报道。国内也在致力于研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等问题主要有：一是设计了许多性能优良的凸轮型线；二是配气机构由性设计发展为弹性设计；三是由孤立研究凸轮设计发展到配气机构系统设计。内燃机配气凸轮的研究已经涉及到配气机构性能的各个方面，包括型线、挺柱的运动规律、气门振动模型、挺柱与凸轮的接触应力、摩擦应力等。在研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等方面，国内外都有很大的发展。1.3 Pro/E及ANSYS的简介1.3.1 Pro/E的现状及功能特点Pro/Engineer是由美国PTC（Parametric Technology Corporation）公司开发研制的三维数字化设计、分析及制造软件。目前，全球有超过四万家公司的五百多万名工程师和设计师在使用Pro/E2。它建立在极大的性能优势之上，把创造性的新技术带到了每一位工程师和设计师的手中。它集零件设计、大型组件设计、运动分析、造型设计、数据库管理等功能于一体，具有参数化设计，特征驱动，单一数据库等特点，大大加快了产品的开发速度，这些技术超越了纯粹的参数化系统和那些已经过时的所谓混合建模系统。Pro/E是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活，Pro/E功能如下：（1）特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）。（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）。（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/Program的各种能用零件设计的程序化方法等）。（5）贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。其它辅助模块将进一步提高扩展Pro/E的基本功能。1.3.2 ANSYS的现状及功能特点ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。到80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP等。以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它从1971年的2.0版本与今天的5.7版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。ANSYS作为有限元分析的主流软件，在工程中的应用日益成熟和广泛。多数使用者认为对于复杂的几何模型在 ANSYS中直接建模不仅操作不便而且时间长。因此，提供了同大多数软件的接口如（CATIA，PROE，UG），并可将模型通过IGES，SAT 等图形数据格式导入，以减少建模的周期，提供建模效率。但在外部数据导入的同时，由于数据的兼容性等问题，有时并不是很理想，容易造成以下问题：（1）对细微结构的忽略，而这却是分析局部应力及应力集中的关键部位。（2）对于装配件导入后，各零件间位置关系并不能符合要求，容易造成分属不同零件的点线的合并而改变各零件装配关系。（3）在三维CAD软件产品中建立的三维参数化模型导入后很难保持参数化的特征，给有限元优化设计带来困难3。（4）模型的建立只是有限元分析的一个步骤，还必须考虑单元划分，加载和后处理等系列问题导入的模型由于各实体元素的编号不能控制，给后继问题的处理带来很大不便。1.4 课题研究的主要内容1设计的主要内容（1）通过给定的二维图形结合着Pro/E软件转化为三维图形。（2）再建立起配气机构各个零部件的三维实体模型。（3）在零部件的实体模型的基础上,定义各个零部件之间的装配配合关系。（4）最后把每个部件都结合到一起进行模拟装配，从而建立起该装配体的实体模型。（5）选取排气门并导入ANSYS软件中对其受载和约束情况进行有限元分析，对气门承受的强度进行计算校核。1.5 课题研究的主要方法收集有关微型乘用车发动机配气机构的相关资料。对配气机构的零部件进行建模，以气门组的气门为研究对象，在Pro/E参数化建模的基础上，将其三维模型导入ANSYS软件进行气门的有限元分析。第2章气门组的建模2.1 概述1.配气机构的功用配气机构的功用是按照发动机每一缸的工作顺序和工作循环的要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，是新鲜的气体进入气缸，废气从气缸排出。所谓新鲜气体，对于汽油机就是汽油与空气的混合气，对于柴油机则为纯净的空气。配气机构应使发动机在各种工况下工作是厚的最佳的进气量，以保证发动机在各种工况下工作时具有最佳的性能。2.配气机构的组成气门式配气机构由气门组和气门传动组两部分组成，每组的零件组成则与气门的位置、凸轮轴的位置和气门驱动形式等有关。本次设计的配气机构是凸轮轴上置式，由凸轮轴直接驱动摇臂，摇臂在驱动气门，这种方式是配气机构的刚度大，驱动气门的能量损失小4。2.2 气门的建模2.2.1 进气门的建模1.创建新文件夹的步骤（1）运行Pro/E。单击“文件”工具栏中的新建工具，弹出“新建”对话框，如图2.1所示。