基于Pro/E的发动机曲柄滑块机构运动仿真分析*

郭 丽，畅国勇

(1.南京信息职业技术学院，江苏 南京 210023;2.南京汽轮电机有限公司，江苏 南京 210037)

1 引言

发动机汽缸是一种典型的曲柄滑块机构，又是绝大多数动力机械的动力源，发动机的质量与性能的优劣决定了整台机械的运行，堪称汽车、轮船以及飞机的心脏[1]。曲柄滑块机构是机械结构中较常见机构之一，其结构简单，由曲柄、连杆和滑块通过3个转动副和1个移动副连接形成，机构的自由度为1，其输出效率较高，只需在曲柄上施加作用力或力矩，即可使机构做往复循环运动，在活塞上输出周期性动力[2]。

在机构仿真分析技术出现之前，设计者需要将产品模型放入到实际工作中进行验证，再根据结果来修正模型。这些工作无疑浪费了大量的时间、财力和人力。Pro/E软件为机构提供了仿真分析功能，其中的机构分析模块Mechanism，可以进行装配的运动学、动力学分析和仿真，能够大大简化机构的设计开发过程，缩短其开发周期，减少开发费用，提高产品质量。

2 数学模型

2.1 曲柄滑块机构的运动分析

图1是曲柄滑块机构的运动示意图。OA为曲柄，且OA=R;AB为连杆，且AB=L。运动时，OA以等角速度ω作顺时针方向整周转动，A点作上下的往复移动。对应活塞在上止点B1位置时，α=0°;活塞在下止点 B2位置时，α=180°。

图1 曲柄滑块机构的运动示意图

2.2 活塞运动方程建立

由图1可知，活塞的位移方程为:

经整理可得到活塞的位移方程为:

设α=ω·t，ω为曲轴的角速度，设 ω为匀速，则[3]:

3 三维实体建模与装配

将组成曲柄滑块机构的各元件使用三维实体建模模块创建好后，存放在同一工作目录下。创建一个.asm文件，首先将曲轴(曲柄)放置于缸体(机架)内，并将曲柄与连杆的铰链连接设置为销钉连接;接着通过圆柱销连接活塞与连杆，并将此处的铰链连接设置为销钉连接;最后将活塞与汽缸的连接设置为滑动杆连接，装配好的曲柄滑块机构如图2所示。

图2 发动机活塞机构的实体模型

4 机构的运动分析

在Pro/E的Mechanism模块下，机构的运动仿真主要通过3个步骤进行:①对装配好的机构模型建立伺服马达，使机构产生一定形式的运动;②运行一个机构运动分析，产生可视化的机构运动过程，保存运动分析结果;③进行分析测量，得到分析测量图形，同时输出分析结果。

4.1 设置驱动

驱动是机构的动力源，和电动机一样能够产生旋转动力。在此选取曲轴与连杆的销钉连接轴作为旋转中心[4]，设定初始角为 0(°)，伺服电动机速度为180(°)/s，即每 2 s转 1 周。

4.2 运动模拟

完成机构的连接和驱动的设置后，通过为运动设置一定的条件及环境，就可进行机构的运动分析。在“分析定义”对话框中，选择“类型”为“运动学”，设置开始时间为0，结束时间为6 s，在6 s内曲轴转过3周。点击“运行”按钮，系统即开始运行分析，同时可观察到机构的运行情况。

4.3 获取分析结果

利用Pro/E中的测量功能，建立活塞的位移、速度、加速度与时间的关系，对其位移、速度、加速度进行分析。首先设置位置分析，单击新建测量按钮，在类型选项组中选择位置选项，选取活塞与连杆的连接轴的轴线为分析点;适用同样的方法添加速度、加速度选项。然后选中所有要分析项，点击结果表里面的动态分析，勾选分别绘制测量图形，点击左上角的绘制选定结果及所选测量图形，就可形成活塞的位移、速度、加速度随时间的变化曲线，如图3～5所示。

图3 活塞的位移随时间的变化规律曲线

图4 活塞的速度随时间的变化规律曲线

图5 活塞的加速度随时间的变化规律曲线

5 结论

(1)通过对活塞运动方程的分析，将已知条件R=16 mm，L=35 mm带入位移方程，可以得到其位移的变化范围为0～32 mm之间。

(2)通过Pro/E的机构运动仿真输出的图形可以看出:活塞的行程范围为0～32 mm，仿真结果与理论计算结果一致;速度和加速度变化规律符合实际运动规律。

(3)从以上的分析过程可知，运用Pro/E三维软件，可以更加形象、直观地模拟机构的运动，并且可以观察到任何时刻的运动状态，使得整个机构的仿真过程更加精确和高效，为发动机理论的研究提供了新的思路。

(4)仿真技术的应用使在设计的初期便能准确掌握机构的运动状态，避免了通过制作样机来验证设计的合理性，有效解决了反复投入资金制造样机的问题，极大地降低了生产成本，缩短了产品的研发周期[5]。随着虚拟现实仿真技术应用的不断深入，必将会带来很好的市场效益，具有广泛的应用价值。

[1]李 凯.发动机汽缸的动态仿真和工程分析[J].茂名学院学报，2009，19(6):22－24.

[2]王 果，卫瑞元，胡继雪，等.基于Pro/E的曲柄活塞机构的运动仿真分析[J].苏州大学学报(工科版)，2012，32(4):66－70.

[3]马成习.基于Pro/E的发动机活塞运动仿真分析[J].拖拉机与农用运输车，2008，35(4):66－67.

[4]蔡晓君，罗福华.基于Pro/E MECHANIC MOTION的活塞压缩机运动仿真[J].压缩机技术，2006(5):24－26.

[5]戴士杰，侯建英，管啸天，等.基于Pro/E的活塞机构运动仿真及应用[J].仿真技术，2008(11):273－275.