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1、基于Pro/E的內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真
發(fā)表時(shí)間: 2010-3-6 作者: 湯兆平*孫劍萍 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 虛擬裝配?運(yùn)動(dòng)仿真?內(nèi)燃機(jī)?Pro/E?
燃機(jī)作為常用動(dòng)力,在機(jī)械行業(yè)中占有重要地位。但其由大量零件組成,零件之間的裝配關(guān)系也比較復(fù)雜,設(shè)計(jì)與方案確定需要經(jīng)過反復(fù)的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)與修改,致使設(shè)計(jì)周期長(zhǎng),研制費(fèi)用高?,F(xiàn)在通過應(yīng)用虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù),大大提高了其設(shè)計(jì)開發(fā)效率。
1 引言
??? 虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真是根據(jù)產(chǎn)品的形狀特征、精度特性,利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和仿真技術(shù),在計(jì)算機(jī)上模仿產(chǎn)品的實(shí)際裝配過程、仿真模擬機(jī)器的運(yùn)動(dòng)過程,以可視化手段研究和解決
2、產(chǎn)品的可裝配性及運(yùn)動(dòng)問題。在內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用這種方法可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,減少樣機(jī)實(shí)驗(yàn)次數(shù),迅速地對(duì)市場(chǎng)做出反應(yīng),降低產(chǎn)品的成本,提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
2 結(jié)構(gòu)與配合
??? 零件結(jié)構(gòu)與配合是虛擬裝配的基礎(chǔ)。內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要包括氣缸體、曲軸箱、活塞、活塞銷、連桿、曲軸等零件。
??? 活塞位于氣缸中,它與氣缸之間采用微量間隙配合(柴油機(jī)為(0.0013-0.0027)D。汽油機(jī)為0.0005D,m氣缸直徑),以保證活塞在氣缸中的往復(fù)運(yùn)動(dòng);3-4道活塞環(huán)開口相錯(cuò)地裝于活塞環(huán)槽內(nèi)(鑄鐵活塞的活塞環(huán)開口間隙為0.003D;鋁質(zhì)活塞的活塞環(huán)開口間隙為0.0025D),環(huán)與槽為間
3、隙配合(側(cè)隙為(2.5-3.0)%b,b——活塞環(huán)的軸向厚度,背隙約(0.15-0.25)mm),常態(tài)下活塞環(huán)直徑略大于缸徑,以保證裝配后其外圓緊貼缸壁,工作過程中環(huán)在隨活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí),也能在環(huán)槽內(nèi)作微量的轉(zhuǎn)動(dòng);活塞銷連接活塞與連桿小頭,銷與連桿小頭間隙配合(間隙約(0.025-0.048)mm),銷與活塞銷座孔大多采用全浮式連接,即冷態(tài)下為過渡配合,而熱態(tài)下為微量間隙配合,使活塞銷在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中,不僅可以在連桿小頭襯套孔內(nèi),還可以在銷座孔內(nèi)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng);剖分式連桿的大頭與連桿蓋通過螺栓連接在曲柄銷上。可繞銷擺動(dòng),如圖l所示。
3 產(chǎn)品裝配層次關(guān)系的確定
??? 裝配層次關(guān)系描述了產(chǎn)品裝配
4、結(jié)構(gòu),是產(chǎn)品裝配模型的主框架。裝配體可以分解成若干個(gè)子裝配體或零件,子裝配體又可以進(jìn)一步分解成若干個(gè)子裝配體或零件,由此表現(xiàn)出產(chǎn)品的層次性。通常把裝配體、子裝配體、零件之間的這種層次關(guān)系表示為裝配樹,樹的根節(jié)點(diǎn)是裝配體(即最終的產(chǎn)品),葉節(jié)點(diǎn)是組成產(chǎn)品的各個(gè)零件,而中間節(jié)點(diǎn)則是子裝配體。裝配樹的層次關(guān)系也體現(xiàn)了實(shí)際形成產(chǎn)品的裝配體。
