四缸直列汽油机曲轴设计系统 - 文章

四缸直列汽油机曲轴设计系统

作者：淮阴工学院孙丽刘永臣朱艳茹

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本文以VC++6.0编程软件为工具，以Pro/ENGINEER二次开发接口应用程序Pro/TOOLKIT为手段，采用动态链接库DLL方式实现了Pro/ENGINEER、Pro/TOOLKIT和MFC三者之间的通信。而且，曲轴零件的全参数化设计与开放数据库ODBC相连接，实现了资料检索和数据管理的系统化。并且以CA488为例对设计系统进行了详细说明。

近年来，国外开发的CAD软件在汽车设计行业的运用，让汽车的设计和开发进入了一个全新的、快捷的、智能的时代。国内汽车行业的飞速发展，也急切要求有与之相适应的、完全适合我国国情的CAD系统。但我国在此行业起步较晚，自主开发软件的能力较差，所以在国外已经成熟的软件的基础上，进行针对零部件、系统乃至整车的二次开发，成为一个有实际意义的指导方向。

一、软件的开发背景及方法

1.开发背景

在汽车发动机的众多构成件当中，曲轴是发动机中最重要、载荷最重、价格最贵的零件之一，被喻为发动机的脊梁骨。正确合理的曲轴设计对发动机运行性能有着重要的影响，但由于曲轴的生产主要为主机配套，国内曲轴系列化、通用化和规范化程度很低，即使同一型号的曲轴，零件图纸的技术标准也各有差异，互不通用。国内曲轴产品设计的混乱状况，给用户的使用选择带来了很大困难。由此可见，根据发动机的工况条件及发展趋势，设计出一套列系列化、通用化的曲轴，以供各式发动机设计匹配时选用，是发动机曲轴设计的未来之路。

2.开发方法

基于Pro/ENGINEER二次开发的曲轴设计系统是借助于PTC公司提供的高级开发工具包Pro/TOOLKIT，利用高级程序语言Visual C++6.0的集成开发环境，采用动态链接库DLL方式实现Pro/ENGINEER、Pro/TOOLKIT和MFC三者之间的通信，将曲轴参数化设计系统与开放数据库ODBC相连接，实现了资料检索和数据管理的系统化。

二、曲轴设计系统

曲轴设计系统，是通过单击Pro/ENGINEER界面上，位于“帮助”右侧的“曲轴设计系统（Q）”菜单来启动的（如图1所示）。

图1 曲轴设计系统的菜单栏菜单

此菜单栏菜单下包括五个模块：曲轴设计计算（N）、曲轴参数化设计（C）、圆角强度校核计算（Y）、工程图输出（G）和数据库（S）。其中曲轴参数化设计模块又包括子菜单“圆弧形曲柄臂”和“直线形曲柄臂”。通过菜单设计便可以对整个系统的结构一目了然，而且使用起来十分方便。系统由一个简单明了的欢迎界面（如图2所示）开始，首先给大家一个明确的印象。

图2 曲轴设计系统欢迎界面

1.曲轴设计计算模块

本曲轴设计系统的每个部分都是自上而下，从前到后一脉相承的，数据的传递是本系统的关键所在。所以设计计算模块采用类似属性向导的方式，由“上一步”、“下一步”和“取消”三个按钮来将几个模块连接起来，从前到后自成一体。

曲轴设计是以内燃机设计为基础的，所以首先必须进行内燃机的整体设计。单击欢迎界面上的“开始”按钮，系统就进入内燃机整体设计界面。此界面要求用户输入一些已知参数，如缸径、额定功率和额定转速等，为后来的曲轴设计奠定良好的环境基础和设计基础。接下来依次是“热力计算”界面（如图3所示）、“热力计算结果”界面（如图4所示）、“动力计算”界面（如图5所示）和“动力计算结果”界面（如图6所示），点击“完成”，结束本模块操作。

图3 热力计算参数输入界面

图4 热力计算结果界面

图5 动力计算参数输入界面

图6 动力计算结果界面

2.曲轴参数化设计模块

点击菜单上的“曲轴参数化设计”，可弹出下级子菜单“圆弧形曲柄臂”和“直线形曲柄臂”供用户选择。界面默认的单位是mm。

点击“圆弧形曲柄臂”，系统进入如图7所示的平衡重配置界面。该界面分为四个组合框：“参数”、“零件类型”、“材料”和“特性”。点击最后一行设置的“显示参数”按钮，便可在各编辑框中显示CA488曲轴的对应值。“参数”组合框是用户用来进行曲柄臂部分的参数化设计的，用户可根据自己的意愿来修改编辑框中的数值，直到满意为止。当用户改变选择的材料时，下面的“特性”框中的质量值就会发生变化。曲柄臂的形状复杂多样，都是不规则的，若想人工算出它的体积、重心和主惯性矩这些参数，相当的困难，需要做大量的工作，而借助于曲柄臂的模型特性就可以十分快捷地实现了。