图2.1 “新建”窗口图2.2 选择“单位类型”（2）点选“类型”选项中的“零件”单选按钮，点选子类型选项组中的“实体”单选钮，并在名称文本框中输入新建文件的名称，取消勾选“使用默认模板”复选框，单击“确定”弹出新文件选项对话框。（3）选择“mmns_part_solid”模板，表示零件模型为实体，单击“确定”完成，如图2.2所示。2.创建进气门的草绘图形（1）点击确定，进入草绘属性界面，如图2.3所示。图2.3 “草绘属性”窗口（2）根据已给的PDF文件，绘制进气门的草绘图，绘图时注意要选取旋转轴，否则不能生成三维模型，如图2.4所示。图2.4 “草绘”窗口（3）绘制完草图后点击右下角的图标，并对其进行旋转，点击工具栏里的图标，如图2.5所示。图2.5 “三维图”窗口3.完成进气门的实体特征（1）在点击图2.5的右下角图标，完成三维图形，如图2.6所示。图2.6进气门三维图1（2）在对进气门进行倒角，点击右侧工具栏里的图标，输入倒角的数值0.3，如图2.7所示。图2.7进气门三维图2（3）最后画出了进气门的三维视图，对其进行保存，如图2.8所示。图2.8进气门三维图32.2.2 排气门的建模1.创建新文件夹的步骤（1）运行Pro/E。单击“文件”工具栏中的新建工具，弹出“新建”对话框，如图2.9所示。图2.9 “新建”窗口图2.10选择“单位类型”（2）点选“类型”选项中的“零件”单选按钮，点选子类型选项组中的“实体”单选钮，并在名称文本框中输入新建文件的名称，取消勾选“使用默认模板”复选框，单击“确定”弹出新文件选项对话框。（3）选择“mmns_part_solid”模板，表示零件模型为实体，单击“确定”完成，如图2.10所示。2.排气门实体的创建过程（1）整体的建模过程与进气门的建模过程类似，大致有以下几步，首先绘制排气门的草绘图，如图2.11所示。图2.11 “草绘”窗口（2）其次在点击右侧的图标，在点击工具栏里的图标，如图2.12所示。图2.12草绘旋转（3）完成了旋转，点击图标，在点击图标进行倒角，如图2.13.所示。图2.13排气门三维图2.3其他零件建模 2.3.1垫圈的建模画图的过程比较简单，在这就不做仔细的描述，画完的图形如图2.14所示。图2.14垫圈2.3.2气门导管的建模先画出草绘图，在对其进行旋转，得到图2.15所示。图2.15气门导管 2.3.3调整螺钉的建模 1.创建新文件夹的步骤（1）运行Pro/E。单击“文件”工具栏中的新建工具，弹出“新建”对话框，如图2.16所示。图2.16“新建”窗口图2.17选择“单位类型”（2）点选“类型”选项中的“零件”单选按钮，点选子类型选项组中的“实体”单选钮，并在名称文本框中输入新建文件的名称，取消勾选“使用默认模板”复选框，单击“确定”弹出新文件选项对话框。（3）选择“mmns_part_solid”模板，表示零件模型为实体，单击“确定”完成，如图2.17所示。2.画出调整螺钉的草图并进行拉伸画出圆柱的草绘图，得到图2.18所示。图2.18拉伸3.对调整螺钉进行螺纹扫描（1）在对其进行螺纹扫描，在主菜单上依次单击“插入”“螺旋扫描”“切口”命令，系统弹出“属性”菜单管理器，如图2.19（a）（b）所示。 (a) (b)图2.19螺旋扫描（2）在“属性”菜单管理器中依次单击“常数”“穿过轴” “右手定则” “完成”命令，系统弹出“设置草绘平面”菜单管理器，如图2.20所示。图2.20 菜单管理器图2.21菜单管理器（3）在绘图区单击选取“RIGHT”面作为草绘平面，系统弹出“方向”菜单管理器，如图2.21所示。（4）在“方向”菜单管理器中单击“正向”命令，系统弹出“草绘视图”菜单管理器，单击“缺省”命令，进入草绘环境。（5）绘制如图2.22所思的扫描轨迹，注意绘制螺旋扫描的中心线。在工具栏内单击按钮完成草图的绘制。图2.22草绘（6）系统提示“输入节距值”输入节距值“0.8”，单击按钮完成。如图2.23所示。图2.23（7）系统弹出“方向”菜单管理器，指示切口的生成方向，单击“正向”命令，如图2.24所示。图2.24菜单管理器图2.25切剪（8）在如图2.25所示的“剪切：螺旋扫描”对话框中单击【确定】按钮，完成螺纹的创建。（9）螺纹收尾，在工具栏内单击按钮，或者依次在主菜单内单击“插入”“拉伸”命令，弹出“拉伸”操纵面板，在操纵面板内单击【放置】按钮，然后单击【定义】按钮，弹出“草绘”定义对话框。（10）最后得到调整螺钉的三维视图，如图2.26所示。图2.26调整螺钉 2.3.4气门弹簧的建模1.建立扫描轨迹（1）单击按钮，在“新建”对话框中输入文件名“qimentanhuang”，然后单击“确定”按钮。（2）在主菜单中单击“插入”“螺旋扫描” “伸出项”命令，弹出如图2.27所示的“属性”菜单管理器。（3）在如图2.27所示的“属性”菜单管理器中，单击“可变的”“穿过轴”“右手定责” “完成”命令，系统弹出如图2.28所示的“设置草绘平面”菜单管理器。（4）在绘图区内单击选取“FRONT”面作为草绘平面，系统弹出“方向”菜单管理器，如图2.29所示。（5）在“方向”菜单管理器中单击“正向”命令，系统弹出“草绘视图”菜单管理器，如图2.30所示。（6）在“草绘视图”菜单管理器中单击“缺省”命令，进入草绘环境。如果要选择其他绘图平面，可以单击其他命令。（7）绘制如图2.31所示的扫描轨迹线。在主菜单中单击“草绘”“点”命令，或者在“草绘”工具栏中单击【分割点】按钮添加点，最终效果如图2.31所示，单击按钮完成扫描轨迹。