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发动机气缸仿真装配与运动分析
在机械设计过程中，装配设计是非常重要的。装配设计是将各零件按照特定的关系装配在一起以使之成为能完成一定功能的整机或部件。在Pro／E中，装配设计是在虚拟环境中模仿现实中的所有装配过程，将已建好模型的各零件装配在—起，并使各部分具有合适的自由度的过程。在设计过程中也可以根据需要即时创建零件。装配后的模型可以利用干涉检测、运动仿真等功能来检查零件设计的合理性以及装配件总体设计的合理性，进而获得对产品模型的总体评价。
虚拟环境中的装配关系与现实环境中的装配关系是一一对应的，在Pro/ENGINEER中模具零件的装配是通过定义零件之间的约束关系来实现的。
发动机气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，汽车﹑轮船以及飞机等都离不开发动机的存在。发动机质量好坏，直接关系到整个机械的运行。因此对发动机进行运动仿真具有非常重要的意义。
1．发动机汽缸机构运动装配模型
1.1 发动机气缸的零件名称与对应的文件名称：
（1）、机座 → 【base.prt】；
（2）、曲轴→ 【crank_shaft.prt】；
（3）、上连杆→【connecting_rod_top.prt】；
（4）、下连杆→【connecting_rod_bottom.prt】；
（5）、活塞槽→【crust.prt】；
（6）、活塞 →【piston.prt】

1.2 发动机汽缸机构运动装配模型中各个零件之间的装配连接关系：
（1）机座零件默认放置――――固定；
（2）曲轴与机座之间―――――销钉连接――轴线对齐，面偏移――旋转运动；
（3）上连杆与曲轴之间――――销钉连接――轴线对齐，面对齐――旋转运动；
（4）下连杆与上连杆之间运用了放置中的匹配和对齐约束―――――无相对运动；
（5）活塞槽与组件之间运用了放置中的匹配约束―――――――――与机座固定；
（6）活塞与上连杆之间――――销钉连接――轴线对齐，面偏移――旋转运动
活塞与活塞槽之间――――圆柱连接――轴线对齐，―――――直线运动
1.3 建立装配运动仿真模型
（1）进入组件装配模式
【新建文件】－【类型】－【组件】－【使用缺省面板】，【子类型】－【设计】，再在【名称】文本框内输入名称，本例为Motor,单击【确定】按钮进入装配模式。如图1所示。弹出【新文件选项】对话框，选择【mmns_asm_design】选项，表示使用国际单位制。如图2所示。

图1 【新建】对话框 图2 选用用国际单位制－对话框
（2）装入机座零件 (base.prt)
单击【增加组件】按钮，选择机座base.prt零件。在弹出的【元件放置】对话框，图3中可以看到三个选项卡：【放置】、【移动】、【连接】。【放置】用于定义装配约束，【移动】用于调整零件位置，【连接】用于定义机构之间的连接运动关系。
单击对话框中的【默认位置】按钮以系统默认位置装入机座零件，单击【确定】完成机座零件的装配。完成后的组件如图4所示。

图5-3 【元件放置】 对话框 图5-4 装入机座零件

（3）用销钉连接装配曲轴（crank_shaft.par）
单击【增加组件】按钮,选择crank_shaft.prt零件，如图5所示。
单击【连接】按钮，选择【销钉】连接，选择图5所示的基座和曲轴的轴线，以完成对齐连接方式。
再分别选择图5所示的基座和曲轴的配合面，并在【偏移值】栏中输入0.06，以满足平移约束。【确定】完成曲轴的装配。完成后组件如图6所示。

图5 曲轴与机座的连接关系 图6 完成曲轴装配
（4）用销钉连接装配上连杆（connecting_rod_top.prt）
单击【增加组件】按钮，选择connecting_rod_top.prt零件，将其打开在装配区，如图7所示。
单击【连接】按钮，选择【销钉】连接，依次选择图7所示的上连杆和曲轴的轴线，以完成对齐连接方式，再分别选择图7所示的上连杆和曲轴的配合面，在【偏移值】栏中输入0.04，以满足平移约束。完成后组件如图8所示。
在【移动】选项卡中选取【旋转】项，调整上连杆的位置，如图9所示。最后单击【确定】按钮完成上连杆的装配。

