范紅征

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

水平對置式汽車發(fā)動機(jī)的虛擬裝配與動態(tài)仿真

范紅征

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

汽車發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由很多零部件組成。虛擬裝配是在三維設(shè)計(jì)軟件中，從發(fā)動機(jī)缸體開始組裝曲軸和四個(gè)活塞、氣缸及其它零部件。動態(tài)仿真采用產(chǎn)品動畫體現(xiàn)裝配過程，驗(yàn)證曲軸活塞的干涉，并將動畫用于發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的培訓(xùn)。

四缸發(fā)動機(jī)；虛擬裝配；產(chǎn)品動畫

CLC NO.:U467.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014) 12-31-03

1、四缸發(fā)動機(jī)的建模與虛擬裝配

汽車發(fā)動機(jī)是汽車的動力來源，活塞在發(fā)動機(jī)氣缸中做功，完成直線往復(fù)運(yùn)動，帶動連桿推動曲軸高速旋轉(zhuǎn)。水平對置式發(fā)動機(jī)也稱作Boxer Engine，四個(gè)活塞像拳擊手一樣你來我往地依序運(yùn)動帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。水平對置式發(fā)動機(jī)的重心在中間，發(fā)動機(jī)所占空間較小，適合安裝在底盤上。發(fā)動機(jī)零件的建模過程，繪制的零件數(shù)目很多，有800多個(gè)。如圖1所示，建模過程中的曲軸和四個(gè)活塞是核心零件，虛擬裝配后要查看它們的運(yùn)動狀態(tài)和干涉狀況。圖1中參與發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的零部件還有4個(gè)汽缸體、2進(jìn)氣/排氣閥，2個(gè)進(jìn)氣/排氣凸輪軸，它們的運(yùn)動都要與曲軸和活塞的運(yùn)動相配合。圖1中其它還有空氣濾清器、對稱進(jìn)油器、排氣管發(fā)電機(jī)，發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋等零部件。這些零件的設(shè)計(jì)不但實(shí)現(xiàn)零件的功能要求，工藝上也保證零件順利制造出來，而且零件設(shè)計(jì)相互關(guān)聯(lián)。

發(fā)動機(jī)零部件建模不是一個(gè)單獨(dú)零件的設(shè)計(jì)過程，要和曲軸活塞等零部件裝配在一起，在三維CAD軟件中新建零件體文件，建立配合關(guān)系，形成裝配體文件，反復(fù)在裝配體和零件體建模修改。發(fā)動機(jī)的建模和裝配從缸體零件開始，如圖2。在發(fā)動機(jī)缸體的中心部位安裝曲軸、帶輪和飛輪。缸體底部油殼容納潤滑油，四個(gè)氣缸與缸體孔配合在一起，

對稱布置在缸體兩側(cè)。缸體零件結(jié)構(gòu)，在SolidWorks軟件中繪制過程是外形拉伸-曲軸孔拉伸切除-活塞孔拉伸切除-聯(lián)接螺釘孔拉伸切除-底部缸蓋孔拉伸切除-抽殼-飛輪盤拉伸切除-內(nèi)部曲軸支承結(jié)構(gòu)的拉伸切除-外壁加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)-拔模-倒角-完成缸體設(shè)計(jì)-鏡像出對稱零件。

缸體設(shè)計(jì)完成后，與其它零部件形成裝配關(guān)系，組裝發(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)動力輸出。在三維主流CAD軟件SolidWorks中，首先建立對稱缸體間三平面重合關(guān)系，然后建立缸體孔與缸蓋的同心、面重合關(guān)系以及缸蓋螺釘?shù)难b配關(guān)系，最后安裝缸體間所有聯(lián)接螺釘，完成缸體裝配。在此基礎(chǔ)上，SolidWorks軟件新建曲軸飛輪、活塞連桿、氣缸水套、氣缸體，插入這些裝配完成的子裝配體，拖放到相應(yīng)文件下。發(fā)動機(jī)缸體與子裝配體曲軸飛輪建立裝配關(guān)系，然后與活塞連桿等部件依次建立裝配關(guān)系，最終完成圖3中的產(chǎn)品。圖中的活塞連桿、氣缸水套和氣缸體零件左右對稱，為顯示活塞連桿，隱去了圖中的部分氣缸體和冷卻水套。

