发动机整机装配虚拟仿真实验设计

马富康

摘要：科学规范的发动机装配工艺对于延长其使用寿命，增强安全性、经济性和动力性均有显著作用。发动机装配工艺规程就装配内容、方法、流程、技术、工具等方面进行了详细的约束和管理。在发动机装配工艺实习实训中，由于经费、场地、设备要求等原因，学生的动手参与度较低。本文旨在通過进行虚拟仿真实验设计，完成发动机零部件结构认知、特征展示以及装配工艺的实训和分析。

关键词：发动机;装配工艺;虚拟仿真;实验

引言：发动机的装配对于其质量及使用寿命都有重要影响。发动机装配工艺虚拟仿真实验就装配内容、方法、流程、技术、工具等方面，进行发动机装配工艺的实验实训，不仅节约经费，场地、设备要求都不高，还可以让很多学生同时参与实训[1]。通过虚拟仿真方法可以较快速进行发动机零部件结构认知，结构复杂特征展示;同时利用计算机仿真技术，进行装配工艺的实训和分析，培养学生利用现代仿真工具分析与解决实际工程问题的能力。

一、虚拟仿真实验方案设计

（一）设计思路。发动机装配工艺虚拟仿真实验方案包含：零部件认知、装配准备、装配实验操作三个方面。

（1）发动机关键零部件结构认知。用户登录实验系统，回顾和认识发动机组件，包括：机体、曲轴、连杆组、活塞组、气缸盖、气缸套、凸轮轴、气门、气门室罩、曲轴上瓦片、曲轴下瓦片、轴承盖等。（2）发动机装配准备。用户掌握装配前的技术标准、清洗准备、装配要点以及总成的检验与装配。（3）发动机装配工艺实验。用户按照发动机整机装配工艺流程，依次完成气缸套装配、曲轴组装配、活塞连杆组装配、油底壳装配、气缸垫装配、气缸盖总成装配以及其他系统及附件装配。在装配过程，每一步操作均对应有知识点提示、考核点完成，均记录学生的装配操作和工艺过程，作为成绩评定依据。

（二）教学方法。采用多媒体知识点讲解、视频演示和虚拟实训相结合的教学方法开展本实验。具体方法：（1）知识点讲解针对发动机装配前的技术标准、清洗准备、装配要点以及总成的检验与装配进行学习，使学生了解虚拟仿真的目的、原理以及方法。（2）视频演示为提前录制的实验视频，按照教学视频和实验指导书，学生逐步进行发动机主要零部件结构认知、功能原理和装配工艺。（3）虚拟实训针对仿真实验开展过程中的关键步骤进行仿真训练，实现装配工艺规程的实训和知识点的考核。

（三）评价体系。（1）过程评价：占比50%，评价依据为每一个操作步骤的完成时间与质量。（2）实验报告：占比50%，评价指标为报告书写的规范性、实验结果的正确性、分析评价的合理性。

二、虚拟仿真实验系统开发

实验系统架构如图1所示，参照实际实验操作流程作为样板，实现了教学内容认知、实验准备和实验操作各环节及规范流程，实验的各个环节配套相关的知识点学习与考核，实现了账户的互联网登录和实验操作数据的网络存储[2]。

发动机装配工艺虚拟仿真实验采用人机交互界面设计和体验，配套3D仿真、HTML5开发技术，运用Unity3D、数据库技术，通过互联网提供发动机装配工艺工程的实训。通过交互式仿真实验设计，从实验零部件认知、装配准备、实验装配三方面进行，将线下实验过程与线上实验教学相结合，利用JAVA技术进行平台开发，将实验内容与知识点、考核点有机融合。

三、发动机整机装配虚拟仿真实验说明

（一）实验目的

（1）通过虚拟认知组件模块，巩固和加强发动机组件的认知，为后续的装配工艺实施奠定必要的基础;（2）通过虚拟装配准备模块，熟悉发动机装配的技术标准、清洗操作、装配要点以及检验方法，培养良好的工作习惯;（3）通过虚拟实验装配模块，掌握组件正确的装配方法和工艺过程，解决学生在装配过程中对零部件损坏以及安全的问题;（4）利用实验系统，完成实验操作、工艺过程分析及实验数据的提取。

（二）实验步骤

（1）气缸套装配，选用同尺寸分组的气缸套进行装配。（2）上主轴瓦（有槽）安装在机体的主轴承座孔内。（3）下主轴瓦（无槽）安装在主轴承盖内。（4）将曲轴放置装在上主轴瓦上，主轴颈与轴瓦接触，涂机油并转动曲轴。（5）在曲轴中间的主轴颈两侧安装止推片。（6）将主轴承盖安装在主轴承座上，固定曲轴。（7）通过活塞销将活塞与连杆小头连接。（8）在活塞上装配第一、二道气环、油环，并装入活塞销和活塞销卡环。（9）将连杆上瓦片安装在连杆体的大头孔。（10）将活塞连杆组通过气缸孔自顶向下安装在曲轴的曲柄销上。（11）将连杆下瓦片按照对应的连杆上瓦片安在对应的连杆大头盖。（12）将连杆大头盖安装在对应的连体，实现曲柄连杆机构的装配。（13）油底壳装配，注意位置正确和周布螺栓的预紧。（14）气缸垫装配，选择规格与气缸体一致的气缸垫。（15）将气门罩盖在气缸盖和配气机构上部。（16）气缸盖两侧分别安装进气管和排气管，圆形孔为进气，方形孔为排气。（17）其他系统及附件装配。

（三）实验方法

用户登录进入发动机装配工艺虚拟仿真实验系统，除组件认知模块和装配准备模块外，实验装配模块要求用户需要通过所学知识按照顺序进行发动机组件的装配。同时，在装配过程中进行重要知识点的巩固、相关装配工艺规程问题的考核。以气缸套装配为例，进行实验装配说明，如图2所示。

结论：发动机装配工艺虚拟仿真实验主要围绕认知组件、装配准备、实验装配三模块进行，采用虚实结合、自主学习和交流的实验教学方法。（1）实验系统可拓展成机型可变，参数自定义的灵活装配训练;（2）通过对发动机关键零部件进行“模块化—特征化—参数化”的建模，实现发动机整机装配的多样性、工艺参数的灵活性，加深对装配工艺的理解和应用;（3）通过“多层次、模块化”的实验系统设计，开展发动机整机装配工艺实验实训的多样化服务。

参考文献：

[1]杨杰，孙丹枫，张丽娟，葛晶.汽车检测与维修虚拟仿真实验教学资源建设[J].时代汽车，2020（23）：21-25.

[2]梁彩云，李宏新，隋岩峰，栾旭，石峰.航空发动机虚拟采办的构建和发展设想[J].系统仿真学报，2020，32（12）：2485-2493.

（中北大学能源动力工程学院 030051）