基于Pro/E的四冲程曲柄连杆机构装置虚拟装配及运动仿真动画的实现

王英玲

（苏州技师学院， 江苏 苏州 215009）

引言

往复活塞式内燃机具有效率高、体积小、质量轻和功率大等优点，现技术也比较成熟，但其内燃机机构复杂，尤其是一套复杂的气门控制机构，设计需花费较大精力。Pro/E[1]软件利用计算机虚拟装配技术，根据产品设计的形状特征和精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，能够对设计进行模拟、仿真、校验，还能制作运动仿真动画，直观、生动地展示设计效果。

本文拟采用Pro/E软件，对四冲程曲柄连杆机构装置进行虚拟仿真装配与运动仿真。

1 四冲程曲柄连杆机构装置的总体设计图

如图1所示，气缸内作往复运动的活塞通过活塞销与连杆的一端铰接，连杆的另一端则与曲轴相连，构成了曲柄连杆机构。气缸盖上装有进气门和排气门，由凸轮轴控制进、排气门的开闭。凸轮轴则由曲轴通过皮带来驱动。汽车内燃机广泛采用此种顶置气门配气机构。该四冲程曲柄连杆机构装置的工作循环是由进气、压缩、做功和排气四个工作过程组成的封闭过程[2]。

2 三维实体建模与虚拟装配

2.1 创建零件实体模型（如表1所示）

2.2 虚拟仿真装配

虚拟仿真装配是实现机构运动仿真的前提条件，仿真运动类型与装配时所选的约束类型直接相关。该装置的关键装配是凸轮轴、气门顶杆组件、曲柄组件以及活塞的装配。该装置里的两个重要机构就是凸轮顶杆机构和曲柄连杆机构。如下页表2所示。

装配凸轮轴采用“销钉”约束，旋转轴要设置起始位置，使第一个凸轮处于最高位置。装配气门顶杆组件采用“滑动杆”约束，保证其上下移动的自由度。装配曲柄组件采用“销钉”约束，旋转轴要设置起始位置，使曲轴组件处于最高位，当第一个凸轮处于最高点时，能够保证活塞在最顶部。装配活塞采用“滑动杆”约束，以保证其上下移动的自由度[3]。

图1 四冲程曲柄连杆机构装置的总体设计图

表1 零件实体模型

表2 关键装配与重要机构

3 运动仿真与动画

虚拟装配完成后，进入机构模式，完成运动仿真与动画制作。运动仿真机构创建过程如表3所示[4]。

表3 运动仿真机构创建过程

3.1 创建凸轮连接

为实现凸轮顶杆机构的运动，需要创建凸轮与气门顶杆组件之间的连接，并采用“凸轮”连接方式。单击“凸轮”按钮，选取顶杆帽上的曲线（需在气门顶杆组件实体中草绘该曲线），作为凸轮1的曲线；选取凸轮曲面，作为凸轮2的曲面。

3.2 创建带连接

该装置通过带传动方式来驱动凸轮轴，从而确保完成装置的四冲程过程。大小皮带轮采用“带”连接方式。单击“传送带”按钮，选取大皮带轮内表面，再按住Ctrl选取小皮带轮内表面，完成带连接。

3.3 创建弹簧

该装置的凸轮顶杆机构，是通过弹簧来实现气门顶杆组件的复位的，所以此处需安装弹簧。在创建弹簧之前，需在气门顶杆组件和缸盖实体上各创建一个点，作为弹簧的起点和终点。单击“弹簧”按钮，选择之前创建的两点，再设置弹簧主要参数，打开“选项”选项卡，可调整图标直径。

3.4 创建伺服电动机

该装置只需1个电动机控制曲轴的转动，凸轮轴由曲轴通过皮带驱动，从而完成装置的整个运动。单击“伺服电动机”按钮，在“类型”选项卡中，选取曲柄组件的运动轴；在“轮廓”选项卡中，设置合理参数，确保完成该装置的四冲程过程。

3.5 进行机构分析，运行并保存动画

单击“机构分析”按钮，进行机构分析。将装置的初始位置进行快照截图Snapshot1，并设置合理参数。单击“运行”按钮，观看运动分析过程。单击“回放”按钮，回放以前运行的分析。单击“捕获”按钮，进行动画捕获，格式设置为MPEG，单击“确定”，保存动画。

4 结语

在Pro/E环境下完成了四冲程曲柄连杆机构装置的零部件三维实体建模、虚拟装配与运动仿真，为产品开发提供了可靠的前提条件。采用Pro/E软件全局为先的设计理念进行产品开发，先确定产品的总体结构再详细设计零部件，使设计过程更趋于合理化。该装置的运动仿真实现对其他用Pro/E设计总成的运动仿真动画制作具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]赵淳，王英玲.Pro/E Wildfire5.0实用教程（图解版）[M].北京：电子工业出版社，2015（6）：112-113.

[2]尹海兵.基于Pro-E的输送系统钢结构连接构件设计[J].机械管理开发，2011（1）：78-79.

[3]张小明，申付松，罗静.基于Pro/E的齿轮泵虚拟装配与运动学分析[J].煤矿机械，2007（12）：119-110.

[4]刘华，张久雷，张子军.基于ProE的生姜挖掘类收获机构的模拟仿真设计[J].现代农业装备，2013（4）：64-65.