柴油机活塞实体三维建模方法的研究

□ 郝立红

兰州交通大学博文学院机电工程系 兰州 730101

活塞是发动机中承受热载荷并将热能转换为机械能的主要部件，其设计质量及工作的可靠性、耐久性直接关系到发动机整体性能的优劣。针对活塞的实际工作情况，以降低冷却油温度、提高活塞使用寿命、为企业节约成本为目的，笔者采用Solid Works工具，对活塞实体进行三维建模，为活塞的结构设计和改进提供了重要依据，这对改进活塞设计、提高柴油机性能与可靠性是十分重要的。

1 活塞实体建模的步骤

1.1 生成新的零件文档

双击启动Solid Works制图软件，单击标准工具栏上的“新建”按钮，弹出“新建Solid Works文件”对话框，单击“零件”按钮，然后单击“确定”按钮，出现新零件窗口界面。

1.2 绘制活塞基体截面草图

1.2.1 草图绘制

单击“草图”工具栏上的“直线”，再单击“工具”→“几何关系”→“添加”，依次给水平线添加“水平约束”，给垂直线添加“垂直”。在上视基准面用直线命令中的中心线画出两条垂直的辅助中心线，再单击“草图”工具栏上的 “直线”，依次画出尺寸为119.5 mm、310 mm、14 mm、35 mm、105.5 mm 的直线，单击草图工具栏上的圆绘制按钮，完成半径为32 mm和直径为40 mm的圆绘制，在两圆之间绘制一条直线，并分别为两圆与直线添加“相切”几何关系，完成活塞裙部基本截面的草图轮廓。单击“剪裁实体”按钮，剪掉草图多余的部分，完成活塞顶部ω槽截面的草图轮廓，生成活塞基体截面草图，如图1所示。1.2.2 旋转基体特征

在Command Manager的特征工具条中，单击 “旋转凸台/基体”按钮，在“旋转”对话框中单击确定按钮。单击视图工具栏中的“整平显示全图”按钮，显示全图并使其居于图形区域，生成活塞基体截面的旋转图，如图2所示。

1.3 生成气环槽与油环槽

（1）单击“矩形”按钮，绘制5个矩形框，将上4个矩形框靠里的直线添加“共线”几何关系，单击智能尺寸按钮，为气环槽与油环槽草图添加定性尺寸和定位尺寸。

（2）在Command manager的特征工具栏中，单击“旋转切除”按钮，弹出对话框，单击“旋转轴”按钮，在“设计树”中选“基准轴线1”，单击确定按钮。单击视图工具栏中的“整屏显示全图”按钮，显示全图并使其居于图形区域，生成气环槽与油环槽的旋转图，如图3所示。

1.4 生成避阀坑图

▲图1 活塞基体截面草图

▲图2 活塞基体截面的旋转

▲图3 气环槽与油环槽的旋转

单击工具栏中参考几何体（G）的基准面，再选中活塞顶面为草图绘制平面制图。单击“中心线”按钮，再单击“草图”工具栏上的“直线”，依次画尺寸为52 mm、52 mm两直线，两直线相交的点为将要绘制圆的圆心（绘制一条角度为45°的中心线），单击 “圆”按钮，绘制一直径为90 mm的大圆和一半径为R5 mm的小圆。选中“活塞顶面”，单击“转换实体引用”按钮，将大圆投入到当前草图中，将小圆分别与两大圆添加 “几何关系。单击“剪裁实体”按钮，剪掉草图多余部分。单击智能尺寸按钮，添加定性尺寸和定位尺寸，在Command manager的特征工具栏图中，单击“拉伸切除”按钮，在其对话框中方向设置为“给定深度”，拉伸切除深度为18.5 mm。单击视图工具栏中的“整屏显示全图”按钮，显示全图。在特征工具栏中，单击“圆周阵列”，选活塞基体圆柱面为阵列方向，阵列角度为360°，阵列数目为4，并选中“等间距”，单击确定按钮，生成避阀坑图，如图4所示。

1.4.1 生成上油环槽上的回油孔

（1）单击“视图定向”中的“前视”，选中油环槽底面为草图绘制平面。单击“圆”按钮，绘制半径为R4 mm的7个小圆。将原点与第4个小圆的圆心添加“重合”几何关系，单击智能尺寸按钮，添加定性尺寸和定位尺寸。

（2）在Command manager的特征工具栏中，单击“拉伸切除”按钮，在其对话框中方向设置为“完全贯穿”。单击视图工具栏中的“整屏显示全图”按钮，显示全图，生成上油环槽上的回油孔图，如图5所示。

1.4.2 生成下回油孔

▲图4 避阀坑图

单击“视图定向”中的“前视”，选中油环槽底面为草图绘制平面。单击“圆”按钮，绘制一直径为3.5 mm的小圆，将原点与小圆添加 “重合”几何关系。在Command manager的特征工具栏，单击图“拉伸 切除”按钮，在其对话框中方向设置为“完全贯穿”。单击视图工具栏中的“整屏显示全图”按钮，显示全图。单击“圆周阵列”，选取“基准轴1”为阵列方向，阵列角度为360°，阵列数目为16。单击工具栏中参考几何体（G）的基准面，再选中活塞裙部为草图绘制平面制图。单击“圆”按钮，绘制一半径为R3.5 mm的小圆，将原点与小圆添加“重合”几何关系。单击智能尺寸按钮，添加定性尺寸和定位尺寸。在Command manager的特征工具栏中，单击“拉伸切除”按钮，在其对话框中方向设置为“完全贯穿”，再单击“圆周阵列”，选取“基准轴1”为阵列方向，阵列角度为360°，阵列数目为16，并选中“等间距”，单击确定按钮。单击视图工具栏中的“整屏显示全图”按钮，显示全图，生成活塞全图，如图6所示。

