基于ProE农机典型机构的建模和仿真

本科毕业论文题目基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真学院工学院专业农业机械化及其自动化毕业届别姓名指导教师职称甘肃农业大学教务处制二一二年五月崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真目录摘要1ABSTRACT11前言211选题的目的和意义212国内外的研究现状213设计研究的主要内容414PRO/E简介42曲柄连杆机构的创建721对PRO/E软件基本功能的介绍722活塞的创建7221活塞的特点分析7222活塞的建模思路8223活塞的建模步骤823连杆的创建9231连杆的特点分析9232连杆的建模思路10233连杆体的建模步骤10234连杆盖的建模1124曲轴的创建12241曲轴的特点分析12242曲轴的建模思路12243曲轴的建模步骤1225曲柄连杆机构其它零件的创建13251活塞销的创建13252活塞销卡环的创建14253连杆小头衬套的创建14254大头轴瓦的创建14255连杆螺栓的创建1426本章小结143曲柄连杆机构运动分析1531活塞及连杆的装配15311组件装配的分析与思路15312活塞组件装配步骤15313连杆组件的装配步骤1632定义曲轴连杆的连接1733定义伺服电动机1834建立运动分析1835进行干涉检验与视频制作1936获取分析结果20崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真137对结果的分析2238本章小结224PRO/E的建模与运动仿真2241行星齿轮的PRO/E建模22411齿轮的建模2342行星齿轮的装配24421高速级的装配体24422总装图的分解视图2643行星齿轮的传动运动仿真与分析26431齿轮传动运动仿真26432总传动部分运动仿真与分析305平面凸轮机构的建模与仿真3351平面凸轮的PRO/E建模33511从动凸轮的建模33512从动凸轮的建模34513平面凸轮的装配34514平面凸轮的传动运动仿真与分析35515总传动部分运动仿真与分析37结论39参考文献40附录一42致谢44崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真1基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真崔振龙（甘肃农业大学工学院农业机械化及其自动化专业，甘肃兰州，730070）摘要本文以捷达EA113汽油机的相关参数作为参考，对四缸汽油机的曲柄连杆机构的主要零部件进行了结构设计计算，并对曲柄连杆机构进行了有关运动学和动力学的理论分析与计算机仿真分析。首先，以运动学和动力学的理论知识为依据，对曲柄连杆机构的运动规律以及在运动中的受力等问题进行详尽的分析，并得到了精确的分析结果。其次分别对活塞组、连杆组以及曲轴进行详细的结构设计，并进行了结构强度和刚度的校核。再次，应用三维CAD软件PRO/ENGINEER建立了曲柄连杆机构各零部件的几何模型，在此工作的基础上，利用PRO/E软件的装配功能，将曲柄连杆机构的各组成零件装配成活塞组件、连杆组件和曲轴组件，然后利用PRO/E软件的机构分析模块PRO/MECHANISM，建立曲柄连杆机构的多刚体动力学模型，进行运动学分析和动力学分析模拟，研究了在不考虑外力作用并使曲轴保持匀速转动的情况下，活塞和连杆的运动规律以及曲柄连杆机构的运动包络。仿真结果的分析表明，仿真结果与发动机的实际工作状况基本一致，文章介绍的仿真方法为曲柄连杆机构的选型、优化设计提供了一种新思路。关键词受力分析；仿真建模；运动分析；PRO/EFRISTNAMESECONDNAMETHIRDNAME（MAJORIN08NONGJIINTHECOLLEGEOFCUIZHENLONGOFGANSUAGRICULTUREUNIVERSITY，GANSULANZHOU，730070）ABSTRACTTHISARTICLEREFERSTOBYTHEJEETAEA113GASOLINEENGINESRELATEDPARAMETERACHIEVEMENT,ITHASCARRIEDONTHESTRUCTURALDESIGNCOMPUTIONFORMAINPARTSOFTHECRANKLINKMECHANISMINTHEGASOLINEENGINEWITHFOURCYLINDERS,ANDHASCARRIEDONTHEORETICALANALYSISANDSIMULATIONANALYSISINCOMPUTERINKINEMATICSANDDYNAMICSFORTHECRANKLINKMECHANISMFIRST,MOTIONLAWSANDSTRESSINMOVEMENTABOUTTHECRANKLINKMECHANISMAREANALYZEDINDETAILANDTHEPRECISEANALYSISRESULTSAREOBTAINEDNEXTSEPARATELYTOTHEPISTONGROUP,THELINKAGEASWELLASTHECRANKCARRIESONTHEDETAILEDSTRUCTURALDESIGN,ANDHASCARRIEDONTHESTRUCTURALSTRENGTHANDTHERIGIDITYEXAMINATIONONCEMORE,APPLYSTHREEDIMENSIONALCADSOFTWAREPRO/ENGINEERESTABLISHINGTHEGEOMETRYMODELSOFALLKINDSOFPARTSINTHECRANKLINKMECHANISM,THENUSEINGTHEPRO/ESOFTWAREASSEMBLINGFUNCTIONASSEMBLESTHECOMPONENTSOFCRANKLINKINTOTHEPISTONMODULE,THECONNECTINGRODMODULEANDTHECRANKMODULE,THENUSINGPRO/ESOFTWAREMECHANISMANALYSISMODULEPRO/MECHANISM,ESTABLISHESTHEMULTIRIGIDDYNAMICSMODELOFTHECRANKLINK,ANDCARRIESONTHEKINEMATICSANALYSISANDTHEDYNAMICSANALYSISSIMULATION,ANDITSTUDIESTHEPISTONANDTHECONNECTINGRODMOVEMENTRULEASWELLASCRANKLINKMOTIONGEARMOVEMENTENVELOPMENTTHEANALYSISOFSIMULATIONRESULTSSHOWSTHATTHOSESIMULATIONRESULTSAREMEETTOTRUEWORKINGSTATEOFENGINEITALSOSHOWSTHATTHESIMULATIONMETHODINTRODUCEDHERECANOFFERANEWEFFICIENTAND崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真2CONVENIENTWAYFORTHEMECHANISMCHOOSINGANDOPTIMIZEDDESIGNOFCRANKCONNECTINGRODMECHANISMINENGINEKEYWORDSANALYSISOFFORCE；MODELINGOFSIMULATION；MOVEMENTANALYSIS；PRO/E1前言11选题的目的和意义曲柄连杆机构是发动机的传递运动和动力的机构，通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力。因此，曲柄连杆机构是发动机中主要的受力部件，其工作可靠性就决定了发动机工作的可靠性。随着发动机强化指标的不断提高，机构的工作条件更加复杂。在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证机构具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲柄连杆机构设计的关键性问题1。通过设计，确定发动机曲柄连杆机构的总体结构和零部件结构，包括必要的结构尺寸确定、运动学和动力学分析、材料的选取等，以满足实际生产的需要。在传统的设计模式中，为了满足设计的需要须进行大量的数值计算，同时为了满足产品的使用性能，须进行强度、刚度、稳定性及可靠性等方面的设计和校核计算，同时要满足校核计算，还需要对曲柄连杆机构进行动力学分析。为了真实全面地了解机构在实际运行工况下的力学特性，本文采用了多体动力学仿真技术，针对机构进行了实时的，高精度的动力学响应分析与计算，因此本研究所采用的高效、实时分析技术对提高分析精度，提高设计水平具有重要意义，而且可以更直观清晰地了解曲柄连杆机构在运行过程中的受力状态，便于进行精确计算，对进一步研究发动机的平衡与振动、发动机增压的改造等均有较为实用的应用价值。12国内外的研究现状多刚体动力学模拟是近十年发展起来的机械计算机模拟技术，提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究，将分析的方法用于模拟实验，充分利用已有的基本物理原理，采用与实际物理系统实验相似的研究方法，在计算机上运行仿真实验。目前多刚体动力学模拟软件主要有PRO/MECHANICS，WORKINGMODEL3D，ADAMS等。多刚体动力学模拟软件的最大优点在于分析过程中无需编写复杂仿真程序，在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。