基于CAX的陶瓷摇臂设计和量产化制造关键技术研究
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摘要
为了提高动力特性,现代高速发动机一般都采用了顶置凸轮轴(OHC)式配气机构。在这种配气机构中,摇臂是一个对发动机整体性能影响较大的重要零件。由于摇臂的工作条件恶劣、综合性能要求复杂,因而其新产品的开发成为近年来国内外研究的热点。本文以TJ370Q发动机摇臂新产品的研制过程为例,运用现代新产品开发理论和CAI、CAD、CARE、CAE等技术对目前最新一代的高性能摇臂—铝合金陶瓷镶块摇臂的设计技术和关键制造工艺进行了深入的研究。全文的主要内容可概括如下:
1在分析摇臂的性能要求、国内外研究现状及其设计技术发展趋势的基础上,提出了课题研究的主要内容和意义。
2运用计算机辅助产品创新(CAI)软件工具TechOptimizerTM?提出了铝合金陶瓷镶块摇臂的技术原理方案,进行了陶瓷镶块与铝合金摇臂基体之间“全包容”的创新连接结构初步设计,制定了具有创新性的陶瓷摇臂“反向定位加工”总体制造工艺方案。在此基础上,运用统筹方法制定了陶瓷摇臂新产品的研制计划。
3阐明了陶瓷摇臂的设计属于反设计,并详细描述了运用计算机辅助反向工程(CARE)技术替代传统的分析计算模型对气门摇臂的工况载荷和设计参数进行反求的一般方法。
4提出了陶瓷摇臂的设计原则、参数化CAD建模方法和基于有限元分析的形体结构优化设计方法。根据“全包容”的创新思想和陶瓷与金属的连接技术研究现状,详细设计了用材少、成本低、联接可靠、容易制造的倒楔角陶瓷镶块结构,并提供了相应的经验数据。介绍了运用快速原型制造(RPM)技术和金属模具翻铸技术相结合来进行陶瓷摇臂功能原型快速试制的方法。根据制造工艺的研究结果,提出了陶瓷摇臂面向制造(DFM)的结构设计要求。
5阐述了陶瓷摇臂量产化对生产效率、生产成本和产品质量的要求,并在此基础上分别对陶瓷镶块毛坯制备、陶瓷镶块圆弧工作面加工、陶瓷摇臂毛坯压铸和机械加工等制造过程中的关键工艺难点进行了攻关,取得了多项研究成果,为实现陶瓷摇臂的批量化生产奠定了基础。
6根据系统化设计的原理,对采用陶瓷摇臂后的气门弹簧匹配性优化设计方法进行了研究。建立了气门弹簧改进设计的约束条件,提出了以配气机构受力峰值最小作为气门弹簧优化设计的目标,介绍了通过虚拟配气机构动力学仿真确定最佳气门弹簧特性的方法和基于计算机辅助螺旋压簧设计的气门弹簧尺寸参数确定方法。
Overhead cam (OHC) valve train has been widely adopted in modern high-speed internal-combustion engines for better dynamic characteristics. In this kind of valve train, the rocker arm is an important part that has great influence on the overall performance of the engine. For such reasons as severe working conditions and comprehensive overall properties requirements, new product development of rocker arm has been becoming the focus of research abroad and domestic in recent years. This paper is centered on the development of a new rocker arm for the TJ370Q engine. Taking it as an example, the design techniques and key manufacturing process of the up-to-date high-performance rocker arm: the aluminum die-cast rocker arm with a ceramic insert (called“ceramic rocker arm”for short below) were studied in depth using such methods as the theory of new product development, CAI, CAD, CARE, CAE etc. The main research works of this paper are summarized as follows:
1. On the basis of analyzing the properties requirements of rocker arm together with giving an overview of its present research state and future trend of development both at home and abroad, the contents and great significance of this research has been set forth.
2. By utilizing the Computer Aided Innovation software TechOptimizerTM?, the technical principle of the ceramic rocker arm has been put forward, and then the so-called“fully wrapped”joining structure between the ceramic insert and the aluminum rocker arm base has been invented preliminarily as well as the innovative overall process flow called“reverse-locating machining”has been laid down. Based on the work aforementioned, the whole development plan of the new ceramic rocker arm has been constituted by means of PERT-CPM method.
3. It has been clarified that the design of ceramic rocker arm pertains to reverse design. With this understanding, this paper expatiated in detail on how to seek out the working loads and design parameters of the rocker arm in reverse order by employing computer aided reverse engineering (CARE) technology in place of the conventional calculation model.
