电磁驱动配气机构的三维建模分析
本文首先对当代主流3D建模软件Solidworks、Pro/E、CATIA等三维软件的应用领域、结构设计精确度、操作难易程度等方面进行综合比较分析，最终确定CATIA作为本文三维建模软件。在明确电磁驱动配气机构工作原理及结构尺寸参数基础之上，利用CATIA软件对电磁驱动配气机构零部件进行三维建模、约束装配、运动仿真以及工程制图生成。除此之外，本文还提出电磁驱动配气机构结构优化方案，对其进行了新一轮的三维建模，并分析比较电磁驱动配气机构结构优化前后的三维模型，为电磁驱动配气机构的结构优化设计提供良好的模型参考。关键词 电磁驱动配气机构，三维建模，CATIA，结构优化
目 录
1 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 国内外电磁驱动配气机构发展状况 1
1.3 三维建模软件对比分析 3
2 电磁驱动配气机构结构与工作原理及结构参数选择 4
2.1 结构与工作原理 4
2.2 结构方案确认 4
2.3 关键尺寸参数确定 4
3 基于CATIA的电磁驱动配气机构三维建模分析 5
3.1 CATIA软件简介 5
3.2 应用CATIA软件三维建模分析 5
3.3 电磁驱动配气机构约束装配 16
3.4 电磁驱动配气机构爆炸视图及动态装配制作 19
3.5 电磁驱动配气机构及零部件二维图生成 20
4 电磁驱动配气机构结构优化 23
4.1 优化方案 23
4.2 电磁驱动配气机构结构优化前后三维模型对比分析 23
结论 25
致谢 27
参考文献 28
1 绪论
1.1 选题背景及意义
众所周知，近年来环境污染问题成为全人类社会关注焦点。随着汽车行业的高速发展，我国城镇居民的汽车拥有量逐渐增高。截至2016年末，全国机动车保有量达2.9亿辆，其中汽车保有量达1.94亿辆[1]。汽车成为当下排放增长和能源需求的主要原因之一，由此引发的能源稀缺问题和环境污染问题给整个社会带来了危机感和紧迫感。因此，为 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
了解决汽车燃油消耗和排放带来的诸多环境问题，各国政府陆续出台了越来越严格的汽车燃油消耗和排放的控制法规[2]，力求践行汽车产业可持续发展观念。虽然这类举措在某种程度上能够控制环境问题，但不能从根本上达到遏制的效果，促使很多研究人员革新开发许多节能减排技术[3]。内燃机的“高效率、低能耗、低排气”的特点符合人们追求环保理念，使得研究人员在现代内燃机的设计领域进行不断的探索[4]。
电磁驱动配气机构作为发动机的关键部分，可以保证发动机在全工况范围内获得最佳运行状态，显著提高汽车发动机动力性、经济性和排放性能，从而达到节能减排的目的。本文通过运用三维建模CATIA软件对电磁驱动配气机构进行三维建模分析。该软件包括从概念起始的设计、分析与模拟、组装与销售直至维护在内的全部工业流程，不但可以缩短产品生命开发周期，还能从本质上提高汽车生产工艺设计与制造水平，这对汽车生产行业具有重要的研究意义。
1.2 国内外电磁驱动配气机构发展状况
常见内燃机都是采取机械式凸轮轴配气机构，由凸轮轴上的进、排气凸轮控制气门开启与关闭。该类配气机构由于受到凸轮线型的桎梏，不能保证发动机在每一个工况下都能实现最优运行状态。因此越来越多的研究机构朝着无凸轮可变配气机构方向进行研究与开发，目的是为了从根本上消除凸轮机构的局限性，保证气门运动规律随着发动机运行工况能够实时调节，实现发动机在全工况范围内达到最佳性能[5]。
当前，国内外关于无凸轮配气机构的研究文献和报道越来越多，可见相关研究机构对其重视程度之高。无凸轮配气机构按驱动介质不同划分为电磁式和电液式两大类。本文对国内外无凸轮配气机构研究概况综述如下：
