大型低速柴油机曲柄连杆机构的虚拟装配与运动仿真

李奉香 黄 政

（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050）

现代船用大型低速柴油机均采用十字头式的结构，即连杆组件与活塞组件通过十字头组件连接起来，利用十字头组件中的滑块与机架上的导板配合来承受侧推力，这种结构与一般的中小型柴油机有很大的区别，装配工艺区别也很大，因此一般不可能通过中小型柴油机来了解大型柴油机的结构和原理，以及装配的工艺过程。船用大型低速柴油机结构尺寸大，制造费用高，利用三维软件制作虚拟装配和运动仿真进行设计、检测和培训学习，可降低成本。下面是用SolidWorks 2008软件制作MAN B＆W 5S60MC－C型柴油机曲柄连杆机构虚拟装配和运动仿真的过程。

1 柴油机曲柄连杆机构零件的建模

制作虚拟装配和运动仿真前要进行相关零件的建模。大型低速柴油机的曲柄连杆机构主要有机架、机座、曲轴组件、连杆组件、活塞组件、十字头组件、气缸体、气缸套等零件，柴油机的固定部件中机座、机架和气缸体构成了柴油机的骨架与箱体，这些零件的结构有简单的，也有复杂的，但即使是复杂的零件，也没有特别复杂的曲面，因此利用SolidWorks一些基本命令，就能够方便、快捷、精确地创建出相应零件模型，部分零件的模型如图1所示。

下面以图1a）所示的十字头为例，介绍零件建模的方法。十字头的建模过程如下：

⑴新建零件，并命名为“十字头”；

⑵圆柱体的建立：在右视基准面上，根据十字头外圆和内孔尺寸分别画出两个同心圆，然后运用“拉伸”命令建立一个空心的圆柱体；

⑶活塞杆安装平面的建立：在前视基准面上画出相应形状的剖切图形，然后运用“拉伸切除”命令切除圆柱体中段的上部，即可形成活塞杆安装平面；

⑷各油孔、螺纹孔的建立：各种油孔、螺纹孔可运用“异型孔导向”命令，按要求选择孔或螺纹形式及其规格，设定深度后，再确定孔的位置，即可形成各种孔或螺纹孔。对于一些复杂的孔，也可以在孔的中心线所在的平面上，画出半个孔的截面形状，然后用“旋转切除”命令来建立；

⑸各部位倒角的建立：各部位倒角可运用“例角”命令倒出。

为了便于观察和理解柴油机曲柄连杆机构的装配和运动情况，如图1d）、e）所示，在机座和机架建模时，可先按实际图纸建模，然后将其外侧切去一部分。

图1 柴油机曲柄连杆机构部分零件立体图a）－ 十字头；b）－ 滑块；c）－ 曲轴；d）－ 机座；e）－机架；f）－ 连杆杆身

2 柴油机曲柄连杆机构装配体建立

根据柴油机曲柄连杆机构装配和运动仿真制作的需要，装配体的建立分为两步进行，先进行一些部件装配，再将曲柄连杆机构装配在一起。部件的装配主要有：连杆组件（不含大端端盖）、连杆大端端盖组件、十字头组件等，如图2中的a）、b）、c）所示。部件装配后，再进行曲柄连杆机构的装配，如图2中d）所示。

图2 主要部件装配a）－十字头组件；b）－连杆组件（不含大端端盖）；c）－连杆大端端盖组件；d）－曲柄连杆机构的装配

装配体建立的一般步骤是：新建一个装配体，插入第一个零件（通常第一个插入的零件是固定的，而其后插入的零件不浮动的），然后插入相关零件，并定义零件之间的配合关系，形成装配体。

部件装配体建立时，一般选择部件中的那个主要零件作为装配参照体第1个插入到装配体中，如图2c）所示的连杆大端端盖组件的装配过程是：

⑴新建装配体，并命名为“连杆大端端盖组件”；

⑵插入连杆大端，并放置的适当的位置；

⑶插入两个连杆大端连接螺栓，并定义螺栓轴线与连杆大端端盖上的螺纹孔轴线重合，螺栓伸出连杆大端端盖与连杆装配的结合面距离符合要求；

⑷插入两个定位销，并定义定位销的外圆与连杆大端端盖上的定位销孔同心，定位销伸出连杆大端端盖与连杆装配的结合面距离符合要求；

⑸插入连杆大端轴承下瓦，并定义连杆大端轴承下瓦的外圆与连杆大端端盖的内孔同心，连杆大端轴承下瓦的端面与连杆大端端盖的端面重合，连杆大端轴承下瓦与上瓦配合的结合面与连杆大端与连杆装配的结合面平行；

