基于SolidWorks的内燃机构造与运动仿真

　　1 引言

　　近年来，我们利用SolidWorks三维设计软件建立的内燃机三维实体模型和运行仿真，可以将内燃机的每一个部件结构，每一层装配关系，各种运动轨迹都清晰、直观地显示出来，不仅在视觉上带给设计人员更感性的认识，其模型也可以为CAM、CAE、CAPP、PDM等后续工作所使用，而且由于SolidWorks三维设计软件的参数化功能，又可以为今后产品的改良改型提供了方便。可以说，利用计算机辅助三维设计内燃机达到了设计效率和质量双提高的目的。

　　2 内燃机的建模

　　2.1 内燃机零件三维模型的建立

　　(1)创建基体。零件的三维建模一般先创建基体，然后在基体上建立其余的特征，基于这点，先将所有的零件分类，内燃机零件主要分为：箱体类零件、板类零件、杆类零件和其他类。其中汽缸体和气缸盖属于箱体类零件，大部分情况下采用拉伸特征和抽壳来完成，活塞的基体采用旋转特征创建。当然，这不是千篇一律的，结合具体情况，零件的基体也可以使用扫描、放样等特征来创建。例如，弹簧和螺栓就是使用扫描特征来创建基体的，零件基体的创建对于内燃机整体的模型有着决定性的作用，它决定着其他特征的建立顺序，直接影响设计效率和质量，以及后续工作中对零件的修改，创建好的零件基体可以使建模和后续工作事半功倍。

　　(2)绘制草图。SolidWorks是以草图为基础，基于特征的三维设计软件，所以草图的质量决定着零件模型的质量。草图包括几何图形和尺寸、几何约束等信息。内燃机零件的草图不仅几何图形完全正确，而且使用合理的尺寸和几何约束将草图完全定义，并保持设计意图。

　　(3)运用编辑技巧。内燃机的整体结构基本是对称的，合理解决对称的特征和零件，可以提高设计效率，节省时间，并且对于内燃机整体的装配和分析也有着至关重要的作用。结构对称的零件可以直接创建对称的草图实现，也可以创建一半模型，再利用镜向特征实现。如果是两个关于某基准面对称的零件，则只需先创建一个零件，然后选择对称的基准面，选择【插入】—【镜像零件】即可得到对称的零件。而且，这样创建的对称零件和源零件有着关联参考关系，修改源零件时，对称零件会随之改变。

　　总之，在内燃机零件的三维建模过程中，不但要确保正确无误，更重要的是要体现设计意图。

　　2.2 内燃机的部件和总体装配

　　建立好零件的三维模型，就开始进行部件和总装的设计。由于内燃机零件繁多，一般都是由几十甚至上百个零件构成，所以在装配内燃机前，先分析清楚内燃机的层次结构、零部件的约束、自由度和相对运动关系，作出总体规划，以便可作出一个高效的总装配体。在装配时零件问可添加重合，同轴心，平行，垂直，平行距离，角度等配合来满足要求。不同的组合可达到相同的效果，这就需要注意，配合实质上是给零件之间添加约束来满足一定机构需要。所以添加的配合也需要满足设计意图，而且配合要合理，合理的配合决定着装配体的设计效率和质量。

　　(1)活塞连杆机构的装配：活塞连杆机构由活塞、活塞环、活塞销及连杆等组成。建模时，将连杆组件作为部件，可以提高设计效率，便于修改。将建立好的零件三维模型，在SolidWorks装配体环境下进行装配。主要包括：活塞与气环油环的装配、连杆与活塞装配体的装配、活塞销与连杆的装配、连杆套与连杆的装配、连杆螺栓与活塞连杆机构的装配。

　　(2)配气机构的装配：配气机构由两组零件组成，即以气门为主要零件的气门组和以凸轮轴为主要零件的气门传动组，气门组包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、弹簧座、锁夹及挡圈等零件，气门传动组主要由凸轮轴及其驱动装置、挺柱及其导管、推杆、摇臂、摇臂轴及其支座等组成。其中：推杆与摇臂的配合要采用高级配合里面的凸轮推杆配合来完成，以推杆的上表面和摇臂的圆弧面相切为配合要求，使其达到推杆上升，摇臂旋转，同时两者始终存在接触的运动效果。

