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本科學生畢業(yè)設計
基于Pro/E的路寶車發(fā)動機配氣機構的三維建模設計
系部名稱： 汽車與交通工程學院
專業(yè)班級： 車輛工程07-8
學生姓名： 劉一麟
指導教師： 張德生
職 稱： 副教授
黑 龍 江 工 程 學 院
二○一一年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
The Modeling and Analysing of the miniature car valve train of engine
Candidate ：Liu Yilin
Specialty ：Vehicle Engineering
Class ：B07-8
Supervisor：Associate Prof Zhang Desheng
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbi
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
摘 要
本文介紹了基于Pro/E的微型乘用車發(fā)動機配氣機構的建模與ANSYS進行有限元分析的相關知識。綜述了國內(nèi)外目前微型乘用車發(fā)動機配氣機構的裝配與分析的發(fā)展趨勢。通過對發(fā)動機配氣機構的使用性能、工作條件、結(jié)構、技術要求的了解，利用Pro/E繪出配氣機構的三維圖，并進行發(fā)動機配氣機構的模擬裝配，在有限元分析過程中，應用到了當今流行ANSYS有限元分析軟件，通過Pro/E的三維建模，將此模型導入到ANSYS軟件中進行分析，近年來隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復雜的工程分析計算問題的有效途徑，對于工程實際具有重要的應用價值?；谝陨系恼f明，我們可以知道本設計從理論上可以提高制造效率，節(jié)省勞動力，節(jié)約生產(chǎn)資源，加快了解汽車企業(yè)生產(chǎn)工藝設計、制造及應用的過程，Pro/E與ANSYS的緊密結(jié)合，比傳統(tǒng)AutoCAD設計更能夠縮短開發(fā)周期，提高生產(chǎn)制造水平。
關鍵詞：配氣機構；Pro/E；建模；ANSYS；有限元分析
Ⅰ
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
Ⅱ
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 緒 論 1
1.1 選題背景 1
1.2 國內(nèi)外發(fā)動機配氣機構的發(fā)展趨勢 1
1.2.1 國內(nèi)外發(fā)動機配氣機構的發(fā)展趨勢 1
1.3 Pro/E及ANSYS的簡介 2
1.3.1 Pro/E的現(xiàn)狀及功能特點 2
1.3.2 ANSYS的現(xiàn)狀及功能特點 3
1.4 課題研究的主要內(nèi)容 3
1.5 課題研究的主要方法 4
第2章 氣門組零件的建模 5
2.1 概述 5
2.2 氣門的建模 5
2.2.1 進氣門的建模 5
2.2.2 排氣門的建模 8
2.3其他零件的建模 10
2.4本章小結(jié) 19
第3章 氣門傳動組零件的建模 20
3.1 概述 20
3.2 氣門傳動組設計中需注意的問題 20
3.3 凸輪軸的建模 20
3.4 搖臂的建模 25
3.4.1 進氣搖臂的建模 25
3.4.2 排氣搖臂的建模 30
3.5 搖臂軸的建模 32
3.5.1 進氣搖臂軸的建模 32
3.5.2 排氣搖臂軸的建模 36
3.6 其他零件的建模 37
3.7 本章小結(jié) 47
第4章 配氣機構的裝配 48
4.1 概述 48
4.2 裝配過程 48
4.3 本章小結(jié) 55
第5章 氣門的有限元分析 56
5.1 概述 56
5.2 ANSYS與Pro/E 57
5.3 排氣門的有限元分析 60
5.3.1設置參數(shù) 61
5.3.2 施加載荷和約束條件 67
5.3.3查看結(jié)果 71
5.4 本章小結(jié) 74
結(jié) 論 75
參考文獻 76
致 謝 78
附錄A 外文文獻 79
附錄B 中文翻譯 82
第1章 緒 論
1.1 選題背景
我國從二十世紀八十年代初引進微型車，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)54.6萬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。微型車在我國占有很大的市場。據(jù)統(tǒng)計，2006年我國汽車保有量為3880萬輛，微型車的比重已增加到31.65％，已達1228萬輛[1]。在我國汽車發(fā)展史上，微型車近20年的歷程走出了具有自己鮮明特色的發(fā)展道路。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。Pro/E是目前最先進的計算機輔助設計、制造和分析的軟件，廣泛應用于機械、電子、建筑、汽車等領域，利用Pro/E可以輕松地完成大多數(shù)的機械類設計、制造和分析任務。發(fā)動機是汽車結(jié)構中最重要的部分，如果說發(fā)動機是汽車的心臟，那么配氣機構就是它的心房。配氣機構作為發(fā)動機兩大機構的重要部件之一，它的平穩(wěn)性是保證配氣機構正常工作的關鍵，它的功用是根據(jù)每一氣缸內(nèi)進行的工作循環(huán)順序，定時的開啟和關閉各缸的進、排氣門，以保證新鮮的可燃混合氣得以及時進入氣缸并把燃燒后的廢氣及時排除氣缸。最大限度的降低有害氣體的排放量。
