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1、基于Pro/E的內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真 發(fā)表時(shí)間： 2010-3-6 作者: 湯兆平*孫劍萍 來源: 萬方數(shù)據(jù) 關(guān)鍵字: 虛擬裝配?運(yùn)動(dòng)仿真?內(nèi)燃機(jī)?Pro/E? 燃機(jī)作為常用動(dòng)力，在機(jī)械行業(yè)中占有重要地位。但其由大量零件組成，零件之間的裝配關(guān)系也比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)與方案確定需要經(jīng)過反復(fù)的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)與修改，致使設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，研制費(fèi)用高?，F(xiàn)在通過應(yīng)用虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)，大大提高了其設(shè)計(jì)開發(fā)效率。 1 引言 ??? 虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真是根據(jù)產(chǎn)品的形狀特征、精度特性，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上模仿產(chǎn)品的實(shí)際裝配過程、仿真模擬機(jī)器的運(yùn)動(dòng)過程，以可視化手段研究和解決

2、產(chǎn)品的可裝配性及運(yùn)動(dòng)問題。在內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用這種方法可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少樣機(jī)實(shí)驗(yàn)次數(shù)，迅速地對(duì)市場(chǎng)做出反應(yīng)，降低產(chǎn)品的成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。 2 結(jié)構(gòu)與配合 ??? 零件結(jié)構(gòu)與配合是虛擬裝配的基礎(chǔ)。內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要包括氣缸體、曲軸箱、活塞、活塞銷、連桿、曲軸等零件。 ??? 活塞位于氣缸中，它與氣缸之間采用微量間隙配合(柴油機(jī)為(0.0013-0.0027)D。汽油機(jī)為0.0005D，m氣缸直徑)，以保證活塞在氣缸中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；3-4道活塞環(huán)開口相錯(cuò)地裝于活塞環(huán)槽內(nèi)(鑄鐵活塞的活塞環(huán)開口間隙為0.003D；鋁質(zhì)活塞的活塞環(huán)開口間隙為0.0025D)，環(huán)與槽為間

3、隙配合(側(cè)隙為(2.5-3.0)％b，b——活塞環(huán)的軸向厚度，背隙約(0.15-0.25)mm)，常態(tài)下活塞環(huán)直徑略大于缸徑，以保證裝配后其外圓緊貼缸壁，工作過程中環(huán)在隨活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也能在環(huán)槽內(nèi)作微量的轉(zhuǎn)動(dòng)；活塞銷連接活塞與連桿小頭，銷與連桿小頭間隙配合(間隙約(0.025-0.048)mm)，銷與活塞銷座孔大多采用全浮式連接，即冷態(tài)下為過渡配合，而熱態(tài)下為微量間隙配合，使活塞銷在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，不僅可以在連桿小頭襯套孔內(nèi)，還可以在銷座孔內(nèi)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)；剖分式連桿的大頭與連桿蓋通過螺栓連接在曲柄銷上?？衫@銷擺動(dòng)，如圖l所示。 3 產(chǎn)品裝配層次關(guān)系的確定 ??? 裝配層次關(guān)系描述了產(chǎn)品裝配

4、結(jié)構(gòu)，是產(chǎn)品裝配模型的主框架。裝配體可以分解成若干個(gè)子裝配體或零件，子裝配體又可以進(jìn)一步分解成若干個(gè)子裝配體或零件，由此表現(xiàn)出產(chǎn)品的層次性。通常把裝配體、子裝配體、零件之間的這種層次關(guān)系表示為裝配樹，樹的根節(jié)點(diǎn)是裝配體(即最終的產(chǎn)品)，葉節(jié)點(diǎn)是組成產(chǎn)品的各個(gè)零件，而中間節(jié)點(diǎn)則是子裝配體。裝配樹的層次關(guān)系也體現(xiàn)了實(shí)際形成產(chǎn)品的裝配體。 ??? 實(shí)際裝配時(shí)，內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)常先將活塞連桿組、曲軸飛輪組分別裝配兩個(gè)總成后，再進(jìn)行總裝?？紤]到飛輪的存在與否并不影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與仿真，本例中忽略飛輪，僅設(shè)立活塞連桿組子裝配體。 ??????? 圖1 各零件的結(jié)構(gòu)與裝配關(guān)系??? 圖2 裝配 4

