基于Pro/E的发动机曲柄滑块机构的运动仿真分析

黄经元，王淑芳，贾颖莲，廖东旺

（1.九江职业技术学院 机械工程学院，九江 332007；2.江西机电职业技术学院 机械工程系，南昌 330013 3.江西交通职业技术学院 机电工程系，南昌 330013）

0 引言

曲柄滑块机构是机械中常见的一种机构，其作用是将曲柄的等速旋转运动转化为滑块的往复直线运动。由于曲柄滑块机构制造容易、结构简单、强度高、速度快，因此广泛应用于空压机、冲床、发动机、仪表机构中。曲柄滑块机构属于低副机构，低副接触两元素之间不易产生磨损，故可以承受较大的载荷，因此在重型机械中也得到了广泛应用。

本文以比较典型的单活塞式发动机中的曲柄滑块机构为例来论述曲柄滑块机构在Pro/E软件中的运动学仿真分析过程。

1 曲柄滑块机构的运动分析

单活塞式发动机的工作原理是通过曲轴的旋转运动，借助连杆把动力传递给活塞，利用活塞的往复运动，使汽油与空气在密闭容器（如气缸）混合、燃烧、膨胀、做功，并将热能转变成机械能机械的。单活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构等零部件组成，其中气缸是汽油和空气的混合气体进行燃烧释放热能，并将热能转变成机械能的地方。发动机经过进气、压缩、做功、排气四个冲程的循环来不断地产生动力。通过分析，曲轴的旋转运动通过连杆转化成活塞的往复运动，这种机构就是机械原理中的曲柄滑块机构。因此，根据机械原理的知识可以得到被研究对象单活塞式发动机的机构工作原理图的数学模型，如图1所示。

图1 曲柄滑块机构

图中零件“1”即曲柄滑块机构中的曲柄，相当于单活塞式发动机中的曲轴；零件“2”即连杆；零件“3”即滑块，相当于活塞；零件“4”即机架，相当于气缸。

2 仿真分析前期准备

单活塞式发动机机构的数学模型建立之后，即可使用Pro/E的运动仿真模块Mechanism进行仿真分析，但此前需要使用计算机三维参数化的软件设计完成待仿真的零部件。首先须了解Pro/E的运动仿真流程和方法（图2），方可熟练地使用该软件的运动仿真模块。

图2 仿真分析流程图

对零件的参数化设计就不再赘述，这里主要讨论曲柄滑块机构的运动仿真分析。

3 曲柄滑块机构的运动仿真分析

在Pro/E软件中进行曲柄滑块机构运动仿真有两个关键的步骤：其一是创建机构，其二是添加驱动器。惟如此，才有可能仿真成功。

3.1 创建曲柄滑块机构

在Pro/E软件中创建曲柄滑块机构主要有三个主要的步骤。

步骤一、装配机架。

在Pro/E软件的装配模块Assembly 的主界面中，选择主菜单【插入】→【元件】→【装配】，在弹出的【打开】对话框中选取装配到机构中的第一个零件“Qgang”（即气缸，该名称由用户自行定义，下同），调入该零件到绘图区。在【装配操控板】选择常规装配类型中的“缺省”，即将气缸定义为机构的基础主体（即机架）。这种装配方式也是我们通常完成装配体所用的方法。

步骤二、创建“销钉”连接（销钉连接只有一个自由度，可围绕指定轴旋转）。

创建“销钉”连接是进行机构运动仿真的关键，同时方法也与创建机架不同，因此这里作特别的说明。

在机架创建完成之后，在装配主界面继续选择【插入】→【元件】→【装配】，在弹出的【打开】对话框中选取装配到机构中第二个零件“Qzhou”（即曲轴）后，调入该零件到绘图区（这跟前面装配机架是相同的），在弹出的【装配操控板】，需要选择【预定义】的连接集中的【销钉】连接方式，按照要求即可完成曲轴的“销钉”连接，如图3所示。其中1所指示的是装配完成的气缸，2是曲轴。