图7 上连杆与曲轴的销钉连接装配约束

图8 完成上连杆装配 图9 上连杆位置调整
（5）装配下连杆（connecting_rod_bottom.prt）
单击【增加组件】按钮，选择connecting_rod_bottom.prt零件，将其打开在装配区，如图10所示。
单击【放置】，在【类型】的下拉箭头中选取【匹配】类型，依次选择图10的上连杆和下连杆的截面作为配合面，【偏移】值为0以完成匹配约束。完成后组件如图11所示。
再选择【对齐】约束，选择上连杆和下连杆的轴孔，如图11中的“对齐轴孔1”对齐。
再选择【对齐】约束，选择上连杆和下连杆的轴孔，如图11中的“对齐轴孔2”对齐。对齐后两者位置如图12。【确定】完成下连杆装配。用【移动】－【旋转】调整连杆位置。

图10 下连杆与上连杆的匹配面选取

图11 上连杆和下连杆匹配约束 图12 完成下连杆装配
（6）装配活塞槽(crust.prt)
单击【增加组件】按钮，选择crust.prt零件，将其打开在装配区 ,如图13。单击【放置】－【匹配】。依次选择如下匹配面：
（6.1）图13活塞槽的RIGHT基准平面和组件的ASM_RIGHT基准平面作为配合面，【偏移】值为0，完成第一个匹配约束。如图14所示。
（6.2）图14活塞槽的FRONT基准平面和组件的ASM_FRONT基准平面作为配合面，【偏移】值为0，完成第二个匹配约束。如图15所示。
（6.3）图15活塞槽的TOP基准平面和组件的DTM15基准平面作为配合面，【偏移】值设为71.2，完成第三个匹配约束。如图16。最后【确定】完成活塞槽的装配。

图13 活塞right面匹配组件 图14 活塞front面匹配组件

图15 活塞top面匹配组件DIM15面 图16 完成活塞槽装配
（7）装配活塞（piston.prt）
单击【增加组件】按钮,其中piston.prt零件，将其打开在装配区,如图17所示。
单击【连接】-【销钉】连接，选择图17上连杆和活塞的轴线，完成对齐连接。
再分别选择图17所示的上连杆和活塞的配合面，并在元件放置对话框的【偏移值】栏中输入0.01，以满足平移约束。完成后组件如图18所示。
单击【增加约束】按钮，再在连接类型中选择【圆柱】连接，依次选择活塞和活塞槽的轴线，以完成圆柱连接方式。完成后组件如图19所示。【确定】完成活塞的装配。

图17 用销钉连接装配活塞与连杆

图18 销钉连接活塞与连杆结果

图19 添加圆柱约束 选择活塞轴线与活塞槽轴线
2 机构运动仿真
在pro/ENGINEER Wildfire中，用户可以通过对机构添加运动副，驱动器使其运动起来，以实现机构的运动仿真。而机构又是由构件组合而成的，其中每个机构都是以一定的方式至少与另一个机构相连接，这种连接即使两个构件直接接触，又使两个构件产生一定的相对运动，创建机构的过程极为相似。
Pro/ENGINEER Wildfire中，运动仿真的结果不但可以以动画的形式表现出来，还可以以参数的形式输出，从而可以获知零件之间是否干涉，干涉面积有多大等。根据仿真结果对所设计的零件进行修改，直到不产生干涉为止。
2.1进入Mechanism环境
从菜单栏选择【应用程序】→【Mechanism】，进入Mechanism工作环境。
单击【Mechanism】→【连接】选项，弹出连接成功对话框。单击【是】，确认检查结果。
2.2 拖动模型
单击【拖动】按钮，在上连杆上任意选取一点，如图20所示。拖动该连杆，可以观察到机构中除机座零件和活塞槽不动外，其他所有零件均被牵动。图21所示为光标拖动到图示位置时的机构瞬间形态。单击右键，结束当前的拖动。
单击拖动对话框中的 【拍摄】按钮，当前的机构形态被拍为一张快照。单击【显示快照】按钮，可观看建立的快照。单击鼠标中键，关闭拖动对话框。