Boxer發(fā)動機(jī)裝配結(jié)果，在軟件中檢驗(yàn)曲軸的旋轉(zhuǎn)不能發(fā)生干涉，活塞能夠平穩(wěn)運(yùn)動，產(chǎn)品的裝配和設(shè)計(jì)驗(yàn)證合理后，給出技術(shù)圖解和產(chǎn)品圖紙用于文檔發(fā)布和加工制造。因此，裝配體文件還需要在專業(yè)軟件中進(jìn)行動態(tài)仿真。實(shí)現(xiàn)動態(tài)仿真的專業(yè)軟件有IPA(Interactive Product Animator)和SolidWorks Composer。

2、發(fā)動機(jī)運(yùn)行的動態(tài)仿真

IPA是美國Immersive Design公司的開發(fā)的軟件，目前最新版本是4.0。IPA4.0可以在三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks、Pro/E、Inventor和SolidEdge建模的基礎(chǔ)上，完成產(chǎn)品的動態(tài)仿真、結(jié)構(gòu)拆裝和原理展示。動態(tài)展示的制作過程是在腳本的基礎(chǔ)上，編輯產(chǎn)品的運(yùn)動路徑。腳本表現(xiàn)發(fā)動機(jī)各個(gè)零部件的組成和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動原理，制作的動畫路徑幀是先從空氣濾清器開始，直到拆裝曲軸，最后將其它部件隱去，展示曲軸活塞的工作原理。為此，打開的發(fā)動機(jī)部件，在IPA軟件中建立活塞和連桿之間的運(yùn)動聯(lián)接，確定連桿和活塞零件間的運(yùn)動約束。活塞沿直線滑動，連桿的運(yùn)動指向活塞，如圖4所示。

曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動路徑編輯好路徑后，復(fù)制運(yùn)動路徑到四個(gè)連桿零件，制作出動態(tài)的運(yùn)行情況，由于建立了運(yùn)動約束，活塞的運(yùn)轉(zhuǎn)只能是直線往復(fù)。設(shè)置發(fā)動機(jī)缸體零件透明展示來觀察曲軸旋轉(zhuǎn)過程中，活塞和連桿的運(yùn)動，如果出現(xiàn)干涉，零件顏色變化，出現(xiàn)提示。同時(shí)，在軟件中按照設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)拆裝每個(gè)零部件，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的動態(tài)裝配，產(chǎn)品最終可以錄制為動畫或者直接發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)給用戶。

3、發(fā)動機(jī)產(chǎn)品培訓(xùn)的動態(tài)仿真

SolidWorks Composer軟件的功能強(qiáng)大，編寫的腳本加入人物和環(huán)境的要素。培訓(xùn)教師在實(shí)訓(xùn)環(huán)境中，通過文字和屏幕圖像講解發(fā)動機(jī)，然后動手拆卸發(fā)動機(jī)，最終虛擬展示四汽缸的工作原理，提出問題，如圖5所示。圖中增加了地面、墻壁、工作臺、講臺和講師等建模結(jié)果。對于水平對置式發(fā)動機(jī)的動態(tài)展示是在SolidWorks軟件中建模后，轉(zhuǎn)換成smg的文件格式。在專業(yè)動態(tài)裝配軟件SolidWorks Composer中，把裝配體文件中的零件作為對象，參數(shù)化地編輯零件對象的坐標(biāo)、方位、顏色、自由度約束等屬性，圖6中，連桿零件的平面運(yùn)動與曲軸的旋轉(zhuǎn)共同設(shè)置，曲軸旋轉(zhuǎn)一定角度，編輯連桿軸瓦的相同參數(shù)的旋轉(zhuǎn)角度，活塞的運(yùn)動是直線往

