内燃机装配及运动仿真
基于UG的内燃机活塞机构虚拟装配和运动仿真 (1).
L001L002L003L004图1内燃机原理图基于UG 的内燃机活塞机构虚拟装配和运动仿真熊娟1,覃欣2(1.四川电力职业技术学院,四川成都610071,2.中国测试技术研究院,四川成都610021摘要:为改变二维设计的不足和适应现代化的需要,借助UG 强大的建模和装配技术,分析了内燃机活塞机构中各构件的三维建模过程及构件之间的虚拟装配过程;通过UG 的仿真技术,对内燃机活塞机构设计过程中的连杆创建、运动创建、驱动定义等环节进行了分析。
实践证明,利用UG 进行虚拟装配和运动仿真,可以缩短产品的研发周期,提高生产效率。
关键词:内燃机;活塞机构;UG 软件;虚拟装配;三维建模;运动仿真中图分类号:U261.2;TP391.9文献标识码:A文章编号:1674-5124(200906-0038-04Virtual assembly and movement emulation for piston mechanism of internalcombustion engines based on UGXIONG Juan 1,QIN Xin 2(1.Sichuan Technical College of Electric Engineering ,Chengdu610071,China ;2.National Institute of Measurement and Testing Technology ,Chengdu 610021,ChinaAbstract:In order to conquer the shortage of two-dimensional design and adapt to the needs of modernization ,combining with the strong function of modeling and assembly technology of modern CAD software UG ,the authors analyzed the detailed modeling process of piston mechanism in internal combustion engine and introduced the virtual assembly process of all components.Based on the simulation function of UG ,it was analyzed for the movements of all components in piston mechanism.Finally ,the CAD software UG shows its strong advantage of mechanical design with flexibility and low cost.Key words:Internal combustion engine ;Piston mechanism ;UG software ;Virtual assembly ;Modeling ;Movement emulation收稿日期:2009-05-01;收到修改稿日期:2009-07-22作者简介:熊娟(1964-,女,四川广安市人,副教授,主要研究方向为现代制造技术。
内燃机连杆机构的建模与运动仿真
动 方 式 的 最 关键 组 成 部 分 之 一 ，也 是 构 成 往 复 运
动 活 塞 式 内燃 机 的基 础 机 构 组 成 。柴 油 机 曲柄 连
杆 机 构 由活 塞 组 、连 杆 组 和 曲轴 飞 轮 组 等 三 大 部 件 组 成 。其 中活 塞 组 包 括 活 塞 、 气 环 、 油环 、活 塞 销 、 销 挡 圈 等 零 件 ，沿 气 缸 做 往 复 直 线 运 动 ；
第３ 卷 ３ 第７ 期 ２ １—７ 下 ） ［ ３ １ ０ １ （ １３
ｌ
１ 曲柄连杆 机构数学模型 的建立
曲柄 连 杆 机 构 向 量 模 型 如 图 ３所 示 。其 中 滑 块 的位移 ， ． ；曲柄 长 度 ｒ、转 角 ０ ２ ；连 杆长 度 ，、 ． 转角 ０ ；将 曲柄 连 杆机 构 的 闭环 矢 量在 坐 标 轴 上
