【正文】 icle refers to by the Jeeta EA113 gasoline engine’s related parameter achievement, it has carried on the structural design pution for main parts of the crank link mechanism in the gasoline engine with four cylinders, and has carried on theoretical analysis and simulation analysis in puter in kinematics and dynamics for the crank link mechanism. First, motion laws and stress in movement about the crank link mechanism are analyzed in detail and the precise analysis results are obtained. Next separately to the piston group, the linkage as well as the crank carries on the detailed structural design, and has carried on the structural strength and the rigidity examination. Once more, applys threedimensional CAD software Pro/Engineer establishing the geometry models of all kinds of parts in the crank link mechanism, then useing the Pro/E software assembling function assembles the ponents of crank link into the piston module, the connecting rod module and the crank module, then using Pro/E software mechanism analysis module (Pro/Mechanism), establishes the multirigid dynamics model of the crank link, and carries on the kinematics analysis and the dynamics analysis simulation, and it studies the piston and the connecting rod movement rule as well as crank link motion gear movement envelopment. The analysis of simulation results shows that those simulation results are meet to true working state of 崔振龍 ： 基于 Pro/E 農(nóng)機(jī)典型機(jī)構(gòu)的建模與仿真 2 engine. It also shows that the simulation method introduced here can offer a new efficient and convenient way for the mechanism choosing and optimized design of crankconnecting rod mechanism in engine. Key words: Analysis of Force； Modeling of Simulation； Movement Analysis； Pro/E 1 前言 選題的目的和意義 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)構(gòu)，通過(guò)它把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而輸出動(dòng)力。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，機(jī)構(gòu)的工作條件更加復(fù)雜。 通過(guò)設(shè)計(jì)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和零部件結(jié)構(gòu)，包括必要的結(jié)構(gòu)尺寸確定、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、材料的選取等，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。 為了真實(shí)全面地了解機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行工況下的力學(xué)特性，本文 采用了多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，針對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)時(shí)的，高精度的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析與計(jì)算，因此本研究所采用的高效、實(shí)時(shí)分析技術(shù)對(duì)提高分析精度，提高設(shè)計(jì)水平具有重要意義，而且可以更直觀清晰地了解曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的受力狀態(tài)，便于進(jìn)行精確計(jì)算，對(duì)進(jìn)一步研究發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡與振動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的改造等均有較為實(shí)用的應(yīng)用價(jià)值。它是利用計(jì)算機(jī)建造的模型對(duì)實(shí)際系 統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將分析的方法用于模擬實(shí)驗(yàn)，充分利用已有的基本物理原理，采用與實(shí)際物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相似的研究方法，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)。