基于UG軟件的某發(fā)動機(jī)曲軸—連桿—活塞機(jī)構(gòu)的運(yùn)

1、基于 UG 軟件的某發(fā)動機(jī)曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)的運(yùn)摘 要：以某型四缸發(fā)動機(jī)的曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)為研究對象，使用UG 軟件的實(shí)體建模功能對三者進(jìn)行建模，并通過裝配功能建立裝配模型，最后在運(yùn)動仿真模塊中完成運(yùn)動過程，得出曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律，從而為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供可靠的理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：曲軸；連桿；活塞；UG；運(yùn)動仿真中圖分類號：TH 1320 引言曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)最重要的組成部件之一，是往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)。在工作過程中，連桿將活塞上的力傳給曲軸，使活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，對外輸出做功1。連桿小端工作時作往復(fù)運(yùn)動，大端作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，桿身作復(fù)雜的平面運(yùn)動，因此對曲軸連桿活

2、塞機(jī)構(gòu)的運(yùn)動進(jìn)行仿真，得出其運(yùn)動規(guī)律，可以對該機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。Unigraphics（簡稱UG）是美國UGS 公司推出的集CAD/CAE/CAM 于一體的工程應(yīng)用軟件系統(tǒng)，其致力于全球產(chǎn)品生命周期管理（PLM）軟件的開發(fā)，具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)各模塊的無縫連接。它具有強(qiáng)大的實(shí)體建模、曲面造型、工程制圖以及裝配功能，可以進(jìn)行有限元分析和運(yùn)動仿真分析，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。因此以 UG 軟件強(qiáng)大的建模與仿真功能，可以實(shí)現(xiàn)對曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)比較準(zhǔn)確的建模和運(yùn)動分析，得出較為可靠的結(jié)果。如圖 1 為操作的流程圖。1 仿真模型的建立1.1 實(shí)體模型的建立在進(jìn)行各部件的建模之前，應(yīng)首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)

3、分析，制定出建模方案。曲軸的建模關(guān)鍵是平衡塊特征的創(chuàng)建，4 個平衡塊特征的疊加完成曲軸大致一半的特征，再細(xì)化平衡塊上的特征，然后通過鏡像完成剩余對稱的模型建立，最后再對曲軸兩端的特征分別創(chuàng)建2，即可完成。平衡塊的創(chuàng)建主要是通過草圖命令和拉伸命令來實(shí)現(xiàn)的。如圖 2 為曲軸的三維實(shí)體圖。連桿有兩個互相垂直的對稱面，一個對稱面平行于連桿的圓形端面，也就是鍛造連桿毛坯的模具分型面；另一個對稱面通過兩端圓孔的軸線。建模過程中可以利用這兩個對稱平面，對局部特征進(jìn)行鏡像和復(fù)制操作，從而快速完成特征創(chuàng)建。如圖 3 為連桿的三維實(shí)體模型圖?；钊饕身敳?、頭部和裙部三部分組成。為了快速準(zhǔn)確的創(chuàng)建活塞模型，先抽取

4、活塞模型中的對稱部分，由列表曲線創(chuàng)建活塞的1/4 輪廓，然后鏡像生成活塞的主要輪廓，再創(chuàng)建活塞的頂部凹槽特征，之后創(chuàng)建活塞頭部的氣環(huán)槽和油環(huán)槽，最后創(chuàng)建各部分的倒圓角。如圖4 為活塞的三維實(shí)體圖。圖 2 曲軸三維實(shí)體圖圖 3 連桿三維實(shí)體圖圖圖 4 活塞的三維實(shí)體圖1.2 曲軸連桿活塞的虛擬裝配UG 軟件提供了3 種裝配方法，第一種是自底向上裝配。就是先創(chuàng)建部件幾何模型，再組合成子裝配，最后生成裝配部件的裝配方法，這是最常用的一種方法；第二種是自頂向下裝配。直接在裝配層建立零件模型，然后邊裝配邊建立其他部件模型，也就是在裝配文件中創(chuàng)建模型。第三種是混合裝配。即根據(jù)裝配設(shè)計(jì)的需要，將自底向上裝配

5、和自頂向下裝配混合使用的裝配方法3。本文所涉及的機(jī)構(gòu)采用自底向上的裝配方法。以一組曲軸連桿活塞的連接為例：首先添加曲軸組件，并設(shè)置放置定位的方式為“絕對原點(diǎn)”；第二部添加連桿，放置定位的方式為“配對”，在“配對類型”中，需要使用“配對”和“中心”兩種方式對連桿進(jìn)行定位；第三步添加活塞組件，定位方式同樣為“配對”，需要選擇的配對類型是兩個“中心”配對方式。剩余三組的裝配方式相同，從而完成機(jī)構(gòu)的裝配。如圖5為裝配好的曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)。圖 5 曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)裝配圖2 曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真2.1 曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)的運(yùn)動原理前面已經(jīng)介紹了曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，如圖6 為曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理

