水平对置式汽车发动机的虚拟装配与动态仿真

范红征

（苏州工业园区职业技术学院，江苏 苏州 215021）

水平对置式汽车发动机的虚拟装配与动态仿真

范红征

（苏州工业园区职业技术学院，江苏 苏州 215021）

汽车发动机结构复杂，由很多零部件组成。虚拟装配是在三维设计软件中，从发动机缸体开始组装曲轴和四个活塞、气缸及其它零部件。动态仿真采用产品动画体现装配过程，验证曲轴活塞的干涉，并将动画用于发动机产品的培训。

四缸发动机；虚拟装配；产品动画

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

1、四缸发动机的建模与虚拟装配

汽车发动机是汽车的动力来源，活塞在发动机气缸中做功，完成直线往复运动，带动连杆推动曲轴高速旋转。水平对置式发动机也称作Boxer Engine，四个活塞像拳击手一样你来我往地依序运动带动曲轴旋转。水平对置式发动机的重心在中间，发动机所占空间较小，适合安装在底盘上。发动机零件的建模过程，绘制的零件数目很多，有800多个。如图1所示，建模过程中的曲轴和四个活塞是核心零件，虚拟装配后要查看它们的运动状态和干涉状况。图1中参与发动机运转的零部件还有4个汽缸体、2进气/排气阀，2个进气/排气凸轮轴，它们的运动都要与曲轴和活塞的运动相配合。图1中其它还有空气滤清器、对称进油器、排气管发电机，发动机缸体、缸盖等零部件。这些零件的设计不但实现零件的功能要求，工艺上也保证零件顺利制造出来，而且零件设计相互关联。

发动机零部件建模不是一个单独零件的设计过程，要和曲轴活塞等零部件装配在一起，在三维CAD软件中新建零件体文件，建立配合关系，形成装配体文件，反复在装配体和零件体建模修改。发动机的建模和装配从缸体零件开始，如图2。在发动机缸体的中心部位安装曲轴、带轮和飞轮。缸体底部油壳容纳润滑油，四个气缸与缸体孔配合在一起，

对称布置在缸体两侧。缸体零件结构，在SolidWorks软件中绘制过程是外形拉伸-曲轴孔拉伸切除-活塞孔拉伸切除-联接螺钉孔拉伸切除-底部缸盖孔拉伸切除-抽壳-飞轮盘拉伸切除-内部曲轴支承结构的拉伸切除-外壁加强筋设计-拔模-倒角-完成缸体设计-镜像出对称零件。

缸体设计完成后，与其它零部件形成装配关系，组装发动机，实现动力输出。在三维主流CAD软件SolidWorks中，首先建立对称缸体间三平面重合关系，然后建立缸体孔与缸盖的同心、面重合关系以及缸盖螺钉的装配关系，最后安装缸体间所有联接螺钉，完成缸体装配。在此基础上，SolidWorks软件新建曲轴飞轮、活塞连杆、气缸水套、气缸体，插入这些装配完成的子装配体，拖放到相应文件下。发动机缸体与子装配体曲轴飞轮建立装配关系，然后与活塞连杆等部件依次建立装配关系，最终完成图3中的产品。图中的活塞连杆、气缸水套和气缸体零件左右对称，为显示活塞连杆，隐去了图中的部分气缸体和冷却水套。

Boxer发动机装配结果，在软件中检验曲轴的旋转不能发生干涉，活塞能够平稳运动，产品的装配和设计验证合理后，给出技术图解和产品图纸用于文档发布和加工制造。因此，装配体文件还需要在专业软件中进行动态仿真。实现动态仿真的专业软件有IPA(Interactive Product Animator)和SolidWorks Composer。