图3 创建“销钉”连接

采用同样的方法创建第二个“销钉”连接，装配零件“Lgan”（即连杆）。至此，在曲柄滑块机构中的两个“销钉”连接已经创建完成。

步骤三、创建“圆柱”连接（圆柱连接，具有一个平移自由度和一个旋转自由度，允许构件沿指定的轴平移并绕该轴旋转）。

在装配的曲柄滑块机构中，继续装配零件“Hsai”（即活塞），使该零件采用“圆柱”连接方式。这种连接方式不同于其他连接的地方是在弹出的【装配操控板】的【预定义】的连接集中选择【圆柱】连接方式。同时按照【圆柱】连接的要求选择零件“Hsai”的轴线A_2和零件“Lgan”的轴线A_1即可完成活塞的【圆柱】连接。采用同样的方法完成气缸和活塞的“圆柱”连接。

最后按照装配类型中的“缺省”装配完成零件“汽缸盖”的装配。至此单活塞式发动机的曲柄滑块机构创建完成。如图4所示，其中3是活塞，4是连杆。

图4 曲柄滑块机构

3.2 运动仿真分析

在曲柄滑块机构创建完成之后，需要使用Pro/E软件的机构运动仿真模块Mechanism观察并记录分析或测量对曲柄滑块机构的仿真运动中的诸如位置、速度、加速度或力等参数，然后以图形的形式表示这些测量结果，使设计者能够更加简便、直观地了解设计的结果。

3.2.1 创建伺服电机

为了驱动曲柄滑块机构能够在Pro/E软件中进行正常工作，必须在机构中添加动力源——伺服电机。创建的方法是在装配完成的曲柄滑块机构的Pro/E软件的主界面中选择菜单【应用程序】→【机构】，进入Pro/E软件的机构模块操作界面。在机构模块中选择菜单【插入】→【伺服电机】，在弹出的对话框中作相应的设置即可完成伺服电机的创建。

3.2.2 机构的运动学分析

在Pro/E软件的主界面选择菜单【分析】→【机构分析】，在弹出的“分析定义”对话框中定义好运动学分析的“类型”、添加第一步骤中创建的“伺服电机”等相关的信息后，单击该对话框中的“运行”按钮，机构就可以进行运动仿真。

选取主菜单中的【分析】→【测量】命令，在弹出的“测量结果”对话框中，选择“新建”按钮，在紧接着弹出的“测量定义”对话框中进行相应的设置，如图5所示。

图5 “测量定义”对话框

在“测量结果”对话框中选择“绘制选定结果集所选测量的图形”按钮，系统就会在“图形工具”窗口中显示测量的结果。

另外，运动仿真分析可以保存为回放文件，利于设计者和用户日后查看机构的运动仿真分析的结果。

图6 测量结果

4 结论

在Pro/E软件提供的虚拟环境中，设计者可以借助计算机中的三维参数化实体模型，在机构运动仿真环境中对虚拟装配机构进行全方位的仿真分析，该软件还能够对机构中零部件是否存在干涉进行检测，使设计者及时发现机构的零部件间哪些地方存在不足。同时软件能够记录分析或测量对曲柄滑块机构的仿真运动中的某些参数，然后以图形的形式表示这些测量结果，使设计者甚至客户能够更加简便、直观地了解设计的各种信息，从而发现设计中潜在的缺陷和不足，由此缩短了开发周期，减少了开发费用，提高了经济效益。

[1] 温建民,任倩 于广滨.Pro/E Wildfire 3.0三维设计基础与工程范例[M].北京:清华大学出版社,2008,433-434.

[2] 孙桓,陈作模.机械原理[M].北京:高等教育出版社,1999,213-214.

[3] 李增平,贾颖莲.渐开线齿轮的优化设计及其运动仿真分析[J].制造业自动化,2010(3):169-172.

[4] 何世松,贾颖莲.现代设计方法在盘形凸轮快速设计中的应用[J].机械工程师,2009(9):37-39.

[5] 栾振兴,樊利民,邵君奕,等.基于Pro/E的管道喷涂机器人运动仿真分析[J].机械工程与自动化,2010(1):1-3.