图2.27 菜单管理器图2.28设置平面图2.29选取方向图2.30选取图2.31轨迹2.输入螺距值（1）系统提示“在轨迹起始输入节距值”，输入起始节距值为“3”，如图2.32所示，单击中按钮完成。图2.32输入起始节距值（2）系统再次提示“在轨迹末端输入节距值”，同样输入节距值为“3”，如图2.33所示图2.33输入末端节距值（3）系统弹出如图2.34所示的定义螺距的对话框。单击先前增加的控制点，系统提示“为弹簧增加螺距值”如图2.35所示。图2.34定义螺距对话框图2.35增加螺距值（4）在信息提示区输入螺距值为“3”，单击按钮完成。（5）再用同样的方法为其他控制点输入螺距值，最终生成的螺距曲线如图2.36所示。图2.36增加控制点螺距值（6）在“控制曲线”菜单管理器中单击“完成”“返回” “完成”命令。3.绘制截面绘制用于螺旋扫描的截面，完成后的草图如图2.37所示，在工具栏内单击按钮确定。图2.37 绘制草图图2.38伸出项4.完成建模在如图2.38所示的“伸出项：螺旋扫描”对话框中单击【预览】按钮预览完成后的模型，单击【确定】按钮完成弹簧的创建。最终如图2.39所示。图2.39气门弹簧2.4 本章小结本章介绍了进气门和排气门的绘图过程，并对后期的有限元分析做了铺垫。第3章气门传动组的建模3.1 概述1.气门传动组的结构气门传动组的零件由凸轮轴、摇臂、摇臂轴、滚轴、等组成。各零部件之间的建立对整体的装配起到决定性的作用4。3.2 气门传动组设计中需注意的问题气门传动组中的每一个零件都对配气机构起到十分重要的作用，因此在画每一个图形的时候都仔细核对尺寸，以免在进行装配的时候产生约束，并对每一个零件进行实体模型的比对，以免出现不必要的错误。3.3 凸轮轴的建模1.创建新文件夹的步骤（1）运行Pro/E。单击“文件”工具栏中的新建工具，弹出“新建”对话框，如图3.1所示。图3.1 “新建”窗口图3.2 选择“单位类型”（2）点选“类型”选项中的“零件”单选按钮，点选子类型选项组中的“实体”单选钮，并在名称文本框中输入新建文件的名称，取消勾选“使用默认模板”复选框，单击“确定”弹出新文件选项对话框。（3）选择“mmns_part_solid”模板，表示零件模型为实体，单击“确定”完成，如图3.2所示。2.创建凸轮轴的草绘图形并拉伸（1）根据所给定的二维图形按照从零尺寸出开始建模，具体的操作方法如下所述，首先先画一侧的圆，对其进行拉伸点击图标，得到图3.3所示。图3.3草绘图（2）按照从一侧开始的顺序一步一步的画出草图，在对其进行拉伸点击图标，需要旋转的部位也要先进行草绘，一定要选取中心线，然后对其进行旋转点击图标。还要结合着凸轮的角度进行画草图，因为每个进排气门的配气正时角度不一样，要严格按照图纸上的剖面图进行建模，得到如图3.4(a)(b)(c)组所示。（a）（b）（c）图3.4凸轮轴三维图组3.创建凸轮轴两侧的孔（1）整体凸轮轴的大体样子已经画出来了，下面接着对凸轮轴两侧进行打孔，选择图标进行打孔，点击图标，进行草绘孔，按照二维图画出草绘图，如图3.5所示。注意放置曲面的位置和选取的参照面，要把选取参照面的偏移量均设置为零，以使两者在同一条轴线上。如图3.6、图3.7所示。最后的到图3.8所示。图3.5草绘孔图3.6选取放置图3.7选取偏照图3.8孔1 （2）在对其内部的深孔进行加工，同样也是选择打孔图标，打开后选择标准孔图标，选择螺钉尺寸，并输入空的深度，如图3.9所示。点击完成。如图3.10所示。图3.9标准孔图3.10孔2（3）同样做法再把另一侧的孔做出来，先画出孔的草绘图，如图3.11所示，最后选取放置的平面，完成后的视图如3.12所示。图3.11孔草绘图3.12凸轮轴三维图3.4 摇臂的建模3.4.1 进气摇臂的建模1.创建新文件夹的步骤（1）运行Pro/E。单击“文件”工具栏中的新建工具，弹出“新建”对话框，如图3.13所示。图3.13 “新建”窗口图3.14 选择“单位类型”（2）点选“类型”选项中的“零件”单选按钮，点选子类型选项组中的“实体”单选钮，并在名称文本框中输入新建文件的名称，取消勾选“使用默认模板”复选框，单击“确定”弹出新文件选项对话框。（3）选择“mmns_part_solid”模板，表示零件模型为实体，单击“确定”完成，如图3.14所示。2.创建进气摇臂轴孔草绘图并拉伸（1）先选择FRONT为草绘平面，绘制出轴孔的图形，如图3.15所示。图3.15轴孔草绘（2）完成草绘图形，点击右下角的图标，如图3.16所示。图3.16轴孔拉伸3.创建安装滚轴的一侧实体图形（1）接下来画的是滚轴的一侧，也是先画出草绘图形在对其进行拉伸，如图3.17所示。图3.17拉伸（2）在对上级拉伸的图形进行处理，把滚轮的位置画出来，此时画完草图时拉伸时要选择去除材料，如图3.18所示。图3.184.创建顶气门一侧的实体图型（1）在画顶气门的一侧，具体的过程按照以一个为基准的原则，在其基础上一步一步的画出草图在进行拉伸、旋转或去除材料，每一步都要结合着尺寸耐心的去画，以达到如图3.19（a）（b）（c）（d）（e）组所示的效果。具体的过程参看图3.20所示。（a）（b）（c）（d）（e）图3.19-进气摇臂图组图3.20进气摇臂步骤（2）在对进气摇臂进行倒角。3.4.2 排气摇臂的建模1.创建排气摇臂实体的过程整体的步骤和进气摇臂相类似，但是排气摇臂是两个顶气门的接触点，注意画图时的按照二维图形的尺寸，结合着角度去画，具体的步骤见图3.21(a)(b)所示。