连 杆 组 由连 杆 及 附 件 组 成 ，做 平 面 运 动 ； 曲轴 飞 等 ，绕 曲轴 轴 线做 旋 转 运动 ， 具体 组 成如 图 １ 示 。由于该机 构 是在 高温 高压 下 所 作 变 速运 动 ，其 工 作过 程 中的 受力 情 况 非常 复 杂 ，
数 学 模 型 ，应 用 Ｓｍｕｉｋ模 块 建 立 仿 真 模 型 ； 同 ｉ ｌ ｎ 时 以 ＰｏＥ ｒ／ＮＧＩ Ｅ ＮＥ Ｒ为 研 究 工 具 ，创 建 实 体 零 件 及 其 装 配模 型 ，如 图 ２所 示 为单 缸 内燃机 的 ＰｏＥ ｒ ／
结构 图。同时推导 出活塞对气缸 的侧 向力、活塞 的惯 性 力 、连 杆 对 活 塞 的 作 用 力 以及 内燃 机 的 转
Ｉ２ｉ Ｏ ＋ｒｓ Ｏ ＝０ ｎ ２ ３ ｉ ３ ｒｓ ｎ （） １
毕业设计(论文)基于proe的四缸内燃机凸轮配气机构的结构设计及运动仿真分析
湖北文理学院毕业设计(论文)正文题目基于PRO/E的四缸内燃机凸轮配气机构的结构设计及运动仿真分析专业机械设计制造及其自动化班级机制0812班姓名学号指导教师职称2012年5 月23日基于PRO/E的四缸内燃机凸轮配气机构的结构设计及运动仿真分析摘要：配气机构作为内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。
随着内燃机高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。
配气凸轮型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。
模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段。
运用多体力学的方法对配气机构进行了动态仿真分析，采用数字多体程序的方法，建立了配气系统的理论模型，进行配气机构的运动学、动力学分析，除了得到气门的升程、速度、加速度外，还考虑了摇臂与气门之间的碰撞，以及摇臂支座的柔性。
因此得到气门与摇臂之间的碰撞力，摇臂支座的柔性衬套的受力，气门弹簧力，凸轮轴支座反力，气门座反力及凸轮与摇臂之间的压力角等。
为凸轮型线、摇臂形状和整个配气机构的设计改进提供了重要依据。
利用pro/e强大的分析仿真功能, 对凸轮式配气机构的运动特性以及弹簧刚度对系统运动的影响进行了仿真分析, 得出弹簧刚度与气门振动的关系图, 为改善系统动力学性能和关键零部件设计提供了依据。
利用计算机软件仿真, 有利于降低研发成本并缩短产品的开发周期。
关键词：内燃机；配气机构；凸轮型线；优化设计;汽车；发动机；配气系统；顶置凸轮；动态仿真Based on the PRO / E four cylinder internal combustionengine cam mechanism design and motion simulationanalysisAbstract:The valve train is one of the most important mechanisms in a internal combustion engine, whether the performances are good or bad, that affecting the power performance, economic performance, emissions performance of the engine, as well as affecting the reliability and wear performances of the whole engine. Along with the requests of the engine’s high power, super-speed, people demand a higher index. That is, when the engine runs under a high speed, it can still