图7平衡重配置界面

修改和选择完界面上的参数后，点击“曲轴参数化”按钮，曲轴参数化设计采用无模式属性页的形式，分别完成“前端”、“曲柄臂”和“后端”三个部分。用户可根据Pro/ENGINEER界面上所显示的相应的三维模型和界面上显示的对应部分的二维图形，来设计自己的图形尺寸，修改完后点击“更新”按钮，Pro/ENGINEER便可根据新输入的数值来再生三维模型。图8所示圆弧形曲柄臂参数化设计界面。

图8 曲轴曲柄臂参数化设计界面

同样的，选择直线形的曲柄臂或选择八平衡重的模型都是类似的界面，只是调用的三维样板模型不同而已。这里不再赘述。

3.圆角疲劳强度校核模块

此模块中，最重要的是各系数的确定。圆角形状系数确定界面（如图9所示）是一个无模式属性页形式的MFC对话框。它包括应力集中敏感系数、形状系数、材料敏感系数、疲劳极限系数、尺寸影响系数和强化系数等。这样就可以不必再用人工查询的方式来确定相应的系数，为用户节省了大量的人力和时间，大大提高了设计效率。

图9 尺寸影响系数确定界面

点击“确定”进入如图10所示“圆角强度校核”界面。此步计算中需要使用前面参数化设计中确定的曲轴结构参数，在这里我们可以直接调用前面用户输入的数据，而不需用户重复输入，进入界面时就可以看到结果。

图10 圆角强度校核界面

点击“确定”按钮，系统进入校核模块的最后一个界面“圆角疲劳强度校核结果”。系统可以通过界面显示的前两个安全系数，可以算出最终的校核安全系数。然后点击“完成”，如果整个设计过程满足要求，那么就会弹出一个消息框“恭喜你，设计成功！”，如果设计的结果并不合理，就会弹出“设计不合理，请重试！”的提示信息。到这一步为止，用户需要进行的设计、计算、校核工作全部结束。接下来就是后续的完善工作了。

4.工程图输出模块

点击菜单栏中的第四项“工程图输出（G）”，经过短暂的反应过程，Pro/ENGINEER会自动进入工程图模式，此时界面中会出现如图11所示的二维图形和一个无模式的“工程图尺寸调整”对话框。

图11 工程图输出界面

Pro/ENGINEER工程图界面中所显示的正是用户前面参数化设计的三维曲轴模型的三个视图：主视图、俯视图和侧视图，也就是一般设计要求给出的工程图纸内容。通过点击对话框中的“调整”按钮，用户可以将视图放大或缩小。另外，设计人员可以通过鼠标激活后面的工程图，进行任意的视图调整，例如单个放大、缩小等等，非常方便，和在Pro/ENGINEER中的使用情况一样。

还有一个很重要的问题就是工程图中尺寸的标准。点击对话框中的“显示尺寸”按钮，用户就可以看到系统在为视图标注尺寸的快速过程。标准过后的界面如图12所示。尽管标注看上去有些零乱，但的确做到了正确的根据三维参数化设计中用户的输入进行自动标注。至于如何更好地解决清晰标注和如何正确自动生成标题栏的问题，将是日后努力研究开发的一个方面。

图12 标注尺寸的工程图

5.数据库链接模块

最后，为了系统的延续性和完善性，我们设计了数据库链接模块。点击菜单栏中的最后一项“数据库（S）”，系统进入如图13所示的数据库链接界面。整个界面中的参数是由内燃机设计中需要说明的主要环境参数和曲轴的基本结构参数构成的。

图13 曲轴设计系统数据库界面

当用户完成了本步操作，就结束了整个曲轴设计系统的全部过程。也就是说，用户以前需要花费大量时间和精力才能完成的工作，我们现在进行按钮的点击和输入少量的数据就可以轻松完成了。这也是此系统开发的最大意义。

三、结论

基于Pro/ENGINEER二次开发的曲轴设计系统实现了以下三个突破：

1.图表查询数字化的实现；
2.根据已知的三维模型，直接调用其体积、重心位置和主惯性矩；
3.根据模型输出工程图及尺寸自动标注的开发手段。

本曲轴设计系统界面友好，提示充分，操作方便、快捷，显著缩短了产品的设计周期，提高了设计效率。系统为后续过程提供了完备的信息源，具备一定的产品信息数据处理功能，为曲轴设计的系列化、标准化和通用化奠定了基础。

原载《CAD/CAM与制造业信息化》杂志(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/21/2006)


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