发动机运动仿真

发动机实体建模及运动仿真

学生：陈柯佛

指导老师：邓先智

目录

摘要 (4)

前言 (5)

1.发动机的简介 (6)

1.1发动机的发展历史及前景 (6)

1.2发动机的种类 (7)

2.运动仿真技术简介 (9)

2.1运动仿真技术产生的背景 (9)

2.2运动仿真技术 (9)

2.3运动仿真技术在国内外的发展概况 (10)

2.4 发展运动仿真技术的重要意义 (11)

3.Pro/E软件简介 (11)

3.1 Pro/E软件的基本功能及作用 (12)

4.发动机主要零件三维实体建模 (14)

4.1零件建模 (14)

4.1.1曲轴的生成 (15)

4.1.2曲轴箱体的生成 (16)

4.1.3下曲轴箱盖 (17)

4.1.4连杆 (18)

4.1.5 活塞 (19)

4.1.6 飞轮 (19)

5.零件装配 (20)

5.1 新建装配模型 (22)

5.2 组装机构模型 (22)

6.发动机运动仿真 (38)

6.1概述 (38)

6.2定义仿真与分析 (38)

6.2.1 定义伺服电动机 (39)

6.2.3 定义机构分析 (44)

6.2.4 测量活塞的速度 (46)

7.结论 (49)

摘要

发动机是一种应用广泛的传递动力的机器，把能量转化为机械能额装置。目前的传统的发动机都是将燃料的化学能变为热能，再由热能转变为机械动力，并通过底盘的传动系和行驶系驱动汽车行驶。有其广泛的空间，但由于发动机传统开发模式存在的开发周期长、过程繁杂、开发成本高、性能测试困难等问题，本文将仿真技术引入发动机开发领域，完成以下工作：

1.介绍了发动机的发展历史及前景，发动机的种类，介绍了仿真技术的产生的背景、在国内的发展状况及仿真技术的实际意义。

2.简述了pro/E软件在工程设计中的应用，利用pro/E构建发动机的三维实体模型，并对其进行装配。

3.在pro/E进行运动仿真。

关键词：发动机仿真技术三维建模

前言

随着机械行业的迅速发展和市场竞争的日益激烈，如何提高产品品质，增强产品的市场竞争能力，缩短产品开发周期，降低成本已成为企业十分重视的问题。现代化的开发手段是提高企业竞争力的重要保证。企业应用pro/E后，可改变传统的设计方法，显著缩短了新产品的设计周期，为新产品占领市场创造了有利的条件。现结合pro/E 软件的实际，阐述该软件对提高产品设计能力的重要作用和应用效果。在产品零部件的设计过程中，运动机构的空间干涉问题历来都是令机械设计工程师深感头疼的事。按传统设计模式，设计人员在一些细节问题上耗费了很大的精力，降低设计效率。而有些错误又往往具有很强的隐蔽性，给生产造成不应有的损失。因此，利用计算机三维设计工具合理的解决这些问题无疑具有一定的实际意义。当今流行比较广的三维设计软件主要有AutoCAD，Pro/ENGINEER等。无论是零件的整体设计，还是工程图三视图的生成，以及3D装配图的形成方式和仿

真模拟加工记录参数完善改进，pro/E软件都有操作容易、使用方便、修改方便的特点，因此在机械三维实体造型设计中得到了广泛的应用。

1.发动机的简介

发动机（Engine），又称为引擎，是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器，通常是把化学能转化为机械能。（把电能转化为机器的称为电动机）有时它既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器，比如汽油发动机，航空发动机。发动机最早诞生在英国，所以，发动机的概念也源于英语，它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。

1.1发动机的发展历史及前景

发动机是汽车的“心脏”。汽车的发展与发动机的进步有着直接的联系。

18世纪中叶，瓦特发明了蒸汽机，此后人们开始设想把蒸汽机装到车子上载人。法国的居纽是第一个将蒸汽机装到车子上的人。1770年，居纽制作了一辆三轮蒸汽机车。这辆车全长7.23米，时速为3.5公里，是世界上第一辆蒸汽机车。

1858年，定居在法国巴黎的里诺发明了煤气发动机，并于1860年申请了专利。发动机用煤气和空气的混合气体取代往复式蒸汽机的蒸汽，使用电池和感应线圈产生电火花，用电火花将混合气点燃爆发。这种发动机有气缸、活塞、连杆、飞轮等。煤气机是内燃机的初级产品，因为煤气发动机的压缩比为零。