??? 實(shí)際裝配時(shí),內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)常先將活塞連桿組、曲軸飛輪組分別裝配兩個(gè)總成后,再進(jìn)行總裝??紤]到飛輪的存在與否并不影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與仿真,本例中忽略飛輪,僅設(shè)立活塞連桿組子裝配體。
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圖1 各零件的結(jié)構(gòu)與裝配關(guān)系??? 圖2 裝配
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5、 內(nèi)燃機(jī)的裝配過程
??? 虛擬裝配方案初步確定后,就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)與裝配關(guān)系建立產(chǎn)品三維模型,為簡(jiǎn)便裝配,建模要充分考慮零件的裝配關(guān)系,適當(dāng)創(chuàng)建裝配所需的基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面。現(xiàn)以單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)為例,在Pro/E wildfire 2.0的環(huán)境下,對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配,如圖2所示。
4.1 機(jī)體與曲軸的裝配
??? 新建一組件形式文件。選擇元件——裝配,引入內(nèi)燃機(jī)機(jī)體,在缺省位置裝配元件,作為裝配基礎(chǔ)。接著安裝曲軸,由于曲軸在工作中需轉(zhuǎn)動(dòng),裝配時(shí)必須將其定義為連接元件,允許其運(yùn)動(dòng)。Pro/E中提供了剛性、銷釘、滑動(dòng)桿、圓柱、平面、球、焊接與軸承等連接方式。曲軸相對(duì)機(jī)體旋轉(zhuǎn),因此將其連接方式定義為
6、銷釘連接,考慮到曲軸的曲柄銷和連桿相連,為順利實(shí)現(xiàn)下一步連桿的安裝,在裝配曲軸時(shí),需要改變其放置位置,將其旋轉(zhuǎn)90°,使其轉(zhuǎn)到上止點(diǎn)或下止點(diǎn)位置,如圖3所示。
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圖3 銷釘連接的定義
4.2 建立活塞連桿組子裝配體
??? 再新建另一組件形式文件,依次將連桿、活塞、活塞環(huán)、活塞銷進(jìn)行裝配,得到活塞連桿組子裝配體。裝配時(shí)連桿小頭孔與活塞、活塞銷與活塞均為銷釘連接,以實(shí)現(xiàn)裝配后銷在活塞銷座內(nèi)、連桿繞活塞銷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),如圖4所示。
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圖4 活塞連桿組
4.3 將活塞連桿組組件裝入總裝配
??? 再激活第—個(gè)組件文件,在該文件中選擇元件—裝配,引入活塞連桿組組件,定義活塞與氣缸為
7、圓柱連接,連桿大頭孔與曲柄銷為銷釘連接,這樣安裝后的活塞能在缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),連桿能繞曲柄銷擺動(dòng)。
4.4 裝配連桿蓋
??? 連桿蓋與連桿大頭貼合面采用匹配,連桿蓋及連桿大頭螺栓孔采用軸線對(duì)齊放置元件。
4.5 裝配曲軸支撐與下曲軸箱
??? 若下曲軸箱與曲軸支撐在建模時(shí),已考慮了與機(jī)體安裝面的貼合問題,則裝配時(shí)只需直接采用在缺省位置裝配;若沒有考慮,則采用匹配與對(duì)齊方式放置元件。
5 運(yùn)動(dòng)仿真
??? 為獲得較好的視覺效果,安裝完畢后,可先對(duì)零部件進(jìn)行外觀與顏色設(shè)置,再利用Pro/E的“機(jī)構(gòu)”模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。選擇應(yīng)用程—機(jī)構(gòu)(Mechanism),進(jìn)入“機(jī)構(gòu)”模塊,點(diǎn)擊
8、“定義伺服電動(dòng)機(jī)”按鈕,新建一伺服電動(dòng)機(jī),選擇裝配曲軸與機(jī)體時(shí)定義的銷釘連接為連接軸,在“輪廓”選項(xiàng)卡中定義電動(dòng)機(jī)的類型?!耙?guī)范”設(shè)置為速度,“?!痹O(shè)置為常數(shù),“A”設(shè)置為360。
??? 點(diǎn)擊“運(yùn)動(dòng)分析”按鈕,新建一運(yùn)動(dòng)分析,在其對(duì)話框“優(yōu)先”選項(xiàng)卡中,設(shè)置開始時(shí)間、長(zhǎng)度與針頻,開始時(shí)間設(shè)為0,終止時(shí)間設(shè)為:0.999999,幀頻設(shè)為30。單擊運(yùn)行,可以觀看內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)在曲軸勻速旋轉(zhuǎn)一圈過程中的運(yùn)行情況。
