复杂发动机关键机构的公差分析和优化

第12卷第5期 2OO6年5月 计算机集成制造系统 ComputerIntegratedManufacturingSystems V01．12No．5 May2OO6 文章编号：1006—5911(2006)05一0721—06 复杂发动机关键机构的公差分析和优化 徐东，鲍劲松，金烨 (上海交通大学CIM研究所，上海200030) 摘要：分析了公差对复杂发动机性能的影响，提出了针对复杂产品的公差分析和优化方法，综合考虑了各零 件公差值大小、公差分布位置和零件误差积累对产品性能的影响，并根据公差分析结果和零件的加工成本等综合 因素对零件公差迸行优化。定义了具有公差信息的3维模型，开发了通用计算机辅助设计模型到公差模型的数据 接口，给出了复杂产品公差分析和公差优化的一般步骤。最后，使用该方法对某型发动机曲柄连杆机构和活塞机 构进行了公差分析和优化，并在实际产品开发中得到了验证。 关键词：公差分析；公差优化；蒙特卡罗仿真 中图分类号：TP391 文献标识码：A Toleranceanalysis&toleI．anceoptimizationofcomplexdieseIenginekeystructures XUD0ng，BAojin—song，JINYe (Inst．ofCIMS，ShanghaiJiaotongUniv．，Shanghai200030，China) Abstract：Influenceoftolerancefactoronthecomplexengineperformancewasanalyzed，thenanewt01eranceanaly— sisandoptimizationmethodforcomplexproductwasproposed．Themethodsynthesizedeffectssuchastolerance size，tolerancelocationandcomponenterroraccumulationontheproductperformance．T01erancewasthenoptimized basedontheresultoftoleranceanalysisandprocessingcostofdifferentparts．Withthismethod，3Dmodelwitht01一 eranceinformationwasalsodefined，anddatainterfacefromgeneralthree—dimensionalCADmodelstotolerance modelswasdeveloped．GeneralstepsoftoleranceanalysisandtoleranceoptimizationwereproVided．Toverifythe effectivenessoftheapproach，connectingrodstructureandpistonstructureindieselengineweretested． KeywordS：t01eranceanalysis；toleranceoptimization；MonteCarlosimulation 0 引言 公差分析作为产品开发的一个重要组成部分， 在工业界受到了越来越多的关注。按照计算累积公 差所使用的方法，公差分析方法Ⅲ可以分为极值公 差法、统计公差法和蒙特卡罗(MonteCarlo)仿真法 3种。 复杂产品设计中的公差分析可将整机或其关键 机构作为对象。因此，建立完整正确的公差仿真模 型是进行公差分析的基础。传统的公差分析通常只 对装配体中零件的尺寸公差和形位公差逐个进行零 件的可装配性分析，不能统筹考虑各个零件的装配 对整机性能的影响。特别是在零件之间大间隙配合 的场合下，配合零件的相对位置关系甚至比单个零 件公差对整机性能的影响更大。针对复杂产品整机 或机构的公差分析对象是影响产品整机性能的重要 尺寸，对公差模型中影响该尺寸的所有相关零件的 尺寸公差和形位公差、配合零件的相对位置进行综 合分析，并可确定配合零件相对位置、各零件公差对 分析尺寸的影响因子，有利于使用公差分析结果进 行优化。 1978年，O．Bjorke教授发表专著《Computer一 收稿日期：2005一04—25；修订日期：2005一06—21。Received25Apr．2005；accepted21Jun．2005． 作者简介：徐东(1976一)，男，江苏江阴人，上海交通大学CIM研究所博士研究生，主要从事计算机辅助公差分析等的研究。 E—mamdongxu@sjtu．edu．cn。 