基于Pro/E的發動機曲柄滑塊機構的運動仿真分析

黃經元，王淑芳，賈穎蓮，廖東旺

（1.九江職業技術學院 機械工程學院，九江 332007；2.江西機電職業技術學院 機械工程系，南昌 330013 3.江西交通職業技術學院 機電工程系，南昌 330013）

0 引言

曲柄滑塊機構是機械中常見的一種機構，其作用是將曲柄的等速旋轉運動轉化為滑塊的往復直線運動。由于曲柄滑塊機構制造容易、結構簡單、強度高、速度快，因此廣泛應用于空壓機、沖床、發動機、儀表機構中。曲柄滑塊機構屬于低副機構，低副接觸兩元素之間不易產生磨損，故可以承受較大的載荷，因此在重型機械中也得到了廣泛應用。

本文以比較典型的單活塞式發動機中的曲柄滑塊機構為例來論述曲柄滑塊機構在Pro/E軟件中的運動學仿真分析過程。

1 曲柄滑塊機構的運動分析

單活塞式發動機的工作原理是通過曲軸的旋轉運動，借助連桿把動力傳遞給活塞，利用活塞的往復運動，使汽油與空氣在密閉容器（如氣缸）混合、燃燒、膨脹、做功，并將熱能轉變成機械能機械的。單活塞式發動機主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機構等零部件組成，其中氣缸是汽油和空氣的混合氣體進行燃燒釋放熱能，并將熱能轉變成機械能的地方。發動機經過進氣、壓縮、做功、排氣四個沖程的循環來不斷地產生動力。通過分析，曲軸的旋轉運動通過連桿轉化成活塞的往復運動，這種機構就是機械原理中的曲柄滑塊機構。因此，根據機械原理的知識可以得到被研究對象單活塞式發動機的機構工作原理圖的數學模型，如圖1所示。

圖1 曲柄滑塊機構

圖中零件“1”即曲柄滑塊機構中的曲柄，相當于單活塞式發動機中的曲軸；零件“2”即連桿；零件“3”即滑塊，相當于活塞；零件“4”即機架，相當于氣缸。

2 仿真分析前期準備

單活塞式發動機機構的數學模型建立之后，即可使用Pro/E的運動仿真模塊Mechanism進行仿真分析，但此前需要使用計算機三維參數化的軟件設計完成待仿真的零部件。首先須了解Pro/E的運動仿真流程和方法（圖2），方可熟練地使用該軟件的運動仿真模塊。

圖2 仿真分析流程圖

對零件的參數化設計就不再贅述，這里主要討論曲柄滑塊機構的運動仿真分析。

3 曲柄滑塊機構的運動仿真分析

在Pro/E軟件中進行曲柄滑塊機構運動仿真有兩個關鍵的步驟：其一是創建機構，其二是添加驅動器。惟如此，才有可能仿真成功。

3.1 創建曲柄滑塊機構

在Pro/E軟件中創建曲柄滑塊機構主要有三個主要的步驟。

步驟一、裝配機架。

在Pro/E軟件的裝配模塊Assembly 的主界面中，選擇主菜單【插入】→【元件】→【裝配】，在彈出的【打開】對話框中選取裝配到機構中的第一個零件“Qgang”（即氣缸，該名稱由用戶自行定義，下同），調入該零件到繪圖區。在【裝配操控板】選擇常規裝配類型中的“缺省”，即將氣缸定義為機構的基礎主體（即機架）。這種裝配方式也是我們通常完成裝配體所用的方法。

步驟二、創建“銷釘”連接（銷釘連接只有一個自由度，可圍繞指定軸旋轉）。

創建“銷釘”連接是進行機構運動仿真的關鍵，同時方法也與創建機架不同，因此這里作特別的說明。

在機架創建完成之后，在裝配主界面繼續選擇【插入】→【元件】→【裝配】，在彈出的【打開】對話框中選取裝配到機構中第二個零件“Qzhou”（即曲軸）后，調入該零件到繪圖區（這跟前面裝配機架是相同的），在彈出的【裝配操控板】，需要選擇【預定義】的連接集中的【銷釘】連接方式，按照要求即可完成曲軸的“銷釘”連接，如圖3所示。其中1所指示的是裝配完成的氣缸，2是曲軸。