通過運用Pro/E進行發(fā)動機配氣機構的三維建模、及基于ANSYS有限元分析。虛擬技術在系統(tǒng)動力學仿真中的成功應用，這些不僅可以提高仿真精度，而且可以縮短產(chǎn)品設計周期，對于工程實際具有重要的應用價值。從而達到對配氣機構的裝配工藝進一步更深了解；這樣可以從本質(zhì)上提高制造效率，節(jié)省勞動力，節(jié)約生產(chǎn)資源；加快了解汽車企業(yè)生產(chǎn)工藝設計、制造及應用的過程，該畢業(yè)設計可以加強國內(nèi)外流行三維Pro/E軟件以及ANSYS軟件的使用與掌握。目前在發(fā)達國家的汽車行業(yè)中，Pro/E軟件以及ANSYS軟件的應用已得到普遍應用，并取得了巨大的經(jīng)濟效益，新的轎車產(chǎn)品的開發(fā)周期已縮短至2年。Pro/E的三維建模與ANSYS的有限元分析緊密結(jié)合，比傳統(tǒng)AutoCAD設計更能夠縮短開發(fā)周期，這們也可以提高生產(chǎn)制造水平。
1.2 國內(nèi)外發(fā)動機配氣機構的發(fā)展趨勢
1.2.1 國內(nèi)外發(fā)動機配氣機構的發(fā)展趨勢
配氣機構是發(fā)動機的主要組成部分，它的平穩(wěn)性是保證配氣機構正常工作的關鍵，因此研究配氣機構動力學具有十分重要意義。發(fā)動機配氣機構是一個彈性系統(tǒng)，工作時的彈性變形引起機構彈性振動，嚴重時機構無法正常工作。目前除試驗方法觀察機構動態(tài)性能和研究機構動力學之外，運用力學方法建立配氣機構的力學模型，用計算機進行動態(tài)模擬研究已顯示出非常突出的優(yōu)越性。
隨著發(fā)動機高效率、高速化的發(fā)展，人們對其性能指標的要求更高，這給配氣機構的設計以及制造工藝增加了難度。目前，廣泛采用的是氣門、凸輪式配氣機構， 它具有保證氣缸密封性的優(yōu)點。配氣機構系統(tǒng)研究內(nèi)容主要有兩方面： 一方面是零部件的設計， 包括凸輪型線、氣門搖臂機構的設計，氣門彈簧及氣門等零部件的設計； 另一方面是機構的動力學問題， 而對于機構動力性能的研究， 又主要集中在氣門的運動規(guī)律上。國外對配氣機構的振動模型、摩擦及配氣相位和可變氣門正時等的研究有一些報道。國內(nèi)也在致力于研究更精確的氣門振動模型、凸輪挺柱副的動力潤滑、非對稱凸輪型線以及凸輪型線的擬合等問題
主要有：一是設計了許多性能優(yōu)良的凸輪型線； 二是配氣機構由性設計發(fā)展為彈性設計； 三是由孤立研究凸輪設計發(fā)展到配氣機構系統(tǒng)設計。內(nèi)燃機配氣凸輪的研究已經(jīng)涉及到配氣機構性能的各個方面， 包括型線、挺柱的運動規(guī)律、氣門振動模型、挺柱與凸輪的接觸應力、摩擦應力等。在研究更精確的氣門振動模型、凸輪挺柱副的動力潤滑、非對稱凸輪型線以及凸輪型線的擬合等方面， 國內(nèi)外都有很大的發(fā)展。
1.3 Pro/E及ANSYS的簡介
1.3.1 Pro/E的現(xiàn)狀及功能特點
Pro/Engineer是由美國PTC（Parametric Technology Corporation）公司開發(fā)研制的三維數(shù)字化設計、分析及制造軟件。目前，全球有超過四萬家公司的五百多萬名工程師和設計師在使用Pro/E[2]。它建立在極大的性能優(yōu)勢之上，把創(chuàng)造性的新技術帶到了每一位工程師和設計師的手中。它集零件設計、大型組件設計、運動分析、造型設計、數(shù)據(jù)庫管理等功能于一體，具有參數(shù)化設計，特征驅(qū)動，單一數(shù)據(jù)庫等特點，大大加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度，這些技術超越了純粹的參數(shù)化系統(tǒng)和那些已經(jīng)過時的所謂混合建模系統(tǒng)。
Pro/E是采用參數(shù)化設計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計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。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活，Pro/E功能如下：?
（1）特征驅(qū)動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等）。?
（2）參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）。?
（3）通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關系來進行設計。
（4）支持大型、復雜組合件的設計（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/Program的各種能用零件設計的程序化方法等）。?
（5）貫穿所有應用的完全相關性（任何一個地方的變動都將引起與之有關的每個地方變動）。其它輔助模塊將進一步提高擴展?Pro/E的基本功能。
1.3.2 ANSYS的現(xiàn)狀及功能特點
ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機械結(jié)構系統(tǒng)受到外力負載所出現(xiàn)的反應，例如應力、位移、溫度等，根據(jù)該反應可知道機械結(jié)構系統(tǒng)受到外力負載后的狀態(tài)，進而判斷是否符合設計要求。一般機械結(jié)構系統(tǒng)的幾何結(jié)構相當復雜，受的負載也相當多，理論分析往往無法進行。想要解答，必須先簡化結(jié)構，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計算機行業(yè)的發(fā)展，相應的軟件也應運而生，ANSYS軟件在工程上應用相當廣泛，在機械、電機、土木、電子及航空等領域的使用，都能達到某種程度的可信度，頗獲各界好評。使用該軟件，能夠降低設計成本，縮短設計時間。