work steadily and dependably, which demand that the valve train system should have a high performance. Cam profile is the hard core of the valve train, which design is one of the important ways to carry out valve train optimal design. Simulation calculation and experimentation research are two important ways to carry out research and development on valve train of internal-combustion engine.Valve-train has been dynamically simulated by the multi-body method.A theory model has been built for the valve train by using the digital multi-body program.Not only the lift height,speed and acceleration of valve but also the collision between valve and rocker and the flexibility of rocker support are taken into account.Therefore, the collision force between valve and rocker ,loading on the flexible bearing of rocker support, valve spring force, can support counter - force, valve ring counter - force and direction angle of acting force between cam and rocker have been carried out. The important basis on design improvement for cam profile, rocker form and valve form and valve train have been provided.This paper analyzed the dynamic characteristics of a cam-type valve t rain and the influence o f the spring stiffness on the systematic mot ion by using Pr o / E .The relationship between stiffness of spring and vibration of valve was got ten. The work ha s provided a basis for improving the system's dynamic char act eristics and designing the key components. T hereby , computer simulation can cut down the pro duct cost and shorten the development cycle.Key words:Internal combustion engine; Valve train; Cam profile; Optimal design;Automobile Engine Valve -train system Overhead camshaft Dynamic simulation目录1绪论 (5)1.1本课题研究的目的和意义 (5)1.2配气机构优化设计的目的及意义 (6)2基于PRO/E的配气机构的结构设计 (7)2.1配气机构总体骨架设计 (7)2.2凸轮轴设计 (9)2.3凸轮的设计 (9)2.4挺杆的设计 (9)2.5推杆的设计 (9)2.6气门杆的设计 (10)2.7弹簧的设计 (10)2.8使用PRO/E创建配气机构的相关元件 (11)3配气机构的装配 (15)3.1首先装配凸轮轴并准确定位 (15)3.2装配平底从动件 (16)3.3装配弹簧 (17)3.4装配汽门挺杆 (18)4四缸内燃机凸轮配汽机构动态仿真分析 (20)4.1内燃机凸轮配汽机构运动仿真准备工作 (20)4.2内燃机凸轮配汽机构运动仿真分析 (21)5本文总结 (27)参考文献 (29)致谢 (30)1绪论1.1 本课题研究的目的和意义现代内燃机不断向高速高强度方向发展. 作为内燃机三大机构之一的配气机构, 如果设计不当, 势必产生很大的冲击、振动、噪音, 严重时, 气门会产生反跳与飞脱, 这将严重影响到内燃机的动力性与经济性. 同时, 由于速度的提高, 凸轮机构的润滑与磨损也成为一个不可忽视的问题. 现代大功率柴油机普遍采用下置凸轮轴式配气机构,配气机构的好坏又对柴油机的性能指标、可靠性及寿命有着很大的影响，其设计是否优良直接影响柴油机的性能指标。
内燃机连杆机构运动仿真分析的研究与应用
连 杆机 构是 内燃 机 中最 关键 的一种 机 构 ，它
是将 曲柄 的等速 旋转 运 动转化 为滑块 的往 复直 线 运 动 。 由于 连杆 机构 制造 容 易 、结构简 单 、强度 高 、速 度快 ，因此广 泛用 于 空压机 、冲 床 、 内燃 机 、仪表 机 构 中。 同时又 属于 低副 机构 ，可 以承
“
受 较大 的载 荷 ，低 副 接触 两元 素之 间不 易产 生 磨
损 ，故在 重 型机械 中也得 到 了较 多应用 。
图 ｌ 连 杆 机 构
本研 究 以连杆 机 构 中 比较 典型 的单 活塞 式 内
燃 机 中 的 曲柄 滑 块 机 构 为 例 来 说 明连 杆 机 构 在
２ 仿 真 分 析 前 的 准 备 工作
图 ２ 仿 真 分 析流 程 图
３ 连杆 机 构 的运 动 仿 真 分 析
在 Ｐ Ｅ 软件 中进 行连 杆机 构运 动仿真 的两 ｍ／ 个 关键 步骤 是 ：一是创 建机 构 ；二是添 加驱 动器 。 ３１创 建 连杆机 构 ． 在 ＰｏＥ 软 件 中创 建连 杆机 构主要 有三 个步 ｒ／
骤。
理 图的数 学模 型 ， 即单 活 塞式 内燃 机 中的 曲轴 相 当于 连杆 机 构 中的 曲柄 （ 即零件 “ ” ，连 杆 （ｐ ｌ） Ｕ 零 件“ ” ，活 塞 相 当于 滑块 （Ｐ 件“ ” ，气 缸 相 当 ２） Ｕ零 ３） 于 机架 （ 即零 件“ ” ，则该 机构 的数 学模 型 如 图 ｌ ４）
并将 热 能转 变 为机械 能 。 活塞 式 内燃 机 主要 由 单 气 缸 、活 塞 、连 杆 、 曲轴 、气 门机 构 等 部 件 组 成 。内燃 机 经 过进 气 、压 缩 、做功 、排 气 四个 冲 程 的循环 来 不 断地产 生动 力 。通 过 分析 知 道 ，原
内燃机工作过程仿真及参数优化研究
内燃机工作过程仿真及参数优化研究随着汽车使用的普及和出行方式的多样化，内燃机作为传统动力系统，对汽车性能的提升和环保要求的满足依然有着重要的地位。
因此，如何对内燃机工作过程进行仿真和参数优化，已成为内燃机领域的热门研究方向之一。
一、内燃机工作过程简介内燃机利用可燃混合气体燃烧后产生的高温高压气体向活塞施加作用力，通过连杆和曲轴的协同作用，将活塞的往复运动转化为曲轴轴线方向的旋转运动，从而驱动车辆行驶。
内燃机工作过程包括吸气、压缩、燃烧和排气四个过程。
在吸气过程中，随着活塞向下运动，气门打开，气缸内压力较低，外部空气进入气缸内；在压缩过程中，随着活塞朝上运动，气门关闭，压缩可燃混合气体，使气缸内的温度和压力急剧升高；在燃烧过程中，燃料与空气混合后，在火花塞的作用下燃烧，产生高温高压气体向活塞施加作用力，使活塞向下运动；在排气过程中，随着活塞持续向上运动，气门打开，将气缸内的废气排出。