画图的主要过程图如图3.22（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）（i）组所示。 (a) (b)图3.21排气摇臂步骤(a) (b)(c) (d)(e) (f)(g) (h)(i)图3.22排气摇臂图组3.5 摇臂轴的建模3.5.1 进气摇臂轴的建模1.创建新文件夹的步骤（1）运行Pro/E。单击“文件”工具栏中的新建工具，弹出“新建”对话框，如图3.23所示。图3.23 “新建”窗口选择“单位类型” （2）按顺序依次点击完成新文件夹的创建2.创建进气摇臂轴的主轴（1）确定尺寸后先画出摇臂轴的主轴，画出草图后在对其进行拉伸，如图3.24所示。图3.24拉伸（2）对轴的内部打通孔，目的是进行润滑作用，如图3.25所示。图3.25孔3.创建主轴上的固定孔并在孔上画出凹台（1）把轴上的五个固定孔画出来，点击右侧的图标，选定放置的曲面，并确定他们的偏移量，如图3.26所示。图3.26基准（2）输入尺寸后点击右侧的图标，完成孔的处理，以此类推，画出其余的四个孔，如图3.27所示。图3.27安装孔（3）在每个孔的上面画出一个凹的平台，步骤是先在轴上画草图，然后进行拉伸去除材料，如图3.28所示。图3.28摇臂轴4.再在主轴上创建油道孔（1）然后再在轴上画出带有沉孔的油道孔，依次点击，选择标准孔，输入尺寸，如图3.29所示。选择增加埋头孔。图3.29基准（2）画完的图如3.30所示。图3.30进气摇臂轴图3.5.2排气摇臂轴的建模1.创建排气摇臂的主要步骤（1）整体的步骤和进气摇臂的过程相类似，具体的步骤如图3.31(a)(b)组所示，画图的主要步骤如图3.32(a)(b)(c)(d)(e)(f)组所示。 (a) (b)图3.31排气摇臂步骤组(a) (b)(c) (d)(e) (f)图3.32排气摇臂图组（2）按上述步骤完成排气摇臂轴的建模3.6其他零件建模3.6.1滚轮建模如图3.33所示，过程见图中左侧的步骤。图3.33滚轮3.6.2滚轴的建模按照PDF图画出草图，在对其进行旋转，如图3.34所示和图3.35所示。图3.34滚轴图3.35滚轴3.6.3驱动齿轮的建模1.创建新文件夹的步骤（1）运行Pro/E。单击“文件”工具栏中的新建工具，弹出“新建”对话框，如图3.36所示。图3.36“新建”窗口图3.37选择“类型”（2）点选“类型”选项中的“零件”单选按钮，点选子类型选项组中的“实体”单选钮，并在名称文本框中输入新建文件的名称，取消勾选“使用默认模板”复选框，单击“确定”弹出新文件选项对话框。（3）选择“mmns_part_solid”模板，表示零件模型为实体，单击“确定”完成，如图3.37所示。2.画出驱动齿轮的草图并进行拉伸画出圆柱的草绘图，得到图3.38所示。图3.38驱动齿轮的圆柱草绘图3.对驱动齿轮创建轴孔画出孔的草绘图，拉伸去材料，得到图3.39所示。图3.39驱动齿轮的轴孔草绘图4.对驱动齿轮创建键槽画出键槽的草绘图，拉伸去材料，得到图3.40所示。图3.40驱动齿轮的键槽草绘图5.对驱动齿轮创建小孔画出小孔的草绘图，拉伸去材料，得到图3.41所示。图3.41驱动齿轮小孔的草绘图6.绘制轮齿画出轮齿的草绘图，拉伸去材料后阵列，得到图3.42所示。图3.42驱动齿轮轮齿的草绘图3.6.4 从动齿轮的建模1.创建新文件夹的步骤（1）运行Pro/E。单击“文件”工具栏中的新建工具，弹出“新建”对话框，如图3.43所示。图3.43“新建”窗口图3.44选择“类型”（2）点选“类型”选项中的“零件”单选按钮，点选子类型选项组中的“实体”单选钮，并在名称文本框中输入新建文件的名称，取消勾选“使用默认模板”复选框，单击“确定”弹出新文件选项对话框。（3）选择“mmns_part_solid”模板，表示零件模型为实体，单击“确定”完成，如图3.44所示。 2.画出驱动齿轮的草图并进行拉伸画出圆柱的草绘图，得到图3.45所示。图3.45从动齿轮圆柱的草绘图 2.绘制轴孔画出轴孔的草绘图，拉伸去材料，得到图3.46所示。图3.46从动齿轮轴孔的草绘图 3.绘制轮辐画出轮辐的草绘图，旋转去材料后拉伸去材料，得到图3.47所示。图3.47从动齿轮轴孔的草绘图 4.对驱动齿轮创建键槽画出键槽的草绘图，拉伸去材料，得到图3.48所示。图3.48从动齿轮键槽的草绘图 5.绘制轮齿画出轮齿的草绘图，拉伸去材料后阵列，得到图3.49所示。图3.49从动齿轮轮齿的草绘图3.6.5 齿带的建模1.创建新文件夹的步骤（1）运行Pro/E。单击“文件”工具栏中的新建工具，弹出“新建”对话框，如图3.50所示。图3.50“新建”窗口图3.51选择“类型”（2）点选“类型”选项中的“零件”单选按钮，点选子类型选项组中的“实体”单选钮，并在名称文本框中输入新建文件的名称，取消勾选“使用默认模板”复选框，单击“确定”弹出新文件选项对话框。（3）选择“mmns_part_solid”模板，表示零件模型为实体，单击“确定”完成，如图3.51所示。2.画出齿带的扫描轨迹画出齿带的草绘图，扫描轨迹，得到图3.52所示。图3.52齿带的扫描轨迹草绘图3.画出带齿画出带齿的草绘图，拉伸去材料后阵列，得到图3.53所示。图3.53齿带图 3.7本章小结本章主要介绍的是气门传动组的建模，气门传动组的作用是使气门按发动机配气相位规定的时刻开、闭，并保证有足够的开启高度。