到80年代初期，國際上較大型的面向工程的有限元通用軟件主要有：ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP等。以ANSYS為代表的工程數(shù)值模擬軟件，是一個多用途的有限元法分析軟件，它從1971年的2.0版本與今天的5.7版本已有很大的不同，起初它僅提供結(jié)構線性分析和熱分析，現(xiàn)在可用來求結(jié)構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分析、計算機圖形學和優(yōu)化技術相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工程學問題必不可少的有力工具。
ANSYS作為有限元分析的主流軟件，在工程中的應用日益成熟和廣泛。多數(shù)使用者認為對于復雜的幾何模型在 ANSYS中直接建模不僅操作不便而且時間長。因此，提供了同大多數(shù)軟件的接口如（CATIA，PROE，UG），并可將模型通過IGES，SAT 等圖形數(shù)據(jù)格式導入，以減少建模的周期，提供建模效率。但在外部數(shù)據(jù)導入的同時，由于數(shù)據(jù)的兼容性等問題，有時并不是很理想，容易造成以下問題：
（1）對細微結(jié)構的忽略，而這卻是分析局部應力及應力集中的關鍵部位。
（2）對于裝配件導入后，各零件間位置關系并不能符合要求，容易造成分屬不同零件的點線的合并而改變各零件裝配關系。
（3）在三維CAD軟件產(chǎn)品中建立的三維參數(shù)化模型導入后很難保持參數(shù)化的特征，給有限元優(yōu)化設計帶來困難[3]。
（4）模型的建立只是有限元分析的一個步驟，還必須考慮單元劃分，加載和后處理等系列問題導入的模型由于各實體元素的編號不能控制，給后繼問題的處理帶來很大不便。
1.4 課題研究的主要內(nèi)容
1．設計的主要內(nèi)容
（1）通過給定的二維圖形結(jié)合著Pro/E軟件轉(zhuǎn)化為三維圖形。
（2）再建立起配氣機構各個零部件的三維實體模型。
（3）在零部件的實體模型的基礎上,定義各個零部件之間的裝配配合關系。
（4）最后把每個部件都結(jié)合到一起進行模擬裝配，從而建立起該裝配體的實體模型。
（5）選取排氣門并導入ANSYS軟件中對其受載和約束情況進行有限元分析，對氣門承受的強度進行計算校核。
1.5 課題研究的主要方法
收集有關微型乘用車發(fā)動機配氣機構的相關資料。對配氣機構的零部件進行建模，以氣門組的氣門為研究對象，在Pro/E參數(shù)化建模的基礎上，將其三維模型導入ANSYS軟件進行氣門的有限元分析。
第2章 氣門組的建模
2.1 概述
1.配氣機構的功用
配氣機構的功用是按照發(fā)動機每一缸的工作順序和工作循環(huán)的要求，定時開啟和關閉各缸的進、排氣門，是新鮮的氣體進入氣缸，廢氣從氣缸排出。所謂新鮮氣體，對于汽油機就是汽油與空氣的混合氣，對于柴油機則為純凈的空氣。配氣機構應使發(fā)動機在各種工況下工作是厚的最佳的進氣量，以保證發(fā)動機在各種工況下工作時具有最佳的性能。
2.配氣機構的組成
氣門式配氣機構由氣門組和氣門傳動組兩部分組成，每組的零件組成則與氣門的位置、凸輪軸的位置和氣門驅(qū)動形式等有關。本次設計的配氣機構是凸輪軸上置式，由凸輪軸直接驅(qū)動搖臂，搖臂在驅(qū)動氣門，這種方式是配氣機構的剛度大，驅(qū)動氣門的能量損失小[4]。
2.2 氣門的建模
2.2.1 進氣門的建模
1.創(chuàng)建新文件夾的步驟
（1）運行Pro/E。單擊“文件”工具欄中的新建工具，彈出“新建”對話框，如圖2.1所示。
圖2.1 “新建”窗口 圖2.2 選擇“單位類型”
（2）點選“類型”選項中的“零件”單選按鈕，點選子類型選項組中的“實體”單選鈕，并在名稱文本框中輸入新建文件的名稱，取消勾選“使用默認模板”復選框，單擊“確定”彈出新文件選項對話框。
（3）選擇“mmns_part_solid”模板，表示零件模型為實體，單擊“確定”完成，如圖2.2所示。
2.創(chuàng)建進氣門的草繪圖形
（1）點擊確定，進入草繪屬性界面，如圖2.3所示。
圖2.3 “草繪屬性”窗口
（2）根據(jù)已給的PDF文件，繪制進氣門的草繪圖，繪圖時注意要選取旋轉(zhuǎn)軸，否則不能生成三維模型，如圖2.4所示。
圖2.4 “草繪”窗口
（3）繪制完草圖后點擊右下角的圖標，并對其進行旋轉(zhuǎn)，點擊工具欄里的圖標，如圖2.5所示。
圖2.5 “三維圖”窗口
3.完成進氣門的實體特征
（1）在點擊圖2.5的右下角圖標，完成三維圖形，如圖2.6所示。
圖2.6進氣門三維圖1
（2）在對進氣門進行倒角，點擊右側(cè)工具欄里的圖標，輸入倒角的數(shù)值0.3，如圖2.7所示。
圖2.7進氣門三維圖2
（3）最后畫出了進氣門的三維視圖，對其進行保存，如圖2.8所示。
圖2.8進氣門三維圖3
2.2.2 排氣門的建模
1.創(chuàng)建新文件夾的步驟
（1）運行Pro/E。單擊“文件”工具欄中的新建工具，彈出“新建”對話框，如圖2.9所示。
圖2.9 “新建”窗口 圖2.10選擇“單位類型”
（2）點選“類型”選項中的“零件”單選按鈕，點選子類型選項組中的“實體”單選鈕，并在名稱文本框中輸入新建文件的名稱，取消勾選“使用默認模板”復選框，單擊“確定”彈出新文件選項對話框。
（3）選擇“mmns_part_solid”模板，表示零件模型為實體，單擊“確定”完成，如圖2.10所示。
2.排氣門實體的創(chuàng)建過程
（1）整體的建模過程與進氣門的建模過程類似，大致有以下幾步，首先繪制排氣門的草繪圖，如圖2.11所示。
圖2.11 “草繪”窗口
（2）其次在點擊右側(cè)的圖標，在點擊工具欄里的圖標，如圖2.12所示。
圖2.12草繪旋轉(zhuǎn)
（3）完成了旋轉(zhuǎn)，點擊圖標，在點擊圖標進行倒角，如圖2.13.所示。
圖2.13排氣門三維圖
2.3其他零件建模
2.3.1墊圈的建模
畫圖的過程比較簡單，在這就不做仔細的描述，畫完的圖形如圖2.14所示。
圖2.14墊圈
2.3.2氣門導管的建模
先畫出草繪圖，在對其進行旋轉(zhuǎn)，得到圖2.15所示。
圖2.15氣門導管
2.3.3調(diào)整螺釘?shù)慕?