6 查看運(yùn)動(dòng)和輸出結(jié)果
6.1 查看運(yùn)動(dòng)
??? 在“機(jī)構(gòu)”模塊中,點(diǎn)擊“回放”按鈕,首先在其對(duì)話框“干涉”選項(xiàng)卡中,動(dòng)態(tài)地檢測(cè)各零件間的干涉情況,于涉模式主要有:無干涉、快
9、速檢查、兩個(gè)零件、全局干涉。若運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)干涉,Pro/E會(huì)提示,并將干涉區(qū)加亮顯示,以便設(shè)計(jì)者檢查修改;點(diǎn)擊播放當(dāng)前結(jié)果集—捕獲,還可制作并輸出mpg格式的影片。
6.2 結(jié)果輸出
??? 機(jī)構(gòu)模塊中可進(jìn)行的分析測(cè)量量有:位置、速度、加速度、連接反作用、凈負(fù)荷、沖力等。鼉點(diǎn)擊“生成分析的測(cè)量結(jié)果”按鈕,顯示測(cè)量結(jié)果對(duì)話框,在測(cè)量欄內(nèi)新建測(cè)量,選擇需要的分析測(cè)量,勾選“分別繪制測(cè)量圖形”,點(diǎn)擊“繪制選定結(jié)果集所選測(cè)量的圖形”按鈕,設(shè)定的分析測(cè)量量將以圖形和數(shù)據(jù)的形式輸出,直觀準(zhǔn)確。
??? 下面為內(nèi)燃機(jī)活塞頂部中心的位置、速度、加速度隨時(shí)間變化和曲柄銷加速度的分析圖形和數(shù)據(jù).如圖5、6
10、所示。
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圖5 分析圖形
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圖6 活塞的加速度曲柄銷加速度
7 仿真結(jié)果的分析研究
??? (1)活塞頂部中心的位置變化范圍為:(158.496—221.996)mm,曲線位置值由小變大,再由大變小,成余弦規(guī)律變化。位置變化范圍正好為曲柄銷長(zhǎng)度的兩倍,實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中活塞的運(yùn)動(dòng)也正是由下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn),位置成余弦規(guī)律起伏。
??? (2)活塞頂部中心的速度范圍為:(0—203.375)mn/s,速度在有兩次起伏,實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中也正好是活塞由速度為0從下止點(diǎn)加速運(yùn)行到中間位置,速度達(dá)到最大,再減速運(yùn)行到上止點(diǎn),接著由速度為0從上止點(diǎn)反向加速運(yùn)行到中間位置,速度達(dá)到最大,再減速運(yùn)行到下
11、止點(diǎn)。
??? (3)活塞雙部和心的加速度范圍為:152.653-1538.31mm/s2,加速度在有兩次起伏,而實(shí)際情況也正好是活塞從下止點(diǎn)加速度減小地運(yùn)行到中間位置,再加速度增大地運(yùn)行到上止點(diǎn),接著加速度減小地從上止點(diǎn)反向運(yùn)行到中間位置,再加速度增大地運(yùn)行到下止點(diǎn)。
??? (4)曲柄銷加速度為一條直線,其值為:1253.44mm/s2。與當(dāng)曲軸勻速旋轉(zhuǎn)時(shí),理論計(jì)算加速度a=ω2r的結(jié)果一致。
??? 由此可見,以上所有仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相同,與實(shí)際情況也相符合。
8 結(jié)束語
??? 本文借助Pro/E實(shí)現(xiàn)了內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真分析,該方法可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段可視地對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行干涉檢測(cè)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性分析。與通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)反饋相比可以大大地縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)周期,降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本,為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了—個(gè)高效的開發(fā)途徑。