水平對置式汽車發動機的虛擬裝配與動態仿真

范紅征

（蘇州工業園區職業技術學院，江蘇 蘇州 215021）

水平對置式汽車發動機的虛擬裝配與動態仿真

范紅征

（蘇州工業園區職業技術學院，江蘇 蘇州 215021）

汽車發動機結構復雜，由很多零部件組成。虛擬裝配是在三維設計軟件中，從發動機缸體開始組裝曲軸和四個活塞、氣缸及其它零部件。動態仿真采用產品動畫體現裝配過程，驗證曲軸活塞的干涉，并將動畫用于發動機產品的培訓。

四缸發動機；虛擬裝配；產品動畫

CLC NO.:U467.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014) 12-31-03

1、四缸發動機的建模與虛擬裝配

汽車發動機是汽車的動力來源，活塞在發動機氣缸中做功，完成直線往復運動，帶動連桿推動曲軸高速旋轉。水平對置式發動機也稱作Boxer Engine，四個活塞像拳擊手一樣你來我往地依序運動帶動曲軸旋轉。水平對置式發動機的重心在中間，發動機所占空間較小，適合安裝在底盤上。發動機零件的建模過程，繪制的零件數目很多，有800多個。如圖1所示，建模過程中的曲軸和四個活塞是核心零件，虛擬裝配后要查看它們的運動狀態和干涉狀況。圖1中參與發動機運轉的零部件還有4個汽缸體、2進氣/排氣閥，2個進氣/排氣凸輪軸，它們的運動都要與曲軸和活塞的運動相配合。圖1中其它還有空氣濾清器、對稱進油器、排氣管發電機，發動機缸體、缸蓋等零部件。這些零件的設計不但實現零件的功能要求，工藝上也保證零件順利制造出來，而且零件設計相互關聯。

發動機零部件建模不是一個單獨零件的設計過程，要和曲軸活塞等零部件裝配在一起，在三維CAD軟件中新建零件體文件，建立配合關系，形成裝配體文件，反復在裝配體和零件體建模修改。發動機的建模和裝配從缸體零件開始，如圖2。在發動機缸體的中心部位安裝曲軸、帶輪和飛輪。缸體底部油殼容納潤滑油，四個氣缸與缸體孔配合在一起，

對稱布置在缸體兩側。缸體零件結構，在SolidWorks軟件中繪制過程是外形拉伸-曲軸孔拉伸切除-活塞孔拉伸切除-聯接螺釘孔拉伸切除-底部缸蓋孔拉伸切除-抽殼-飛輪盤拉伸切除-內部曲軸支承結構的拉伸切除-外壁加強筋設計-拔模-倒角-完成缸體設計-鏡像出對稱零件。

缸體設計完成后，與其它零部件形成裝配關系，組裝發動機，實現動力輸出。在三維主流CAD軟件SolidWorks中，首先建立對稱缸體間三平面重合關系，然后建立缸體孔與缸蓋的同心、面重合關系以及缸蓋螺釘的裝配關系，最后安裝缸體間所有聯接螺釘，完成缸體裝配。在此基礎上，SolidWorks軟件新建曲軸飛輪、活塞連桿、氣缸水套、氣缸體，插入這些裝配完成的子裝配體，拖放到相應文件下。發動機缸體與子裝配體曲軸飛輪建立裝配關系，然后與活塞連桿等部件依次建立裝配關系，最終完成圖3中的產品。圖中的活塞連桿、氣缸水套和氣缸體零件左右對稱，為顯示活塞連桿，隱去了圖中的部分氣缸體和冷卻水套。

Boxer發動機裝配結果，在軟件中檢驗曲軸的旋轉不能發生干涉，活塞能夠平穩運動，產品的裝配和設計驗證合理后，給出技術圖解和產品圖紙用于文檔發布和加工制造。因此，裝配體文件還需要在專業軟件中進行動態仿真。實現動態仿真的專業軟件有IPA(Interactive Product Animator)和SolidWorks Composer。

2、發動機運行的動態仿真

IPA是美國Immersive Design公司的開發的軟件，目前最新版本是4.0。IPA4.0可以在三維設計軟件SolidWorks、Pro/E、Inventor和SolidEdge建模的基礎上，完成產品的動態仿真、結構拆裝和原理展示。動態展示的制作過程是在腳本的基礎上，編輯產品的運動路徑。腳本表現發動機各個零部件的組成和機構的運動原理，制作的動畫路徑幀是先從空氣濾清器開始，直到拆裝曲軸，最后將其它部件隱去，展示曲軸活塞的工作原理。為此，打開的發動機部件，在IPA軟件中建立活塞和連桿之間的運動聯接，確定連桿和活塞零件間的運動約束?；钊刂本€滑動，連桿的運動指向活塞，如圖4所示。