对内燃机产品的部件装配进行机构运动仿真，可校核部件运动轨迹，及时发现运动干涉；对部件装配进行动力学仿真，可崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真3校核机构受力情况；根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化，可最大限度地满足性能要求，对设计提供指导和修正2。目前国内大学和企业已经已进行了机构运动、动力学仿真方面的研究和局部应用，能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构干涉，校核配气机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基本的设计依据34。目前国内外对发动机曲柄连杆机构的动力学分析的方法很多，而且已经完善和成熟。其中机构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动，即位移、速度和加速度的变化关系动力学则是研究产生运动的力。发动机曲柄连杆机构的动力学分析主要包括气体力、惯性力、轴承力和曲轴转矩等的分析，传统的内燃机工作机构动力学、运动学分析方法主要有图解法和解析法5。（1）解析法解析法是对构件逐个列出方程，通过各个构件之间的联立线性方程组来求解运动副约束反力和平衡力矩，解析法又包括单位向量法、直角坐标法等。（2）图解法图解法形象比较直观，机构各组成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改变趋势均能通过图解一目了然。图解法作为解析法的辅助手段，可用于对计算机结果的判断和选择。解析法取点数值较少，绘制曲线精度不高。不经任何计算，对曲柄连杆机构直接图解其速度和加速度的方法最早由克莱茵提出，但方法十分复杂6。（3）复数向量法复数向量法是以各个杆件作为向量，把在复平面上的连接过程用复数形式加以表达，对于包括结构参数和时间参数的解析式就时间求导后，可以得到机构的运动性能。该方法是机构运动分析的较好方法。通过对机构运动学、动力学的分析，我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规律等，从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是过去由于手段的原因，大部分复杂的机械运动尽管能够给出解析表达式，却难以计算出供工程设计使用的结果，不得不用粗糙近似的图解法求得数据。近年来随着计算机的发展，可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程，从而形成了机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。通过对机构运动学和动力学分析，我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规律等，从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是过去由于手段的原崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真4因，大部分复杂的机构运动尽管能够给出解析式，却难以计算出供工程使用的计算结果，不得不用粗糙的图解法求得数据。随着计算机的发展，可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程，从而形成机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。机械系统动态仿真技术的核心是利用计算机辅助技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，进而确定系统及其及其各构件运动所需的作用力5。目前，在对内燃机曲柄连杆机构进行动力学分析时，大多采用的是专业的虚拟样机商业软件，如ADAMS等。这些软件的功能重点是在力学分析上，在建模方面还是有很多不足，尤其是对这些复杂的曲柄连杆机构零部件的三维建模很难实现。因而在其仿真分析过程中对于结构复杂的模型就要借助CAD软件来完成，如PRO/E、UG、SOLIDWORKS等4。当考虑到对多柔体系统进行动力学分析时，有时还需要结合ANSYS等专业的有限元分析软件来进行7。这一过程十分复杂，不仅需要对这些软件有一定了解，还需要处理好软件接口之间的数据传输问题，而且软件使用成本也很高。