一、发动机运动机构概述

　　发动机运动机构包括曲柄连杆机构、配气机构、传动机构和起动机构等，其中前两种运动机构是发动机工作的主要运动系统，曲柄连杆机构主要完成发动机往复运动向回转运动的转变，将热能转变 为机械能，配气机构是进、排气的控制机构，按照气缸的工作顺序和工作过程的要求，定时地开闭进、排气门，向气缸供给可燃混合气(汽油机)或新鲜空气(柴油机)并及时排出废气。

　　本文以德国道依茨公司水冷6缸发动机为例，探讨曲柄连杆机构和配气机构在三维虚拟装配环境进行运动模拟的元件规划、运动约束设置、边界条件和分析要素，图1和图2是在Pro/ENGINEER中创建的发动机模型和主要运动机构模型。

　　二、曲柄连杆机构运动模型构建

　　运动模型包括基体和运动件两部 分，发动机基体零件主要包括：箱体、附件托架、飞轮壳、油底壳、缸套和缸 盖等，缸盖在配气机构安装时进行，如 图3所示，元件之间的约束关系为插入、对齐和匹配等常用类型。

　　曲柄连杆机构包括曲柄飞轮组、 活塞连杆组。曲柄飞轮组包括曲轴、飞轮、减震器和皮带轮(图4仅显示曲轴) 等;活塞连杆组包括活塞组和连杆。 活塞组包括活塞、活塞销、活塞环和卡簧;连杆组包括连杆身、连杆大头盖和螺栓等。

　　曲柄连杆机构运动关系的创建：首先安装曲轴，再分别安装6个活塞连杆组。具体运动链接方式如下：

　　1)曲轴与活塞之间仅旋转自由度;

　　2)活塞组元件使用xx约束，活塞组与连杆之间仅旋转运动;

　　3)活塞连杆组与缸套。

　　曲轴之间仅1个自由度，但是因为元件之间的位置关系具有限制作用，因 而使用双自由度约束即可满足运动关系要求，同时保证运动系统没有过约束。 元件之间的约束关系如表1所示。

　　三、配气机构运动模型构建

　　配气机构包括气门组和气门传动组。气门组包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、锁片和卡簧;气门传动 组包括凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂和气 门间隙调整螺钉等，如图5所示。

　　配气机构运动关系的创建：先安装凸轮轴，再分别安装6个配气总成。具体运动链接方式如下：

　　1)凸轮轴与箱体之间仅旋转自由度，凸轮轴与曲轴之间建立齿轮连接;

　　2)配气组件的内部元件链接：根据装配需要对配气组件内的元件进行虚拟装配重新划分，包括缸盖基体、摇臂总成、2个进气门组、2个排气门组和2个挺柱推杆组，如图6所示。

　　机构装配步骤如下：

　　1)安装缸盖，创建基体;

　　2)创建摇臂总成：依次安装2个摇臂座、摇臂轴、进气摇臂和排气摇臂，调整2个螺钉(连接推杆用)、螺母、球头销与球座各4个(连接气门用)，如图7所示;

　　3)将摇臂总成安装在缸盖上，xx约束但要使用连接;

　　4)分别创建进气门组、排气门组小总成，如图8所示，使用常用约束(插入、匹配和对齐等)，气门弹簧可以使用挠性装配，但是不对该元件弹性运动模拟，动力学模拟直接使用弹簧图元(参数设置)要素;

　　5)将进气门组、排气门组各2个和缸盖、球座零件连接，保证接触和平移运 动，如图9所示;

　　6)创建挺柱推杆小总成，先装挺柱，再装推杆，如图10所示;

　　7)将挺柱推杆小总成的挺柱窝与调 整螺钉的球面进行连接，至此完成单个 配气组件的元件安装。

　　将6个单个配气组件依次装配到基体上。要对缸盖与箱体结合面之间、挺柱与箱体导向孔之间、挺柱与凸轮轴之间分别创建连接。前两个连接在标准环境进行，如图11所示;后一个连接为凸轮连接，需要转到机构环境创建，如图12所示。

　　配气机构主要元件之间的连接关系如表2所示。

　　四、发动机运动连接关系分析

　　综合上面创建运动关系的过程可以 看出，发动机曲柄连杆机构中用到的约 束和连接都是基本约束类型，但是在选 用连接类型时要考虑机构的冗余问题， 为了保证动力学模拟的方程组算式准 确，必须使用恰当的约束连接类型，防止出现过约束。

　　发动机配气机构中用到的约束和连接既有标准环境下的常用类型，也有机构环境下创建的齿轮、凸轮连接。同时要注意，为了便于后面分析结果物理量的设置，在xx约束运动组件成员时，必须使用连接来实现xx约束，如刚性连接。图13是发动机曲柄连杆机构、配气机构的机构图标显示。

　　五、发动机运动模拟及结果应用

　　1.运动类型

　　发动机运动模拟类型包括运动学、动力学两种类型，二者的区别主要在于运动学模拟不考虑力的作用，不能对作用力、摩擦和阻尼等动力学要素进行分析模拟，运行时间较少，可以使用细节零件构建运动模型;动力学模拟更加侧重力的影响，可以对反作用力、动量和冲量等物理量进行求解，运行时间长，对计算机硬件资源配置要求高，需要针 对动力学模拟的目的确定必须的元件，单独构建动力学运动模型，尽量简化模型几何细节。