1.創(chuàng)建新文件夾的步驟
（1）運行Pro/E。單擊“文件”工具欄中的新建工具，彈出“新建”對話框，如圖2.16所示。
圖2.16“新建”窗口 圖2.17選擇“單位類型”
（2）點選“類型”選項中的“零件”單選按鈕，點選子類型選項組中的“實體”單選鈕，并在名稱文本框中輸入新建文件的名稱，取消勾選“使用默認模板”復選框，單擊“確定”彈出新文件選項對話框。
（3）選擇“mmns_part_solid”模板，表示零件模型為實體，單擊“確定”完成，如圖2.17所示。
2.畫出調(diào)整螺釘?shù)牟輬D并進行拉伸
畫出圓柱的草繪圖，得到圖2.18所示。
圖2.18拉伸
3.對調(diào)整螺釘進行螺紋掃描
（1）在對其進行螺紋掃描，在主菜單上依次單擊“插入”→“螺旋掃描”→“切口”命令，系統(tǒng)彈出“屬性”菜單管理器，如圖2.19（a）（b）所示。
(a) (b)
圖2.19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“設置草繪平面”菜單管理器，如圖2.20所示。
圖2.20 菜單管理器 圖2.21菜單管理器
（3）在繪圖區(qū)單擊選取“RIGHT”面作為草繪平面，系統(tǒng)彈出“方向”菜單管理器，如圖2.21所示。
（4）在“方向”菜單管理器中單擊“正向”命令，系統(tǒng)彈出“草繪視圖”菜單管理器，單擊“缺省”命令，進入草繪環(huán)境。
（5）繪制如圖2.22所思的掃描軌跡，注意繪制螺旋掃描的中心線。在工具欄內(nèi)單擊按鈕完成草圖的繪制。
圖2.22草繪
（6）系統(tǒng)提示“輸入節(jié)距值”輸入節(jié)距值“0.8”，單擊按鈕完成。如圖2.23所示。
圖2.23
（7）系統(tǒng)彈出“方向”菜單管理器，指示切口的生成方向，單擊“正向”命令，如圖2.24所示。
圖2.24菜單管理器 圖2.25切剪
（8）在如圖2.25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。
（9）螺紋收尾，在工具欄內(nèi)單擊按鈕，或者依次在主菜單內(nèi)單擊“插入”→“拉伸”命令，彈出“拉伸”操縱面板，在操縱面板內(nèi)單擊【放置】按鈕，然后單擊【定義】按鈕，彈出“草繪”定義對話框。
（10）最后得到調(diào)整螺釘?shù)娜S視圖，如圖2.26所示。
圖2.26調(diào)整螺釘
2.3.4氣門彈簧的建模
1.建立掃描軌跡
（1）單擊按鈕，在“新建”對話框中輸入文件名“qimentanhuang”，然后單擊“確定”按鈕。
（2）在主菜單中單擊“插入”→“螺旋掃描” →“伸出項”命令，彈出如圖2.27所示的“屬性”菜單管理器。
（3）在如圖2.27所示的“屬性”菜單管理器中，單擊“可變的”→“穿過軸”→“右手定責” →“完成”命令，系統(tǒng)彈出如圖2.28所示的“設置草繪平面”菜單管理器。
（4）在繪圖區(qū)內(nèi)單擊選取“FRONT”面作為草繪平面，系統(tǒng)彈出“方向”菜單管理器，如圖2.29所示。
（5）在“方向”菜單管理器中單擊“正向”命令，系統(tǒng)彈出“草繪視圖”菜單管理器，如圖2.30所示。
（6）在“草繪視圖”菜單管理器中單擊“缺省”命令，進入草繪環(huán)境。如果要選擇其他繪圖平面，可以單擊其他命令。
（7）繪制如圖2.31所示的掃描軌跡線。在主菜單中單擊“草繪”→“點”命令，或者在“草繪”工具欄中單擊【分割點】按鈕添加點，最終效果如圖2.31所示，單擊按鈕完成掃描軌跡。
圖2.27 菜單管理器 圖2.28設置平面 圖2.29選取方向 圖2.30選取
圖2.31軌跡
2.輸入螺距值
（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2.32所示，單擊中按鈕完成。
圖2.32輸入起始節(jié)距值
（2）系統(tǒng)再次提示“在軌跡末端輸入節(jié)距值”，同樣輸入節(jié)距值為“3”，如圖2.33所示
圖2.33輸入末端節(jié)距值
（3）系統(tǒng)彈出如圖2.34所示的定義螺距的對話框。單擊先前增加的控制點，系統(tǒng)提示“為彈簧增加螺距值”如圖2.35所示。
圖2.34定義螺距對話框
圖2.35增加螺距值
（4）在信息提示區(qū)輸入螺距值為“3”，單擊按鈕完成。
（5）再用同樣的方法為其他控制點輸入螺距值，最終生成的螺距曲線如圖2.36所示。
圖2.36增加控制點螺距值
（6）在“控制曲線”菜單管理器中單擊“完成”→“返回” →“完成”命令。3.繪制截面
繪制用于螺旋掃描的截面，完成后的草圖如圖2.37所示，在工具欄內(nèi)單擊按鈕確定。
圖2.37 繪制草圖 圖2.38伸出項
4.完成建模
在如圖2.38所示的“伸出項：螺旋掃描”對話框中單擊【預覽】按鈕預覽完成后的模型，單擊【確定】按鈕完成彈簧的創(chuàng)建。最終如圖2.39所示。
圖2.39氣門彈簧
2.4 本章小結(jié)
本章介紹了進氣門和排氣門的繪圖過程，并對后期的有限元分析做了鋪墊。
第3章 氣門傳動組的建模
3.1 概述
1.氣門傳動組的結(jié)構
氣門傳動組的零件由凸輪軸、搖臂、搖臂軸、滾軸、等組成。各零部件之間的建立對整體的裝配起到?jīng)Q定性的作用[4]。