13设计研究的主要内容（1）对曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析，分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况，并根据这些力对曲柄连杆机构的主要零部件进行强度、刚度等方面的计算和校核，以便达到设计要求；（2）分析曲柄连杆机构中主要零部件如活塞，曲轴，连杆等的工作条件和设计要求，进行合理选材，确定出主要的结构尺寸，并进行相应的尺寸检验校核，以符合零件实际加工的要求；（3）应用PRO/E软件对曲柄连杆机构的零件分别建立实体模型，并将其分别组装成活塞组件，连杆组件，然后定义相应的连接关系，最后装配成完整的机构，并进行运动仿真分析，检测其运动干涉，获取分析结果；（4）应用PRO/E软件将零件模型图转化为相应的工程图，并结合使用AUTOCAD软件，系统地反应工程图上的各类信息，以便实现对机构的进一步精确设计和检验。14PRO/E简介PRO/ENGINEER是美国PTC公司的产品，于1988年问世。10多年来，经历20余次的改版，已成为全世界及中国地区最普及的3D崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真5CAD/CAM系统的标准软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航天、家电、玩具等行业。PRO/E是全方位的3D产品开发软件包，和相关软件PRO/DESINGER（造型设计）、PRO/MECHANICA（功能仿真），集合了零件设计、产品装配、模具开发、加工制造、钣金件设计、铸造件设计、工业设计、逆向工程、自动测量、机构分析、有限元分析、产品数据库管理等功能，从而使用户缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程；国际上有27000多企业采用了PRO/ENGINEER软件系统，作为企业的标准软件进行产品设计。下面就PRO/ENGINEER的特点进行简单的介绍。（1）主要特性全相关性PRO/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。基于特征的参数化造型PRO/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。（2）数据管理加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了PRO/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。（3）装配管理PRO/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。（4）易于使用菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。PROE包含了许多的功能模块，本设计中主要用到以下三个模块（1）PROENGINEER崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真6PRO/ENGINEER是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。PRO/ENGINEER是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括筋（RIBS）、槽（SLOTS）、倒角（CHAMFERS）和抽空（SHELLS）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不像其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持POSTSCRIPT格式的彩色打印机。PRO/ENGINEER还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上PRO/ENGINEER软件的其它模块或自行利用C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下没有任何附加模块具有大部分的设计能力，组装能力人工和工程制图能力不包括ANSI，ISO，DIN或JIS标准，并且支持符合工业标准的绘图仪HP，HPGL和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。PRO/ENGINEER功能如下特征驱动（例如凸台、槽、倒角、腔、壳等）；参数化（参数尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。支持大型、复杂组合件的设计规则排列的系列组件，交替排列，PROPROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等。贯穿所有应用的完全相关性任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动。其它辅助模块将进一步提高扩展PROENGINEER的基本功能。（2）PROASSEMBLYPRO/ASSEMBLY是一个参数化组装管理系统，能提供用户自定义手段去生成一组组装系列及可自动地更换零件。