多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件的最大優(yōu)點(diǎn)在于分析過(guò)程中無(wú)需編寫復(fù)雜仿真程序，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析時(shí)無(wú)需進(jìn)行樣機(jī)的生產(chǎn)和試驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)大學(xué)和企業(yè)已經(jīng)已進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真方面的研究和局部應(yīng)用，能在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)干涉，校核配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)性能等，為設(shè)計(jì)人員提供了基本的設(shè)計(jì)依據(jù) [34]。其中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是研究?jī)蓚€(gè)或兩個(gè)以上物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即位移、速度和加速度的變化關(guān)系：動(dòng)力學(xué)則是研究產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力。 （ 1） 解析法 解析法是對(duì)構(gòu)件逐個(gè)列出方程，通過(guò)各個(gè)構(gòu)件之間的聯(lián)立線性方程組來(lái)求解運(yùn)動(dòng)副約束反力和平衡力矩，解析法又包括單位向量法、直角坐標(biāo)法等。圖解法作為解析法的輔助手段，可用于對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)果的判斷和選擇。不經(jīng)任何計(jì)算，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)直接圖解其速度和加速度的方 法最早由克萊茵提出，但方法十分復(fù)雜 [6]。該方法是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的較好方法。但是過(guò)去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)盡管能夠給出解析表達(dá)式，卻難以計(jì)算出供工程設(shè)計(jì)使用的結(jié)果，不得不用粗糙近似的圖解法求得數(shù) 據(jù)。 通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，我們可以清楚了解內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，從而可以更好地對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可以利用復(fù)雜的計(jì)算表達(dá)式來(lái)精確求解各種運(yùn)動(dòng)過(guò)程和動(dòng)態(tài)過(guò)程，從而形成機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)代理論和 方法。目前，在對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，大多采用的是專業(yè)的虛擬樣機(jī)商業(yè)軟件，如 ADAMS 等。因而在其仿真分析過(guò)程中對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型就要借助 CAD 軟件來(lái)完成，如 Pro/E、 UG、Solidworks 等 [4]。這一過(guò)程十分復(fù)雜，不僅需要對(duì)這些軟件有一定了解，還需要處理好軟件接口之間的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，而且軟件使用成本也很高。 PRO/E 簡(jiǎn)介 Pro/Engineer 是美國(guó) PTC 公司的產(chǎn)品，于 1988 年問(wèn) 世。 Pro/E 是全方位的 3D 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件包，和相關(guān)軟件 Pro/DESINGER（造型設(shè)計(jì)）、 Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、模具開(kāi)發(fā)、加工制造、鈑金件設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、逆 崔振龍 ： 基于 Pro/E 農(nóng)機(jī)典型機(jī)構(gòu)的建模與仿真 5 向工程、自動(dòng)測(cè)量、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能，從而使用戶縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間并簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)的流程；國(guó)際上有 27000 多企業(yè)采用了 PRO/ENGINEER 軟件系統(tǒng)，作為企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。 （ 1）主要特性全相關(guān)性： Pro/ENGINEER 的所有模塊都是全相關(guān)的。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開(kāi)發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒(méi)有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開(kāi)發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。這些特征是一些普通的機(jī)械對(duì)象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。 （ 2）數(shù)據(jù)管理：加速投放市場(chǎng)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)更多的產(chǎn)品。數(shù)據(jù)管理模塊的開(kāi)發(fā)研制，正是專 門用于管理并行工程中同時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了 Pro/ENGINEER 獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。高級(jí)的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 Pro／ E包含 了許多的功能模塊，本設(shè)計(jì)中主要用到以下三個(gè)模塊： （ 1） Pro／ Engineer Pro/Engineer 是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實(shí)體零件及組裝造型，三維上色實(shí)體或線框造型棚完整工程圖產(chǎn)生及不同視圖（三維造型還可移動(dòng)，放大或縮小和旋轉(zhuǎn)）。