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图1 操作流程图
基于UG 软件的某发动机曲轴—连杆—活塞机构的运
动仿真
冯垣洁，李倍
中北大学机械工程与自动化学院，太原（030051）
E-mail ：fyj421@https://www.wendangku.net/doc/395473131.html,
摘 要：以某型四缸发动机的曲轴连杆活塞机构为研究对象，使用UG 软件的实体建模功能对三者进行建模，并通过装配功能建立装配模型，最后在运动仿真模块中完成运动过程，得出曲轴—连杆—活塞机构的运动规律，从而为机构设计及优化提供可靠的理论基础。 关键词：曲轴；连杆；活塞；UG ；运动仿真
中图分类号：TH 132
0 引言
曲轴—连杆—活塞机构是发动机最重要的组成部件之一，是往复活塞式发动机的基础机构。在工作过程中，连杆将活塞上的力传给曲轴，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，对外输出做功[1]。连杆小端工作时作往复运动，大端作旋转运动，杆身作复杂的平面运动，因此对曲轴—连杆—活塞机构的运动进行仿真，得出其运动规律，可以对该机构的优化设计奠定基础。
Unigraphics （简称UG ）是美国UGS 公司推出的集CAD/CAE/CAM 于一体的工程应用软件系统，其致力于全球产品生命周期管理（PLM ）软件的开发，具有统一的数据库，可实现各模块的无缝连接。它具有强大的实体建模、曲面造型、工程制图以及装配功能，可以进行有限元分析和运动仿真分析，
得到了越来越广泛的应用。
因此以UG 软件强大的建模与仿真功能，可以实现对曲轴
—连杆—活塞机构比较准确的建模和运动分析，得出较为可靠
的结果。如图1为操作的流程图。 1 仿真模型的建立 1.1 实体模型的建立 在进行各部件的建模之前，应首先进行结构分析，制定出 建模方案。曲轴的建模关键是平衡块特征的创建，4个平衡块特 征的叠加完成曲轴大致一半的特征，再细化平衡块上的特征，然 后通过镜像完成剩余对称的模型建立，最后再对曲轴两端的特征 分别创建[2]，即可完成。平衡块的创建主要是通过草图命令和拉 伸命令来实现的。如图2为曲轴的三维实体图。
连杆有两个互相垂直的对称面，一个对称面平行于连杆的圆
形端面，也就是锻造连杆毛坯的模具分型面；另一个对称面通过
两端圆孔的轴线。建模过程中可以利用这两个对称平面，对局部
特征进行镜像和复制操作，从而快速完成特征创建。如图3为连
杆的三维实体模型图。
活塞主要由顶部、头部和裙部三部分组成。为了快速准确的创建活塞模型，先抽取活塞
模型中的对称部分，由列表曲线创建活塞的1/4轮廓，然后镜像生成活塞的主要轮廓，再创建活塞的顶部凹槽特征，之后创建活塞头部的气环槽和油环槽，最后创建各部分的倒圆角。如图4为活塞的三维实体图。
图2 曲轴三维实体图
图3 连杆三维实体图图图4 活塞的三维实体图
1.2 曲轴—连杆—活塞的虚拟装配
UG软件提供了3种装配方法，第一种是自底向上装配。就是先创建部件几何模型，再组合成子装配，最后生成装配部件的装配方法，这是最常用的一种方法；第二种是自顶向下装配。直接在装配层建立零件模型，然后边装配边建立其他部件模型，也就是在装配文件中创建模型。第三种是混合装配。即根据装配设计的需要，将自底向上装配和自顶向下装配混合使用的装配方法[3]。本文所涉及的机构采用自底向上的装配方法。
以一组曲轴连杆活塞的连接为例：首先添加曲轴组件，并设置放置定位的方式为“绝对原点”；第二部添加连杆，放置定位的方式为“配对”，在“配对类型”中，需要使用“配对”和“中心”两种方式对连杆进行定位；第三步添加活塞组件，定位方式同样为“配对”，需要选择的配对类型是两个“中心”配对方式。剩余三组的装配方式相同，从而完成机构的装配。如图5为装配好的曲轴—连杆—活塞机构。
图5 曲轴—连杆—活塞机构装配图
2 曲轴—连杆—活塞机构的运动仿真
2.1 曲轴—连杆—活塞机构的运动原理
前面已经介绍了曲轴—连杆—活塞机构的运动情况，如图
6为曲柄连杆机构运动原理简图[4]。
该工作装置由4个曲柄滑块机构共用1个曲轴组成，整个
装置共有9个转动副，4个滑动副。其中转动副包括4个连杆
组件与曲轴间的转动副，4个活塞与连杆组件间转动副，1个曲
轴的驱动副，滑动副为1个活塞上下运动的运动副。因此该工
作机构有1个自由度，原动力（旋转驱动）加在曲轴上。
2.2 仿真过程
了解了机构运动的原理及需要设定的运动副情况后，可以进
行运动仿真。在UG 主界面中选择菜单开始/运动仿真，即可进
入UG“运动仿真”主界面。新建一个运动学仿真，并在弹出的“主模
型到仿真的配对条件转换”对话框中选择“否”，使得曲轴与地
不是固定连接。
在仿真之前需要赋予各个部件一定的运动学特性。由于前面的装配与仿真经过了转换，
因此在运动导航器中系统自动分配了连杆
（Links ）与连接（Joint ）的节点。打开连杆节点的图标，可以看到 系统自动生成曲轴、连杆、活塞9个部件，在每个部件上点右键，选择“编辑”选项，可以对其质量、惯性矩、初始移动速度、初始转动速度进行定义。
根据上一节中提到的运动副设定要求设定必要的运动副，并设置曲轴的初始速度为60°/s 。设定完毕后，进入“解算方案”对话框，设定仿真时间为6s ，刚好完成旋转一周，仿真步数为100。求解，单击动画播放工具栏中的开始按钮，即可看到曲轴—连杆—活塞机构运动的动画演示。
2.3 仿真结果输出