其中的零件多而复杂，要求的精度也很高，所以就要求在画图时注意尺寸的偏差，注意零件的配合间隙，在画进气摇臂和排气摇臂时要注意其中的约束，保证画出的零件能够符合标准。第4章配气机构的装配4.1 概述配气机构的组成是由气门组和气门传动组组成的,在对其进行装配时的注意事项由以下几点：首先在安装凸轮轴时要注意气门正时的位置要按照发动机做功的顺序进行装配，其次在对摇臂往摇臂轴上安装时注意摇臂在摇臂轴上的位置，尽量避免不必要的误差产生，最后在安装气门时要注意气门的角度以适应气门座，达到良好的密封效果，有些地方没进行结合性的组装，类似于爆炸图，这样可以更加直观的，如有什么不妥之处还请多多提出意见，好加以改进。4.2 装配过程 1.进气摇臂和进气摇臂轴的组装（1）在工具栏内单击新建按钮，弹出新建对话框。在“类型”选项组中选择”组件”按钮，并清除“使用缺省模板”复选框，如图4.1所示。单击“确定”按钮弹出“新文件选项”对话框，在“模板”选项组中选择mmnsasmdesign选项，如图4.2所示。图4.1“新建”窗口图4.2选择“单位类型”（2）点击确定后在菜单上面点击“插入”命令，接着在点击“元件”命令，弹出“装配”，然后打开自己所保存的零件图，如图4.3所示。图4.3打开菜单（3）点击打开命令，弹出进气摇臂轴的三维视图，点击右下角的命令，如图4.4所示。图4.4进气摇臂轴（4）然后再点击“插入”命令，在选择一个要装配到进气摇臂轴上的零件，即进气摇臂，点击后如图4.5所示。图4.5两者图（5）然后再对其进行约束点击两个零件的中心线，此时两个零件的中心线重合，如图4.6所示。图4.6两者重合（6）在按照摇臂轴上的进气摇臂的位置进行尺寸上的约束，即点击“放置”按钮，增加“新建约束”，调整约束类型为“对齐”选择两个零件的平面惊醒约束，再点击按钮，选择按钮，修改尺寸，如图4.7所示。图4.7两者对齐（7）按照同样的方法再把其余的几个进气摇臂组装到摇臂轴上，所得到如图4.8所示。图4.8进气摇臂装到轴上（8）接着再把调整螺钉组装到进气摇臂上，过程也和上面类似，把每一个进气摇臂都组装上调整螺钉，当让也可以选择复制的模式把其组装上，见图4.9所示。图4.9加入调整螺钉（9）在对进气摇臂的另一侧安装滚轴，步骤也是相似的，组装完后如图4.10所示。图4.10加入滚轴（10）接下来再把进气门组装到进气摇臂上，过程也和上面类似，得到图4.11所示。图4.11加入进气门 2.排气摇臂和排气摇臂轴的组装排气摇臂轴的组装和进气摇臂轴的组装十分相似，在这里就不做过多的介绍，整体的步骤如图4.12所示。图4.12组装3整体的装配（1）最后把所有的零部件都集中到一起，装配的同时注意各组零件的安放位置，以凸轮轴为中心进行装配，得到如图4.13所示。图4.13整体组装（2）在把气门弹簧组装到每个气门里面，如图4.14(a)(b)(c)组所示。图4.14整体组装组(a)图4.14整体组装组(b)图4.15整体组装组(c)4.3 本章小结本章主要介绍了Pro/E的配气机构装配模式及装配基础，如何进入装配（组件）模式；如何将元件添加到组件中；如何进行装配等。装配结果基本符合要求，不足的地方是没有使配气机构运动起来，如果能使其运动起来效果会更好一些，另外，毕竟是模拟装配，有些地方不能够考虑到实际的问题，希望如果能够结合着实际来操作，效果会更加的凸显。第5章气门的有限元分析5.1 概述有限元分析（Finite Element Analysis,FEA）是20世纪中叶在电子计算机诞生之后，在计算数学、计算力学和计算工程科学领域诞生的一种有效的计算方法。有限元时在连续体力学领域-飞机结构的静力与动力特征分析中应用和发展起来的一种有效的数值分析方法，它可以解决工程中的结构问题，也成功的解决了传热学、流体动力学、电磁学和声学等领域的问题。由于有限元法计算精度高、适应性强、计算格式规范统一，有限元的计算结果已经成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。进过进十几年的发展，各种不同的有限元方法形态发展的更为丰富，理论基础更为完善，而且已经开发出了一批实用、有效的通用和专用的有限元软件，国际上著名的通用有限元软件有几十种，常用的有MARK、ANSYS、ALGOR、NASTRAN、ADINA以及SAP等。在目前的通用与专用有限元分析软件中，美国ANSYS公司开发的ANSYS软件是最为通用有效的商业有限元软件之一。ANSYS是一种通用的商业套装工程分析软件，通过分析结构受到外力载荷后所产生的反应，如位移、应力、温度等，便可以知道结构受到外力负载后的状态，从而判定结构是否符合设计要求。ANSYS软件是国际流行的融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，具有强大处理、求解和后处理功能。ANSYS软件从20世纪70年代诞生至今，经过30多年的发展，已经发展成为能够跟计算机硬件软件发展水平的功能完备的有限元软件系统，已经为全球工业界所广泛接受。他在工程上的应用相当广泛，在机械、交通、物理、土木、生物医学、电子及航天航空的领域的使用，都就已经能够达到某种程度的可信度，并且颇获各界好评。使用该软件进行产品设计分析，能够降低设计成本，缩短设计时间。它是第一个通过了ISO9001质量认证的大型分析设计软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局(NQA)及近20种专业技术协会认证的标准分析软件，在我国，ANSYS软件第一个通过了中国压力容器标准化技术委员的认证，并在国务院17个部委推广使用。