6、簡圖4。該工作裝置由 4 個曲柄滑塊機(jī)構(gòu)共用1 個曲軸組成，整個裝置共有 9 個轉(zhuǎn)動副，4 個滑動副。其中轉(zhuǎn)動副包括4 個連桿組件與曲軸間的轉(zhuǎn)動副，4 個活塞與連桿組件間轉(zhuǎn)動副，1 個曲軸的驅(qū)動副，滑動副為 1 個活塞上下運(yùn)動的運(yùn)動副。因此該工作機(jī)構(gòu)有 1 個自由度，原動力（旋轉(zhuǎn)驅(qū)動）加在曲軸上。2.2 仿真過程了解了機(jī)構(gòu)運(yùn)動的原理及需要設(shè)定的運(yùn)動副情況后，可以進(jìn)行運(yùn)動仿真。在 UG 主界面中選擇菜單開始/運(yùn)動仿真，即可進(jìn)入 UG“運(yùn)動仿真”主界面。新建一個運(yùn)動學(xué)仿真，并在彈出的“主模型到仿真的配對條件轉(zhuǎn)換”對話框中選擇“否”，使得曲軸與地不是固定連接。在仿真之前需要賦予各個部件一定的運(yùn)動學(xué)特

7、性。由于前面的裝配與仿真經(jīng)過了轉(zhuǎn)換，因此在運(yùn)動導(dǎo)航器中系統(tǒng)自動分配了連桿（Links）與連接（Joint）的節(jié)點(diǎn)。打開連桿節(jié)點(diǎn)的圖標(biāo)，可以看到系統(tǒng)自動生成曲軸、連桿、活塞9 個部件，在每個部件上點(diǎn)右鍵，選擇“編輯”選項(xiàng)，可以對其質(zhì)量、慣性矩、初始移動速度、初始轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行定義。根據(jù)上一節(jié)中提到的運(yùn)動副設(shè)定要求設(shè)定必要的運(yùn)動副，并設(shè)置曲軸的初始速度為60/s。設(shè)定完畢后，進(jìn)入“解算方案”對話框，設(shè)定仿真時間為6s，剛好完成旋轉(zhuǎn)一周，仿真步數(shù)為100。求解，單擊動畫播放工具欄中的開始按鈕，即可看到曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)運(yùn)動的動畫演示。2.3 仿真結(jié)果輸出在主模型做運(yùn)動仿真的時候，系統(tǒng)內(nèi)部自動生成一組數(shù)據(jù)

8、表，如表1 為曲軸驅(qū)動前20步的運(yùn)動信息。表示隨著仿真步數(shù)的變化，所消耗的時間，以及每步旋轉(zhuǎn)的角度。也可生成運(yùn)動信息的圖表，如圖7 為曲軸與連桿之間轉(zhuǎn)動副的位移與時間的關(guān)系圖表，圖8 為曲軸連桿之間轉(zhuǎn)動副的速度與時間的關(guān)系圖表，圖中依次表示的是從曲軸后端到前端4 個轉(zhuǎn)動副的情況。表 1 曲軸運(yùn)動信息Time Step Elapsed Time drv J008, revolute0 0.000 -1E-101 0.060 3.6000015492 0.120 7.2000030923 0.180 10.800004634 0.240 14.400006185 0.300 18.00000772

9、6 0.360 21.600009267 0.420 25.200010818 0.480 28.800012359 0.540 32.4000138910 0.600 36.0000154311 0.660 39.6000169812 0.720 43.2000185213 0.780 46.8000200614 0.840 50.4000216115 0.900 54.0000231516 0.960 57.6000246917 1.020 61.2000262318 1.080 64.8000277819 1.140 68.4000293220 1.200 72.00003086圖 7

10、曲軸與連桿之間轉(zhuǎn)動副位移隨時間變化關(guān)系圖ac dba b圖8 曲軸與連桿之間轉(zhuǎn)動副速度隨時間變化關(guān)系圖從上面的圖表中可以得到機(jī)構(gòu)的一些運(yùn)動信息。改變曲軸的速度以及相關(guān)的機(jī)構(gòu)參數(shù)，相應(yīng)地會得到新的設(shè)計(jì)結(jié)果，便于對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)的更改可以反映在裝配主模型的復(fù)制分析方案中，再重新分析，一旦確定最后的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)更改就可以直接反映到裝配的主模型中。通過對位移的分析，可以確定構(gòu)件運(yùn)動所需的空間及行程，考察構(gòu)件或構(gòu)件上的某點(diǎn)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定位置變化的要求5。通過對速度的分析，可以確定機(jī)構(gòu)中從動件的速度變化是否滿足工作要求，得出準(zhǔn)確的理論數(shù)據(jù)和曲線，有效地分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的運(yùn)動特性和規(guī)律，并應(yīng)

11、用于現(xiàn)實(shí)中，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。3 結(jié)論借助 UG 軟件強(qiáng)大的實(shí)體建模功能，對某四缸發(fā)動機(jī)的曲軸、連桿、活塞分別建模，并利用裝配功能完成了虛擬模型的創(chuàng)建，然后進(jìn)行了詳細(xì)的運(yùn)動仿真分析，主要對此機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。利用UG 軟件的運(yùn)動仿真功能，可以得出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動動畫，更加形象地了解其運(yùn)動方式，并可以輸出仿真的結(jié)果，可以生成所有運(yùn)動副位移、速度隨時間的變化情況，同時通過為曲軸驅(qū)動設(shè)置不同的速度、仿真時間、步長，可以得出不同的結(jié)果。通過這些工作，為進(jìn)一步進(jìn)行動力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)，對縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能有積極的作用。參考文獻(xiàn)1 李明海,王鵬,牟恕寬.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的柴油機(jī)曲

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13、tonMechanism in a Type of Engine with UGFeng Yuanjie, Li BeiMechanical Engineering and Automation College, North university of China, Taiyuan (030051）AbstractTaking the crankshaftlinkpiston mchanism of a type four cylinder engine as the object for studying,using the entity modelling function of UG software to accomplish the modelling of three elements.Then through the assembly function to establish the model assembly. Finally, using the motionsimulation function to complete the process of moti