二、内燃机仿真技术应用1. 仿真原理内燃机仿真技术是利用计算机对内燃机工作过程进行数值模拟，通过模拟不同条件下内燃机燃烧过程的影响，评估不同参数组合对内燃机性能的影响，从而实现内燃机参数优化的目的。
在内燃机仿真背后的数值计算中，需要建立一套包括三维气缸、运动学配合、热力学过程和燃烧分析的模拟方案，从而模拟出吸气、压缩、燃烧和排气四个过程。
这些模型需要将内燃机中的物理过程、热力学循环和燃烧过程映射到包括活塞和气缸壁温度及压力的计算方法中。
此外，也需要考虑气缸内流动、燃料和空气混合、点火、污染排放等多个因素。
2. 优势与应用在实际内燃机设计中，仿真技术不仅可以使设计师在计算机环境中快速构建样机、模拟流程和检测性能，还可以加速设计过程、减少试验时间和成本，增加对设计影响机理的理解。
尤其在新能源汽车设备、氢能和电力汽车领域，仿真技术尤为重要。
三、内燃机参数优化方法1. 燃烧室设计优化燃烧室设计直接影响着内燃机的燃烧效率和排放性能。
对置凸轮-活塞式内燃机的机构运动仿真
９ ８ ７
模型， 利用 Ｕ ／ ｔ ｎ ＧＭｏ ｏ 模块进行机构运动学分析 ， ｉ 最后将活塞构
Ｃ ＨＥＮＧ Ｗ ｅ — ｏ ｇ ｎ— ｎ ｄ
（ｃ ｏｌ ｆ ｃ ａ ｏｉ Ｅ ｇｎ ｅｉｇＸ ’ｌＴ ｃｎ ｌｇ ａ Ｕ ｉ ｒｉ ， ｉａ ０ ２ Ｃ ｉａ Ｓｈ ｏ ｏ ｈ ｔ ｎｃ ｎ ｉｅｒ ， ｉａ ｅｈ ｏ ｉ ｌ ｎｖ ｓ ｙＸ ’ｎ７ ３ ，ｈｎ ） Ｍｅ ｒ ｎ ｌ ｏｃ ｅ ｔ １ ０
由于双面 凸轮存 在二波峰和二波谷 ， 凸轮轴旋转一周 ， 每个 对置 凸轮一 活塞式 内燃机 的结构 ， 性能糕 点如下 ： （） １气缸 和凸轮轴呈中心对称布置， 气缸轴线与凸轮轴轴线
活塞往复运动两次， 对凸轮做功一次。 因此与普通 内燃机相同， 凸 平行 ， 取代 了传统 内燃机的曲柄和曲轴构件 ， 较充分的利用 了机
程 文冬
（ 安工业大学 机 电工程学院 ， 西 西安 ７０ ３ ） １０２
Ｄｙ ａ ｃｓｍｕａ ｉ ｎｏ ａ ｍｅ ｈ ｎｓ ｏ ｉｔ ｎ ｃ ｎ ｍｉ ｉ ｌｔ ｆ ｍ ｃ ａ ｉｍ ｆ ｓ ｏ － ａｍ ｎ ｉｅｗｉ ｏ ｎ ｅ－ ｏ ｉｏ ｌｃ ｍｅ ｔ Ｏ ｃ ｐ ｅ ｇｎ ｔ ｃ ｕ ｔ ｒｐ ｓｔ ｎｐａ ｅ ｎ ｈ ｉ
（） ３在活塞数 目相同的情况下 ， 内燃机的做 功密度是传统 该
内燃机的 ２ ， 倍 因此运转更为平稳 ， 功率得以提高。 （） ４作为新型的内燃机 ， 它的结构， 功率以及力学性能得到了 改善 ， 但也存在一定 的问题 。活塞滚轮与凸轮曲面 的高副接触使 得相关零件磨损以及发热严重 ，内燃机做功密度和功率较大， 故 内燃机的机械负荷和热负荷较大 ， 响发动机部件的使用性能 会影 和寿命。 因此 ， 内燃机对零件材料和加工工艺要求较高 ， 在实际工
内燃机工作过程数值仿真研究
内燃机工作过程数值仿真研究内燃机是一种将燃料和氧气在燃烧室内混合后点燃使其爆炸，产生高温高压气体推动活塞、输出功的机器。
作为传统燃料汽车的主要动力源，内燃机在工业和交通运输领域具有重要的地位。
内燃机的效率和排放对环境和经济都有很大的影响。
内燃机的运行逻辑非常复杂，涉及到热力学、汽车工程、流体动力学等多个领域的交叉。
传统的实验方法非常耗时耗力，而且受到很多限制条件，所以数值仿真成为了一种重要的手段。
通过数值仿真分析，可以理清内燃机的工作原理和设计参数之间的关系，优化内燃机结构和工作状态，提高其效率和降低排放。
内燃机的工作过程可以分为四个阶段：进气过程、压缩过程、爆炸推进过程和排气过程。
在进气过程中，空气由进气道进入缸内，同时混合一定比例的燃油；在压缩过程中，活塞向缸顶运动，将空气和燃油压缩成高密度的混合气；在爆炸推进过程中，点火器点燃混合气，产生高温高压气体，将活塞向下推动；在排气过程中，废气由排气道排出缸外。
这四个过程之间的相互作用非常复杂，需要通过数值分析来模拟和预测。
内燃机仿真的基本原理是数值计算，在物理模型的基础上建立计算所需的方程，并针对不同的物理过程选择不同的模拟方法，如有限元法、有限体积法、Monte Carlo方法等。
数值计算需要考虑内燃机的结构和材料特性、燃料和气体的物理性质、流场和热场的变化等诸多因素。