⑹插入两个止动螺钉，并定义螺钉的轴线与连杆大端端盖上的螺纹孔轴线重合，螺钉柄部的下端面与连杆大端端盖的螺纹孔端面重合。

整机装配体时一般以机座作为装配参照体第1个插入到装配体中，插入其它零部件后，再定义零件之间的配合关系。曲柄连杆机构的装配过程如下：

⑴新建装配体，并命名为“曲柄连杆机构装配”；

⑵插入机座，并放置的适当的位置；

⑶插入曲轴组件，并定义曲轴主轴颈外圆与机座主轴承内孔同心，曲轴推力环的输出端端面与机座推力轴承的输出端端面的距离符合要求；

⑷逐个插入主轴承端盖组件，并定义主轴承端盖组件上的定位销外圆与机座主轴承处的定位销孔同心，主轴承端盖的结合面与机座的主轴承的结合面重合；

⑸插入主轴承螺母，并定义螺母轴线与机座上的轴承螺栓轴线重合，主轴承螺母下端面与主轴承端盖的压紧平面重合；

⑹插入机架，并定义机架下平面与机座上平面重合，机架下平面的燃油侧侧面与机座上平面上的油槽的内侧面的距离符合要求，机架输出端端面与机座输出端端的距离符合要求；

⑺逐个插入连杆组件，并定义连杆大端轴承孔与曲轴的曲柄销外圆同心，连杆大端输出端端面与其后的一个曲柄臂的前端面的距离符合要求；

⑻逐个插入连杆大端端盖组件，并定义连杆大端端盖组件上的定位销外圆与连杆大端上的定位销孔同心，连杆大端端盖的结合面与连杆大端的结合面重合。

⑼逐个插入连杆螺栓紧固螺母，并定义螺母轴线与连杆螺栓轴线重合，螺母下端面与连杆紧固平面重合。

⑽逐个插入十字头组件，并定义十字头外圆面与连杆十字头轴承孔同心，十字头输出端端面与连杆十字头端的输出端端面距离符合要求，前滑块的燃油侧工作面与机架的燃油侧导轨面重合。

3 柴油机曲柄连杆机构虚拟装配与运行仿真

为了直观地表达出零部件之间的装配关系，进行虚拟装配时，需要将虚拟装配体生成爆炸视图，如图3所示。生成爆炸视图的基本方法是：

图3 装配体爆炸图

图4 装配体虚拟装配动画路径

⑴打开装配体，点击“爆炸视图”制作装配体爆炸视图；

⑵选择需要爆炸的零件或部件，确定爆炸的方向和距离，点击“确定”即可生成一个爆炸步骤；

⑶按照装配体拆卸的顺序、方向和距离要求，依次选择所需拆卸的零部件，生成一个个爆炸步骤，即可完成爆炸视图的制作。

在生成了柴油机曲柄连杆机构装配体爆炸视图的基础上，利用SolidWorks自带的动画制作功能即可仿真柴油机曲柄连杆机构装配的过程和运动，即在柴油机曲柄连杆机构虚拟装配体爆炸视图制作完成后，点击“运动算例1”标签，切换到动画制作界面，利用动画向导可以生成旋转装配体模型、爆炸、解除爆炸3种基本动画，柴油机曲柄连杆机构虚拟装配使用解除爆炸即可，此外，装配过程中，曲轴需要旋转，可以通过添加“旋转马达”来实现，柴油机曲柄连杆机构装配体的虚拟装配动画路径如图4所示。

柴油机曲柄连杆机构虚拟装配动画生成后，可在SolidWorks环境下观看装配效果，检验装配次序和路径，检验零件之间的干涉等。若发现有问题，可作相应修改，所有修改完成后，可将生成的动画保存为AVI格式的视频文件，在Windows环境下，用视频播放器播放。柴油机曲柄连杆机构虚拟装配动画部分截图如图5所示。

图5 柴油机曲柄连杆机构装配体虚拟装配动画部分截图

4 结 语

通过MAN B＆W 5S60MC－C型柴油机曲柄连杆机构虚拟装配与仿真实践证明，应用SohdWorks软件制作大型船用低速柴油机曲柄连杆机构的虚拟装配及运动仿真，可以清楚的观察零部件的结构、柴油机的动作原理，能验证大型船用低速柴油机各部件装配序列和装配路径的可行性，分析最佳装配次序、确定最优装配路径，能提高部装和总装的装配质量，降低装配成本。

1 国秀丽，吴贵军．基于SolidWorks液力偶合器的虚拟装配及运动仿真［J］．南方金属，2010（3）：35－37

2 滕海艳，李宝华，杨震．基于SolidWorks行星齿轮机构的运动分析及仿真［J］．煤矿机械，2011（3）：26－227

3 崔爽，胡以怀．基于SolidWorks的船舶风帆虚拟装配模拟［J］．电脑开发与应用，2012（12）：33－34