PRO/ASSEMBLY是PRO/ADSSEMBLY的一个扩展选项模块，只能在PRO/ENGINEER环境下运行，它具有如下功能崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真7在组合件内自动零件替换交替式；规则排列的组合支持组合件子集；组装模式下的零件生成考虑组件内已存在的零件来产生一个新的零件；PRO/ASSEMBLY里有一个PRO/PROGRAM模块，它提供一个开发工具。使用户能自行编写参数化零件及组装的自动化程序，这种程序可使不是技术性用户也可产生自定义设计，只需要输入一些简单的参数即可；组件特征绘零件与，广组件组成的组件附加特征值如给两中零件之间加一个焊接特征等）。（3）PRO/ENGINEERMECHANISMDYNAMICSPRO/ENGINEERMECHANISMDYNAMICS虚拟地仿真运动组件的加速力和重力的反作用力了解动力效应，工程师无需等待实物样机就能测试产品的动力耐久性，利用PRO/ENGINEER机构动力学仿真，可以虚拟地仿真运动组件的加速力和重力的反作用力。而且，您可以综合考虑诸如弹簧、电动机、摩擦力和重力等动力影响，相应地调整产品性能。无需背上研制样机的高昂费用负担就能获得最大的设计信心。功能及益处综合考虑弹簧、阻尼器、电动机、摩擦力、重力和定制的动力负载，以评估产品性能。使用设计研究来优化机构在一组输入变量下的性能，创建准确的运动包络，以用于干涉和空间声明研究中。通过动力学分析获得准确的测量值，以设计更坚固、更轻和更高效的机构，直接从动力学仿真中创建优质动画。2曲柄连杆机构的创建运用PRO/E软件分别对曲柄连杆机构的各个零件进行模型的建立，具体步骤如下21对PRO/E软件基本功能的介绍PRO/E软件是美国PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一体化软件。无论是造型设计、工程出图，以及3D装配等方面，PRO/E都具有操作容易、使用方便、可动态修改的特点。PRO/E更是以其基于特征的参数化设计、单一数据库下的全相关性等新概念而闻名于世。另外还具有模具设计，动态、静态干涉检查，计算质量特征（如质心、惯性矩）等功能模块。用PRO/E创建的三维参数化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻转动态观察崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真8结构形体，更可以进行方便的动态修改和调整。进行力学分析、运动分析、数控加工等。22活塞的创建221活塞的特点分析活塞是在高温、高压、高腐蚀的条件下，在汽缸内做高速往复直线运动的。要适应这样恶劣的工作条件，必须具有相应的结构。（1）活塞顶部外表面设计成凹面形，以利于燃烧室内的气体形成涡流，使燃料与空气混合得更均匀，燃烧得更充分。（2）在活塞的头部有三道环形槽，上边两道环形槽为气环槽，下边一条为油环槽。（3）活塞的裙部在活塞做直线往复运动时起导向作用。裙部顶端有两个往里凸起的销座。（4）活塞裙部的轴截面应制成鼓形，活塞裙部的横截面应制成椭圆形。由于椭圆的长轴与短轴之间相差极小，所以建模时以圆形代替。222活塞的建模思路（1）为了快速准确地创建活塞模型，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。（2）镜像生成活塞的整个轮廓。（3）创建活塞的顶部凹槽特征。（4）创建活塞头部的气环槽和油环槽。（5）创建各部分的倒圆角。223活塞的建模步骤（1）创建活塞1/4轮廓运用【偏移坐标系基准点工具】，选取基准坐标系，完成活塞轮廓点的创建。运用【插入基准曲线】，将上一步创建的点连成曲线运用【旋转工具】，选择旋转角度为“90”，完成结果如图21所示（2）创建活塞销孔运用【旋转工具】，选择【去除材料】，创建剪切特征。运用【拉伸工具】创建销座模型并拉伸出通孔。运用【旋转工具】，选择【去除材料】，创建活塞销卡环槽。运用【拉伸工具】，拉伸方式为“通孔”，选择【去除材料】，创建裙部特征崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真9，结果如图22所示。图21创建的活塞1/4轮廓图22拉伸切除结果（3）创建凸台新建基准平面，并设置间距。选取草绘平面，运用【拉伸工具】，拉伸方式为【至曲面】，生成凸台。运用【旋转工具】，选择【去除材料】，旋转切除截面，创建裙部凹面特征。对生成的活塞销孔边和凸台边分别进行倒圆角。运用【孔工具】，创建【标准孔】，选择螺纹类型为“M61”，并添加攻丝和埋头孔。（4）镜像生成整个活塞在模型树中选取整个模型，然后运用【镜像工具】，镜像生成1/2活塞。结果如图23所示再选取整个模型，再次镜像生成完整的活塞。（5）创建顶部凹槽运用【拉伸工具】，拉伸方式为【盲孔】，选择【去除材料】，生成顶部凹槽。