万方数据 计算机集成制造系统 第12卷 AidedTolerancing》以来，公差分析随着计算机硬件 水平的提高得到了快速发展。国际生产工程学会 (InternationalInstitutionforProductionEnginee卜 ingResearch，CIPR)从1989年起，每两年召开一次 全球性的计算机辅助公差设计专题学术会议；美国 机械工程师学会(AmericanSocietyofMechanical Engineers，ASME)的自动化年会也设有专门的公 差专题，并开发了一些公差分析模块，如visVSA， MechanicalAdvantage，eM—T01Mate，CETOL等， 这些公差分析模块可进行装配公差和灵敏度分析， 但它们都假定零件公差服从正态分布、均匀分布或 泊松分布。本文提出的公差分析方法在零件公差非 对称的条件下，使用p分布来模拟非正态分布，提高 了公差分析的精度。目前，国内浙江大学吴昭同、杨 将新等人[3]，以及哈尔滨工业大学，北京航空航天大 学、重庆大学、华中科技大学等高校在公差分析方面 进行了大量的研究开发工作。 本文针对大功率复杂发动机的公差分析问题， 提出了一种针对复杂发动机的公差分析方法，分析 了公差在大功率复杂发动机设计中的影响，并对某 型发动机曲柄连杆机构和活塞机构进行了公差分 析。 1 针对复杂产品的公差分析方法 1．1装配尺寸链公差分析基本原理 虚拟装配环境下的公差设计包括装配模型的建 立、装配尺寸链的生成、公差分析和公差综合4个部 分。装配尺寸链生成是公差分析和公差综合的基 础，它是一组相互联系且按一定顺序排列的封闭尺 寸组合，由组成环和封闭环组成。在装配中，封闭环 代表装配技术要求，体现装配质量指标，是公差分析 的主要对象，其误差受组成环控制。 1．2公差分析的数学模型 公差分析使用的数学模型可以表述为： 厂=，(z1，z2，⋯，z。)。 (1) 其中，，表示公差分析的尺寸，z。，z：，⋯，z。表示影 响因素。在公差分析中，需要确定响应函数，，目前 常用的公差分析方法包括极值法、平方根法、Taylor 展开法、Taguchi试验法、Hasofer—Lind可靠度法、 数值积分法、MonteCarlo仿真方法等。下面描述 几种最常用的数学模型。 (1)极值法，其装配公差表述如下： ，一∑(吲×Ti)。 (2) 式中，E表示影响因素zt的公差，磬表示zt对， 的贡献率。 (2)平方根法(RootSumSquare，RSS)，其模型 为： ，一[∑((差)2T2)]l／20 ㈤ (3)MonteCarlo仿真法，其模型为： ，一丁m。一Tmin。 (4) 式中，丁m；，L。分别为装配公差仿真中的最大值和 最小值。 极值法计算比较简单，适用于线性或非线性的 装配模型，适用于零件尺寸服从正态分布、B分布的 公差分析中，研究者对极值法和所提出的有限范围 密度函数(FiniteRangeProbabilityDensityFunc— tion，FRPDF)法进行了详细比较‘引，FRPDF法精 度比MonteCarlo法差。 平方根模型假设零件的偏差服从正态分布或高 斯分布，由于模型的装配公差正比于零件偏差和的 平方根，零件数量较多时，单个零件公差可以比较 大。平方根模型公差分析产生的装配偏差通常比真 实装配偏小，原因在于正态分布只是类似于真实分 布，真实分布可能更加平坦或有所偏斜。此外，公差 分布的中点可能会发生偏移。平方根法公差模型不 适合于非线性函数，也不能对非正态分布进行分析。 相对而言，MonteCarlo方法是一种精度更高的方 法‘5_引，常用作评价其他公差分析方法的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 MonteCarlo方法基于随机数生成器，可对感 兴趣的零件尺寸生成随机值。MonteCarlo仿真方 法不仅适用于零件尺寸服从正态分布的公差分析， 也可用于非正态分布公差分析，对于非正态分布只 需修改随机数生成器中的响应函数就可以实现，有 些研究人员使用p分布来模拟非正态分布Ⅲ。卢分 布的概率密度函数如下：弛，一矿蒜[蓦]川· l卜暑r夕>o，q>嘶≤z≤6。(5) 式中，口，6是分布极限值；公差T一6一口；户，q是分 布参数；B(p，q)=lz扩1(1一z)”1d2。 MonteCarlo方法通过仿真法计算响应函数的 万方数据 第5期 徐 东等：复杂发动机关键机构的公差分析和优化 723 值，可对线性和非线性响应函数进行公差分析。当 各零件尺寸的分布估计比较符合实际情况、仿真样 本很大时，可以获得比较精确的仿真结果。 1．