　　2.运动学模拟结果应用

　　发动机运动学模拟可以进行零部件干涉检查、动画制作、凸轮零件反求设计、物理量规律求解以及系统优化等。下面对常用的分析结果应用情况进行举例说明。

　　(1)干涉检查

　　干涉检查是三维软件虚拟装配设 计最基本的零部件验证功能，分静态 检查和动态检查两种使用方式。静态检查操作在Pro/ENGINEER标准环境进行，完成装配后，执行“分析”→“模型”→“全局干涉”，可以查看所有干涉情况，执行“分析”→“模 型”→“配合间隙”，可以查看两个零件之间的最小间隙或干涉体积。动态检查操作在机构环境进行，在“回放” 对话框点击“冲突检测设置”，或者“工具”→“组件设置”→“冲突检测 设置”，确定是否进行动态干涉检查计算，需要更长的运算时间和更高的计算 机硬件资源配置。

　　(2)动画制作

　　在Pro/ENGINEER中有专门的Animation动画模块，元件分解、视角变换和显示状态等动画动作需要在该环 境设置。在机构模块可以将曲柄连杆机构、配气机构的运动学模拟设置传递到 动画模块，将运动模拟作为动画制作的 一个环节(时间线或子动画)，实现发 动机产品演示动画的准确运行。

　　(3)技术参数(物理量)规律曲线

　　通过运动学、动力学模拟可以对 发动机的技术参数规律进行输出，Pro/ENGINEER软件提供了丰富的测量量库和强大的测量量定义功能，用户可以方便地定制所需的技术参数规律曲线，图14 和图15是两个常用的技术参数曲线图。

　　(4)凸轮轴反求设计

　　通过设置进气门、排气门的行程运动规律，利用“轨迹 曲线”命令的“凸轮合成曲线”选项，可以反求凸轮轴桃形凸轮轮廓曲线，并将曲线用于特征设计，如图16所示。

　　(5)使用运动包络零件和布尔运算设计零件 在发动机零部件设计中，箱体和缸盖是其中的2个关键的重要零件，它们的设计难点之一是确定水道、油道以及其他不规则形状腔体。例如，推杆在配气机构运动过程中的空间范围是通过箱体、缸盖设计确定出运动空间腔体的重要依据。利用机构模拟创建推杆运动包络零件，如图17所示，通过“编辑”→“缩放模型”，放大模型以得到所需要空间范围，利用布尔减运算创建箱体、缸盖零件上推杆的运动空间范围腔体特征。

　　五、动力学模拟结果应用

　　动力学模拟因为计算原理远远复杂于运动学模拟，因此运动模型的建立通常采取简化策略，对动力学模拟没有直接关系的元件要删除，而且对元件进行结构上的简化，在满足动力学分析边界条件的前提下尽可能压缩几何特征，减少计算对象和几何数据，将有限的计算机资源应用到更为关心的力学性能分析上。动力学模拟中的弹簧、阻尼和摩擦等不进行具体建模，而是采用参数设置方法实现。下面以气门弹簧反作用力求解为例说明。

　　(1)创建单个配气机构组件动力学模型(如图18所示) 根据动力学分析需要，基体仅装配箱体、1个缸盖，运动件装配1个配气组件，4个气门弹簧零件全部隐含，采用机构环境下的弹簧动力图元(需设置弹簧参数)。

　　(2)定义和运行动力学模拟在凸轮轴上施加旋转速度，启用重力，定义动态分析。

　　(3)定义测量，查看分析结果 配气机构所有零件的强度验证是发动机设计的重要内容，凸轮轴、挺柱、推杆、调整螺钉和球头零件都是机构内 的关键过渡件，要想对它们进行有限元分析，必须获得边界的作用力。通过动态运动分析，可以获取这些零件所受的作 用力。

　　表3是反作用测量量定义，这四个物理量的反作用力曲线如图19～图22所示。

　　六、Pro/ENGINEER发动机运动模拟的应用

　　范围分析

　　通过工作实践可以发现，发动机运动模拟因为分析的目的不同，所使用的方法和软件平台也不一样。

　　(1)使用Pro/ENGINEER可以创建几何细节级的发动机运动学模型，对运动学分析可以方便、顺畅地进行;对于动力学模拟，则必须采取隔离法，构建动力学运动模型时仅仅装配对动力学模拟相关的元件，而且要尽可能地简化几何细节，保证动力学模拟的顺利进行。Pro/ENGINEER环境可以提供方便的边界条件定义、丰富的测量量和扩展以及高效的流程设置，是发动机运动学模拟和通用的动力学模拟的理想平台。

　　(2)发动机运动模拟除了通用的运动学模拟、动力学模拟，还有针对发动机专业特性的运动模拟，例如发动机特性曲线，专业模拟需要通过大量的发动机试验数据、发动机专业设计思想和经验系数等实现，同时还要将机、电、热以及流体等多学科进行综合分析，这是以CAD为主要功能的三维设 计软件所无法完成的，必须借助发动机专业模拟软件平台进行。

　　还有针对发动机专业特性的运动模拟，例如发动机特性曲线，专业模拟需要通过大量的发动机试验数据、发动机专业设计思想和经验系数等实现，同时还要 将机、电、热以及流体等多学科进行综合分析，这是以CAD为主要功能的三维设 计软件所无法完成的，必须借助发动机专业模拟软件平台进行。

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