1、内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n设计研究模拟重力影响的发动机测量偏差模型的研究齐 伟,宋广迎,杜飞飞,刘泽涛,付云贵(潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊 2 6 1 0 6 1)摘 要:尺寸工程在发动机产品的设计阶段已成熟应用,在此阶段需要对产品零部件、装配件等上百个零件进行公差设计、公差仿真、公差校核等。在设计阶段,有效的三维公差分析能够控制产品的装配偏差,在满足设计要求的同时降低零部件总体制造成本,并且缩短研发周期。本文通过探究尺寸链构建原理和偏差分析原理,以某发动机曲轴飞轮壳同轴度为分析函数,结合公差分析软件V i s V S A,模拟重力影响下同轴度测量操作,验证软件
2、仿真结果与实测数据的吻合性,判断仿真分析是否能够达到预期结果。最后与测量结果对比表明,本研究所采用的模拟重力仿真是能够反应真实测量规律的,同时可作为发动机其他需要考虑重力影响的装配参考方法。关键词:重力影响;尺寸工程;V S A仿真;同轴度;发动机 中图分类号:TH 1 2 4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 0 1-0 3R e s e a r c ho nE n g i n eM e a s u r e m e n tD e v i a t i o nM o d e l S i m u l a t i n gG r a v i t
3、yE f f e c tQ iW e i,S o n gG u a n g-y i n g,D uF e i-f e i,L i uZ e-t a o,F uY u n-g u i(W e i c h a iP o w e rC o.L t d.,S h a n d o n gW e i f a n g2 6 1 0 6 1)A b s t r a c t:D i m e n s i o ne n g i n e e r i n gh a sb e e n f u l l ya p p l i e d i n t h ed e s i g ns t a g eo f e n g i n ep
4、r o d u c t s.I nt h i ss t a g e,t o l e r-a n c ed e s i g n,t o l e r a n c e s i m u l a t i o n,t o l e r a n c e c h e c ka n ds oo na r e r e q u i r e d f o rh u n d r e d s o f p a r t s s u c ha sp r o d u c t p a r t s a n da s s e m b l yp a r t s.I n t h ed e s i g ns t a g e,e f f e c
5、t i v e t h r e ed i m e n s i o n a l t o l e r a n c ea n a l y s i sc a nc o n t r o l t h ea s s e m b l yd e v i a t i o no fp r o d u c t s,r e d u c e t h eo v e r a l lm a n u f a c t u r i n g c o s t o f p a r t sw h i l em e e t i n g t h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s,a n d s h o r
6、 t e n t h e r e s e a r c ho fd e v e l o p m e n t c y c l e.B ye x p l o r i n gt h ec o n s t r u c t i o np r i n c i p l eo fd i m e n s i o nc h a i na n dt h ep r i n c i p l eo fd e v i a t i o na n a l y s i s,t a k i n g t h e c o a x i a l i t yo f c r a n k s h a f t a n d f l y w h e e
7、 l h o u s i n go f a n e n g i n e a s t h e a n a l y s i s f u n c t i o n,c o m b i n e dw i t h t h e t o l e r a n c ea n a l y s i s s o f t w a r eV i s V S A,t h e c o a x i a l i t ym e a s u r e m e n t o p e r a t i o nu n d e r t h e i n f l u e n c e o f g r a v i t yw a s s i m u l a
8、t e d t o v e r i f y t h ec o i n c i d e n c eb e t w e e n t h e s o f t w a r e s i m u l a t i o nr e s u l t s a n d t h em e a s u r e dd a t a,a n d t o j u d g ew h e t h e r t h e s i m u l a t i o na n a l y s i sc a na c h i e v e t h e e x p e c t e d r e s u l t s.F i n a l l y,t h e c