ANSYS公司是由美国匹兹堡大学力学系教授、有限元法的权威、著名的力学专家John Swanson博士于1970年创建而发展起来的，其总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡市，目前是世界CAE行业最大的公司之一17。ANSYS是一个通用的有限元分析软件，它具有多种多样的分析能力，从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。而且，ANSYS还具有产品的优化设计、估计分析等附加功能。在启动ANSYS后，就可以打开ANSYS的图形用户界面（GUI）。ANSYS的图形用户界面主要有8个部分组成18：（1）Utility Menu（实用菜单）包括一些在整个分析过程中都有可能要用到的一些命令，比如文件类命令、选取类命令以及图形控制和一些参数设置等等。（2）Standard Toolbar（标准工具条窗口）包括一些常用的命令按钮，这些按钮对应的命令都可以在实用菜单中找到对应的菜单项。（3）Input Window（命令输入窗口）通过这个窗口，可以直接输入ANSYS可以支持的命令，以前所有输入过的命令以下拉列表的形式便于再次输入。（4）ANSYS Toolbar（工具条窗口）允许用户自定义一些按钮来执行一些ANSYS命令或者函数，安装时ANSYS已经默认定义了一些按钮执行相应的功能。（5）Main Menu（主菜单窗口）包括一些基本的ANSYS命令，以处理器（processor）的类型来组织（前处理器，求解器等等），具体的命令是否可用与ANSYS当前所处得处理器位置有关。（6）Graphics Window（图形窗口）ANSYS的图形输出区域，一般的交互式图形操作也在此区域进行。（7）Status and Prompt Area（状态栏）显示当前操作的有关提示。（8）Output Window（输出窗口）输出窗口接收ANSYS程序运行时所有的文本输出，比如命令的响应、注释，警告、错误以及其他的各种消息。一般情况下，这个窗口隐藏在主窗口后面5.2 ANSYS与Pro/E由于目前CAD和CAE这两个领域最具代表性的应用软件分别是Pro/E和ANSYS。Pro/E拥有强大的实体和曲面造型功能，而ANSYS具有完善的有限元分析功能，这两个软件各自的长处恰恰又是对方的短处。解决这一矛盾的有效途径是:在Pro/E中进行建模，然后将模型导入到ANSYS软件中进行有限元分析，从而实现用计算机完成零件设计和分析。所以，问题的关键是如何把这两个软件结合起来，将Pro/E中生成的模型完整地导入到ANSYS中去，进而完成所需的有限元分析。本次设计采用的是Pro/ENGINEERWildfire4.0与ANSYS8.0为研究对象，并采用这两个软件进行了实体模型在两个不同软件之间的转换和连接。本次设计用的是第二种放方案，是将转换为Pro/E4.0prt文件转化iges 格式文件后导入到ANSYS 8.0中，其中要值得注意的是转化的igs文件要保存于英文文件夹下，不能是中文的文件夹下。这是要特别注意的。1、导入方法与对策将PRO/ E4.0 的模型导入ANSYS8.0 一般有2 种方法。（1）第一种是在PRO/E与ANSYS中建立一种接口连接，由于此种方法对两者的要求是Pro/E软件的版本发布日期不能高于ANSYS软件的版本发布日期。之前试过了Pro/E4.0和ANSYS8.0或ANSYS10.0的连接都没能成功，所以只能下载比Pro/E4.0高的版本。如果想用第一种方案，就要改用Pro/E3.0.（2）第二种是将转换为Pro/E4.0prt文件转化iges 格式文件后导入到ANSYS 8.0中。本次设计采用的就是这种方法。将PRO/ E 的prt 格式先转换为iges 格式，在PRO/ E中打开要分析的图形，点击文件按钮，选择保存副本，选择类型为IGS，如图5.1所示，然后在ANSYS环境下Utility Menu: File Import IGES ，如图5.2所示。接着点击OK如图5.3所示，出现如图5.4所示，点击browse进入下一步，去刚才建立igs文件的文件夹去找，如图5.5所示，最后打开ANSYS界面，如图5.6所示。iges 格式是The Initial Graphics Exchange Specification 的首字母的缩写,( IGES) 是被定义基于Computer Aided Design ( CAD)&Computer - Aided Manufacturing (CAM) systems (计算机辅助设计&计算机辅助制造系统) 不同电脑系统之间的通用ANSI 信息交换标准。所以从理论上来讲,任何的CAD 软件格式的文件都可以通过iges 格式导入到任何一种CAE 软件中去。图5.1保存副本图5.2 打开文件图5.3选择配置图5.4选择路径图5.5打开文件图5.6排气门载入2.在采取第二种方法的同时要注意文件导入时是否又丢失，如果有丢失要对其进行修改，已达到图纸的要求。5.3 排气门的有限元分析气门是发动机的重要零件之一,它既是燃烧室的组成部分,又是气体进、出燃烧室的通道,工作时需承受较高的机械负荷和热负荷,尤其是排气门,由于经常受到高温燃气的冲刷,因而易产生漏气、腐蚀与烧损等现象,工作条件也就更为严酷。