（6）创建头部气环槽和油环槽运用【旋转工具】，【去除材料】，旋转角度为“360”，创建旋转剪切特征。选择【阵列工具】，对上一步创建的特征进行再生，生成一些活塞环槽护圈。运用【旋转工具】，【去除材料】，创建气环槽和油环槽。结果如图24所示（7）创建油孔新建基准平面，设置间距。运用“扫描”，“切口”命令，“扫描轨迹”，选取草绘平面，选择【自由端点】，完成一个油孔扫描。崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真10选择【阵列工具】，修改阵列尺寸，完成1/2活塞的油孔创建，再通过镜像完成整个活塞油孔创建。（8）创建各处倒圆角图23创建镜像特征图24旋转切除结果23连杆的创建231连杆的特点分析（1）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环形端面，也就是锻造连杆毛坯的模具分型面；另一个对称面则通过两端圆孔的轴线。（2）连杆毛坯通过锻造成型，因此，连杆体和连杆盖都具有模锻斜度，包括连杆体上的槽和凸台。（3）连杆体和连杆盖属于配做的成对零件，需要同步加工，在装配和工作时没有互换性19。232连杆的建模思路连杆由连杆体和连杆盖组成，所以可以对连杆体和连杆盖分别建模，完成后进行装配。连杆具有两个互相垂直的对称面，建模过程中可以利用两个对称平面，对局部特征进行镜像和复制操作，从而快速完成特征创建。233连杆体的建模步骤（1）创建连杆体1/2杆身运用【拉伸工具】，拉伸方式为【盲孔】，拉伸为实体如图25所示崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真11图25拉伸创建连杆体1/2杆身图26连杆大小端拉伸特征（2）创建连杆体大小头运用【拉伸工具】分别创建连杆大小头特征，如图26所示，（3）创建连杆体两侧凸台选取草绘平面，运用【拉伸工具】，生成一侧凸台。运用【拉伸工具】，细化凸台特征，运用【镜像工具】生成连杆另一侧凸台，然后对两条拉伸边依次进行“倒圆角”命令。（4）创建连杆体拔模特征运用【拔模工具】，设置“拔模曲面”和“拔模枢轴”，完成曲面拔模特征，如图27所示。图27曲面拔模设置图28完成曲面拔模特征（5）创建连杆体凹槽运用【拉伸工具】，创建连杆体凹槽轮廓，再运用【拔模工具】，完成曲面拔模特征，并参照上述步骤，完成槽的另一侧拔模，结果如图28所示。（6）镜像生成完整连杆体特征运用【镜像工具】，选择所有特征，生成完整的连杆体特征。（7）创建两侧凸台螺纹孔，运用【孔工具】，依次选取主次参照面，创建标准孔，崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真12设置通孔，添加攻丝，选择全螺纹，再运用【镜像工具】，完成螺纹孔的创建。（8）创建连杆体小头凸台及孔新建基准平面，完成拉伸草绘，拉伸方式为【拉伸到下一个曲面】。运用【旋转工具】，旋转轴为“内部CL”，旋转角度为“360”，选择【除料】，完成小头孔的特征创建。（9）创建连杆大头内侧凹槽新建基准平面，运用【拉伸工具】，选择【拉伸至指定深度】，【除料】，完成定位凹槽创建。234连杆盖的建模运用【拉伸工具】、【拔模工具】、【旋转工具】，【孔工具】以及【镜像工具】，参照连杆体大头的建模步骤，完成连杆盖的创建，并进行倒圆角和倒边角处理，结果如图29所示图29连杆盖特征24曲轴的创建241曲轴的特点分析为了保证发动机长期可靠地工作，曲轴具有以下特点（1）曲轴上的连杆轴颈偏置于曲轴的中心线，在连杆轴颈的相反方向上都设有平衡重，以避免曲轴旋转时产生严重的振动。（2）曲轴上有钻通的油孔，润滑油经过油道，从主轴颈流到连杆轴颈，进行润滑。242曲轴的建模思路曲轴的曲拐部分是对称的，4个平衡块特征的叠加完成曲轴大致一半的特征，所以先建立一半曲拐特征，再细化平衡块上的特征，然后镜像生成完整的曲拐，最后再对曲轴两端的特征分别创建，即完成特征的操作。243曲轴的建模步骤（1）创建第平衡块运用【拉伸工具】创建曲轴主轴颈的1/2部分。崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真13在上一步的基础上创建主轴颈和平衡重连接部分的凸肩。选取上一步完成的凸肩曲面作为草绘平面，并拉伸为实体，如图210所示。（2）创建第平衡块同样的方法，运用【拉伸工具】，完成第平衡块的创建，如图211所示。（3）创建第、第平衡块同样的方法绘制草图，创建第平衡块，结果如图212所示。图210拉伸结果图211拉伸结果图212拉伸结果（4）曲轴曲拐部分的镜像,连续选取模型树已经创建好的所有特征，选择“组”命令，然后对“组”进行“镜像”，完成特征的创建，如图213所示图213曲轴对称部分的镜像（5）创建曲轴前端特征运用【拉伸工具】创建曲轴前端轴颈及轴颈处凸台部分新建基准平面，拉伸去除材料，完成前端键槽的创建。