曲軸的旋轉運動路徑編輯好路徑后，復制運動路徑到四個連桿零件，制作出動態的運行情況，由于建立了運動約束，活塞的運轉只能是直線往復。設置發動機缸體零件透明展示來觀察曲軸旋轉過程中，活塞和連桿的運動，如果出現干涉，零件顏色變化，出現提示。同時，在軟件中按照設計尺寸參數拆裝每個零部件，實現發動機產品的動態裝配，產品最終可以錄制為動畫或者直接發布到網絡呈現給用戶。

3、發動機產品培訓的動態仿真

SolidWorks Composer軟件的功能強大，編寫的腳本加入人物和環境的要素。培訓教師在實訓環境中，通過文字和屏幕圖像講解發動機，然后動手拆卸發動機，最終虛擬展示四汽缸的工作原理，提出問題，如圖5所示。圖中增加了地面、墻壁、工作臺、講臺和講師等建模結果。對于水平對置式發動機的動態展示是在SolidWorks軟件中建模后，轉換成smg的文件格式。在專業動態裝配軟件SolidWorks Composer中，把裝配體文件中的零件作為對象，參數化地編輯零件對象的坐標、方位、顏色、自由度約束等屬性，圖6中，連桿零件的平面運動與曲軸的旋轉共同設置，曲軸旋轉一定角度，編輯連桿軸瓦的相同參數的旋轉角度，活塞的運動是直線往

復，增加運動約束，在軟件中設置活塞的運動為線性。這樣連桿的運動驅動了活塞的直線運動。螺釘聯接件的拆裝，要設置零件對象的兩個自由度運動，繞軸旋轉和平移。

選擇圖6中單個螺釘對象，參數化設置它繞坐標軸線的旋轉圈數和移動的距離參數，然后拷貝路徑到其它多個螺釘零件對象上。拖放零件到組對象中，可以同時設置多個對象的外觀、方位等參數，使得組對象零件的透明，展示出內部零件對象。

圖6中創建裝配組氣缸、冷卻水套、進氣排氣閥等，消隱活塞上的冷卻水套和氣缸，選擇發動機缸體零件，編輯零件的透明度參數，顯示出內部曲軸活塞的運動。在圖6中最下方的時間軸上設置關鍵幀，將兩個運動之間的對象設置為關鍵幀，按照旋轉角度設置好關鍵幀，建立一個活塞的運動路徑，其它三個活塞連桿的路徑相同的參數設置。按照時間軸的時間，制作培訓講師的前進路徑，雙手拆裝發動機各部件的聯合動作。拆卸完成后，展示圖6中發動機曲軸和活塞的運動狀況，虛擬動態表現出工作原理并查看運動的干涉，驗證設計尺寸。

4、結語

汽車發動機上的很多零件，在設計時，必須保證關聯尺寸準確，設計結果合理，運動狀況平穩。發動機虛擬裝配和動態展示能夠直觀展示設計過程以及零件間的干涉狀態，動態的圖像可以直接輸出到產品的用戶手冊中，產生的動畫在制造、市場和銷售部門使用，降低廣告費用，有效提高產品信息的傳遞和表達。因此，產品虛擬裝配和動態展示動畫將在企業中將越來越廣泛地使用。

[1] 范紅征主編 機械產品動畫 機械工業出版社 2013.

[2] 李大磊等主編 3DVIA Composer工程應用基礎與實例 化學工業出版社2012.

[3] 裴保純主編 汽車是如何奔跑的：圖解汽車構造與原理 機械工業出版社 2010.

The Boxer Engine’s Virtual Assembly and Dynamic Simulation

Fan Hongzheng
（Suzhou Industrial Park Institute of Vocation Technology, Jiangsu Suzhou 215021）

The motor engine is complicated and is composed of many parts. Its virtual assembly mates from engine block to crankshaft and four pistons, finally produce whole boxer engine in 3D CAD software. In SolidWorks Composer and IPA (Interactive Product Animator) software, product animation checks the interference between crankshaft and pistons and demonstrates assembly procedure. The result of animation shows the rotation of crank shaft and pistons and trains product’s customers.

boxer engine；virtual assembly；product animation

U467.2

A

1671-7988(2014)12-31-03

范紅征，碩士研究生，就職于蘇州工業園區職業技術學院。