电磁驱动配气机构是无凸轮驱动配气机构必不可缺的重要形式之一，近年来已经成为海内外相关研究机构的研究焦点。1994年，美国通用公司在研究电磁驱动配气机构这一方面提出了双电磁铁和双弹簧概念[6]，为后者对电磁驱动配气机构的研究指明了方向。迄今为止，有很多研究机构研发的电磁驱动配气机构也大多以此原理为根基，包括法国的Valeo公司[7]、日本本田公司[8, 9]、德国的FEV公司[10]、美国的密歇根大学[11]及福特公司、土耳其Karabuk大学等。其中，最为典型的电磁驱动配气机构则属德国FEV公司，这种电磁驱动配气机构结构由一个衔铁、上下两个电磁铁和两个弹簧组成，如图1.1所示。上电磁铁和下电磁铁共同使用同一块衔铁，衔铁和气门直接连接，弹簧和电磁铁产生共同作用力驱动气门往复运动。当上电磁铁通电时，产生电磁力克服弹簧阻力驱动衔铁和气门向上运动，直到上电磁铁完全接触吸合，可以实现气门关闭。当下电磁铁通电时，电磁铁产生的电磁力驱动衔铁和气门向下运动，直至与下电磁铁吸合，可以实现气门开启。德国FEV公司的电磁驱动配气机构先后经历1999年、2003年发动机试验，试验成果表明：发动机工作稳定性得到显著改善，发动机转速范围由1400r/min内扩展为1000r/min4500r/min，最终燃油消耗率也降低了22%。另外，除了双电磁铁和双弹簧驱动方案，当然还有一些其它型式的电磁驱动配气机构正在被探讨研发。例如：德国凯泽斯劳滕大学[12]和Compact Dynamics两个公司都提供了基于动磁式磁阻型的电磁驱动配气机构驱动方案。美国Engineering Matters公司还提供了一种动铁式电磁驱动配气机构的方案。国内对于电磁驱动配气机构的探索才刚刚起步，相关研究成果显然远远不如国外关于这一方面的成果更加成熟，为了缩小国内外科技水平的差距，我国做出了不懈努力。浙江大学[13, 14]和清华大学[15, 16]等高校曾经先后对电磁驱动配气机构进行了研究和样机试验，但试验结果不是很理想，多年来未曾出现新的研究报告。
目 录
1 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 国内外电磁驱动配气机构发展状况 1
1.3 三维建模软件对比分析 3
2 电磁驱动配气机构结构与工作原理及结构参数选择 4
2.1 结构与工作原理 4
2.2 结构方案确认 4
2.3 关键尺寸参数确定 4
3 基于CATIA的电磁驱动配气机构三维建模分析 5
3.1 CATIA软件简介 5
3.2 应用CATIA软件三维建模分析 5
3.3 电磁驱动配气机构约束装配 16
3.4 电磁驱动配气机构爆炸视图及动态装配制作 19
3.5 电磁驱动配气机构及零部件二维图生成 20
4 电磁驱动配气机构结构优化 23
4.1 优化方案 23
4.2 电磁驱动配气机构结构优化前后三维模型对比分析 23
结论 25
致谢 27
参考文献 28
1 绪论
1.1 选题背景及意义
众所周知，近年来环境污染问题成为全人类社会关注焦点。随着汽车行业的高速发展，我国城镇居民的汽车拥有量逐渐增高。截至2016年末，全国机动车保有量达2.9亿辆，其中汽车保有量达1.94亿辆[1]。汽车成为当下排放增长和能源需求的主要原因之一，由此引发的能源稀缺问题和环境污染问题给整个社会带来了危机感和紧迫感。因此，为 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