5、 內(nèi)燃機(jī)的裝配過程 ??? 虛擬裝配方案初步確定后，就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)與裝配關(guān)系建立產(chǎn)品三維模型，為簡(jiǎn)便裝配，建模要充分考慮零件的裝配關(guān)系，適當(dāng)創(chuàng)建裝配所需的基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面?，F(xiàn)以單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)為例，在Pro/E wildfire 2.0的環(huán)境下，對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配，如圖2所示。 4.1 機(jī)體與曲軸的裝配 ??? 新建一組件形式文件。選擇元件——裝配，引入內(nèi)燃機(jī)機(jī)體，在缺省位置裝配元件，作為裝配基礎(chǔ)。接著安裝曲軸，由于曲軸在工作中需轉(zhuǎn)動(dòng)，裝配時(shí)必須將其定義為連接元件，允許其運(yùn)動(dòng)。Pro/E中提供了剛性、銷釘、滑動(dòng)桿、圓柱、平面、球、焊接與軸承等連接方式。曲軸相對(duì)機(jī)體旋轉(zhuǎn)，因此將其連接方式定義為

6、銷釘連接，考慮到曲軸的曲柄銷和連桿相連，為順利實(shí)現(xiàn)下一步連桿的安裝，在裝配曲軸時(shí)，需要改變其放置位置，將其旋轉(zhuǎn)90°，使其轉(zhuǎn)到上止點(diǎn)或下止點(diǎn)位置，如圖3所示。 ? 圖3 銷釘連接的定義 4.2 建立活塞連桿組子裝配體 ??? 再新建另一組件形式文件，依次將連桿、活塞、活塞環(huán)、活塞銷進(jìn)行裝配，得到活塞連桿組子裝配體。裝配時(shí)連桿小頭孔與活塞、活塞銷與活塞均為銷釘連接，以實(shí)現(xiàn)裝配后銷在活塞銷座內(nèi)、連桿繞活塞銷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。 ? 圖4 活塞連桿組 4.3 將活塞連桿組組件裝入總裝配 ??? 再激活第—個(gè)組件文件，在該文件中選擇元件—裝配，引入活塞連桿組組件，定義活塞與氣缸為

7、圓柱連接，連桿大頭孔與曲柄銷為銷釘連接，這樣安裝后的活塞能在缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿能繞曲柄銷擺動(dòng)。 4.4 裝配連桿蓋 ??? 連桿蓋與連桿大頭貼合面采用匹配，連桿蓋及連桿大頭螺栓孔采用軸線對(duì)齊放置元件。 4.5 裝配曲軸支撐與下曲軸箱 ??? 若下曲軸箱與曲軸支撐在建模時(shí)，已考慮了與機(jī)體安裝面的貼合問題，則裝配時(shí)只需直接采用在缺省位置裝配；若沒有考慮，則采用匹配與對(duì)齊方式放置元件。 5 運(yùn)動(dòng)仿真 ??? 為獲得較好的視覺效果，安裝完畢后，可先對(duì)零部件進(jìn)行外觀與顏色設(shè)置，再利用Pro/E的“機(jī)構(gòu)”模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。選擇應(yīng)用程—機(jī)構(gòu)(Mechanism)，進(jìn)入“機(jī)構(gòu)”模塊，點(diǎn)擊