2、发动机运行的动态仿真

IPA是美国Immersive Design公司的开发的软件，目前最新版本是4.0。IPA4.0可以在三维设计软件SolidWorks、Pro/E、Inventor和SolidEdge建模的基础上，完成产品的动态仿真、结构拆装和原理展示。动态展示的制作过程是在脚本的基础上，编辑产品的运动路径。脚本表现发动机各个零部件的组成和机构的运动原理，制作的动画路径帧是先从空气滤清器开始，直到拆装曲轴，最后将其它部件隐去，展示曲轴活塞的工作原理。为此，打开的发动机部件，在IPA软件中建立活塞和连杆之间的运动联接，确定连杆和活塞零件间的运动约束。活塞沿直线滑动，连杆的运动指向活塞，如图4所示。

曲轴的旋转运动路径编辑好路径后，复制运动路径到四个连杆零件，制作出动态的运行情况，由于建立了运动约束，活塞的运转只能是直线往复。设置发动机缸体零件透明展示来观察曲轴旋转过程中，活塞和连杆的运动，如果出现干涉，零件颜色变化，出现提示。同时，在软件中按照设计尺寸参数拆装每个零部件，实现发动机产品的动态装配，产品最终可以录制为动画或者直接发布到网络呈现给用户。

3、发动机产品培训的动态仿真

SolidWorks Composer软件的功能强大，编写的脚本加入人物和环境的要素。培训教师在实训环境中，通过文字和屏幕图像讲解发动机，然后动手拆卸发动机，最终虚拟展示四汽缸的工作原理，提出问题，如图5所示。图中增加了地面、墙壁、工作台、讲台和讲师等建模结果。对于水平对置式发动机的动态展示是在SolidWorks软件中建模后，转换成smg的文件格式。在专业动态装配软件SolidWorks Composer中，把装配体文件中的零件作为对象，参数化地编辑零件对象的坐标、方位、颜色、自由度约束等属性，图6中，连杆零件的平面运动与曲轴的旋转共同设置，曲轴旋转一定角度，编辑连杆轴瓦的相同参数的旋转角度，活塞的运动是直线往

复，增加运动约束，在软件中设置活塞的运动为线性。这样连杆的运动驱动了活塞的直线运动。螺钉联接件的拆装，要设置零件对象的两个自由度运动，绕轴旋转和平移。

选择图6中单个螺钉对象，参数化设置它绕坐标轴线的旋转圈数和移动的距离参数，然后拷贝路径到其它多个螺钉零件对象上。拖放零件到组对象中，可以同时设置多个对象的外观、方位等参数，使得组对象零件的透明，展示出内部零件对象。

图6中创建装配组气缸、冷却水套、进气排气阀等，消隐活塞上的冷却水套和气缸，选择发动机缸体零件，编辑零件的透明度参数，显示出内部曲轴活塞的运动。在图6中最下方的时间轴上设置关键帧，将两个运动之间的对象设置为关键帧，按照旋转角度设置好关键帧，建立一个活塞的运动路径，其它三个活塞连杆的路径相同的参数设置。按照时间轴的时间，制作培训讲师的前进路径，双手拆装发动机各部件的联合动作。拆卸完成后，展示图6中发动机曲轴和活塞的运动状况，虚拟动态表现出工作原理并查看运动的干涉，验证设计尺寸。

4、结语

汽车发动机上的很多零件，在设计时，必须保证关联尺寸准确，设计结果合理，运动状况平稳。发动机虚拟装配和动态展示能够直观展示设计过程以及零件间的干涉状态，动态的图像可以直接输出到产品的用户手册中，产生的动画在制造、市场和销售部门使用，降低广告费用，有效提高产品信息的传递和表达。因此，产品虚拟装配和动态展示动画将在企业中将越来越广泛地使用。

[1] 范红征主编 机械产品动画 机械工业出版社 2013.

[2] 李大磊等主编 3DVIA Composer工程应用基础与实例 化学工业出版社2012.

[3] 裴保纯主编 汽车是如何奔跑的：图解汽车构造与原理 机械工业出版社 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

范红征，硕士研究生，就职于苏州工业园区职业技术学院。