4. Research continued on advancing the design principles of ceramic rocker arm together with its parametric CAD modeling and FEA-based shape optimization methods. In terms of the innovative idea of“fully wrapped joining”and the status in quo of recent research on the joining techniques of ceramics and metals, an inverse-wedge-shaped ceramic insert was designed with such strong points as saving material, low cost, reliable joint and easy to manufacture, and some experiential data about it were provided accordingly. Moreover, A method of rapid function prototype trial producing of the ceramic rocker arm was recommended by a combination of two techniques, namely rapid prototype manufacturing (RPM) and metal mould inverse casting. Withal, the structural design
1在分析摇臂的性能要求、国内外研究现状及其设计技术发展趋势的基础上,提出了课题研究的主要内容和意义。
2运用计算机辅助产品创新(CAI)软件工具TechOptimizerTM?提出了铝合金陶瓷镶块摇臂的技术原理方案,进行了陶瓷镶块与铝合金摇臂基体之间“全包容”的创新连接结构初步设计,制定了具有创新性的陶瓷摇臂“反向定位加工”总体制造工艺方案。在此基础上,运用统筹方法制定了陶瓷摇臂新产品的研制计划。
3阐明了陶瓷摇臂的设计属于反设计,并详细描述了运用计算机辅助反向工程(CARE)技术替代传统的分析计算模型对气门摇臂的工况载荷和设计参数进行反求的一般方法。
4提出了陶瓷摇臂的设计原则、参数化CAD建模方法和基于有限元分析的形体结构优化设计方法。根据“全包容”的创新思想和陶瓷与金属的连接技术研究现状,详细设计了用材少、成本低、联接可靠、容易制造的倒楔角陶瓷镶块结构,并提供了相应的经验数据。介绍了运用快速原型制造(RPM)技术和金属模具翻铸技术相结合来进行陶瓷摇臂功能原型快速试制的方法。根据制造工艺的研究结果,提出了陶瓷摇臂面向制造(DFM)的结构设计要求。
5阐述了陶瓷摇臂量产化对生产效率、生产成本和产品质量的要求,并在此基础上分别对陶瓷镶块毛坯制备、陶瓷镶块圆弧工作面加工、陶瓷摇臂毛坯压铸和机械加工等制造过程中的关键工艺难点进行了攻关,取得了多项研究成果,为实现陶瓷摇臂的批量化生产奠定了基础。
6根据系统化设计的原理,对采用陶瓷摇臂后的气门弹簧匹配性优化设计方法进行了研究。建立了气门弹簧改进设计的约束条件,提出了以配气机构受力峰值最小作为气门弹簧优化设计的目标,介绍了通过虚拟配气机构动力学仿真确定最佳气门弹簧特性的方法和基于计算机辅助螺旋压簧设计的气门弹簧尺寸参数确定方法。
Overhead cam (OHC) valve train has been widely adopted in modern high-speed internal-combustion engines for better dynamic characteristics. In this kind of valve train, the rocker arm is an important part that has great influence on the overall performance of the engine. For such reasons as severe working conditions and comprehensive overall properties requirements, new product development of rocker arm has been becoming the focus of research abroad and domestic in recent years. This paper is centered on the development of a new rocker arm for the TJ370Q engine. Taking it as an example, the design techniques and key manufacturing process of the up-to-date high-performance rocker arm: the aluminum die-cast rocker arm with a ceramic insert (called“ceramic rocker arm”for short below) were studied in depth using such methods as the theory of new product development, CAI, CAD, CARE, CAE etc. The main research works of this paper are summarized as follows:
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2. By utilizing the Computer Aided Innovation software TechOptimizerTM?, the technical principle of the ceramic rocker arm has been put forward, and then the so-called“fully wrapped”joining structure between the ceramic insert and the aluminum rocker arm base has been invented preliminarily as well as the innovative overall process flow called“reverse-locating machining”has been laid down. Based on the work aforementioned, the whole development plan of the new ceramic rocker arm has been constituted by means of PERT-CPM method.
3. It has been clarified that the design of ceramic rocker arm pertains to reverse design. With this understanding, this paper expatiated in detail on how to seek out the working loads and design parameters of the rocker arm in reverse order by employing computer aided reverse engineering (CARE) technology in place of the conventional calculation model.
4. Research continued on advancing the design principles of ceramic rocker arm together with its parametric CAD modeling and FEA-based shape optimization methods. In terms of the innovative idea of“fully wrapped joining”and the status in quo of recent research on the joining techniques of ceramics and metals, an inverse-wedge-shaped ceramic insert was designed with such strong points as saving material, low cost, reliable joint and easy to manufacture, and some experiential data about it were provided accordingly. Moreover, A method of rapid function prototype trial producing of the ceramic rocker arm was recommended by a combination of two techniques, namely rapid prototype manufacturing (RPM) and metal mould inverse casting. Withal, the structural design
引文
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