同时还需要考虑计算精度和计算效率之间的平衡，保证模拟结果既准确又能够在可接受的时间内得出。
内燃机的数值仿真可以采用不同的软件和工具，如Ansys，Pro/E，Matlab等。
其中Ansys是一种广泛应用于实验室和工业领域的有限元分析软件，可以对内燃机的机械结构、流场和热场进行全面的建模和分析。
Pro/E则是一种基于CAD/CAM的建模软件，可以用于内燃机的结构分析和设计优化。
Matlab则是一种较为通用的数值计算工具，可以用于内燃机热力学和流体力学的数值模拟和优化。
内燃机的数值仿真可以有效提高内燃机的性能和效率。
内燃机工作过程数值仿真
内燃机工作过程数值仿真内燃机工作过程是指燃料在内燃机内燃烧产生能量，通过气缸压力和曲轴运动转化为机械能的过程。
数值仿真是一种通过计算机模拟来分析和预测物理系统行为的方法。
在内燃机领域，数值仿真可以用来研究和优化燃烧过程、燃料流动和热力学性能等方面。
首先，数值仿真可以用来模拟内燃机的燃烧过程。
在燃烧室内，燃料与空气混合并点燃，燃烧产生高温高压气体。
数值仿真可以通过求解燃烧室内的质量、动量、能量守恒方程以及燃料燃烧过程的反应动力学方程来模拟燃烧过程。
通过仿真可以分析燃料燃烧速度、燃烧效率以及废气排放等关键参数的变化规律。
其次，数值仿真可以用来研究内燃机的燃料流动。
在内燃机中，燃料必须迅速进入燃烧室并与空气充分混合，以保证燃烧的效果和效率。
数值仿真可以通过求解流体的Navier-Stokes方程和质量守恒方程来模拟燃料在燃烧室内的流动过程，以研究喷射器喷油、燃料雾化和燃料混合等关键技术的影响。
此外，数值仿真还可以用来优化内燃机的热力学性能。
内燃机的效率和性能与气缸压力、温度以及内部气体的运动状态有关。
数值仿真可以通过求解气缸内气体的状态方程、能量守恒方程和动量守恒方程来模拟内燃机的等熵压缩过程和等熵膨胀过程。
通过仿真可以优化气缸压力曲线、最大压力和平均有效压力等关键指标。
最后，数值仿真还可以用来研究和优化内燃机的喷油系统、燃烧室结构以及气缸排气系统等方面的设计。
通过仿真可以优化喷油系统的喷油角度、时序和喷孔结构，以提高燃烧效率和减少废气排放。
同时，仿真还可以优化燃烧室的形状和尺寸，改善气缸内气体的流动状况。
此外，仿真还可以优化气缸排气系统的安装位置和排气阻力，提高内燃机的排气效率。
总之，内燃机工作过程的数值仿真是一种有效的研究和优化手段。
通过仿真可以研究燃烧过程、燃料流动、热力学性能和系统设计等方面的问题，以提高内燃机的性能和效率。
随着计算机计算能力的提高，数值仿真在内燃机工作过程研究中的应用将越来越广泛。
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添加导柱
添加配合
调整导柱位置后将其固定
结果
（6）插入套管和气门
添加配合
将气门拖到图示位置
再将套管固定
最终完成的装配体
2、运动仿真 （1）选择motion分析，添加马达
（2）确定后，将仿真时间调整为10s
（3）添加接触
（4）添加引力
注意力
插入主轴颈1
添加配合
插入主轴颈2
插入风扇叶片
添加配合
插入凸轮
添加配合
插入齿轮1
添加配合
2、创建总装配体 （1）插入底座和轴承
添加配合
（2）插入曲轴子装配体
添加配合
注意：全部零件装配到位后，将该配合压缩或删除
干涉检查
（3）插入大齿轮和短轴
添加配合
故两齿轮的中心距为33.75mm
将短轴设为固定，并压缩或删除此配合
（4）插入短轴和摆动块
添加配合
调整到位后，将该短轴设为固定
（5）插入连杆、活塞和活塞销
插入推杆、气门摇臂和气门摇臂用轴
将气门摇臂用轴设为固定，通过添加重合、同心配合，将摇臂装配成如 图所示后，再将气门摇臂用轴设为浮动
为保证运行时摆动块始终和凸轮接触，在摆动块上添加一作用力
力的作用 方向
（7）单击计算按钮
内燃机装配及运动仿真
操作步骤：
外圈
1、装配
（1）轴承子装配体
滚珠 及保 持架
内圈
插入内圈，再插入 滚珠和保持架零件
显示临时轴
添加配合
插入外圈
添加配合
（2）曲轴子装配体
凸轮 风扇叶片
主轴颈1
曲轴臂 齿轮1 主轴颈2
连杆轴颈
插入连杆轴颈和曲轴臂
添加配合
注意是否需 改变方向
结果