3.2 氣門傳動組設計中需注意的問題
氣門傳動組中的每一個零件都對配氣機構起到十分重要的作用，因此在畫每一個圖形的時候都仔細核對尺寸，以免在進行裝配的時候產(chǎn)生約束，并對每一個零件進行實體模型的比對，以免出現(xiàn)不必要的錯誤。
3.3 凸輪軸的建模
1.創(chuàng)建新文件夾的步驟
（1）運行Pro/E。單擊“文件”工具欄中的新建工具，彈出“新建”對話框，如圖3.1所示。
圖3.1 “新建”窗口 圖3.2 選擇“單位類型”
（2）點選“類型”選項中的“零件”單選按鈕，點選子類型選項組中的“實體”單選鈕，并在名稱文本框中輸入新建文件的名稱，取消勾選“使用默認模板”復選框，單擊“確定”彈出新文件選項對話框。
（3）選擇“mmns_part_solid”模板，表示零件模型為實體，單擊“確定”完成，如圖3.2所示。
2.創(chuàng)建凸輪軸的草繪圖形并拉伸
（1）根據(jù)所給定的二維圖形按照從零尺寸出開始建模，具體的操作方法如下所述，首先先畫一側(cè)的圓，對其進行拉伸點擊圖標，得到圖3.3所示。
圖3.3草繪圖
（2）按照從一側(cè)開始的順序一步一步的畫出草圖，在對其進行拉伸點擊圖標，需要旋轉(zhuǎn)的部位也要先進行草繪，一定要選取中心線，然后對其進行旋轉(zhuǎn)點擊圖標。還要結(jié)合著凸輪的角度進行畫草圖，因為每個進排氣門的配氣正時角度不一樣，要嚴格按照圖紙上的剖面圖進行建模，得到如圖3.4(a)(b)(c)組所示。
（a）
（b）
（c）
圖3.4凸輪軸三維圖組
3.創(chuàng)建凸輪軸兩側(cè)的孔
（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)進行打孔，選擇圖標進行打孔，點擊圖標，進行草繪孔，按照二維圖畫出草繪圖，如圖3.5所示。注意放置曲面的位置和選取的參照面，要把選取參照面的偏移量均設置為零，以使兩者在同一條軸線上。如圖3.6、圖3.7所示。最后的到圖3.8所示。
圖3.5草繪孔
圖3.6選取放置 圖3.7選取偏照
圖3.8孔1
（2）在對其內(nèi)部的深孔進行加工，同樣也是選擇打孔圖標，打開后選擇標準孔圖標，選擇螺釘尺寸，并輸入空的深度，如圖3.9所示。點擊完成。如圖3.10所示。
圖3.9標準孔
圖3.10孔2
（3）同樣做法再把另一側(cè)的孔做出來，先畫出孔的草繪圖，如圖3.11所示，最后選取放置的平面，完成后的視圖如3.12所示。
圖3.11孔草繪
圖3.12凸輪軸三維圖
3.4 搖臂的建模
3.4.1 進氣搖臂的建模
1.創(chuàng)建新文件夾的步驟
（1）運行Pro/E。單擊“文件”工具欄中的新建工具，彈出“新建”對話框，如圖3.13所示。
圖3.13 “新建”窗口 圖3.14 選擇“單位類型”
（2）點選“類型”選項中的“零件”單選按鈕，點選子類型選項組中的“實體”單選鈕，并在名稱文本框中輸入新建文件的名稱，取消勾選“使用默認模板”復選框，單擊“確定”彈出新文件選項對話框。
（3）選擇“mmns_part_solid”模板，表示零件模型為實體，單擊“確定”完成，如圖3.14所示。
2.創(chuàng)建進氣搖臂軸孔草繪圖并拉伸
（1）先選擇FRONT為草繪平面，繪制出軸孔的圖形，如圖3.15所示。
圖3.15軸孔草繪
（2）完成草繪圖形，點擊右下角的圖標，如圖3.16所示。
圖3.16軸孔拉伸
3.創(chuàng)建安裝滾軸的一側(cè)實體圖形
（1）接下來畫的是滾軸的一側(cè)，也是先畫出草繪圖形在對其進行拉伸，如圖3.17所示。
圖3.17拉伸
（2）在對上級拉伸的圖形進行處理，把滾輪的位置畫出來，此時畫完草圖時拉伸時要選擇去除材料，如圖3.18所示。
圖3.18
4.創(chuàng)建頂氣門一側(cè)的實體圖型
（1）在畫頂氣門的一側(cè)，具體的過程按照以一個為基準的原則，在其基礎上一步一步的畫出草圖在進行拉伸、旋轉(zhuǎn)或去除材料，每一步都要結(jié)合著尺寸耐心的去畫，以達到如圖3.19（a）（b）（c）（d）（e）組所示的效果。具體的過程參看圖3.20所示。
（a） （b）
（c）
（d）
（e）
圖3.19-進氣搖臂圖組
圖3.20進氣搖臂步驟
（2）在對進氣搖臂進行倒角。
3.4.2 排氣搖臂的建模
1.創(chuàng)建排氣搖臂實體的過程
整體的步驟和進氣搖臂相類似，但是排氣搖臂是兩個頂氣門的接觸點，注意畫圖時的按照二維圖形的尺寸，結(jié)合著角度去畫，具體的步驟見圖3.21(a)(b)所示。畫圖的主要過程圖如圖3.22（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）（i）組所示。
(a) (b)
圖3.21排氣搖臂步驟
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
(g) (h)
(i)
圖3.22排氣搖臂圖組
3.5 搖臂軸的建模
3.5.1 進氣搖臂軸的建模
1.創(chuàng)建新文件夾的步驟
（1）運行Pro/E。單擊“文件”工具欄中的新建工具，彈出“新建”對話框，如圖3.23所示。
圖3.23 “新建”窗口 選擇“單位類型”
