基于Pro/E的四沖程曲柄連桿機構裝置虛擬裝配及運動仿真動畫的實現

王英玲

（蘇州技師學院， 江蘇 蘇州 215009）

引言

往復活塞式內燃機具有效率高、體積小、質量輕和功率大等優點，現技術也比較成熟，但其內燃機機構復雜，尤其是一套復雜的氣門控制機構，設計需花費較大精力。Pro/E[1]軟件利用計算機虛擬裝配技術，根據產品設計的形狀特征和精度特性，真實地模擬產品三維裝配過程，能夠對設計進行模擬、仿真、校驗，還能制作運動仿真動畫，直觀、生動地展示設計效果。

本文擬采用Pro/E軟件，對四沖程曲柄連桿機構裝置進行虛擬仿真裝配與運動仿真。

1 四沖程曲柄連桿機構裝置的總體設計圖

如圖1所示，氣缸內作往復運動的活塞通過活塞銷與連桿的一端鉸接，連桿的另一端則與曲軸相連，構成了曲柄連桿機構。氣缸蓋上裝有進氣門和排氣門，由凸輪軸控制進、排氣門的開閉。凸輪軸則由曲軸通過皮帶來驅動。汽車內燃機廣泛采用此種頂置氣門配氣機構。該四沖程曲柄連桿機構裝置的工作循環是由進氣、壓縮、做功和排氣四個工作過程組成的封閉過程[2]。

2 三維實體建模與虛擬裝配

2.1 創建零件實體模型（如表1所示）

2.2 虛擬仿真裝配

虛擬仿真裝配是實現機構運動仿真的前提條件，仿真運動類型與裝配時所選的約束類型直接相關。該裝置的關鍵裝配是凸輪軸、氣門頂桿組件、曲柄組件以及活塞的裝配。該裝置里的兩個重要機構就是凸輪頂桿機構和曲柄連桿機構。如下頁表2所示。

裝配凸輪軸采用“銷釘”約束，旋轉軸要設置起始位置，使第一個凸輪處于最高位置。裝配氣門頂桿組件采用“滑動桿”約束，保證其上下移動的自由度。裝配曲柄組件采用“銷釘”約束，旋轉軸要設置起始位置，使曲軸組件處于最高位，當第一個凸輪處于最高點時，能夠保證活塞在最頂部。裝配活塞采用“滑動桿”約束，以保證其上下移動的自由度[3]。

圖1 四沖程曲柄連桿機構裝置的總體設計圖

表1 零件實體模型

表2 關鍵裝配與重要機構

3 運動仿真與動畫

虛擬裝配完成后，進入機構模式，完成運動仿真與動畫制作。運動仿真機構創建過程如表3所示[4]。

表3 運動仿真機構創建過程

3.1 創建凸輪連接

為實現凸輪頂桿機構的運動，需要創建凸輪與氣門頂桿組件之間的連接，并采用“凸輪”連接方式。單擊“凸輪”按鈕，選取頂桿帽上的曲線（需在氣門頂桿組件實體中草繪該曲線），作為凸輪1的曲線；選取凸輪曲面，作為凸輪2的曲面。

3.2 創建帶連接

該裝置通過帶傳動方式來驅動凸輪軸，從而確保完成裝置的四沖程過程。大小皮帶輪采用“帶”連接方式。單擊“傳送帶”按鈕，選取大皮帶輪內表面，再按住Ctrl選取小皮帶輪內表面，完成帶連接。

3.3 創建彈簧

該裝置的凸輪頂桿機構，是通過彈簧來實現氣門頂桿組件的復位的，所以此處需安裝彈簧。在創建彈簧之前，需在氣門頂桿組件和缸蓋實體上各創建一個點，作為彈簧的起點和終點。單擊“彈簧”按鈕，選擇之前創建的兩點，再設置彈簧主要參數，打開“選項”選項卡，可調整圖標直徑。

3.4 創建伺服電動機

該裝置只需1個電動機控制曲軸的轉動，凸輪軸由曲軸通過皮帶驅動，從而完成裝置的整個運動。單擊“伺服電動機”按鈕，在“類型”選項卡中，選取曲柄組件的運動軸；在“輪廓”選項卡中，設置合理參數，確保完成該裝置的四沖程過程。

3.5 進行機構分析，運行并保存動畫

單擊“機構分析”按鈕，進行機構分析。將裝置的初始位置進行快照截圖Snapshot1，并設置合理參數。單擊“運行”按鈕，觀看運動分析過程。單擊“回放”按鈕，回放以前運行的分析。單擊“捕獲”按鈕，進行動畫捕獲，格式設置為MPEG，單擊“確定”，保存動畫。

4 結語

在Pro/E環境下完成了四沖程曲柄連桿機構裝置的零部件三維實體建模、虛擬裝配與運動仿真，為產品開發提供了可靠的前提條件。采用Pro/E軟件全局為先的設計理念進行產品開發，先確定產品的總體結構再詳細設計零部件，使設計過程更趨于合理化。該裝置的運動仿真實現對其他用Pro/E設計總成的運動仿真動畫制作具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]趙淳，王英玲.Pro/E Wildfire5.0實用教程（圖解版）[M].北京：電子工業出版社，2015（6）：112-113.

[2]尹海兵.基于Pro-E的輸送系統鋼結構連接構件設計[J].機械管理開發，2011（1）：78-79.

[3]張小明，申付松，羅靜.基于Pro/E的齒輪泵虛擬裝配與運動學分析[J].煤礦機械，2007（12）：119-110.

[4]劉華，張久雷，張子軍.基于ProE的生姜挖掘類收獲機構的模擬仿真設計[J].現代農業裝備，2013（4）：64-65.