在汽车发动机配气机构中,气门- 气门座是一对关键的摩擦副,该摩擦副长期在高温、高负荷及燃气腐蚀环境下工作,恶劣的工作环境使气门密封锥面的磨损受气门落座载荷的影响很大。气门常见的损坏形式如下: 排气门烧蚀; 气门断裂; 气门头部裂纹和碎落; 气门锥面磨损过速。在气门生产之前最好对其进行力学特性分析,来测试使用性能。根据资料和图纸查得微型乘用车发动机配气机构中的排气门参数为下所示：排气门允许采用整体式气门，材料为4Cr14Ni14 W2Mo或21-4N，本次采用的是后者21-4N, 通过查阅机械设计手册知道，21 - 4N钢为奥氏体热强钢,有良好的抗氧化性和抗燃气腐蚀性,高温力学性能较好。它的密度为7900kg/m3 ,柏松比u 为0. 3, 弹性模量E 为210GPa, 切变模量G 为81GPa,室温下的b = 885Mpa19。为了便于分析,对配气机构可简化,如图5.7所示20的有支座的单自由度模型,发动机排气门工作时,气门往复运动由驱动凸轮廓线控制,气门所承受的冲击载荷特征由凸轮的速度和加速度来控制,可由如下计算公式得到:F = MX+ CX+ KX + F0式中:M 为气门机构的等效质量,M =mv + 1 /3m s +mp , mv 为气门质量,mv = 0. 1156kg; m s 为气门弹簧质量,m s = 0. 1862kg;mp 为挺柱和挺杆的质量, mp = 0. 480kg;M = 0. 657kg; C为摩擦阻尼系数, C = 1. 581kg/ s; K为气门弹簧刚度, K = 60. 847N /mm; F0 为气门预紧力, F0 = 430N。通过应用凸轮廓线方程得到气门M 的位移曲线,从而得到X 的方程式,代入动力学方程式可得到凸轮在不同转速下运转的几条载荷曲线, 由曲线图5.9所示21可知, 当凸轮转速为n =2000 rad /min时,气门所受到的最大载荷,即气门的落座力为F = 2636. 8N。为了便于有限元模型分析,气门座接触示意图如图5.8所示20,以下就该简化模型对气门进行有限元分析图5.7配气机构单质量模型图5.8气门简化受力模型 5.3.1设置参数设置参数包括设定分析作业名和标题；建立模型；定义单元类型；定义材料属性；划分有限元网络；但我们已经将三维建模的排气门导入ANSYS中，其中的建立模型可以省略。1.设定分析作业名和标题（1）从实用菜单中选择Utility Menu:FileChange Jobname命令，打开Jobname(修改文件名)对话框。（2）在Enter new jobname文本框中输入文字“paqimen”为本分析的数据库文件名，如图5.10所示。（3）单击OK按钮，完成文件名的修改。（4）从实用菜单中选择Utility Menu:FileChange Jobname命令，打开Change Title（修改标题）对话框。（5）在Enter new title文本框中输入文字（static analysis of a valve），为本分析的标题名，如图5.11所示。（6）单击OK按钮，完成对标题名的指定。（7）从实用菜单中选择Utility Menu:Plot Repot命令，指定标题static analysis of a gear将显示在图形窗口的左下角。（8）从主菜单中选择Utility Menu:Preference命令，将打开Preference of GUI Filt- ering(菜单过滤参数)对话框，选中Structural复选框，单击OK按钮确定。图5.10 输入新文件名图5.11 输入题目名2.定义单元类型在进行有限元分析时，首先应该根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。本设计中选择四面体单元Solid45。（1）从主菜单中选Utility MenuPreprocessorElement Type Add/Edit/Delete命令，将打开Element Type对话框，如图5.12所示。（2）单击Add按钮，打开Library of Element Type（单元类型库），如图5.13所示。（3）然后在对话框左边的列表中选择Solid选项，选择实体单元类型。（4）在对话框左边的列表中选择Tet 10node 92选项，选择四面体SOLID92单元。如图5.13所示。（5）在对话中单击OK按钮，将Tet 10node 92 单元添加，关闭单元类型对话框。图5.12定义单元类型图5.13单元类型库3.定义材料属性考虑惯性力的静力分析中的弹性模量和密度。具体步骤如下：（1）从主菜单中选择Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models命令，将打开Define Material Model Behavior（定义材料模型）属性窗口。（2）依次双击StructuralLinearElasticIsotropic，展开材料属性的树形结构，将打开材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义的对话框，如图5.14所示。图5.14定义弹性模量和泊松比（3）在对话框EX的文本框中输入弹性模量2.1105，单位为兆帕，在PRXY文本中输入泊松比0.3。（4）单击OK按钮，关闭对话框，并返回到定义材料模型属性窗口，此窗口的左边一栏出现刚刚定义的参考号为1的材料属性.