（2）按順序依次點擊完成新文件夾的創(chuàng)建
2.創(chuàng)建進氣搖臂軸的主軸
（1）確定尺寸后先畫出搖臂軸的主軸，畫出草圖后在對其進行拉伸，如圖3.24所示。
圖3.24拉伸
（2）對軸的內(nèi)部打通孔，目的是進行潤滑作用，如圖3.25所示。
圖3.25孔
3.創(chuàng)建主軸上的固定孔并在孔上畫出凹臺
（1）把軸上的五個固定孔畫出來，點擊右側(cè)的圖標，選定放置的曲面，并確定他們的偏移量，如圖3.26所示。
圖3.26基準
（2）輸入尺寸后點擊右側(cè)的圖標，完成孔的處理，以此類推，畫出其余的四個孔，如圖3.27所示。
圖3.27安裝孔
（3）在每個孔的上面畫出一個凹的平臺，步驟是先在軸上畫草圖，然后進行拉伸去除材料，如圖3.28所示。
圖3.28搖臂軸
4.再在主軸上創(chuàng)建油道孔
（1）然后再在軸上畫出帶有沉孔的油道孔，依次點擊，選擇標準孔，輸入尺寸，如圖3.29所示。選擇增加埋頭孔。
圖3.29基準
（2）畫完的圖如3.30所示。
圖3.30進氣搖臂軸圖
3.5.2排氣搖臂軸的建模
1.創(chuàng)建排氣搖臂的主要步驟
（1）整體的步驟和進氣搖臂的過程相類似，具體的步驟如圖3.31(a)(b)組所示，畫圖的主要步驟如圖3.32(a)(b)(c)(d)(e)(f)組所示。
(a) (b)
圖3.31排氣搖臂步驟組
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
圖3.32排氣搖臂圖組
（2） 按上述步驟完成排氣搖臂軸的建模
3.6其他零件建模
3.6.1滾輪建模
如圖3.33所示，過程見圖中左側(cè)的步驟。
圖3.33滾輪
3.6.2滾軸的建模
按照PDF圖畫出草圖，在對其進行旋轉(zhuǎn)，如圖3.34所示和圖3.35所示。
圖3.34滾軸
圖3.35滾軸
3.6.3驅(qū)動齒輪的建模
1.創(chuàng)建新文件夾的步驟
（1）運行Pro/E。單擊“文件”工具欄中的新建工具，彈出“新建”對話框，如圖3.36所示。
圖3.36“新建”窗口 圖3.37選擇“類型”
（2）點選“類型”選項中的“零件”單選按鈕，點選子類型選項組中的“實體”單選鈕，并在名稱文本框中輸入新建文件的名稱，取消勾選“使用默認模板”復選框，單擊“確定”彈出新文件選項對話框。
（3）選擇“mmns_part_solid”模板，表示零件模型為實體，單擊“確定”完成，如圖3.37所示。
2.畫出驅(qū)動齒輪的草圖并進行拉伸
畫出圓柱的草繪圖，得到圖3.38所示。
圖3.38驅(qū)動齒輪的圓柱草繪圖
3.對驅(qū)動齒輪創(chuàng)建軸孔
畫出孔的草繪圖，拉伸去材料，得到圖3.39所示。
圖3.39驅(qū)動齒輪的軸孔草繪圖
4.對驅(qū)動齒輪創(chuàng)建鍵槽
畫出鍵槽的草繪圖，拉伸去材料，得到圖3.40所示。
圖3.40驅(qū)動齒輪的鍵槽草繪圖
5.對驅(qū)動齒輪創(chuàng)建小孔
畫出小孔的草繪圖，拉伸去材料，得到圖3.41所示。
圖3.41驅(qū)動齒輪小孔的草繪圖
6.繪制輪齒
畫出輪齒的草繪圖，拉伸去材料后陣列，得到圖3.42所示。
圖3.42驅(qū)動齒輪輪齒的草繪圖
3.6.4 從動齒輪的建模
1.創(chuàng)建新文件夾的步驟
（1）運行Pro/E。單擊“文件”工具欄中的新建工具，彈出“新建”對話框，如圖3.43所示。
圖3.43“新建”窗口 圖3.44選擇“類型”
（2）點選“類型”選項中的“零件”單選按鈕，點選子類型選項組中的“實體”單選鈕，并在名稱文本框中輸入新建文件的名稱，取消勾選“使用默認模板”復選框，單擊“確定”彈出新文件選項對話框。
（3）選擇“mmns_part_solid”模板，表示零件模型為實體，單擊“確定”完成，如圖3.44所示。
2.畫出驅(qū)動齒輪的草圖并進行拉伸
畫出圓柱的草繪圖，得到圖3.45所示。
圖3.45從動齒輪圓柱的草繪圖
2.繪制軸孔
畫出軸孔的草繪圖，拉伸去材料，得到圖3.46所示。
圖3.46從動齒輪軸孔的草繪圖
3.繪制輪輻
畫出輪輻的草繪圖，旋轉(zhuǎn)去材料后拉伸去材料，得到圖3.47所示。
圖3.47從動齒輪軸孔的草繪圖
4.對驅(qū)動齒輪創(chuàng)建鍵槽
畫出鍵槽的草繪圖，拉伸去材料，得到圖3.48所示。
圖3.48從動齒輪鍵槽的草繪圖
5.繪制輪齒
畫出輪齒的草繪圖，拉伸去材料后陣列，得到圖3.49所示。
圖3.49從動齒輪輪齒的草繪圖
3.6.5 齒帶的建模
1.創(chuàng)建新文件夾的步驟
（1）運行Pro/E。單擊“文件”工具欄中的新建工具，彈出“新建”對話框，如圖3.50所示。
圖3.50“新建”窗口 圖3.51選擇“類型”
（2）點選“類型”選項中的“零件”單選按鈕，點選子類型選項組中的“實體”單選鈕，并在名稱文本框中輸入新建文件的名稱，取消勾選“使用默認模板”復選框，單擊“確定”彈出新文件選項對話框。
（3）選擇“mmns_part_solid”模板，表示零件模型為實體，單擊“確定”完成，如圖3.51所示。
2.畫出齒帶的掃描軌跡
畫出齒帶的草繪圖，掃描軌跡，得到圖3.52所示。
圖3.52齒帶的掃描軌跡草繪圖
3.畫出帶齒
畫出帶齒的草繪圖，拉伸去材料后陣列，得到圖3.53所示。
