1 引言

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

　　2 結構與配合

　　零件結構與配合是虛擬裝配的基礎。內燃機曲柄連桿機構主要包括氣缸體、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運動;3-4道活塞環開口相錯地裝于活塞環槽內(鑄鐵活塞的活塞環開口間隙為0.003D;鋁質活塞的活塞環開口間隙為0.0025D)，環與槽為間隙配合(側隙為(2.5-3.0)%b，b——活塞環的軸向厚度，背隙約(0.15-0.25)mm)，常態下活塞環直徑略大于缸徑，以保證裝配后其外圓緊貼缸壁，工作過程中環在隨活塞往復運動的同時，也能在環槽內作微量的轉動;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，即冷態下為過渡配合，而熱態下為微量間隙配合，使活塞銷在發動機運轉中，不僅可以在連桿小頭襯套孔內，還可以在銷座孔內緩慢轉動;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 產品裝配層次關系的確定

　　裝配層次關系描述了產品裝配結構，是產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，由此表現出產品的層次性。通常把裝配體、子裝配體、零件之間的這種層次關系表示為裝配樹，樹的根節點是裝配體(即最終的產品)，葉節點是組成產品的各個零件，而中間節點則是子裝配體。裝配樹的層次關系也體現了實際形成產品的裝配體。

　　實際裝配時，內燃機曲柄連桿機構常先將活塞連桿組、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的運動與仿真，本例中忽略飛輪，僅設立活塞連桿組子裝配體。

　　   圖1 各零件的結構與裝配關系        圖2 裝配

　　4 內燃機的裝配過程

　　虛擬裝配方案初步確定后，就可以根據結構與裝配關系建立產品三維模型，為簡便裝配，建模要充分考慮零件的裝配關系，適當創建裝配所需的基準點、線、面。現以單缸四沖程內燃機為例，在Pro/E wildfire 2.0的環境下，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，引入內燃機機體，在缺省位置裝配元件，作為裝配基礎。接著安裝曲軸，由于曲軸在工作中需轉動，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，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90°，使其轉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、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，以實現裝配后銷在活塞銷座內、連桿繞活塞銷的旋轉運動，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往復運動，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置，再利用Pro/E的“機構”模塊進行運動仿真。選擇應用程—機構(Mechanism)，進入“機構”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。“規范”設置為速度，“模”設置為常數，“A”設置為360。

　　點擊“運動分析”按鈕，新建一運動分析，在其對話框“優先”選項卡中，設置開始時間、長度與針頻，開始時間設為0，終止時間設為：0.999999，幀頻設為30。單擊運行，可以觀看內燃機曲柄連桿機構在曲軸勻速旋轉一圈過程中的運行情況。

　　6 查看運動和輸出結果

　　6.1 查看運動

　　在“機構”模塊中，點擊“回放”按鈕，首先在其對話框“干涉”選項卡中，動態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。若運動過程中出現干涉，Pro/E會提示，并將干涉區加亮顯示，以便設計者檢查修改;點擊播放當前結果集—捕獲，還可制作并輸出mpg格式的影片。

　　6.2 結果輸出

　　機構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“生成分析的測量結果”按鈕，顯示測量結果對話框，在測量欄內新建測量，選擇需要的分析測量，勾選“分別繪制測量圖形”，點擊“繪制選定結果集所選測量的圖形”按鈕，設定的分析測量量將以圖形和數據的形式輸出，直觀準確。

　　下面為內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據.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，成余弦規律變化。位置變化范圍正好為曲柄銷長度的兩倍，實際運轉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。與當曲軸勻速旋轉時，理論計算加速度a=ω2r的結果一致。

　　由此可見，以上所有仿真結果與理論計算結果相同，與實際情況也相符合。

　　8 結束語

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