8、“定義伺服電動(dòng)機(jī)”按鈕，新建一伺服電動(dòng)機(jī)，選擇裝配曲軸與機(jī)體時(shí)定義的銷釘連接為連接軸，在“輪廓”選項(xiàng)卡中定義電動(dòng)機(jī)的類型?！耙?guī)范”設(shè)置為速度，“?！痹O(shè)置為常數(shù)，“A”設(shè)置為360。 ??? 點(diǎn)擊“運(yùn)動(dòng)分析”按鈕，新建一運(yùn)動(dòng)分析，在其對(duì)話框“優(yōu)先”選項(xiàng)卡中，設(shè)置開始時(shí)間、長(zhǎng)度與針頻，開始時(shí)間設(shè)為0，終止時(shí)間設(shè)為：0.999999，幀頻設(shè)為30。單擊運(yùn)行，可以觀看內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)在曲軸勻速旋轉(zhuǎn)一圈過程中的運(yùn)行情況。 6 查看運(yùn)動(dòng)和輸出結(jié)果 6.1 查看運(yùn)動(dòng) ??? 在“機(jī)構(gòu)”模塊中，點(diǎn)擊“回放”按鈕，首先在其對(duì)話框“干涉”選項(xiàng)卡中，動(dòng)態(tài)地檢測(cè)各零件間的干涉情況，于涉模式主要有：無干涉、快

9、速檢查、兩個(gè)零件、全局干涉。若運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)干涉，Pro/E會(huì)提示，并將干涉區(qū)加亮顯示，以便設(shè)計(jì)者檢查修改；點(diǎn)擊播放當(dāng)前結(jié)果集—捕獲，還可制作并輸出mpg格式的影片。 6.2 結(jié)果輸出 ??? 機(jī)構(gòu)模塊中可進(jìn)行的分析測(cè)量量有：位置、速度、加速度、連接反作用、凈負(fù)荷、沖力等。鼉點(diǎn)擊“生成分析的測(cè)量結(jié)果”按鈕，顯示測(cè)量結(jié)果對(duì)話框，在測(cè)量欄內(nèi)新建測(cè)量，選擇需要的分析測(cè)量，勾選“分別繪制測(cè)量圖形”，點(diǎn)擊“繪制選定結(jié)果集所選測(cè)量的圖形”按鈕，設(shè)定的分析測(cè)量量將以圖形和數(shù)據(jù)的形式輸出，直觀準(zhǔn)確。 ??? 下面為內(nèi)燃機(jī)活塞頂部中心的位置、速度、加速度隨時(shí)間變化和曲柄銷加速度的分析圖形和數(shù)據(jù).如圖5、6

10、所示。 ? 圖5 分析圖形 ? 圖6 活塞的加速度曲柄銷加速度 7 仿真結(jié)果的分析研究 ??? (1)活塞頂部中心的位置變化范圍為：(158.496—221.996)mm，曲線位置值由小變大，再由大變小，成余弦規(guī)律變化。位置變化范圍正好為曲柄銷長(zhǎng)度的兩倍，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中活塞的運(yùn)動(dòng)也正是由下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)，位置成余弦規(guī)律起伏。 ??? (2)活塞頂部中心的速度范圍為：(0—203.375)mn/s，速度在有兩次起伏，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中也正好是活塞由速度為0從下止點(diǎn)加速運(yùn)行到中間位置，速度達(dá)到最大，再減速運(yùn)行到上止點(diǎn)，接著由速度為0從上止點(diǎn)反向加速運(yùn)行到中間位置，速度達(dá)到最大，再減速運(yùn)行到下

11、止點(diǎn)。 ??? (3)活塞雙部和心的加速度范圍為：152.653-1538.31mm/s2，加速度在有兩次起伏，而實(shí)際情況也正好是活塞從下止點(diǎn)加速度減小地運(yùn)行到中間位置，再加速度增大地運(yùn)行到上止點(diǎn)，接著加速度減小地從上止點(diǎn)反向運(yùn)行到中間位置，再加速度增大地運(yùn)行到下止點(diǎn)。 ??? (4)曲柄銷加速度為一條直線，其值為：1253.44mm/s2。與當(dāng)曲軸勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，理論計(jì)算加速度a=ω2r的結(jié)果一致。 ??? 由此可見，以上所有仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相同，與實(shí)際情況也相符合。 8 結(jié)束語 ??? 本文借助Pro/E實(shí)現(xiàn)了內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真分析，該方法可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段可視地對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行干涉檢測(cè)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性分析。與通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)反饋相比可以大大地縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)周期，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了—個(gè)高效的開發(fā)途徑。