了解决汽车燃油消耗和排放带来的诸多环境问题，各国政府陆续出台了越来越严格的汽车燃油消耗和排放的控制法规[2]，力求践行汽车产业可持续发展观念。虽然这类举措在某种程度上能够控制环境问题，但不能从根本上达到遏制的效果，促使很多研究人员革新开发许多节能减排技术[3]。内燃机的“高效率、低能耗、低排气”的特点符合人们追求环保理念，使得研究人员在现代内燃机的设计领域进行不断的探索[4]。
电磁驱动配气机构作为发动机的关键部分，可以保证发动机在全工况范围内获得最佳运行状态，显著提高汽车发动机动力性、经济性和排放性能，从而达到节能减排的目的。本文通过运用三维建模CATIA软件对电磁驱动配气机构进行三维建模分析。该软件包括从概念起始的设计、分析与模拟、组装与销售直至维护在内的全部工业流程，不但可以缩短产品生命开发周期，还能从本质上提高汽车生产工艺设计与制造水平，这对汽车生产行业具有重要的研究意义。
1.2 国内外电磁驱动配气机构发展状况
常见内燃机都是采取机械式凸轮轴配气机构，由凸轮轴上的进、排气凸轮控制气门开启与关闭。该类配气机构由于受到凸轮线型的桎梏，不能保证发动机在每一个工况下都能实现最优运行状态。因此越来越多的研究机构朝着无凸轮可变配气机构方向进行研究与开发，目的是为了从根本上消除凸轮机构的局限性，保证气门运动规律随着发动机运行工况能够实时调节，实现发动机在全工况范围内达到最佳性能[5]。
当前，国内外关于无凸轮配气机构的研究文献和报道越来越多，可见相关研究机构对其重视程度之高。无凸轮配气机构按驱动介质不同划分为电磁式和电液式两大类。本文对国内外无凸轮配气机构研究概况综述如下：
电磁驱动配气机构是无凸轮驱动配气机构必不可缺的重要形式之一，近年来已经成为海内外相关研究机构的研究焦点。1994年，美国通用公司在研究电磁驱动配气机构这一方面提出了双电磁铁和双弹簧概念[6]，为后者对电磁驱动配气机构的研究指明了方向。迄今为止，有很多研究机构研发的电磁驱动配气机构也大多以此原理为根基，包括法国的Valeo公司[7]、日本本田公司[8, 9]、德国的FEV公司[10]、美国的密歇根大学[11]及福特公司、土耳其Karabuk大学等。其中，最为典型的电磁驱动配气机构则属德国FEV公司，这种电磁驱动配气机构结构由一个衔铁、上下两个电磁铁和两个弹簧组成，如图1.1所示。上电磁铁和下电磁铁共同使用同一块衔铁，衔铁和气门直接连接，弹簧和电磁铁产生共同作用力驱动气门往复运动。当上电磁铁通电时，产生电磁力克服弹簧阻力驱动衔铁和气门向上运动，直到上电磁铁完全接触吸合，可以实现气门关闭。当下电磁铁通电时，电磁铁产生的电磁力驱动衔铁和气门向下运动，直至与下电磁铁吸合，可以实现气门开启。德国FEV公司的电磁驱动配气机构先后经历1999年、2003年发动机试验，试验成果表明：发动机工作稳定性得到显著改善，发动机转速范围由1400r/min内扩展为1000r/min4500r/min，最终燃油消耗率也降低了22%。另外，除了双电磁铁和双弹簧驱动方案，当然还有一些其它型式的电磁驱动配气机构正在被探讨研发。例如：德国凯泽斯劳滕大学[12]和Compact Dynamics两个公司都提供了基于动磁式磁阻型的电磁驱动配气机构驱动方案。美国Engineering Matters公司还提供了一种动铁式电磁驱动配气机构的方案。国内对于电磁驱动配气机构的探索才刚刚起步，相关研究成果显然远远不如国外关于这一方面的成果更加成熟，为了缩小国内外科技水平的差距，我国做出了不懈努力。浙江大学[13, 14]和清华大学[15, 16]等高校曾经先后对电磁驱动配气机构进行了研究和样机试验，但试验结果不是很理想，多年来未曾出现新的研究报告。
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