在主模型做运动仿真的时候，系统内部自动生成一组数据表，如表1为曲轴驱动前20步的运动信息。表示随着仿真步数的变化，所消耗的时间，以及每步旋转的角度。也可生成运动信息的图表，如图7 为曲轴与连杆之间转动副的位移与时间的关系图表，图8为曲轴连杆之间转动副的速度与时间的关系图表，图中依次表示的是从曲轴后端到前端4个转动副的情况。
表1 曲轴运动信息
Time Step Elapsed Time drv J008, revolute
0 0.000 -1E-10
1 0.060 3.600001549
2 0.120 7.200003092
3 0.180 10.80000463
4 0.240 14.40000618
5 0.300 18.00000772
6 0.360 21.60000926
7 0.420 25.20001081
8 0.480 28.80001235
图6 曲柄连杆机构运动简图
9 0.540 32.40001389
10 0.600 36.00001543
11 0.660 39.60001698
12 0.720 43.20001852
13 0.780 46.80002006
14 0.840 50.40002161
15 0.900 54.00002315
16 0.960 57.60002469
17 1.020 61.20002623
18 1.080 64.80002778
19 1.140 68.40002932
20 1.200 72.00003086
图7 曲轴与连杆之间转动副位移随时间变化关系图
a c d
b
a b
图8 曲轴与连杆之间转动副速度随时间变化关系图
从上面的图表中可以得到机构的一些运动信息。改变曲轴的速度以及相关的机构参数，相应地会得到新的设计结果，便于对机构的运动特性进行控制。设计的更改可以反映在装配主模型的复制分析方案中，再重新分析，一旦确定最后的设计方案，设计更改就可以直接反映到装配的主模型中。
通过对位移的分析，可以确定构件运动所需的空间及行程，考察构件或构件上的某点能否实现预定位置变化的要求[5]。通过对速度的分析，可以确定机构中从动件的速度变化是否满足工作要求，得出准确的理论数据和曲线，有效地分析机构运动过程中的运动特性和规律，并应用于现实中，为结构设计及优化提供理论基础。
3 结论
借助UG软件强大的实体建模功能，对某四缸发动机的曲轴、连杆、活塞分别建模，并利用装配功能完成了虚拟模型的创建，然后进行了详细的运动仿真分析，主要对此机构进行运动学分析。利用UG软件的运动仿真功能，可以得出机构的运动动画，更加形象地了解其运动方式，并可以输出仿真的结果，可以生成所有运动副位移、速度随时间的变化情况，同时通过为曲轴驱动设置不同的速度、仿真时间、步长，可以得出不同的结果。通过这些工作，为进一步进行动力学分析奠定了基础，对缩短产品开发周期，提高产品质量和性能有积极的作用。
参考文献
[1] 李明海,王鹏,牟恕宽.基于虚拟样机技术的柴油机曲柄—连杆系统运动学及动力学分析.大连交通大学学报,2008,29(1):29—32
[2] 王霄,刘会霞.UG NX 5.0高级设计实例教程.化学工业出版社.2009,2
[3] 张瑛,张庆功.W2.85型空压机曲轴—连杆—活塞机构的运动学仿真.煤矿机械,2008,29(7):60—61
[4] 童宝宏,桂长林,陈华,孙军.内燃机曲柄连杆机构的建模与仿真研究.计算机仿真,2007,24(12):229—234
[5] 葛晓忠,詹葵花,钟克.基于UG的平面连杆机构的运动分析与应用.东华大学学报（自然科学版）,2008,34(3):333—334
c
d
Kinematics Simulation of Crankshaft—link—piston Mechanism in a Type of Engine with UG
Feng Yuanjie, Li Bei
Mechanical Engineering and Automation College, North university of China, Taiyuan (030051）
Abstract
Taking the crankshaft—link—piston mchanism of a type four cylinder engine as the object for studying, using the entity modelling function of UG software to accomplish the modelling of three elements. Then through the assembly function to establish the model assembly. Finally, using the motion simulation function to complete the process of motion, and obtaining the law of motion of the cankshaft—link—piston mchanism, in order to provide a reliable theory for design and optimization of the mechanism.
Keywords: Crankshaft; Link; Piston; UG; Kinematics Simulation
作者简介：冯垣洁，女，1986年生，研究生，主要研究方向机为械设计及理论，内燃机噪声与振动控制。