发动机结构复杂、功能要求多,由缸体、曲轴、连杆、活塞、气门和缸盖等众多精密零部件装配而成。零部件的精度直接影响到发动机的功率、扭矩和油耗等性能。摸清零部件精度与整机性能的映射关系,对于发动机的设计和制造至关重要。目前,发动机装配体的公差分析仍以传统的一/二维尺寸链为主,难以有效处理特征上的方向和形状等几何公差信息、及其相互间的耦合关系。三维公差分析技术在三维空间表达特征的变动,并将这些变动量传递到功能要求处,可以将传统尺寸链无法处理的几何公差及其耦合关系考虑进来,使得分析过程更加合理、分析结果更加精确。三维公差分析可从尺寸链角度分析发动机精度与性能的映射关系。雅克比旋量模型是一种典型的三维公差分析模型,其结合了适合公差表达的旋量模型和适合公差传递的雅克比矩阵,有着简洁的数学表达和精确的求解结果,以及丰富的工程语义。对于诸如发动机等含有大量几何公差信息、以平面和圆柱特征为主、且轴孔多为间隙装配的复杂装配体,雅克比旋量模型是理论上较为合适的三维公差分析模型。本文将雅克比旋量模型引入到发动机装配体的公差分析中,建立特征旋量在组合公差限制下的矢量变动及其相互间的约束方程,并给出了考虑这些变动和约束关系的传递算法。同时,针对发动机装配体中存在着局部并联的尺寸链结构,提出了该结构的旋量表达及求解算法。此外,为了区分量化每一个参与计算的公差,创建了统计条件下的公差贡献度及其分解算法,最终实现了对发动机装配体准确可靠的三维公差分析。本文的研究内容及创新成果如下:(1)典型特征三维几何公差的雅克比旋量建模方法针对发动机零部件的特征和公差类型,首先介绍了平面和圆柱特征的旋量表达,并从数学原理上详细推导了圆锥结构的旋量表达式。同时,也介绍了雅克比旋量模型的特点及存在的不足。然后,给出了圆锥、圆柱和平面特征在公差、尤其是组合公差限制下的旋量中各矢量的变动及其相互间的约束方程。引入这些变动和约束关系,保证了基于旋量的公差表达模型与公差标准相一致。最后,应用蒙特卡洛仿真方法,将特征旋量中的矢量变动和约束方程融入到雅克比旋量模型中,提升了雅克比旋量模型的准确性和可靠性。(2)局部并联尺寸链的雅克比旋量构造与求解针对发动机装配结构的特点,将在雅克比旋量模型的串联传递路径中可构成局部连接回路的这类装配连接结构定义为局部并联尺寸链,并总结归纳了几种典型的由平面和圆柱特征所形成的局部并联尺寸链结构。对这些结构进行深入分析,提出了在雅克比旋量模型中处理这种特殊结构的方法。该方法避免了并联雅克比矩阵的建模求解,提高了模型的实用性。(3)雅克比旋量模型的公差贡献度计算及分解针对极值条件下雅克比旋量模型公差贡献度的局限性,本文给出了统计条件下雅克比旋量模型的公差贡献度计算方法。然而,该算法仅能计算特征上所有公差的贡献度,对于特征上的组合公差信息,尚不能量化分解其各自的贡献度。因此,基于数据拟合方法,将特征上的组合公差贡献度分解到每一个具体的公差,以实现区分量化每一个公差信息的目的。(4)雅克比旋量模型在发动机装配公差分析中的应用在上述研究的基础之上,对发动机的曲柄滑块机构和配气机构进行了三维公差分析。对于曲柄滑块机构,重点介绍了平面和圆柱特征旋量中矢量的变动及其相互间的约束关系建模方法,以及局部并联尺寸链的处理方法。对比结果验证了本文所提方法的准确性和可靠性。对于配气机构,则重点介绍了挺柱选配前后的计算过程,现场实际分组情况印证了计算的准确性。本文面向复杂发动机装配体的大量几何公差信息,研究基于雅克比旋量模型的三维公差表达和传递建模方法,提出了在雅克比旋量模型中考虑局部并联尺寸链的计算方法,给出了统计公差贡献度的量化及分解算法,不仅为汽车发动机装配体的公差分析和优化提供新的理论方法和技术指导,对航空航天发动机的公差分析也具有指导意义。