3针对复杂产品的公差分析 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 本文提出的针对复杂产品的公差分析方法在产 品功能设计的过程中，考虑了零件误差积累对产品 性能的影响，并对零件公差进行评价和检验，根据评 价结果对产品公差进行优化计算，最终确定比较优 化的公差设计结果。公差分析的基本流程如图1所 示。 产品总体设计、零部件设计和建模 初步公差设计 创建(更新)公差模型 针对复杂产品整机或机构的 №ntec”lo仿真公差分析 输出公差分析报告 否满足制造工{ t产品性能要求 性能评价和公差优化 输出最终公 差分析报告 ■( (结束) 图l针对复杂产品整机或机构的公差分析流程 根据市场需求对产品进行正确定位，根据收集 的设计和工艺信息对产品设计进行规划，确定装配 工艺流程，对产品进行总体设计。 根据总体设计将产品分拆成零部件，零部件的 详细设计通常使用计算机辅助设计(ComputerAi— dedDesign，CAD)系统开发，主要的商品化CAD系 统包括Pro／E，Unigraphics，Catia，Solidworks，Au— toCAD等。针对复杂产品的公差分析方法，使用自 行开发的CAD系统的数据接口，可以导入Pro／E 或Unigraphics软件创建的3维模型的几何信息。 根据经验、标准和相关成功设计的产品，在初步公差 设计阶段对零件的公差进行初步设计。目前常用3 维CAD软件创建的3维模型可以描述零件的几何、 位置、公差等信息，但公差信息在公差分析模型中无 法直接使用。针对复杂产品的公差分析方法，使用 自定义的3维公差模型(*．t01)，该公差模型的几 何模型由CAD系统直接导入，除了包括3维几何信 息和相对位置信息外，还包括各零件的公差信息。 公差信息基于特征表示，作为3维模型的附属信息， 定义的特征包括孔、销、平面、槽和键，各种特征可以 定义尺寸公差和形位公差。公差信息通常在零部件 装配以后定义。 有效地对产品的关键机构进行公差分析，需要 建立公差模型。首先须确认机构中待分析尺寸所涉 及的装配尺寸链的各组成环和封闭环，通常情况下 封闭环尺寸是用户所关注的，也是直接影响产品性 能的尺寸。根据装配尺寸链的组成环和封闭环，在 相关零件上定义特征，并在特征上定义公差信息。 公差信息定义根据设计目的不同分为两种：①根据 经验、标准和实验获得数据初步定义的公差信息；② 根据公差分析结果优化定义的公差信息。定义公差 信息的3维几何装配模型即公差模型可用于公差分 析。 针对复杂产品的公差分析方法，使用Monte Carlo仿真法来模拟装配中制造偏差的影响。装配 尺寸链中所有相关零件的公差定义完毕后，运行 MonteCarlo仿真，每个仿真样本随机生成一组零 件尺寸，生成足够多的样本，根据装配函数计算需要 分析的尺寸环，并将分析尺寸和设计尺寸进行比较， 如果满足产品性能要求和制造工艺要求，则输出最 终公差分析报告；如果不满足产品性能要求或制造 工艺要求，则根据公差分析报告找到对分析尺寸影 响最大的几个尺寸，并在公差模型中更新这些影响 最大的尺寸。在公差优化阶段，除了考虑影响因素 外，还综合考虑了零件成本对公差分配的影响，成本 公差模型归纳起来有7种数学模型[8]。在影响比例 差不多的情况下，优先提高制造成本较低的零件公 差要求。对公差样机模型修改后，需要重新进行公 差分析，输出公差分析报告，判别是否满足产品设计 要求，直到完全满足产品性能和制造工艺要求，才真 正完成机构的公差分析。 2某型发动机公差分析与优化 2．1公差对发动机设计的影响 大功率复杂发动机设计中，机构参数及其公差 对发动机性能影响非常大，其中曲柄连杆机构、活塞 机构是发动机的心脏零部件，其设计的好坏对发动 机的性能、可靠性和寿命有决定性的影响。 鉴于发动机中零部件公差对制造工艺的影响， 大功率复杂发动机主要机构的零件尺寸大、精度要 求高、制造工艺复杂，通常需要使用大量专用设备的 生产线进行加工，如曲轴主轴颈和连杆颈的精磨都 需要专用的数控磨床。因此，发动机中的机构零部 万方数据 724 计算机集成制造系统 第12卷 件公差对制造工艺影响巨大。如果产品设计属于改 进性设计，主要零部件加工使用现有的工艺流程和 设备进行制造，则零部件公差设计必须充分了解现 有制造能力，确保现有工艺能够满足设计要求；如果 产品设计属于创新性设计，零部件公差设计则直接 决定着投资 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和生产线的工艺流程。 2．2发动机关键机构公差分析与优化 压缩比是汽缸内活塞最大行程容积与最小行程 容积的比值，即整个活塞的运动行程上止点和下止 点的容积比值。发动机平顺、稳定运行的一个重要 前提就是具有稳定且适当的压缩比。