圖3 創建“銷釘”連接

采用同樣的方法創建第二個“銷釘”連接，裝配零件“Lgan”（即連桿）。至此，在曲柄滑塊機構中的兩個“銷釘”連接已經創建完成。

步驟三、創建“圓柱”連接（圓柱連接，具有一個平移自由度和一個旋轉自由度，允許構件沿指定的軸平移并繞該軸旋轉）。

在裝配的曲柄滑塊機構中，繼續裝配零件“Hsai”（即活塞），使該零件采用“圓柱”連接方式。這種連接方式不同于其他連接的地方是在彈出的【裝配操控板】的【預定義】的連接集中選擇【圓柱】連接方式。同時按照【圓柱】連接的要求選擇零件“Hsai”的軸線A_2和零件“Lgan”的軸線A_1即可完成活塞的【圓柱】連接。采用同樣的方法完成氣缸和活塞的“圓柱”連接。

最后按照裝配類型中的“缺省”裝配完成零件“汽缸蓋”的裝配。至此單活塞式發動機的曲柄滑塊機構創建完成。如圖4所示，其中3是活塞，4是連桿。

圖4 曲柄滑塊機構

3.2 運動仿真分析

在曲柄滑塊機構創建完成之后，需要使用Pro/E軟件的機構運動仿真模塊Mechanism觀察并記錄分析或測量對曲柄滑塊機構的仿真運動中的諸如位置、速度、加速度或力等參數，然后以圖形的形式表示這些測量結果，使設計者能夠更加簡便、直觀地了解設計的結果。

3.2.1 創建伺服電機

為了驅動曲柄滑塊機構能夠在Pro/E軟件中進行正常工作，必須在機構中添加動力源——伺服電機。創建的方法是在裝配完成的曲柄滑塊機構的Pro/E軟件的主界面中選擇菜單【應用程序】→【機構】，進入Pro/E軟件的機構模塊操作界面。在機構模塊中選擇菜單【插入】→【伺服電機】，在彈出的對話框中作相應的設置即可完成伺服電機的創建。

3.2.2 機構的運動學分析

在Pro/E軟件的主界面選擇菜單【分析】→【機構分析】，在彈出的“分析定義”對話框中定義好運動學分析的“類型”、添加第一步驟中創建的“伺服電機”等相關的信息后，單擊該對話框中的“運行”按鈕，機構就可以進行運動仿真。

選取主菜單中的【分析】→【測量】命令，在彈出的“測量結果”對話框中，選擇“新建”按鈕，在緊接著彈出的“測量定義”對話框中進行相應的設置，如圖5所示。

圖5 “測量定義”對話框

在“測量結果”對話框中選擇“繪制選定結果集所選測量的圖形”按鈕，系統就會在“圖形工具”窗口中顯示測量的結果。

另外，運動仿真分析可以保存為回放文件，利于設計者和用戶日后查看機構的運動仿真分析的結果。

圖6 測量結果

4 結論

在Pro/E軟件提供的虛擬環境中，設計者可以借助計算機中的三維參數化實體模型，在機構運動仿真環境中對虛擬裝配機構進行全方位的仿真分析，該軟件還能夠對機構中零部件是否存在干涉進行檢測，使設計者及時發現機構的零部件間哪些地方存在不足。同時軟件能夠記錄分析或測量對曲柄滑塊機構的仿真運動中的某些參數，然后以圖形的形式表示這些測量結果，使設計者甚至客戶能夠更加簡便、直觀地了解設計的各種信息，從而發現設計中潛在的缺陷和不足，由此縮短了開發周期，減少了開發費用，提高了經濟效益。

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