圖3.53齒帶圖
3.7本章小結(jié)
本章主要介紹的是氣門傳動組的建模，氣門傳動組的作用是使氣門按發(fā)動機配氣相位規(guī)定的時刻開、閉，并保證有足夠的開啟高度。其中的零件多而復雜，要求的精度也很高，所以就要求在畫圖時注意尺寸的偏差，注意零件的配合間隙，在畫進氣搖臂和排氣搖臂時要注意其中的約束，保證畫出的零件能夠符合標準。
第4章 配氣機構的裝配
4.1 概述
配氣機構的組成是由氣門組和氣門傳動組組成的,在對其進行裝配時的注意事項由以下幾點：首先在安裝凸輪軸時要注意氣門正時的位置要按照發(fā)動機做功的順序進行裝配，其次在對搖臂往搖臂軸上安裝時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，最后在安裝氣門時要注意氣門的角度以適應氣門座，達到良好的密封效果，有些地方?jīng)]進行結(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。
4.2 裝配過程
1.進氣搖臂和進氣搖臂軸的組裝
（1）在工具欄內(nèi)單擊新建按鈕，彈出新建對話框。在“類型”選項組中選擇”組件”按鈕，并清除“使用缺省模板”復選框，如圖4.1所示。單擊“確定”按鈕彈出“新文件選項”對話框，在“模板”選項組中選擇mmns＿asm＿design選項，如圖4.2所示。
圖4.1“新建”窗口 圖4.2選擇“單位類型”
（2）點擊確定后在菜單上面點擊“插入”命令，接著在點擊“元件”命令，彈出“裝配”，然后打開自己所保存的零件圖，如圖4.3所示。
圖4.3打開菜單
（3）點擊打開命令，彈出進氣搖臂軸的三維視圖，點擊右下角的命令，如圖4.4所示。
圖4.4進氣搖臂軸
（4）然后再點擊“插入”命令，在選擇一個要裝配到進氣搖臂軸上的零件，即進氣搖臂，點擊后如圖4.5所示。
圖4.5兩者圖
（5）然后再對其進行約束點擊兩個零件的中心線，此時兩個零件的中心線重合，如圖4.6所示。
圖4.6兩者重合
（6）在按照搖臂軸上的進氣搖臂的位置進行尺寸上的約束，即點擊“放置”按鈕，增加“新建約束”，調(diào)整約束類型為“對齊”選擇兩個零件的平面驚醒約束，再點擊按鈕，選擇按鈕，修改尺寸，如圖4.7所示。
圖4.7兩者對齊
（7）按照同樣的方法再把其余的幾個進氣搖臂組裝到搖臂軸上，所得到如圖4.8所示。
圖4.8進氣搖臂裝到軸上
（8）接著再把調(diào)整螺釘組裝到進氣搖臂上，過程也和上面類似，把每一個進氣搖臂都組裝上調(diào)整螺釘，當讓也可以選擇復制的模式把其組裝上，見圖4.9所示。
圖4.9加入調(diào)整螺釘
（9）在對進氣搖臂的另一側(cè)安裝滾軸，步驟也是相似的，組裝完后如圖4.10所示。
圖4.10加入滾軸
（10）接下來再把進氣門組裝到進氣搖臂上，過程也和上面類似，得到圖4.11所示。
圖4.11加入進氣門
2.排氣搖臂和排氣搖臂軸的組裝
排氣搖臂軸的組裝和進氣搖臂軸的組裝十分相似，在這里就不做過多的介紹，整體的步驟如圖4.12所示。
圖4.12組裝
3．整體的裝配
（1）最后把所有的零部件都集中到一起，裝配的同時注意各組零件的安放位置，以凸輪軸為中心進行裝配，得到如圖4.13所示。
圖4.13整體組裝
（2）在把氣門彈簧組裝到每個氣門里面，如圖4.14(a)(b)(c)組所示。
圖4.14整體組裝組(a)
圖4.14整體組裝組(b)
圖4.15整體組裝組(c)
4.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了Pro/E的配氣機構裝配模式及裝配基礎，如何進入裝配（組件）模式；如何將元件添加到組件中；如何進行裝配等。裝配結(jié)果基本符合要求，不足的地方是沒有使配氣機構運動起來，如果能使其運動起來效果會更好一些，另外，畢竟是模擬裝配，有些地方不能夠考慮到實際的問題，希望如果能夠結(jié)合著實際來操作，效果會更加的凸顯。
第5章 氣門的有限元分析
5.1 概述
有限元分析（Finite Element Analysis,FEA）是20世紀中葉在電子計算機誕生之后，在計算數(shù)學、計算力學和計算工程科學領域誕生的一種有效的計算方法。有限元時在連續(xù)體力學領域---飛機結(jié)構的靜力與動力特征分析中應用和發(fā)展起來的一種有效的數(shù)值分析方法，它可以解決工程中的結(jié)構問題，也成功的解決了傳熱學、流體動力學、電磁學和聲學等領域的問題。由于有限元法計算精度高、適應性強、計算格式規(guī)范統(tǒng)一，有限元的計算結(jié)果已經(jīng)成為各類工業(yè)產(chǎn)品設計和性能分析的可靠依據(jù)。進過進十幾年的發(fā)展，各種不同的有限元方法形態(tài)發(fā)展的更為豐富，理論基礎更為完善，而且已經(jīng)開發(fā)出了一批實用、有效的通用和專用的有限元軟件，國際上著名的通用有限元軟件有幾十種，常用的有MARK、ANSYS、ALGOR、NASTRAN、ADINA以及SAP等。
在目前的通用與專用有限元分析軟件中，美國ANSYS公司開發(fā)的ANSYS軟件是最為通用有效的商業(yè)有限元軟件之一。ANSYS是一種通用的商業(yè)套裝工程分析軟件，通過分析結(jié)構受到外力載荷后所產(chǎn)生的反應，如位移、應力、溫度等，便可以知道結(jié)構受到外力負載后的狀態(tài)，從而判定結(jié)構是否符合設計要求。