本文主要分析 某型大功率发动机活塞位于上止点时，活塞的上表 面到曲轴主轴线之间的尺寸(DimCP)，如图2所示。 本尺寸对发动机的一些设计指标如压缩比、冲击、振 动和噪声均具有重要影响。这个装配尺寸所属装配 链与活塞、活塞销、连杆衬套、连杆、连杆轴瓦、曲轴、 上下主轴瓦和上下缸体等零件相关。这些零件的偏 差是最终装配偏差的主要来源，也是影响发动机性 能，如压缩比、振动和噪声等的重要因素。对发动机 曲柄连杆机构和活塞机构进行公差分析的目标，就 是确定以上各零件合适的公差分配、确保尺寸Dim— CP的偏差在静态下达到设计要求。 图2发动机公差分析模型 为正确有效地对上述机构进行公差分析，根据 发动机的特点，对机构进行了一些简化。连杆小头 衬套和连杆及连杆轴瓦和连杆都是大过盈量配合。 机构设计时，连杆小头衬套、连杆轴瓦和连杆在零件 设计完毕后，需将上述3个零件组成的子装配作为 一个整体进行公差设计。故公差分析时可以将连杆 衬套、连杆轴瓦和连杆作为一个固定零件进行分析， 部件名称取为连杆组件。该部件的尺寸和公差如图 3所示。活塞、活塞销和曲轴相关尺寸初步公差设 计尺寸如图4、图5和图6所示。 图2所示的发动机12缸中各缸所属部件活塞、 连杆、活塞销等零件设计尺寸完全相同，工况也相 同，故可以只对一个气缸的活塞机构和曲柄连杆机 构进行公差分析，这两个机构的公差分析流程如图 1所示。图2是定义公差信息后的3维模型，使用 针对复杂产品的公差分析方法对模型进行公差分析。 图3连杆组件 图4活塞 图5活塞销 万方数据 第5期 徐 东等：复杂发动机关键机构的公差分析和优化 。 图6曲轴 仿真结束后，可以对结果进行分析，为两类结 果：①偏差分析，包括零件的统计参数和测量尺寸的 偏差范围报告，如图7所示；②敏感度分析，决定偏 差的来源。使用这些信息，可以对曲柄连杆结构的 巅 ^|辱 壮 公差进行优化，从而省略昂贵、费时的 实验。这些信息在产品的设计阶段可 发现潜在的问题，并可以指导设计者 在产品生产前就进行修改。 由图7数据可知，工序能力指数 仅为C越一1．22，制造工艺不能完全满 足公差设计要求。公差优化可以通过 表1的分析结果进行。由表1可知， 曲轴连杆颈、连杆衬套、连杆轴瓦和活 塞套的尺寸是影响装配尺寸DimCP的主要因素，公 差优化可以先从这几个零件开始。该例的公差优化 流程如下： 468．765 468．7667 468．7728468．779O 468．7852 468．7914 468．7976 468．8038 468．810O 468．8162 名义值：468．7925 下限值：468．7677 工序能力指数：1．2214 平均值：468．7924 上限值：468．8177 工序能力指数：1．2207 图7具有5oOO个样本的Montecarlo仿真结果 表l曲柄连杆机构和活塞机构零件公差影响表 个零件的尺寸公差和几何公差，更新公差模型。 编 影响百 号 影响因素(装配或零件) 相关特征 分比／％ l 装配一连杆轴颈一轴瓦 29．36 2 装配一曲轴与主轴瓦 29．11 3 装配一活塞销与连杆衬套 26．16 4 曲轴一主轴颈02 特征：主轴颈销特征 3．23 5 曲轴一主轴颈01 特征：主轴颈销特征 3．18 6 曲轴一连杆轴颈 特征：连杆轴颈销特征 3．13 7 主轴瓦02一孔 特征：主轴颈孔特征 1．28 8 连杆衬套一孔 特征：连杆衬套孔特征 1．Z2 9 连杆轴瓦一孔 特征：连杆轴瓦孔特征 1．18 10主轴瓦01一孔 特征：主轴瓦01孔特征 1．15 11活塞销一外圆 特征：活塞销销特征 O．32 12装配一活塞与活塞销 O．Z4 13活塞一孔01 特征：活塞孔01特征 O．22 14活塞一孔02 活塞：活塞孔02特征 O．22 步骤1 考虑对装配尺寸DimCP影响因素的 重要性，重新定义对装配尺寸影响最大的一个或多 步骤2再次对公差模型进行公差分析，输出 公差分析报告。 步骤3对公差分析报告进行分析，如果满足 制造工艺要求和产品性能，则现有公差分析报告即 为最终分析报告，结束公差分析。 步骤4重复步骤1～步骤3，直到公差分析结 束。 由表1可以看到，对装配尺寸DimCP影响最大 的几个因素分别是装配一连杆轴颈与连杆轴瓦、装 配一曲轴与主轴瓦和装配一活塞销与连杆衬套，它 们有一个共同点，即在零件公差全部满足设计要求 的前提下，相对配合的零件在间隙内的变动是对装 配尺寸DimCP影响的最大因素。同时，可以注意到 上述机构中零件公差远小于运动机构之间的间隙， 公差优化可以首先考虑在各零件公差精度和形位公 差不变的条件下，仅仅调整零件的公差带位置即可。 