基于Pro/E的四沖程曲柄連桿機(jī)構(gòu)裝置虛擬裝配及運動仿真動畫的實現(xiàn)

王英玲

（蘇州技師學(xué)院， 江蘇 蘇州 215009）

引言

往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)具有效率高、體積小、質(zhì)量輕和功率大等優(yōu)點，現(xiàn)技術(shù)也比較成熟，但其內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，尤其是一套復(fù)雜的氣門控制機(jī)構(gòu)，設(shè)計需花費較大精力。Pro/E[1]軟件利用計算機(jī)虛擬裝配技術(shù)，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的形狀特征和精度特性，真實地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，能夠?qū)υO(shè)計進(jìn)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(shè)計效果。

本文擬采用Pro/E軟件，對四沖程曲柄連桿機(jī)構(gòu)裝置進(jìn)行虛擬仿真裝配與運動仿真。

1 四沖程曲柄連桿機(jī)構(gòu)裝置的總體設(shè)計圖

如圖1所示，氣缸內(nèi)作往復(fù)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(gòu)成了曲柄連桿機(jī)構(gòu)。氣缸蓋上裝有進(jìn)氣門和排氣門，由凸輪軸控制進(jìn)、排氣門的開閉。凸輪軸則由曲軸通過皮帶來驅(qū)動。汽車內(nèi)燃機(jī)廣泛采用此種頂置氣門配氣機(jī)構(gòu)。該四沖程曲柄連桿機(jī)構(gòu)裝置的工作循環(huán)是由進(jìn)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(chuàng)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(xiàn)機(jī)構(gòu)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(guān)。該裝置的關(guān)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(jī)構(gòu)就是凸輪頂桿機(jī)構(gòu)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)。如下頁表2所示。

裝配凸輪軸采用“銷釘”約束，旋轉(zhuǎn)軸要設(shè)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(zhuǎn)軸要設(shè)置起始位置，使曲軸組件處于最高位，當(dāng)?shù)谝粋€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(jī)構(gòu)裝置的總體設(shè)計圖

表1 零件實體模型

表2 關(guān)鍵裝配與重要機(jī)構(gòu)

3 運動仿真與動畫

虛擬裝配完成后，進(jìn)入機(jī)構(gòu)模式，完成運動仿真與動畫制作。運動仿真機(jī)構(gòu)創(chuàng)建過程如表3所示[4]。

表3 運動仿真機(jī)構(gòu)創(chuàng)建過程

3.1 創(chuàng)建凸輪連接

為實現(xiàn)凸輪頂桿機(jī)構(gòu)的運動，需要創(chuàng)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(chuàng)建帶連接

該裝置通過帶傳動方式來驅(qū)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(nèi)表面，再按住Ctrl選取小皮帶輪內(nèi)表面，完成帶連接。

3.3 創(chuàng)建彈簧

該裝置的凸輪頂桿機(jī)構(gòu)，是通過彈簧來實現(xiàn)氣門頂桿組件的復(fù)位的，所以此處需安裝彈簧。在創(chuàng)建彈簧之前，需在氣門頂桿組件和缸蓋實體上各創(chuàng)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(chuàng)建的兩點，再設(shè)置彈簧主要參數(shù)，打開“選項”選項卡，可調(diào)整圖標(biāo)直徑。

3.4 創(chuàng)建伺服電動機(jī)

該裝置只需1個電動機(jī)控制曲軸的轉(zhuǎn)動，凸輪軸由曲軸通過皮帶驅(qū)動，從而完成裝置的整個運動。單擊“伺服電動機(jī)”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(shè)置合理參數(shù)，確保完成該裝置的四沖程過程。

3.5 進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析，運行并保存動畫

單擊“機(jī)構(gòu)分析”按鈕，進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析。將裝置的初始位置進(jìn)行快照截圖Snapshot1，并設(shè)置合理參數(shù)。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(jìn)行動畫捕獲，格式設(shè)置為MPEG，單擊“確定”，保存動畫。

4 結(jié)語

在Pro/E環(huán)境下完成了四沖程曲柄連桿機(jī)構(gòu)裝置的零部件三維實體建模、虛擬裝配與運動仿真，為產(chǎn)品開發(fā)提供了可靠的前提條件。采用Pro/E軟件全局為先的設(shè)計理念進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，先確定產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)再詳細(xì)設(shè)計零部件，使設(shè)計過程更趨于合理化。該裝置的運動仿真實現(xiàn)對其他用Pro/E設(shè)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(xiàn)

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

[2]尹海兵.基于Pro-E的輸送系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件設(shè)計[J].機(jī)械管理開發(fā)，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(xué)分析[J].煤礦機(jī)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(jī)構(gòu)的模擬仿真設(shè)計[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2013（4）：64-65.