基于Solid Works的单缸内燃机运动仿真及分析

杨 青

（江海职业技术学院，江苏 扬州 225101）

0 引言

SolidWorks软件是美国达索公司在Windows平台下开发的计算机辅助设计类（CAD）软件，具有功能强大和操作简单方便等优点，基本模块为零件建模、装配和工程图生成模块，还配置了运动仿真分析和有限元等插件，可对设计的零件部件进行相关分析和优化设计[1]。在SolidWorks2012中自带了Motion插件无缝集成了装配体运动仿真、干涉检查等实用功能，通过Motion运动仿真和分析，可以有效降低产品的制造成本及缩短产品开发周期，设计分析可快速地了解产品的可行性[2]。本文以典型的平面四杆机构-单缸内燃机为例，对单缸内燃机结构进行分析，并简化出机构简图，采用SolidWorks软件进行零件的建模和装配，最后运用Solidworks Motion插件对内燃机简化机构进行仿真，得出活塞的相关运动参数，为其结构优化提供理论依据。

1 单缸内燃机结构分析

内燃机为交通运输工具中常用的动力源，通过汽油、柴油的燃烧产生热能，热能再转化成旋转的机械能输出。单缸内燃机不考虑进气、喷油等结构，其主要由曲轴、活塞、连杆、机架和连接销轴构成，见图1.单缸内燃机为曲柄滑块机构，简化如图2，活塞简化为构件1滑块，连杆简化为构件2，曲轴简化为构件3，构件4为机架，通过滑块1的上下移动带动曲轴3的旋转运动，本文设曲柄3的长度为30 mm，连杆2的长度为120 mm，来进行建模仿真。

图1 单缸内燃机示意图

图2 简图-曲柄滑块机构

2 单缸内燃机零件建模和装配

2.1 零件建模

根据单缸内燃机的结构分析，需要设计的零件为5个部分：曲轴、活塞、连杆、机架和连接销轴。其中曲轴和连杆的长度已知，活塞和连接销轴设计成圆柱体，大小影响不大，自定义。机架设计时有两个部分组成，一是活塞的缸体，尺寸根据活塞定，为了更好地呈现，设计成一半；二是固定曲轴处。

SolidWorks软件对零件的建模主要采用拉伸、旋转、扫描、放样等特征命令来完成。单缸内燃机的主要零件三维建模见图3.

图3 单缸内燃机各零件实体图

2.2 装配

所谓的“装配”，就是根据事先制定的技术要求，将产品各个零部件组装在一起，使之成为完整产品模型的过程[3]。在完成了单缸内燃机各个零件建模后，进行单缸内燃机的装配，如图4所示，具体步骤如下。

图4 单缸内燃机装配体

1）新建“装配体”，插入一个零部件，其中，第1个插入的零件为整个装配体的基础，且SolidWorks软件默认其为固定零件[4]。分析单缸内燃机机构，首先插入零部件为机架。

2）采用重合、平行、同轴等配合关系，依次插入曲轴、连杆、联接销轴和活塞，这四个零件进行装配。

3 单缸内燃机运动仿真

3.1 添加马达

单击布局选项卡中的“运动算例1”，再单击“马达”按钮，对“马达”属性管理器进行参数设置。选择马达类型为旋转马达，单击曲轴一段的圆柱面，设置马达的位置为曲轴，马达运行的方向为逆时针方向，曲轴为等速旋转运动，设定旋转的速度为50 r/min，

完成添加马达和参数的设置，见图5、图6.

图5 马达参数设置

图6 马达的添加位置和方向

3.2 运动仿真结果

运动仿真为曲轴的旋转运动，通过连杆，驱动活塞做上下直线往复运动，运动仿真结果求解的对象为活塞，活塞X、Y方向无法运动，所有只求解为Z轴分量，对活塞Z轴方向的位移、速度和加速度进行仿真求解。

点击“运动算例属性”按钮，在弹出的“结果”管理器中，求解位移、速度和加速度，如图7、图8、图9.

图7 活塞的位移曲线图

图8 活塞的速度曲线图

图9 活塞的加速度曲线图

对活塞的位移、速度和加速度曲线进行分析，得出表1.

表1 单缸内燃机关键尺寸及运动仿真参数

4 结论

对仿真结果进行分析，此单缸内燃机运动周期为1.2 s，在0.3 s～0.9 s之间是空回程，0.9 s～1.5 s之间是做功阶段。0.3 s和1.5 s节点时，活塞运动到最低点位置，这时活塞从向下运动转变成向上运动，此时速度为0，加速度方向为向上，达到最大值542 mm/s2；0.9 s节点时，活塞运动到最高点，这时活塞从向上运动转变成向上运动，此时速度为0，加速度方向为向下，达到最大值821 mm/s2，符合单缸内燃机的实际情况。

在实际工作中，工程技术人员若通过修正有关机构的关键尺寸，即可得出不同的运动结果参数，再结合相关的力学仿真结果，所求解出的参数为该机构的应用提供了理论依据，通过这些参数可以设计出最为优化的机构模型。

[1]张晋西，郭学琴.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]张晋西，蔡 维，谭 芬.SolidWorks Motion机械运动仿真实例教程[M].北京：清华大学出版社，2013.

[3]孔 璇，祝成峰，苏 畅.SolidWorks2014案例教程[M].上海：上海交通大学出版社，2015.

[4]吕钦松.SolidWorks Motion在千斤顶设计中的应用[J].新技术新工艺，2014（3）：48-50.