图20 选取拖动点 图21 机构瞬间状态
2.3 创建驱动器
单击【伺服电动机】按钮，打开【新建】，在【名称】栏中输入新建伺服电动机名称：driver1。选择图22所示的连接轴作为伺服电动机驱动对象。模型中显示紫色箭头，表示运动的方向，参考对象（机座）呈绿色显示，被驱动对象（轴）呈蓝色显示，如图22所示。

图5-22 驱动轴选取
选择【轮廓】。在【规范】栏中选择【速度】。接受对话框中【当前】项的选择，默认当前轴的位置为零位置。在【模】栏中选择【常数】，表示驱动器以常数形式运行。在【A】栏中输入：50，在【图形】栏中选择【速度】和【位置】，如图23所示。
单击伺服电动机定义对话框中的 【测量】按钮，可以查看伺服电动机的工作曲线，结果如图24所示。可以点击【修改参数】按钮，对图形工具栏中的各项参数进行修改，也可以单击【打印机】按钮，打印电动机运行速度相对于位置的图形。
单击伺服电动机定义对话框中的【确定】按钮，完成伺服电动机的建立。再单击对话框中的【关闭】按钮，退到伺服电动机对话框。此时，在伺服电动机对话框中将显示刚才建立的电动机的名称：driver1。单击【关闭】按钮。此时，在曲柄滑槽机构中将显示驱动器标志，如图25所示。

图23 伺服电动机定义对话框 图24 速度—位置函数图

图25 滑槽机构中伺服电动机驱动器标志
2.4 运动分析
单击【分析】按钮中的【新建】，打开分析定义对话框。
把系统默认的分析名称改为：Motor_motion,再在对话框中选择【运动】分析类型。接受系统默认的图形显示时间格式。单击【运行】按钮，可以观察活塞机构运动情况。【确定】后退到分析对话框，同时把运行结果存入数据集。此时可以看到，分析对话框中新增了刚才定义的分析结果名称：Motor_motion。单击【关闭】按钮，退出分析对话框。
2.5 回访并保存分析结果
单击【回放】按钮中的【动画】按钮，打开动画对话框。单击动画对话框中的【播放】按钮，可以播放刚才建立的滑槽机构运动仿真过程。若想将滑槽机构的仿真过程输出为影音文件或图片，只需单击对话框中的【捕获】按钮，打开捕获对话框。再在捕获对话框中进行相应的设定即可。单击【关闭】按钮，回到回放对话框。单击【保存】按钮，可以将当前的分析结果保存为.pbk格式的文件，以备以后分析时使用。
2.6 结果分析
单击特征操作按钮区的【测量】，打开测量结果对话框，如图26所示。
接受【图形类型】栏中系统默认的【测量与时间】，再单击对话框中的【创建新测量】按钮，接受系统默认的名称：measurel。选取【位置】，再在活塞上选择一点，如图27所示。在【分量栏】中选择【Y分量】，接受系统默认的评估方法：【每个时间步长】，如图27所示。单击【确定】按钮，完成测量定义，返回测量结果对话框。
可以看到在测量结果对话框中多出了measurel一项。双击【结果集】栏中的【Motor_motion】,系统将自动计算结果，并把结果值显示在【测量】栏中的【值】栏中，如图28所示。此测量值为定义驱动器连接轴的计算值，数值前的负号，表示活塞运动方向与系统所默认的方向相反。
选择【测量】栏中的measurel。单击【测量】按钮，显示测量结果，如图29所示。从中可以看到该点随时间的位移曲线。最后，在图29所示的对话框中单击菜单【文件】→【输出Excel】命令，将当前的曲线保存为Excel类型的文件。

图26 测量结果对话框 图27 测量点选取

图28 测量结果计算 图29 位移—时间关系图
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