這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號(hào)式的賦予形體尺寸，不像其他系統(tǒng)是直接指定 崔振龍 ： 基于 Pro/E 農(nóng)機(jī)典型機(jī)構(gòu)的建模與仿真 6 一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關(guān)系，任何一個(gè)參數(shù)改變，其也相關(guān)的特征也會(huì)自動(dòng)修正。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機(jī)上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印機(jī)。它在單用戶環(huán)境下 (沒(méi)有任何附加模塊 )具有大部分的設(shè)計(jì)能力，組裝能力 (人工 )和工程制圖能力 (不包括 ANSI， ISO， DIN 或 JIS 標(biāo)準(zhǔn) )，并且支持符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的繪圖儀 (HP， HPGL)和黑白及彩色打印機(jī)的二維和三維圖形輸出。 ④支持大型 、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì) (規(guī)則排列的系列組件，交替排列， Pro／ PROGRAM 的各種能用零件設(shè)計(jì)的程序化方法等 )。其它輔助模塊將進(jìn)一步提高擴(kuò)展 Pro／ ENGINEER 的基本功能。 Pro/ASSEMBLY 是 Pro/ADSSEMBLY 的一個(gè)擴(kuò)展選項(xiàng)模塊，只能在 Pro/Engineer 環(huán)境下運(yùn) 行，它具有如下功能： ① 在組合件內(nèi)自動(dòng)零件替換 (交替式 )； ② 規(guī)則排列的組合 (支持組合件子集 )； ③ 組裝模式下的零件生成 (考慮組件內(nèi)已存在的零件來(lái)產(chǎn)生一個(gè)新的零件 )； ④ Pro/ASSEMBLY 里有一個(gè) Pro/Program 模塊，它提供一個(gè)開(kāi)發(fā)工具。 （ 3） Pro/ENGINEER Mechanism Dynamics 崔振龍 ： 基于 Pro/E 農(nóng)機(jī)典型機(jī)構(gòu)的建模與仿真 7 Pro/ENGINEER Mechanism Dynamics 虛擬地仿真運(yùn)動(dòng)組件的加速力和重力的反作用力了解動(dòng)力效應(yīng)，工程師無(wú)需等待實(shí)物樣機(jī)就能測(cè)試產(chǎn)品的動(dòng)力耐久性，利用 Pro/ENGINEER 機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真，可以虛擬地仿真運(yùn)動(dòng)組件的加速力和重力的反作用力。無(wú)需背上研制樣機(jī)的高昂費(fèi)用負(fù)擔(dān)就能獲得最大的設(shè)計(jì)信心。使用設(shè)計(jì)研究來(lái)優(yōu)化機(jī)構(gòu)在一組輸入變量下的性能，創(chuàng)建準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，以用于干涉和空間聲明研究中。 2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建 運(yùn)用 Pro/E 軟件分別對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件進(jìn)行模型的建立，具體步驟如下： 對(duì) Pro/E 軟件基本功能的介紹 Pro/E 軟件是美國(guó) PTC 公司推出的大型 CAD/CAM/CAE 一體化軟件。 Pro/E 更是以其基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)、單一數(shù)據(jù)庫(kù)下的全相關(guān)性等新概念而聞名于世。用 Pro/E 創(chuàng)建的三維參數(shù)化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)觀察結(jié)構(gòu)形體，更可以進(jìn)行方便的動(dòng)態(tài)修改和調(diào)整。 活塞的創(chuàng)建 活塞的特點(diǎn)分析 活塞是在高溫、高壓、高腐蝕的條件下，在汽缸內(nèi)做高速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的。 （ 1）活塞頂部外表面設(shè) 計(jì)成凹面形，以利于燃燒室內(nèi)的氣體形成渦流，使燃料與空氣混合得更均勻，燃燒得更充分。 （ 3）活塞的裙部在活塞做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)起導(dǎo)向作用。 （ 4）活塞裙部的軸 截面應(yīng)制成鼓形，活塞裙部的橫截面應(yīng)制成橢圓形。 崔振龍 ： 基于 Pro/E 農(nóng)機(jī)典型機(jī)構(gòu)的建模與仿真 8 活塞的建模思路 （ 1）為了快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建活塞模型，先抽取活塞模型中的對(duì)稱部分，由列表曲線創(chuàng)建活塞的 1/4輪廓。 （ 3）創(chuàng)建活塞的頂部凹槽特征。 （ 5）創(chuàng)建各部分的倒圓角。 ② 運(yùn)用【插入基準(zhǔn)曲線】，將上一步創(chuàng)建的點(diǎn)連成曲線 ③ 運(yùn)用【旋轉(zhuǎn)工具】，選擇旋轉(zhuǎn)角度為“ 90”，完成結(jié)果如圖 ： （ 2） 創(chuàng)建活塞銷孔 ① 運(yùn)用【旋轉(zhuǎn)工具】，選擇【去除材料】，創(chuàng)建剪切特征。 ③ 運(yùn)用【旋轉(zhuǎn)工具】，選擇【去除材料】，創(chuàng) 建活塞銷卡環(huán)槽。 圖 創(chuàng)建的活塞 1/4 輪廓 圖 拉伸切除結(jié)果 （ 3） 創(chuàng)建凸臺(tái) ① 新建基準(zhǔn)平面，并設(shè)置間距。 ③ 運(yùn)用【旋轉(zhuǎn)工具】，選擇【去除材料】，旋轉(zhuǎn)切除截面，創(chuàng)建裙部凹面特征。 ⑤ 運(yùn)用【孔工具】，創(chuàng)建【標(biāo)準(zhǔn)孔 】，選擇螺紋類型為“ M6 ?1” ，并添加攻絲和埋頭孔。結(jié)果如圖 ： ② 再選取整個(gè)模型，再次鏡像生成完整的活塞。 （ 6） 創(chuàng)建頭部氣環(huán)槽和油環(huán)槽 ① 運(yùn)用【旋轉(zhuǎn)工具】，【去除材料】，旋轉(zhuǎn)角度為“ 360”，創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)剪切特征。 ③ 運(yùn)用【旋轉(zhuǎn)工具】，