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虚拟制造环境下VE型分配泵的研发

本文介绍了虚拟制造技术及其分类，探讨了以设计为中心的虚拟制造技术在汽车零部件研发中的实践，利

用该技术，以柴油发动机VE型分配泵为研究对象，重点分析了传动部件易断裂问题，研究内容涉及产品

全生命周期的各个阶段，包括虚拟样机设计、虚拟样机运动学动力学仿真、虚拟装配、有限元分析和零件

虚拟加工仿真等，并对研究结果进行了实验验证，结合企业实际，给出了解决方案。

1引言

VE型分配泵自20世纪70年代诞生于德国BOSCH公司以来，在国际上得到广泛应用，已

成为高速中小型柴油机喷油系统的首选。近年来，国内引进的一批柴油机均配装VE型分配

泵，如南汽的索菲姆系列、二汽的康明斯系列、北汽和江铃的五十铃系列等，伴随这些柴

油机的国产化，国内企业通过引进技术生产的VE型分配泵却在国产化过程中遇到了困难：

国产部件结构强度和可靠性方面达不到国际标准，集中表现为产品使用寿命达不到要求、

产品质量不稳定等；最为严重的是传动轴、十字块、端面凸轮等零件在工作过程中发生断

裂，零部件的断裂情形如图1所示，国内对VE型分配泵研究起步较晚，大多处于理论阶

段。如果按照传统的方法分析运动件断裂的原因，并将改进的产品迅速投向生产，对企业

来说是个难题。本文引入了近年来随着制造业信息化进程而发展起来的虚拟制造技术，并

探讨虚拟制造技术在汽车零部件业的应用模式和解决方案。

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图1零部件的三种断裂情形

2虚拟制造技术及其分类

(1)定义

虚拟制造是实际制造在计算机上的本质实现，即采用计算机建模与仿真技术，在高性

能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，通过三维模型及动画或虚拟现

实，实理产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的

管理与控制等产品制造的本质过程，以增强裁造过程各级的决策与控制能力。

由此可见，虚拟制造是面向产品全生命周期的，它应用于从产品开发、生产、使用直

至再制造的全过程，具有系统集成性、符合并行工程、高度的分布合作以及面向敏捷制造

等特征，虚拟制造通过利用仿真技术、网络技术等新技术为人们营造出一个与现实生活相

似的虚拟的环境和将要生产出的产品相同功能的虚拟样机，在这个虚拟的环境下，通过对

虚拟样机的控制可反映出将来真实的产品在现实的世界的各种状态，以帮助科技人员、管

理人员、生产人员乃至最终的消费者在未得到真实的产品之前就做出全局最优化的决策。

(2)分类

虚拟制造的研究涉及产品全生命周期中的各个方面，可以分为三个不同的类别：以设

计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。以设计为中

心的虚拟制造是将虚拟制造应用于产品设计和工艺设计的过程，主要是为设计者提供产品

设计的科学性和制造可行性的评估环境；以生产为中心的虚拟制造是将虚拟制造应用于生

产组织过程中，目的是优化配置生产制造过程的资源和合理编排生产计划；以控制为中心

的虚拟制造是将虚拟制造应用于生产控制过程中，用以优化制造过程和车间控制。

本文主要研究以设计为中心的虚拟制造技术在VE型分配泵中的应用。以设计为中心的

虚拟制造的主要核心技术包括特征造型、面向数学的模型设计及加工过程的仿真技术；主

要应用领域包括造型设计、热力学分析、运动学分析、动力学分析、容差分析和加工过程

仿真等。

3VE型分配泵的应用

本文的工作重点是研究将虚拟制造技术应用于汽车零部件业，解决企业在VE型分配泵

国产化中所遇到的问题。适合企业实际的虚数制造系统体系结构和研究流程如图2所示。具

体的实施步骤如下：

Step1.进行产品的虚拟设计，三维建模为后续CAE、CAPP和CAM提供数据源。

Step2.进行运动机构的运动学和动力学分析，运动学分析可以优化产品传动机构的运

动配合关系，产生的运动学分析结果速度和加速度用于动力学分析；动力学分析产生的机

构受力状况用于有限元分析。

Step3.将上述结果输入有限元分析中进行关键结构有限元分析。

Step4.依据有限元分析结果进行结构优化设计，并将优化结果重新进行各种分析。

Step5.进行产品的虚拟装配、关键件的虚拟加工仿真等，并在分析与优化的各个阶段

进行各种实验以验证各项研究的正确性。