柴油机高压油管自顶向下三维布置设计.doc

一、前言内燃机高压油管的三维设计往往是在发动机整个机体设计、装配完成之后进行的，因此设计时需要克服由于装配模型较大、对计算机性能要求高等困难，同时要考虑方便设计变更。高压油管空间布置时主要与喷油泵、喷油嘴的安装位置有关，同时还要考虑不能与进气管、缸盖、缸体等零件碰撞和干涉，并保持一定的间隙要求。目前，设计人员在高压油管铺设中均需要设计平面布置图。由于高压油管铺设空间大小和位置的限制，及结构的复杂性，设计人员很难通过二维平面图清楚地表达高压油管及其连接件与其他装配体在空间上的位置关系，也很难通过二维图预先确定高压油管的实际长度，从而导致设计方法不直观，很难实现设计的更改，且容易造成空间干涉等问题。本文研究高压油管三维布置设计方法，采用自顶向下的三维参数化装配设计方式，通过建立关联几何对象的骨架模型，将复杂问题简单化，可以实现高压油管设计过程的参数化驱动，达到设计更改直观方便的目的，这对提高高压油管的设计质量，缩短开发周期具有重要的意义。二、自顶向下设计方法自顶向下设计方法也即系统化建模的设计方法，系统级的设计参数由产品向下驱动其子系统、装配以及最终的零件。该方法是实现产品三维参数化总布置设计的一种有效方式，它是从装配体中开始设计工作的。首先根据产品的功能需求进行概念设计，在设计初期就考虑部件(子部件或零件)与部件之间的约束和定位关系，在完成产品的整体设计之后进行详细设计。在此设计过程中需对部件进行必要的分析，可以使用一个部件的几何体来帮助定义另一个部件，并用一定量的参数控制部件的三维模型，最终通过修改这些参数达到改变零、部件的结构尺寸及空间位置，从而实现不同的总布置设计方案。建立以骨架模型(也称控制结构)为主线的装配设计过程，是实现自顶向下设计信息传递的主要途径。在设计中引入骨架模型主要用于理清错综复杂的装配关系。根据产品复杂程度将装配体进行层层分解，确定装配体层次结构，并为每个子装配构建骨架模型。在骨架模型中将各子装配或零件在空间的位置及装配约束关系通过坐标系、点、线、轴、平面等基准特征反映出来，使得骨架模型中的有关设计信息能有效地传递至各子骨架模型或零件。子部件的详细设计均基于各层的骨架模型，从而实现以骨架模型为桥梁的自顶向下设计信息的传递。三、自顶向下的高压油管三维布置设计1.高压油管总成模型层次结构高压油管总成模型层次结构如图1所示，基于Pro/ENGINEER首先在engine(发动机总成模型)中创建fuel_injection_pipe(高压油管总成模型)，然后在fuel_injection_pipe中创建fuel_injection_pipe_skel(油管布置骨架模型)、pipe_clip(管夹)以及pipe_1(第一缸油管)等空零件。图1高压油管总成模型层次结构2.高压油管总成骨架模型激活fuel_injection_pipe_skel(油管布置骨架模型)，建立油管布置骨架模型(也称控制结构)，该模型中至少应包含：1)各缸喷油泵、喷油嘴位置，分别用点表示;2)各缸喷油泵、喷油嘴端面法线，分别用轴线表示;3)进气管外形，用面或实体表示。建立如图2所示的高压油管布置骨架模型后，即可在并行设计环境下，将带有高压油管总成骨架模型的高压油管总成模型(fuel_injection_pipe)发布给相关的油管总成设计人员。根据骨架模型，设计人员不用打开发动机装配模型即可完成各缸油管等的设计，从而克服由于发动机装配模型较大、对计算机性能要求高等困难。图2高压油管布置骨架模型3.高压油管的三维布置设计高压油管三维布置设计，首先必须对设计对象进行分析，明确需要哪些参数进行驱动。经过分析，可以确定能有效驱动高压油管的参数包括：管路控制关键点的位置和管路实体参数(如外径、内径或壁厚和最小弯曲半径)。其中管路起、始关键点受骨架模型控制。其次，为了实现高压油管三维模型的参数化设计，必须分析高压油管管路的尺寸约束和几何约束，初步确定各缸油管的走向和空间布局。从美观以及方便管夹的安装定位考虑，布置设计时油管尽可能采用横平竖直方式布置，同时考虑进气管上安装凸台(用于固定高压油管安装支架)的布置。另外，油管管路铺设与一般的零件特征有很大的不同，需根据连接件关键点的位置(如起始或终止点、管路中间形状控制点)，给定最小弯曲半径，然后生成初步路径中心线。根据高压油管实际要求，可以通过手动方式(如移动、增加或删除关键点)调整路径中心线的形状和位置，并在此基础上生成油管实体，再对生成的油管实体进行干涉检查和约束检查，对不符合要求的管路实体进行编辑修改，最终形成满意的油管实体模型。关键点布置时要考虑直线长度、管路间间距、与其他刚性零件的间距和管夹定位。关键点是生成油管路径的基础，通常在三维空间中很难确定关键点的位置，首、末关键点可以从连接件中提取，中间系列关键点可以利用草图创建。管路生成一般步骤包括：确定管路关键点;输入管路实体参数(如外径、内径或壁厚和最小弯曲半径);检查干涉与间隙;长度检查;长度的整体调整。油管管路设计时，可初步设定高压油管的设计参数，如外径6.3mm，内径2mm，高压油管弯曲段半径20mm，弯曲段之间的直管段长度不小于20mm，高压油管之间的名义间隙大于3mm，与其他固定的刚性零件间的名义间隙大于6mm。根据气缸盖、喷油泵、喷油嘴的位置、第6缸所需的油管长度以及油管成型工艺要求，初步确定油管的长度为630mm，并根据初步确定的长度设计其他五缸油管的长度，油管最终长度则根据六个缸油管的形状和布置位置综合确定。图3为第6缸油管模型(pipe_6)。图4为高压油管布置总成(fuel_injection_pipe)，该模型包括油管接头、连接螺母、高压油管管夹及安装支架。图3第6缸油管图4高压油管总成四、结论本文以某柴油机高压油管总成设计为例，以Pro/ENGINEER为平台，探讨了高压油管三维布置设计方法，采用自顶向下的三维参数化装配设计方式，建立了该柴油机高压油管总成骨架模型，并以骨架模型为桥梁进行自顶向下的设计信息传递，可以极大地提高设计效率，主要表现在以下几