1.4.3 生成连杆通道孔

单击工具栏中参考几何体（G）的基准面，再选中大圆面为草图绘制平面，绘制一条竖直和水平的中心线，并将其与原点添加“重合”、“中点”几何关系。选中大圆面，单击“转换实体按钮”，将大圆投入到当前草图中。单击“等距实体”按钮，在“等距距离”中输入“50”，选中中心线。单击“直线”按钮，绘制一条水平线。单击“圆”，在水平直线与大圆之间绘制一半径为R10 mm的小圆，将水平直线和大圆分别与小圆添加“相切”几何关系。单击“剪裁实体”按钮，剪掉草图多余部分，单击草图工具栏中的“镜像”按钮，弹出“镜像”对话框，单击“镜像点”，在“图形窗口中”中选水平的中心线，在对话框中，单击“要镜像的实体”，在“图形窗口中”选中绘制的草图边线。再一次单击草图工具栏中的“镜像”按钮，弹出镜像对话框，单击“镜像点”，在“图形窗口中”中选竖直的中心线。在对话框中，单击 “要镜像的实体”，在 “图形窗口中”选中绘制的草图边线。在Command manager的特征工具栏中，单击“拉伸切除”按钮，在其对话框中方向设置为“给定深度”，拉伸切除深度为130 mm。单击视图工具栏中的“整屏显示全图”按钮，显示全图，生成连杆通道孔的拉伸切除图，如图7所示。

▲图5 上油环槽上的回油孔

▲图6 活塞全图

▲图7 连杆通道孔的拉伸切除

▲图8 活塞销座孔的拉伸切除

1.4.4 绘制活塞销座孔

单击草图工具栏中的 “圆”按钮，绘制销座孔圆。单击“智能尺寸”按钮，为其添加定性尺寸和定位尺寸。拉伸切除特征——打销座孔，在Command manager的特征工具栏中单击拉伸切按钮，在其对话框中方向设置为两侧对称，拉伸切除深度为330 mm。单击视图工具栏中的“整屏显示全图”按钮，显示全图，并使其居于图形区域，单击前导视图工具栏中的“旋转视图”，使图形转过一定角度，生成活塞销座孔的拉伸切除图，如图8所示。

1.4.5 生成挡圈槽

先选择前视基准面，单击草图工具栏中的“矩形按钮，单击智能尺寸按钮为其添加定性尺寸和定位尺寸。然后单击“插入”→“参考几何体”→“基准轴”，弹出“基准轴”对话框，单击“参考实体”，在“图形窗口中”选中活塞基体面，选择“圆柱/圆锥面”选项，单击确定按钮，完成基准轴线1的绘制。同理，选中活塞销座孔面，生成基准轴线2，再单击特征工具栏的“镜像”，弹出对话框，单击“要镜像的实体”，镜像生成另一个挡圈槽。在Command manager的特征工具栏中，单击“旋转切除”按钮，弹出对话框，单击“旋转轴”按钮，在“设计树”中选“基准轴线2”，单击确定按钮。单击视图工具栏中的“整屏显示全图”按钮，显示全图，并使其居于图形区域，生成挡圈槽旋转切除图，如图9所示。

1.4.6 绘制3个冷却油槽

▲图9 挡圈槽旋转切除

（1）选择右视基准面，单击草图工具栏中的“圆”按钮，绘制3个冷却油槽圆 。单击草图工具栏中的“直线”按钮，将第2个和第3个圆与直线添加“相切”几何关系，单击“剪裁实体”按钮，剪掉草图多余部分。单击智能尺寸按钮为冷却槽草图，添加定性尺寸和定位尺寸。在Command manager的特征工具栏中，单击“旋转切除”按钮，弹出对话框中，单击“旋转轴”按钮，在“设计树”中选“基准轴线1”，单击确定按钮。单击视图工具栏中的“整屏显示全图”按钮，显示全图，并使其居于图形区域。

（2）选择上视基准面，单击工具栏中参考几何体（G）的基准面，再单击草图工具栏中的“直线”按钮，依次绘制尺寸为64.3 mm、109 mm、32 mm的直线，在距第2段109 mm的直线上40 mm处的点为圆点，绘一个半径为40 mm的圆，小圆跟两条竖直直线添加几何关系，单击显示/删除几何关系按钮，两直线与圆相切，其中绘出的一条竖直为109 mm的直线，按住“Ctrl”按钮，选中原点和该直线，在弹出的对话框中点击“重合”按钮。单击“剪裁实体”按钮，剪掉草图多余部分。单击智能尺寸按钮，为冷却油腔草图添加定性尺寸和定位尺寸，生成中央冷却油腔旋转切除图，如图10所示。

▲图10 中央冷却油腔旋转切除

▲图11 活塞整体模型

1.4.7 将顶部分成几个圆形区域

（1）单击“视图定向”中的“上视”按钮，选中活塞顶面作为草图绘制平面。单击草图工具栏里的“圆”按钮，绘制4个圆。单击“智能尺寸”按钮，圆添加定性尺寸和定位尺寸。

（2）在Command Manager中的“插入”选项卡下选择“曲线”中的“分割线”。出现分割线对话框，在“分割类型”中选中“交叉点”，在图形区域选取第一条分割线所划分的面区域，单击确定按钮。同理，依次按照分割线，将顶部划分成五个区域，得到活塞整体模型，生成活塞整体模型，如图11所示。

2 结论

综上所述，柴油机活塞的实体建模，利用应力分析软件针对活塞在工作过程中可能出现的工况及造成的损害进行分析提供了依据，对于延长柴油机发动机使用寿命、提高生产效率、降低企业成本均具有重要意义。

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