9、 o m p a r i s o nw i t h t h em e a s u r e d r e s u l t s s h o w s t h a t t h e s i m u l a t e dg r a v i t y s i m-u l a t i o na d o p t e d i n t h i s s t u d y c a n r e f l e c t t h e r e a lm e a s u r e m e n t l a w,a n d c a nb e u s e d a s a r e f e r e n c em e t h o d f o r o t
10、h e r e n g i n ea s s e m b l y t h a tn e e d s t oc o n s i d e r t h e i n f l u e n c eo f g r a v i t y.K e yw o r d s:G r a v i t y i n f l u e n c e;D i m e n s i o n a l e n g i n e e r i n g;V S As i m u l a t i o n;C o a x i a l i t y;E n g i n e作者简介:齐伟(1 9 8 5),男,山东临沂,硕士研究生,工程师,研究方向为结构设计
11、。0 引言随着发动机热效率的不断提高,产品结构日益复杂,零部件装配精度不断提升,通过提高零件加工精度从而提升装配精度的方法越来越受限于加工设备的影响,此方法不仅加工成本增加,加工设备的精度也几何倍数增加。尺寸工程的提出为进一步提高装配精度找到了出路1。尺寸工程在发动机产品的设计阶段已成熟应用,通过研究零部件之间的装配关系以及对最终装配精度带来的影响,将装配偏差转化为单个零部件的结构、加工、公差设计等数学模型2,再通过建立装配数学模型分析装配偏差和累计规律,考虑零件加工误差、定位误差、重力等影响,预测最终产品装配精度,以此评估产品制造装配可行性。装配偏差分析在汽车工业应用广泛,利用精确的分析软件
12、,将装配尺寸链通过数学模拟仿真的方式贯穿整个研发周期。目前各汽车厂商使用的偏差分析软件各不相同,如3 D C S、V i s V S A、C E T O L等3,但是软件所采用的分析假设条件大同小异:刚体原则,所有的零部件均为刚体,若需考虑变形,需要柔性装配、有限元方法计算热、力等影响,同时偏差分析不考虑重力影响,将零件简化为一个没有质量的刚体4。茅健等5探究各类特征几何公差域的形状、方向、位置、大小等原理,但是在实际加工、装配过程中,重力的影响无法忽略。如何在偏差分析软件中模拟实际装配是产品设计无法忽略的一环。本文基于公差分析软件V i s V S A,以某型号柴油发动机后油封设计装配为例,
13、通过软件操作模拟重力影响下产品的装配计算同轴度,与实际测量结果对比验证仿真操作的可行性,并将计算方法用于指导发动机其他零部件装配的预测。1 基于蒙特卡洛法的偏差分析公差分析软件V i s V S A的核心是基于蒙特卡洛法的偏差分析,蒙特卡洛法的核心思想是随机抽样6,利用随机数模拟实际情况,随机抽样基于统计理论,按照某种数值分布,采用某种试验方法,通过随机事件发生的频率估计实际情况下事件发生的概率,通过数学特征如均值、标准差等,作为所求问题的数学解。样本数越多,模拟越精确,模拟结果越趋近实际问题的解。因此,蒙特卡洛法求解尺寸链步骤(见图1)为7:1DOI:10.19475/ki.issn1674
14、-957x.2023.08.0102 0 2 3年第8期图1 蒙特卡洛法仿真步骤图1)分析尺寸链确定组成环及其概率分布,一般机械加工件生产规律遵循正态分布;2)根据组成环概率分布进行随机抽样得到随机变量;3)将组成环随机数代入尺寸链方程求解得到封闭环多组随机样本数据;4)求解封闭环样本数据,绘制概率分布曲线图。大批量生产条件下,产品零部件的加工偏差、装配偏差虽然随机但又符合某种概率分布,在已知偏差分析模型概率分布的情况下,计算结果更加符合实际情况偏差。2 偏差灵敏度与贡献度分析产品装配偏差是由零部件的偏差累积得到的,其最终变现形式为实际装配结果相对理论设计的偏差,如平面贴合、管路插接、螺栓安装
15、等。零部件由于结构不同、定位方式不同、公差设计不同等,导致对装配偏差的影响率不同、贡献不同。灵敏度8表征尺寸链组成环对装配偏差数值变化的影响,需要了解哪些组成环对偏差影响更大更明显,便于聚焦关键影响因素。贡献度9表征单个组成环公差大小影响装配偏差的范围占所有组成环累积的总的偏差范围的百分比,优先优化占比较大的影响因子,以最小成本提高装配偏差精度。设存在一组组成环实际制造公差值x1,x2,x3xn,尺寸链方程(装配偏差计算函数)为fx1,x2,x3xn,装配偏差的灵敏度可以表示为:Li=f xi(1)根据统计学原理,装配偏差的贡献度可以表示为:Gi=L2i2xi/L2i2xi()1 0 0%(2
16、)其中xi为组成环实际制造公差值的标准差。由(1)式可以看出,灵敏度的求解即装配偏差相对组成环的一阶偏导数。V i s V S A软件中计算贡献度的方法为HLM(H i g h-L o w-M e d i a n)法,原理为单因素变量分析,将所有影响因子几何偏差(大小、位置、方向等)设为0,然后每次变换一个影响因子的单个特征,统计装配偏差的变化,计算其对总体装配偏差的贡献率。在计算偏导数 f/x时,HLM法通过设置不同L e v-e l等 级 水 平,对 贡 献 度 进 行 估 算。假 设 某 偏 差 为-0.1,+0.1mm,HLM法设置H i g h水平值为0.1 mm、L o w水平值为-0.1 mm、M e d i a n水平值为0 mm。求解完成后,软件会对结果按照贡献度百分比大小自动排序,将影响因子的大小、形状、方向、位置及其装配间隙等贡献度在报告中呈现。3 模拟重力影响的偏差模型以某发动机曲轴与飞轮壳止口同轴度模型创建为例,判断组成环零件,组成装配体模型如图2所示,装配关系如下:1)机体为发动机本体零件,曲柄连杆机构、后取力、离合机构等均安装在机体上;2)主轴瓦自由状态下