　　(3)内燃机的总装：将设计好的内燃机零件和部件(在总装中成为子装配体)装配。SolidWorks总装中的子装配体有固定和活动两种状态。在内燃机总装中，汽缸体、汽缸盖、活塞连杆机构、配气机构等都是子装配体。其中汽缸体、汽缸盖子装配体内部无相对运动，则状态设为固定；而活塞连杆机构和配气机构子装配体内部有相对运动，则状态设置为活动。内燃机气缸体、曲柄连杆机构、配气机构的最终建模模型如图1，图2所示。

图1 气缸体、曲柄连杆机构

图2 配气机构

　　3 内燃机的运动仿真模拟

　　笔者主要介绍内燃机活塞的运动仿真(模型如图1所示)。配气机构的运动仿真不再作详细介绍。活塞运动仿真动画的制作是利用Solid works中的COSMOSMotion插件来完成。

　　3.1 添加约束

　　启动COSMOSMotion插件后，在菜单中会出现【运动模型】菜单项，在设计树中定义运动零件和静止零件，定义好之后，右击设计树中【零部件】下面的【曲轴装配体】，选择【添加约束】-【旋转副】命令，选择气缸体；单击【选择位置】栏，选择曲轴的圆周，选择曲轴的圆心作为旋转副的位置，单击【应用】按钮确定。

　　3.2 添加驱动

　　右击设计树中的【约束】下面的revolute，选择属性，在出现的对话框中选择【运动】选项卡，【运动作用在】设置为【绕z轴旋转】，【运动类型】设置为【速度】，【函数设置为恒定值】，【角速度】设置为360deg／see，单击【应用】按钮确定。

　　3.3 添加工作阻力

　　右击设计树中的【力】下面的【单作用力】，选择【添加单作用力】命令，在出现的对话框中选择【定义】选项卡。将受力部件、参考部件和受力位置分别定义为：活塞、气缸体和活塞端面的圆周。

　 新建立一个word文件，在文件中输入活塞在各个时间点对应的受力大小，保存为纯文本格式。文件名为“活塞推力”。

    右击设计树中的【力】下面的【单作用力】下面的ForceAO上右击，选择属性，选择【函数】选项卡，力类型【函数】设置为【样条线】，样条线坐标数据选择【从文件加载】，选择纯文本格式文件“活塞推力”。单击【应用】按钮，将样条曲线的坐标引人。

    　3.4 仿真结果分析

   　 通过仿真，可以得到在自定义活塞推力时，活塞的位置、速度、加速度以及曲轴做匀速运动需要的平衡力矩等参数。

   　 在COSMOSMotion插件工具栏中点击播放仿真按钮，进行仿真。仿真自动计算完毕后，在设计树【单作用力】下面的ForceAO上右击，选择【绘制曲线】/【反作用力】/【Y轴分量】命令，显示根据文件“活塞推力”上的点插值得到的样条曲线，如图3所示。横坐标为运行时间，纵坐标为活塞上的推力，该推力是气缸内压力与活塞端面面积的乘积。在设计树【零部件】/【运动零部件】下面的【活塞】上右击，选择【绘制曲线】命令，分别绘制活塞质心速度、加速度曲线，横坐标均为运行时间，如图4，图5所示，位置、速度、加速度曲线是导数关系。从图5可以看出，启动和停止的时候，加速度比较大，将引起较大的附加动压力。

图3 活塞受力图像

图4 活塞质心速度图像

图5 活塞质心加速度图像

    　在设计树【约束】下面的Joint右击，选择【绘制曲线】/【旋转运动驱动】/【力矩Z】命令，绘制曲轴上的旋转运动驱动力矩，如图6所示，从图中可以看出，要保持曲轴匀速运动，曲轴上的平衡驱动力矩是一个随时间变化比较大的力矩，反之，加上恒定的力矩，将使速度不能保持恒定。

图6 曲轴运动力矩图像

    　4 总结

    　SolidWorks软件为大型复杂产品的设计带来了极大的方便，缩短了产品的设计、开发周期，避免了不必要的浪费，大大降低了开发成本。笔者利用SolidWorks软件将内燃机机构和零件进行三维实体建模，并利用SolidWorks软件提供的COSMOSMotion插件，将内燃机的运动通过模拟仿真动画的形式直观表现出来，为产品设计陕速进人生产阶段提供了可靠的保证。

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