万方数据 726 计算机集成制造系统 第12卷 在本例中，将连杆小头衬套孔公差带向下偏移o．01， 化的公差设计。 装配一连杆轴颈与连杆轴瓦影响百分比将降至15． 72％，其余各部分按原来比例相应提高；工序能力指 参考文献： 数c辟将达到1．37，制造工艺要求完全可以满足设口3：竺蓑羔二竺：麓f：}=、墨：：瓮三：：兰： 计要求。 blies[J]．ResearchinEngineeringDesign，1991，3(1)：23—37． 另外，考虑产品的制造成本，可以对上面公差优 [2]GuPTAR，wHITNEYD，zELTzERTD·Prototypingandde一 化内容进行适当调整。曲轴是发动机的核心零件， =。篙蔓：：：乏薹：￡篡嚣雾冀慧，：1嚣l-=”一 但其加工成本也非常高，在其性能满足用户要求的 [3]vARGHEsEP，BRAswELLRN．st。ti。ti。。ltolera。。。。。。ly一 情况下尺寸公差应尽量放大；轴瓦、衬套加工成本相 sisusiIlgFRPDFandnumericalconVolution[J]．computer一 对较低、影响因素也比较大，公差优化时可对这些零 [。]￡苫芝=：跫6芝：：：．t=：!乙。。ign。。：hod。。。。。。。 件尺寸优先调节。 mnufacturingenvironment[D]．Hangzhou：zhejianguniversi一 3结束语 ’翥篓裟葛舞裂絮黧暴墨登嘉煮譬公差稳健设计 [5]GERTHRJ，HANCOCKWM．ComputeraidedtoIerancea一 计算机辅助公差分析为产品开发中的公差设计 。。ly。i。fo，i。pr0，。dpro。。。。。。。t。。1[J]．c。mp。t。。。&I。d。。一 提供了一种有效途径。针对复杂产品的公差分析方 trialEngineering，2000。38(1)：1—19． 法是产品设计的～个有力工具，应用该方法可以在 [6]jⅢ({Y，HuANGwH，JE，GMc’eta1-&ud77h“?3“一 设计阶段给出装配的允许偏差及各零件的公差值对 [南．Mat。删。Proc。。。ingT。。h。。logy'1997，70(1—3)：9—16． 产品性能及可装配性的影响，在一定程度上减少了 [7]LIuYusheng．ResearchontoIeranceanalysisofvisualization 物理实验，降低了实验成本，加速了产品开发速度。 [J]·E“gi瞅。。ngD。8ign，2001，29(4)：168—172‘i“chi”。’· 此外，应用该公差分析方法能够正确评估大功率复 }裂舌轰三凳气公差分析方法的研究‘n工程设计’2001’29 杂发动机关键机构的各零件累积公差影响。设计者 [8]wuz，ELMARAGHYwH．Evaluationofcost—t01erancea1一 可以根据这些信息，对产品进行优化，从而在产品设 g“nhm8iord”19n的le⋯ce““y””nd8ynthe”8LJJ．Ma”一 计阶段就充分考虑零部件公差的影响，得到合理、优 ‘8。‘“‘i“8R。们8”’1988’1‘3’：168—179_ (上接第720页) 触发顺序搜索中，提出了一种适合这类问题的交叉 。 算子和亲和度计算方法，大大提高了该类问题求解 的效率，避免了启发式搜索算法和传统遗传算法局 部收敛导致的不足。最后，给出了一个实例，通过对 。。 具体的某型号散货船吊装网络进行优化，进一步说 明了这种方法对于解决时间安排、设备使用安排等 船台吊装网络优化问题的有效性。 [7] 参考文献： [1]ANDRITsosF，PEREz—PARTJ．state—of—the—artre— portontheautomationandintegrationofproductionprocesses[8] inshipbuilding[EB／0L]．http：／／europa．eu．int／comm／enter— prise／maritime／maritime—industri8l／studies．htm，2005～OZ— 01． [2]LIUJianfeng．Studyonshiphullconstructionoperationstrate一 [9] gybasedonPwBS[D0．shanghai：shanghaiJiaotongUniversi— ty，2000(inchinese)．[刘建蜂。基于PwBs船体建造运作策略 研究[D]．上海：上海交通大学，2000．] [10] 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