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

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。

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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

  

侧壳体 缸盖 缸体 中壳体 支架 支座活塞 销轴 曲轴组件 连杆组件 气门顶杆组件 弹簧凸轮轴 凸轮轴定位螺母手轮皮带轮（小）皮带皮带轮（大）

 

表2 关键装配与重要机构

  

装配凸轮轴 装配气门顶杆组件 装配曲柄组件装配活塞 最终装配图 凸轮顶杆机构和曲柄连杆机构

3 运动仿真与动画

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。

 

表3 运动仿真机构创建过程

  

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3.1 创建凸轮连接

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]。

台湾对大陆的农产品贸易对岛内的皮革、渔产、农事服务、屠宰生肉及副产品、石油炼制品、原油及天然气矿产、批发、饲料、杂粮农作物、稻谷和水果等产业的生产效果和附加价值GDP效果显著，即对上述产业的拉动作用较强。比较典型的如石油炼制品，虽然其没有直接地促进贸易增加值，但其2011年的生产效果和附加价值GDP效果分别达9708.89万美元和861.77万美元(见表6)，这说明农产品贸易对石油炼制品有明显的间接拉动效果，两岸贸易有力地促进了产业发展。

3.2 创建带连接

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。

3.3 创建弹簧

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。

众所周知，我国是煤炭资源大国但是也是消耗煤炭资源的大国。煤炭资源是不可再生的社会发展中必不可少的资源。正因为如此，煤炭资源的开发、利用以及环境问题一直以来都是我国政府以及相关领域重点关注的问题。我国相关领域虽然在煤炭资源的开发与利用方面进行了一定的研究，其管理方法、开发技术虽然在以往的基础上有了很大的进步，但是相比于发达国家而言，我国的开发、利用以及环境治理策略仍处于初级阶段。因此，对于我国煤炭资源的开发、利用以及环境治理方面的研究是十分有必要的。

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。

引用1919年9月《新教育》上发表的《新文化的怒潮》中的话，其中说到：“青年青年，你们自己的能力就是水。运用千百万青年的能力，就是决百川之水。集合千百万青年的能力，一致做文化的运动，就是汇百川之水到一条江里，一泻千里，便成怒潮，就是新文化的怒潮。就能把中国腐败社会洗得干干净净成一个光明的世界。”我们明白，今天也将在未来的某一天被写进历史，而我们所需要做的，就是不忘初心，砥砺前行！

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.