1867年，德国人奥托（August Otto）受里诺研制煤气发动机的启发，对煤气发动机进行了大量的研究，制作了一台卧式气压煤气发动机，后经过改进，于1878年在法国举办的国际展览会上展出了他制作的样品。由于该发动机工作效率高，引起了参观者极大的兴趣。在长期的研究过程中，奥托提出了内燃机的四冲程理论，为内燃机的发明奠定了理论基础。德国人奥姆勒和卡尔·本茨根据奥托发动机的原理，各自研制出具有现代意义的汽油发动机，为汽车的发展铺平了道路。

1892年，德国工程师狄塞尔根据定压热功循环原理，研制出压燃式柴油机，并取得了制造这种发动机的专利权。

1957年，德国人汪克尔发明了转子活塞发动机，这是汽油发动机发展的一个重要分支。转子发动机的特点是利用内转子圆外旋轮线和外转子圆内旋轮线相结合的机构，无曲轴连杆和配气机构，可将三角活塞运动直接转换为旋转运动。它的零件数比往复活塞式汽油少40%，质量轻、体积小、转速高、功率大。1958年汪克尔将外转子改为固定转子为行星运动，制成功率为22.79千瓦、转速为5500转/分的新型旋转活塞发动机。

1.2发动机的种类

发动机的种类很多，工作原理和用途也不一样。大多数发动机都是以输出有效轴功率为目的的，即驱动一根或几根轴转动。

这样的发动机主要包括：1.活塞式。2.涡轮式。3.活塞+涡轮式

活塞式发动机包括：内燃机、热气机（斯特林发动机）、旋转活塞发动机（包括三角转子发动机）、蒸汽机等。还有一些特殊的比如用在鱼雷中的活塞式发动机。

涡轮式包括：燃气轮机、蒸汽轮机，风力发动机、水轮机也可以看作是涡轮式发动机。还有一些用在特殊地方的涡轮式发动机，比如用在鱼雷中的涡轮发动机，其本质与蒸汽轮机类似，但工作工质是燃气和蒸汽的混合物。

活塞+涡轮式的，有一种“自由活塞发动机”，是使用气缸得到高温高压燃气，在涡轮中做功输出有效功率的发动机。另外涡轮增压内燃机、涡轮复合内燃机也可以看作是活塞+涡轮式的。

实际上上述各种工作原理不同的发动机，还可以根据其它方面不同，细分成很多种类型。比如，内燃机可以分成汽油机、柴油机、煤气机（以煤气为燃料的内燃机。使用天然气的叫做燃气内燃机，也包含在这里吧）、多种燃料发动机等等。

燃气轮机可以分成单转子、双转子、三转子的，也可以根据热力循环的不同分成回热式、压气中间冷却式、再热式，以及多种循环组成的复合循环燃气轮机。

热气机可以分成单作用式、双作用式，以及菱形传动、斜盘传动、自由活塞式等等。

总之按照每一种原理工作发动机都可以有很多的不同分支。

飞机发动机和火箭发动机，利用喷出高速气流的反作用力获得推力。喷气发动机包括依赖空气的和不依赖空气的。

依赖空气的一般俗称航空发动机，包括涡轮喷气式发动机、涡轮风扇式发动机（可以分成混合排气小涵道比涡轮风扇发动机，和大涵道比分开排气涡轮风扇发动机）、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、冲压式发动机等。

不依赖空气的一般俗称火箭发动机，以使用的燃料是固态的还是液态的，分成液体火箭发动机和固体火箭发动机、使用核能的核火箭发动机、使用电场加速离子的电火箭发动机等等。

2.运动仿真技术简介

2.1运动仿真技术产生的背景

进入21世纪，科学技术突飞猛进，社会发展日新月异。人们对个性化产品的需求越来越迫切，对产品性能的要求越来越高，全球化经济已明显的呈现出买方市场的特点。由于这一变化，导致市场竞争日益激烈，而竞争的核心则主要体现在产品创新上，体现在对客户的影响速度和相应品质上。传统的物理样机在产品的创新开发中，在开发中期、开发成本、产品品质等方面已越来越不能满足市场需求，运动仿真技术正是在这一市场需求的驱动下产生的。

2.2运动仿真技术

运动仿真技术是一种崭新的产品开发方法，是多个相关学科领域交叉、集成的产物，是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。其涉及机械、电子、计算机图形学、仿真建模、虚拟现实等多个领域、多项技术，以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，借助成熟的三维计算机图形技术、图形用户界面技术、信息技术、集成技术、多媒体技术、并行处理技术等，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，使得与产品相关的所有人员能在产品研制的早期直观形象地对虚拟的产