（5）依次双击StructuralDensity，打开定义材料密度对话框，如图5.15所示。（6）在DENS文本框中输入密度值7.9106，单位为千克/立方毫米。（7）单击OK按钮，关闭对话框，并返回到定义材料模型属性窗口，在此窗口的左边一栏参考号为1的材料属性下方出现密度选项。（8）在Define Material Model Behavior窗口中，从菜单中选择Material Exit命令，或者单击右上角的按钮，退出定义材料属性窗口，完成对材料属性的定义。图5.15定义材料密度4.对排气门进行划分网络本小节中将选用SOLID92单元对盘面划分映射网格。（1）单击Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool，弹出Mesh Tool（网格工具）。（2）激活，将滑标设置为3，按Mesh按钮，这时出现Mesh Volumes对话框，点击Pick All按钮，如图5.16（a）（b）组所示。（a）（b）图5.16 定义网格划分精度（3）这时ANSYS会出现两个警告，按Close按钮，如图5.17所示。（4）划分网络后，按Close按钮，所得结果如图5.18所示。（5）单击按钮，保存数据库。图5.17 出现的警告图5.18 划分网格模型5.3.2 施加载荷和约束条件建立有限元模型之后，就需要定义分析类型和施加边界条件及载荷，然后求解。本次分析中的气门落座力为F = 2636. 8N。1.施加载荷（1）从主菜单中选择Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Force/Moment On Nodes命令，打开选择面的对话框，如图5.19所示。选择其中的面，单击OK。图5.19选取施加力的面（2）打开Apply F/M on Nodes界面，在VALUE Force/moment value输入施加力的数值，如图5.20所示。图5.20输入施加力（3）得到如图5.21所示。图5.21施力后的图2.约束条件（1）单击Main Menu Solution SolveCurrent LS，弹出一个确认对话框和状态列表，要求查看列出的求解选项，如图5.22所示。（2）查看列表中的信息确认无误后，单击OK按钮，然后可能出现一个警告和确认对话框，如图5.23（a）（b）组所示。（3）警告提示有一被定义了位移约束的约束方程将要被删除，不需理会，单击确认对话框的YES按钮，ANSYS 将开始求解，如图5.24（a）（b）组所示。图5.22 查看状态列表（a）（b）图5.23 出现的对话框（a）（b）图5.24 求解进度条（4）求解完成后会弹出求解结束对话框。（5）单击Close按钮如图5.25所示，关闭求解结束对话框，出现如图5.26所示。图5.25 close窗口5.3.3查看结果求解完成后，就可以利用 ANSYS 程序生成的结果文件（对于静力分析来说就是 Jobname.RST）进行后处理，静力分析中通常通过POST1 后处理器已经可以处理和显示大多感兴趣的结果数据。1.旋转结果坐标系在柱坐标系下查看周期对称结构的结果，比较直观。本分析位于总体柱坐标系下，将结果坐标系旋转到总体柱坐标系即可。图5.26 求解结束状态（1）单击Main MenuGeneral PostprocOptions for Outp，弹出Options for Output （输出选项）对话框，如图5.27所示。图5.27 转换坐标系（2）在Results coord system（结果坐标系）下拉列表中选择Global cylindrical（总体柱坐标系）。（3）单击OK按钮确定。2.查看径向应力（1）单击菜单Main MenuGeneralPostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu弹出Contour Nodal Solution Data对话框。（2）在Item to be contoured选择域的左边的列表框中选择Stress（应力）。（3）在右侧的列表框中选择X-direction（方向应力）。（4）选择Def shape only。（5）单击OK按钮，图形窗口显示X方向的应力分布图，如图5.28(a)(b)所示。（a）(b)图5.28 查看X方向应力大小图（6）在右侧的列表框中选择Y-direction（方向应力）。（7）选择Def shape only。（8）单击OK按钮，图形窗口显示Y方向的应力分布图，如图5.29(a)和(b)所示。（a）(b)图5.28 查看Y方向应力大小图（9）在右侧的列表框中选择Z-direction（方向应力）。（10）选择Def shape only。（11）单击OK按钮，图形窗口显示Z方向的应力分布图，如图5.29(a)和(b)所示。(a)(b)图5.29 查看Z方向应力大小图分析结果：经过分析计算，得到了排气门的有限元分析结果的云图，整个结构的应力与位移分布状况也分别由不同的云图清晰直观的反映出来，由于结果数据量非常大在此不可能一一列出各个节点的数目，但从图中可得出排气门在落座时的所受应力最大，并且由有限元分析产生的应力小于校核时的应力可知，所受应力符合实际情况，且基本满足工作要求。图中蓝色的一侧代表安全，红色一侧代表危险。该排气门的变形在允许的范围之内

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