基于雅克比旋量模型的三維公差分析方法研究及在發(fā)動機裝配中的應(yīng)用.pdf

1、發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能要求多，由缸體、曲軸、連桿、活塞、氣門和缸蓋等眾多精密零部件裝配而成。零部件的精度直接影響到發(fā)動機的功率、扭矩和油耗等性能。摸清零部件精度與整機性能的映射關(guān)系，對于發(fā)動機的設(shè)計和制造至關(guān)重要。目前，發(fā)動機裝配體的公差分析仍以傳統(tǒng)的一/二維尺寸鏈為主，難以有效處理特征上的方向和形狀等幾何公差信息、及其相互間的耦合關(guān)系。三維公差分析技術(shù)在三維空間表達特征的變動，并將這些變動量傳遞到功能要求處，可以將傳統(tǒng)尺寸鏈無法處理的幾

2、何公差及其耦合關(guān)系考慮進來，使得分析過程更加合理、分析結(jié)果更加精確。三維公差分析可從尺寸鏈角度分析發(fā)動機精度與性能的映射關(guān)系。
　　雅克比旋量模型是一種典型的三維公差分析模型，其結(jié)合了適合公差表達的旋量模型和適合公差傳遞的雅克比矩陣，有著簡潔的數(shù)學(xué)表達和精確的求解結(jié)果，以及豐富的工程語義。對于諸如發(fā)動機等含有大量幾何公差信息、以平面和圓柱特征為主、且軸孔多為間隙裝配的復(fù)雜裝配體，雅克比旋量模型是理論上較為合適的三維公差分析模型。<

3、br>　　本文將雅克比旋量模型引入到發(fā)動機裝配體的公差分析中，建立特征旋量在組合公差限制下的矢量變動及其相互間的約束方程，并給出了考慮這些變動和約束關(guān)系的傳遞算法。同時，針對發(fā)動機裝配體中存在著局部并聯(lián)的尺寸鏈結(jié)構(gòu)，提出了該結(jié)構(gòu)的旋量表達及求解算法。此外，為了區(qū)分量化每一個參與計算的公差，創(chuàng)建了統(tǒng)計條件下的公差貢獻度及其分解算法，最終實現(xiàn)了對發(fā)動機裝配體準(zhǔn)確可靠的三維公差分析。本文的研究內(nèi)容及創(chuàng)新成果如下：
　　(1)典型特征三維

4、幾何公差的雅克比旋量建模方法
　　針對發(fā)動機零部件的特征和公差類型，首先介紹了平面和圓柱特征的旋量表達，并從數(shù)學(xué)原理上詳細(xì)推導(dǎo)了圓錐結(jié)構(gòu)的旋量表達式。同時，也介紹了雅克比旋量模型的特點及存在的不足。然后，給出了圓錐、圓柱和平面特征在公差、尤其是組合公差限制下的旋量中各矢量的變動及其相互間的約束方程。引入這些變動和約束關(guān)系，保證了基于旋量的公差表達模型與公差標(biāo)準(zhǔn)相一致。最后，應(yīng)用蒙特卡洛仿真方法，將特征旋量中的矢量變動和約束方程融入

5、到雅克比旋量模型中，提升了雅克比旋量模型的準(zhǔn)確性和可靠性。
　　(2)局部并聯(lián)尺寸鏈的雅克比旋量構(gòu)造與求解
　　針對發(fā)動機裝配結(jié)構(gòu)的特點，將在雅克比旋量模型的串聯(lián)傳遞路徑中可構(gòu)成局部連接回路的這類裝配連接結(jié)構(gòu)定義為局部并聯(lián)尺寸鏈，并總結(jié)歸納了幾種典型的由平面和圓柱特征所形成的局部并聯(lián)尺寸鏈結(jié)構(gòu)。對這些結(jié)構(gòu)進行深入分析，提出了在雅克比旋量模型中處理這種特殊結(jié)構(gòu)的方法。該方法避免了并聯(lián)雅克比矩陣的建模求解，提高了模型的實用性。<

6、br>　　(3)雅克比旋量模型的公差貢獻度計算及分解
　　針對極值條件下雅克比旋量模型公差貢獻度的局限性，本文給出了統(tǒng)計條件下雅克比旋量模型的公差貢獻度計算方法。然而，該算法僅能計算特征上所有公差的貢獻度，對于特征上的組合公差信息，尚不能量化分解其各自的貢獻度。因此，基于數(shù)據(jù)擬合方法，將特征上的組合公差貢獻度分解到每一個具體的公差，以實現(xiàn)區(qū)分量化每一個公差信息的目的。
　　(4)雅克比旋量模型在發(fā)動機裝配公差分析中的應(yīng)用

7、r>　　在上述研究的基礎(chǔ)之上，對發(fā)動機的曲柄滑塊機構(gòu)和配氣機構(gòu)進行了三維公差分析。對于曲柄滑塊機構(gòu)，重點介紹了平面和圓柱特征旋量中矢量的變動及其相互間的約束關(guān)系建模方法，以及局部并聯(lián)尺寸鏈的處理方法。對比結(jié)果驗證了本文所提方法的準(zhǔn)確性和可靠性。對于配氣機構(gòu)，則重點介紹了挺柱選配前后的計算過程，現(xiàn)場實際分組情況印證了計算的準(zhǔn)確性。
　　本文面向復(fù)雜發(fā)動機裝配體的大量幾何公差信息，研究基于雅克比旋量模型的三維公差表達和傳遞建模方法，提