品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真以及使用仿真等。

换句话说“运动仿真”设计方法就是在建造第一台（件）物理样机之前，利用软件技术建立产品系统计算机模型，通过基于实体可视化的仿真分析，模拟系统在真实工作环境条件下的运动和动力特性，以便反复修改设计方案，最终得到最优设计方案。

2.3运动仿真技术在国内外的发展概况

国外已在各个领域广泛地应用仿真设计。所涉及到的产品从庞大的卡车到微小的照相机的快门，从火箭到轮船的锚机。在工程／矿山机械行业，如约翰?迪尔公司利用仿真技术成功地解决了工程机械在高速行驶时出现蛇行现象的问题及在重载下的自激振动这个一直困

扰着设计师及用户的难题，大大提高了工程／矿山机械高速行驶性能与重载作业性能。卡特彼勒公司利用虚拟样机在切削任何一片金属之前就可快速试验数千种设计方案，不但降低了产品设计成本，缩短了

开发周期，而且还制造出性能更为优异的产品。

运动仿真技术在国外已有很多应用实例，我国也正极急投身于该项技术的研究中。在传统上，我国引进物理样机，开发人员往往停留在零件照抄的水平上，对于样机缺乏系统水平上的理解和研究，结果虽然投入了大量的人力物力，却收效甚微。但如果采用虚拟样机技术，技术人员便可对引进样机进行深入的研究，可以追踪样机的设计思想，从而真正提高设计人员的水平，开发出能满足市场需求的产品来。2.4 发展运动仿真技术的重要意义

运功能及制造等方面交互的建模和分析。在概念设计和方案论证中，便于设计师将自己的经验与想象融于计算机的虚拟样机设计中，充分发挥想象力和创造力，并代替虚拟样机进行性能模拟实验。设计师可在计算机上方便的确定、修改设计进程，逐步优化设计方案。通过运动仿真机实验，还可节省建立试验台、动仿真设计方法将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一种更全面地了解设备性能的方法。他利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能，对设备进行几何、安装测试设备和测试仪表等有关的费用，更快的确定影响设计方案性能的敏感参数，达到最优化设计目的。这样，可大大缩短设备研发周期，降低研发成本，提高设计质量和效率，为产品赢得竞争优势。

3.Pro/E软件简介

Pro/E是美国PTC（参数）公司开发的一款三维软件。Pro/E以

其基于特征的参数化造型、单一数据库下的全相关性等新概念而闻名于世，具有很强的实体造型和虚拟装配能力。功能界面清楚明确，让使用者视觉和心理都有一种轻松感。该软件是一款全方位的3D产品

开发工具，机床的参数式设计给传统的模具设计带来了许多新观念，强调实体模型架结构优于传统的面模型架构和线模型架构。Pro/E还具有良好的数据接口，他可以将图纸输出为多种格式，可以方面的和AutoCAD、SolidWorks等软件进行数据交换。

Pro/E作为高端三维软件的代表，功能强大、使用简单、易学

易用，目前已经成为机械设计、家电设计、模具设计等行业所普遍采用的三维软件。同以往国内使用最多的AutoCAD等通用绘图软件相比，该软件直接采用了统一数据库和关联性处理、三维建模与二维工程图相关联等技术。应用最新的Pro/ENGINEER Wildfire4.0技术可以迅

速的提高企业的设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期以及加强设计的标准化。使工作效率、方便程度大为提高。

3.1 Pro/E软件的基本功能及作用

1.直接画出机械零件的3D(三维)图形这一方法在画出二维截面

草图后，该软件可以将二维截面图进行拉伸、旋转、放样、倒角、布尔运算等操作，成所需的零件三维实体模。在屏幕上可直接显示、修改设计尺寸，并可以检查结构等方面是否合理、规范。

2.组建设备的3D装配视图该方法是将机械零件装配后，形成3D 装配组件通过组合键我们可以从任何一个位置或角度去观察单个零

件或组件的3D视图，如果设计结构不合理或比例失调，很容易就被发现，并对零件加以修改，既可以保证零件组合的协调性，又可以避免出现零件在构造上的相互干涉，如果出现零件的相互干涉，可以及时进行修改，且在修改中极为方便，只要将有尺寸结构错误的零件相应部分进行修改，就能达到目的要求，这比手工绘图节省人力、物力、财力，减少浪费。

3.计算机器组件、零件重贵和表面积当我们设计完成机器的一个零件，一个组件后，在很多时候要确定它的外形尺寸、整体重量、外表面积等外观因素。Pro/E可以从相应的菜单中找出计算该机器组件或零件，很方便的得到零部件的外形尺寸、重量及表面积。

