1 引言

　　虛擬裝配與運動仿真是根據(jù)產(chǎn)品的形狀特征、精度特性，利用計算機圖形學(xué)和仿真技術(shù)，在計算機上模仿產(chǎn)品的實際裝配過程、仿真模擬機器的運動過程，以可視化手段研究和解決產(chǎn)品的可裝配性及運動問題。在內(nèi)燃機的開發(fā)設(shè)計階段應(yīng)用這種方法可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少樣機實驗次數(shù)，迅速地對市場做出反應(yīng)，降低產(chǎn)品的成本，提高企業(yè)的競爭力。

　　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)燃機曲柄連桿機構(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(柴油機為(0.0013-0.0027)D。汽油機為0.0005D，m氣缸直徑)，以保證活塞在氣缸中的往復(fù)運動;3-4道活塞環(huán)開口相錯地裝于活塞環(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)運動的同時，也能在環(huán)槽內(nèi)作微量的轉(zhuǎn)動;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)動機運轉(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;剖分式連桿的大頭與連桿蓋通過螺栓連接在曲柄銷上。可繞銷擺動，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子裝配體或零件，子裝配體又可以進一步分解成若干個子裝配體或零件，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)點是裝配體(即最終的產(chǎn)品)，葉節(jié)點是組成產(chǎn)品的各個零件，而中間節(jié)點則是子裝配體。裝配樹的層次關(guān)系也體現(xiàn)了實際形成產(chǎn)品的裝配體。

　　實際裝配時，內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)常先將活塞連桿組、曲軸飛輪組分別裝配兩個總成后，再進行總裝。考慮到飛輪的存在與否并不影響機構(gòu)的運動與仿真，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 內(nèi)燃機的裝配過程

　　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、線、面。現(xiàn)以單缸四沖程內(nèi)燃機為例，在Pro/E wildfire 2.0的環(huán)境下，對其進行虛擬裝配，如圖2所示。

　　4.1 機體與曲軸的裝配

　　新建一組件形式文件。選擇元件——裝配，引入內(nèi)燃機機體，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，裝配時必須將其定義為連接元件，允許其運動。Pro/E中提供了剛性、銷釘、滑動桿、圓柱、平面、球、焊接與軸承等連接方式。曲軸相對機體旋轉(zhuǎn)，因此將其連接方式定義為銷釘連接，考慮到曲軸的曲柄銷和連桿相連，為順利實現(xiàn)下一步連桿的安裝，在裝配曲軸時，需要改變其放置位置，將其旋轉(zhuǎn)90°，使其轉(zhuǎn)到上止點或下止點位置，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)、活塞銷進行裝配，得到活塞連桿組子裝配體。裝配時連桿小頭孔與活塞、活塞銷與活塞均為銷釘連接，以實現(xiàn)裝配后銷在活塞銷座內(nèi)、連桿繞活塞銷的旋轉(zhuǎn)運動，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)運動，連桿能繞曲柄銷擺動。

　　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，已考慮了與機體安裝面的貼合問題，則裝配時只需直接采用在缺省位置裝配;若沒有考慮，則采用匹配與對齊方式放置元件。

　　5 運動仿真

　　為獲得較好的視覺效果，安裝完畢后，可先對零部件進行外觀與顏色設(shè)置，再利用Pro/E的“機構(gòu)”模塊進行運動仿真。選擇應(yīng)用程—機構(gòu)(Mechanism)，進入“機構(gòu)”模塊，點擊“定義伺服電動機”按鈕，新建一伺服電動機，選擇裝配曲軸與機體時定義的銷釘連接為連接軸，在“輪廓”選項卡中定義電動機的類型。“規(guī)范”設(shè)置為速度，“模”設(shè)置為常數(shù)，“A”設(shè)置為360。

　　點擊“運動分析”按鈕，新建一運動分析，在其對話框“優(yōu)先”選項卡中，設(shè)置開始時間、長度與針頻，開始時間設(shè)為0，終止時間設(shè)為：0.999999，幀頻設(shè)為30。單擊運行，可以觀看內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)在曲軸勻速旋轉(zhuǎn)一圈過程中的運行情況。

　　6 查看運動和輸出結(jié)果

　　6.1 查看運動

　　在“機構(gòu)”模塊中，點擊“回放”按鈕，首先在其對話框“干涉”選項卡中，動態(tài)地檢測各零件間的干涉情況，于涉模式主要有：無干涉、快速檢查、兩個零件、全局干涉。若運動過程中出現(xiàn)干涉，Pro/E會提示，并將干涉區(qū)加亮顯示，以便設(shè)計者檢查修改;點擊播放當(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

　　機構(gòu)模塊中可進行的分析測量量有：位置、速度、加速度、連接反作用、凈負荷、沖力等。鼉點擊“生成分析的測量結(jié)果”按鈕，顯示測量結(jié)果對話框，在測量欄內(nèi)新建測量，選擇需要的分析測量，勾選“分別繪制測量圖形”，點擊“繪制選定結(jié)果集所選測量的圖形”按鈕，設(shè)定的分析測量量將以圖形和數(shù)據(jù)的形式輸出，直觀準(zhǔn)確。

　　下面為內(nèi)燃機活塞頂部中心的位置、速度、加速度隨時間變化和曲柄銷加速度的分析圖形和數(shù)據(jù).如圖5、6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度的兩倍，實際運轉(zhuǎn)中活塞的運動也正是由下止點運動到上止點，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，實際運轉(zhuǎn)中也正好是活塞由速度為0從下止點加速運行到中間位置，速度達到最大，再減速運行到上止點，接著由速度為0從上止點反向加速運行到中間位置，速度達到最大，再減速運行到下止點。

　　(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，而實際情況也正好是活塞從下止點加速度減小地運行到中間位置，再加速度增大地運行到上止點，接著加速度減小地從上止點反向運行到中間位置，再加速度增大地運行到下止點。

　　(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，理論計算加速度a=ω2r的結(jié)果一致。

　　由此可見，以上所有仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果相同，與實際情況也相符合。

　　8 結(jié)束語

　　本文借助Pro/E實現(xiàn)了內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)的虛擬裝配與運動仿真分析，該方法可以實現(xiàn)在設(shè)計階段可視地對機構(gòu)進行干涉檢測以及產(chǎn)品設(shè)計的合理性分析。與通過樣機實驗反饋相比可以大大地縮短產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)周期，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，為產(chǎn)品設(shè)計提供了—個高效的開發(fā)途徑。