復(fù)，增加運(yùn)動約束，在軟件中設(shè)置活塞的運(yùn)動為線性。這樣連桿的運(yùn)動驅(qū)動了活塞的直線運(yùn)動。螺釘聯(lián)接件的拆裝，要設(shè)置零件對象的兩個(gè)自由度運(yùn)動，繞軸旋轉(zhuǎn)和平移。

選擇圖6中單個(gè)螺釘對象，參數(shù)化設(shè)置它繞坐標(biāo)軸線的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和移動的距離參數(shù)，然后拷貝路徑到其它多個(gè)螺釘零件對象上。拖放零件到組對象中，可以同時(shí)設(shè)置多個(gè)對象的外觀、方位等參數(shù)，使得組對象零件的透明，展示出內(nèi)部零件對象。

圖6中創(chuàng)建裝配組氣缸、冷卻水套、進(jìn)氣排氣閥等，消隱活塞上的冷卻水套和氣缸，選擇發(fā)動機(jī)缸體零件，編輯零件的透明度參數(shù)，顯示出內(nèi)部曲軸活塞的運(yùn)動。在圖6中最下方的時(shí)間軸上設(shè)置關(guān)鍵幀，將兩個(gè)運(yùn)動之間的對象設(shè)置為關(guān)鍵幀，按照旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置好關(guān)鍵幀，建立一個(gè)活塞的運(yùn)動路徑，其它三個(gè)活塞連桿的路徑相同的參數(shù)設(shè)置。按照時(shí)間軸的時(shí)間，制作培訓(xùn)講師的前進(jìn)路徑，雙手拆裝發(fā)動機(jī)各部件的聯(lián)合動作。拆卸完成后，展示圖6中發(fā)動機(jī)曲軸和活塞的運(yùn)動狀況，虛擬動態(tài)表現(xiàn)出工作原理并查看運(yùn)動的干涉，驗(yàn)證設(shè)計(jì)尺寸。

4、結(jié)語

汽車發(fā)動機(jī)上的很多零件，在設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證關(guān)聯(lián)尺寸準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)結(jié)果合理，運(yùn)動狀況平穩(wěn)。發(fā)動機(jī)虛擬裝配和動態(tài)展示能夠直觀展示設(shè)計(jì)過程以及零件間的干涉狀態(tài)，動態(tài)的圖像可以直接輸出到產(chǎn)品的用戶手冊中，產(chǎn)生的動畫在制造、市場和銷售部門使用，降低廣告費(fèi)用，有效提高產(chǎn)品信息的傳遞和表達(dá)。因此，產(chǎn)品虛擬裝配和動態(tài)展示動畫將在企業(yè)中將越來越廣泛地使用。

[1] 范紅征主編 機(jī)械產(chǎn)品動畫 機(jī)械工業(yè)出版社 2013.

[2] 李大磊等主編 3DVIA Composer工程應(yīng)用基礎(chǔ)與實(shí)例 化學(xué)工業(yè)出版社2012.

[3] 裴保純主編 汽車是如何奔跑的：圖解汽車構(gòu)造與原理 機(jī)械工業(yè)出版社 2010.

The Boxer Engine’s Virtual Assembly and Dynamic Simulation

Fan Hongzheng
（Suzhou Industrial Park Institute of Vocation Technology, Jiangsu Suzhou 215021）

The motor engine is complicated and is composed of many parts. Its virtual assembly mates from engine block to crankshaft and four pistons, finally produce whole boxer engine in 3D CAD software. In SolidWorks Composer and IPA (Interactive Product Animator) software, product animation checks the interference between crankshaft and pistons and demonstrates assembly procedure. The result of animation shows the rotation of crank shaft and pistons and trains product’s customers.

boxer engine；virtual assembly；product animation

U467.2

A

1671-7988(2014)12-31-03

范紅征，碩士研究生，就職于蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院。