4.生成工程图建立三维实体模型后，可以对其进行任意方向上的观察，看其是否满足设计与使用要求，满意后可利用该实体模型；，自动生成三视图，还可以生成任意位置剖视图，然后进行简单的修改及尺寸标注，即可生成二维的工程图。

5.生成真实感极强的动画图象将所设计的三维实体模型与3DMAX 等软件结合，同时可以调整灯光布置场景，赋以机器一定的材料等，可以生成具有光照效果的逼真的机器模型动画图象。此外，我们还可以对所设计的机械零部件进行运动学和动力学的分析，得出各个点的运动学和动力学参数，对机械零部件的应力挠度振动以及屈曲等加以

分析，使所设计的机械结构得以优化Pro/E软件结合技术人员的设计思想和习惯，还建立了统一的数据库并具有完整的数据模型。它以其强大的参数式设计和统一数据库管理等特点，实现了特征的尺寸驱动和3D实体与2D工程图的双向关联驱动、实体特征建模、标准件库的建立、零部件装配、动态仿真、有限元分析、干涉检查、NC加工和产品快速变型等功能，克服了二维图形不能包含产品所有设计信息的缺点。Pro/E中的族表(FamilyTable)功能允许设计人员把一个设计模型扩展到一个产品家族，由此可以减少高达90%的工作量大大地提高了生产自动化程度，提高了生产效率。

4.发动机主要零件三维实体建模

4.1零件建模

在传统的工程设计中，设计人员首先在头脑中形成产品的三位轮廓，然后在图纸上利用二维工程图表示，其他设计人员以及工艺、生产等不同的部门的人员在通过二维图纸将产品还原成二维影像由于图纸的错误和理解的偏差，设计人员的意图并不总能完全实现，因而设计制造的周期较长，产品的质量也受到影响。在产品的形状和结构较为复杂的时候尤为如此。因此三维化设计是发展趋势。

基本特征是建模时创立的第一个特征，是零件结构的基本要素。基本特征以后的其他特征依赖于基本特征。基本特征可以是实体特征，也可以是基准特征，正交基准平面就常常被用作基本特征。

在pro/E中进行零件设计的步骤是先创建基本特征，然后添加结构特征。开始做零件之前，应做好充分的准备工作，明确设计意图。认认真考虑设计的关键尺寸，可以变动尺寸与尺寸之间的关系，在装配时与其他零件的装配关系等。

由于在Pro/E中实体模型可以有多种不同的生成方法，采取何种方法更为合理、高效，需要有一个经验积累的过程。一般来说，要根据图形的形状选择生成模型的方式。草图绘制尽量简化，最好不要绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。

4.1.1曲轴的生成

曲轴的建模主要采用拉伸，首先选定草绘平面进入草绘模式，会出曲轴二维草图，然后进行拉伸生成曲轴三维实体，应注意保证主要尺寸的的准确性，为了曲轴的快速生成还采用了镜像工具，镜像属于复制方法的一种，最后再添加一些细节。

对于复杂的零件，选择合理的生成方法就显得尤为重要。因为选择不正确的生成方法不但效率低，而且有些情况根本就不能生成实体模型。因此设计人员在设计实体模型之前，必须要考虑好模型的生成方法和步骤。这就要求设计人员要有较好的空间想象力和抽象思维能力，这也是三维建模同二维图形绘制最大的不同之处。

4.1.2曲轴箱体的生成

采用拉伸方法建立曲轴箱盖基本体，在基本上体切割出外观，最后进行打孔。

下曲轴箱实体图也使用拉伸命令形成基本体，在基本壳体上运用拉伸命令切割出外形。最后再进行打孔，其中也运用到面和轴的创建。

4.1.3下曲轴箱盖

下曲轴箱盖采用拉伸命令拉伸出主体，进行打孔。

4.1.4连杆

上图运用了拉伸、孔工具命令。

草绘连杆的封闭曲线，利用两侧拉伸生成连杆基本体和按螺栓的两个凸台，最后进行打孔。

4.1.5 活塞

生成此零件主要用旋转生成和旋转去除材料命令，还应用了拉伸、镜像命令。旋转命令应用，先绘制一条旋转轴，接着草绘截面，在绕旋转轴旋转360度就可以生成基本体了。

4.1.6 飞轮

运用拉伸形成主体，在进行拉伸去除材料，最后进行打孔。5.零件装配

零件设计完成后，往往需要根据设计要求对零件进行装配。在Pro/ENGINEE的装配模块中，通过定义零件之间的位置约束关系，可以把子零件装配成一个装配件，并检查零件之间是否有干涉以及装配体的运动情况是否合乎设计要求。同时在生成装配体过程中，用户可以根据需要添加生成新的零件和特征。