ANSYS軟件是國際流行的融結(jié)構、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，具有強大處理、求解和后處理功能。ANSYS軟件從20世紀70年代誕生至今，經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成為能夠跟計算機硬件軟件發(fā)展水平的功能完備的有限元軟件系統(tǒng)，已經(jīng)為全球工業(yè)界所廣泛接受。他在工程上的應用相當廣泛，在機械、交通、物理、土木、生物醫(yī)學、電子及航天航空的領域的使用，都就已經(jīng)能夠達到某種程度的可信度，并且頗獲各界好評。使用該軟件進行產(chǎn)品設計分析，能夠降低設計成本，縮短設計時間。它是第一個通過了ISO9001質(zhì)量認證的大型分析設計軟件，是美國機械工程師協(xié)會（ASME）、美國核安全局(NQA)及近20種專業(yè)技術協(xié)會認證的標準分析軟件，在我國，ANSYS軟件第一個通過了中國壓力容器標準化技術委員的認證，并在國務院17個部委推廣使用。
ANSYS公司是由美國匹茲堡大學力學系教授、有限元法的權威、著名的力學專家John Swanson博士于1970年創(chuàng)建而發(fā)展起來的，其總部位于美國賓夕法尼亞州的匹茲堡市，目前是世界CAE行業(yè)最大的公司之一[17]。
ANSYS是一個通用的有限元分析軟件，它具有多種多樣的分析能力，從簡單的線性靜態(tài)分析到復雜的非線性動態(tài)分析。而且，ANSYS還具有產(chǎn)品的優(yōu)化設計、估計分析等附加功能。
在啟動ANSYS后，就可以打開ANSYS的圖形用戶界面（GUI）。ANSYS的圖形用戶界面主要有8個部分組成[18]：
（1）Utility Menu（實用菜單）包括一些在整個分析過程中都有可能要用到的一些命令，比如文件類命令、選取類命令以及圖形控制和一些參數(shù)設置等等。
（2）Standard Toolbar（標準工具條窗口）包括一些常用的命令按鈕，這些按鈕對應的命令都可以在實用菜單中找到對應的菜單項。
（3）Input Window（命令輸入窗口）通過這個窗口，可以直接輸入ANSYS可以支持的命令，以前所有輸入過的命令以下拉列表的形式便于再次輸入。
（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ANSYS已經(jīng)默認定義了一些按鈕執(zhí)行相應的功能。
（5）Main Menu（主菜單窗口）包括一些基本的ANSYS命令，以處理器（processor）的類型來組織（前處理器，求解器等等），具體的命令是否可用與ANSYS當前所處得處理器位置有關。
（6）Graphics Window（圖形窗口）ANSYS的圖形輸出區(qū)域，一般的交互式圖形操作也在此區(qū)域進行。
（7）Status and Prompt Area（狀態(tài)欄）顯示當前操作的有關提示。
（8）Output Window（輸出窗口）輸出窗口接收ANSYS程序運行時所有的文本輸出，比如命令的響應、注釋，警告、錯誤以及其他的各種消息。一般情況下，這個窗口隱藏在主窗口后面
5.2 ANSYS與Pro/E
由于目前CAD和CAE這兩個領域最具代表性的應用軟件分別是Pro/E和ANSYS。Pro/E擁有強大的實體和曲面造型功能，而ANSYS具有完善的有限元分析功能，這兩個軟件各自的長處恰恰又是對方的短處。解決這一矛盾的有效途徑是:在Pro/E中進行建模，然后將模型導入到ANSYS軟件中進行有限元分析，從而實現(xiàn)用計算機完成零件設計和分析。所以，問題的關鍵是如何把這兩個軟件結(jié)合起來，將Pro/E中生成的模型完整地導入到ANSYS中去，進而完成所需的有限元分析。
本次設計采用的是Pro/ENGINEERWildfire4.0與ANSYS8.0為研究對象，并采用這兩個軟件進行了實體模型在兩個不同軟件之間的轉(zhuǎn)換和連接。本次設計用的是第二種放方案，是將轉(zhuǎn)換為Pro/E4.0prt文件轉(zhuǎn)化iges 格式文件后導入到ANSYS 8.0中，其中要值得注意的是轉(zhuǎn)化的igs文件要保存于英文文件夾下，不能是中文的文件夾下。這是要特別注意的。
1、導入方法與對策
將PRO/ E4.0 的模型導入ANSYS8.0 一般有2 種方法。
（1）第一種是在PRO/E與ANSYS中建立一種接口連接，由于此種方法對兩者的要求是Pro/E軟件的版本發(fā)布日期不能高于ANSYS軟件的版本發(fā)布日期。
之前試過了Pro/E4.0和ANSYS8.0或ANSYS10.0的連接都沒能成功，所以只能下載比Pro/E4.0高的版本。如果想用第一種方案，就要改用Pro/E3.0.
（2）第二種是將轉(zhuǎn)換為Pro/E4.0prt文件轉(zhuǎn)化iges 格式文件后導入到ANSYS 8.0中。本次設計采用的就是這種方法。
將PRO/ E 的prt 格式先轉(zhuǎn)換為iges 格式，在PR