（6）创建曲轴后端特征同样的方法拉伸生成曲轴后端轴颈部分。崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真14运用【旋转工具】，选择【去除材料】，旋转角度为“360”，调整去除材料方向，完成曲轴后端部分的创建。（8）细化曲轴两端特征,在曲轴两端平面上，运用【孔工具】，【阵列工具】，添加螺纹孔。最后结果如图214、图215所示。图214曲轴前端特征图215曲轴后端特征25曲柄连杆机构其它零件的创建251活塞销的创建两次运用【拉伸工具】，首先建立活塞销的轮廓体，然后选择【去除材料】，结果如图216所示图216活塞销图217活塞销卡环252活塞销卡环的创建运用【拉伸工具】完成活塞销卡环特征的创建，如图217所示。253连杆小头衬套的创建参照活塞销的建模步骤创建连杆小头衬套，然后运用【拉伸工具】创建油孔，如图218所示图218连杆小头衬套图219连杆大头轴瓦崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真15254大头轴瓦的创建连杆大头轴瓦分成上下两片，因为轴瓦上用于定位的突起的位置不同，所以连杆大头轴瓦分两次创建。首先运用【拉伸工具】创建轴瓦轮廓体，然后新建基准平面，拉伸创建轴瓦上的定位突起部分，结果如图219所示。255连杆螺栓的创建（1）根据所选螺栓参数，运用【拉伸工具】创建螺栓的整体轮廓，然后运用【螺旋扫描】创建螺纹，最后结果如图220所示。（2）运用【拉伸工具】创建螺母轮廓，然后选择【去除材料】，并运用【旋转工具】创建旋转切削特征，然后运用【螺旋扫描】创建螺纹，如图221所示。图220连杆螺栓图221螺母26本章小结本章在创建曲柄连杆机构的过程中，主要采用了拉伸和旋转除料进行特征创建，另外还有辅助的扫描、拔模斜度、倒角及倒圆角等特征，完成了曲柄连杆机构主要零部件的模型创建，为下一步仿真运动以及工程图的创建做好了准备。3曲柄连杆机构运动分析四缸发动机曲轴、连杆和活塞的运动是较复杂的机械运动。曲轴做旋转运动，连杆做平动，活塞是直线往复运动。在用PRO/ENGINEER做曲轴、连杆和活塞的运动分析的步骤如下所示20（1）设置曲轴、连杆和活塞的连接。为使机构能够按照预定的方式运动，须分别在曲轴与机体之间、连杆与曲轴之间、活塞与连杆之间添加销钉。在活塞与机体之间添加滑动杆连接。（2）定义伺服电动机。利用伺服电动机驱动曲轴转动。（3）建立运动分析。（4）干涉检验与视频制作。（5）获取分析结果。崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真1631活塞及连杆的装配311组件装配的分析与思路活塞组件主要包括活塞、活塞销和活塞销卡环，连杆由连杆体和连杆盖两部分组成，将活塞组与连杆组分别组装，工作时用螺栓和螺母将连杆体、连杆盖和曲轴装配在一起，用活塞销将连杆小头和活塞装配在一起21。312活塞组件装配步骤（1）向组件中添加活塞新建组件文件，运用【添加元件】，将活塞在缺省位置，完成装配。（2）向组件中添加活塞销卡环在“约束类型”中选择“对齐”选项，将卡环中心轴与活塞销孔中心轴对齐；选择“匹配”选项，将卡环外圆曲面与卡环槽曲面相匹配，完成两个活塞销卡环的装配。（3）向组件中添加活塞销选择“对齐”选项，将活塞销中心轴与活塞销座孔的中心轴对齐；选择“匹配”选项，将活塞销端面与卡环端面相匹配，完成活塞销的装配。装配结果如图31所示图31活塞组装配结果313连杆组件的装配步骤（1）向组件中添加连杆体新建组件文件，运用【添加元件】，将连杆体添加在“缺省”位置，完成连杆体的装配。（2）向组件中添加连杆衬套选择“插入”选项，将连杆衬套的外侧圆柱面以连杆体的小端面以插入的方式相配合。崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真17选择“对齐”选项，将连杆衬套的中心轴和连杆体的中心轴对齐，完成连杆衬套的装配。（3）向组件中添加连杆轴瓦选择“对齐”选项，“偏移”为“重合”，并选择相重合的平面，然后【反向】。选择“约束类型”为“插入”，选取轴瓦的外侧圆柱面和连杆体的大端孔内侧圆柱面，使这两个曲面以插入的方式相配合。选择“匹配”，“偏移”类型为“重合”，使轴瓦凸起和凹槽的两侧面对应重合，完成连杆轴瓦的配合。同样的方法完成另一块连杆轴瓦的装配。（4）向组件中添加连杆盖选择“约束类型”为“匹配”，“偏移”类型为“重合”，并选取相应的面。分别选取连杆盖和连杆体的孔内侧圆柱面，使其以“插入”方式相配合，完成连杆盖的添加。（5）向组件中添加连杆螺栓选取螺栓的外侧圆柱面和孔的内侧圆柱面，使其以“插入”的方式相配合。选择“匹配”选项，并选择相应的面，使其“重合”，完成连杆螺栓的装配。添加螺母和垫片，同样的方法完成另一个连杆螺栓的装配。连杆组件的装配结果如图32所示图32连杆组装配结果32定义曲轴连杆的连接（1）新建装配基准轴新建组件文件，同时选取“ASM_FRONT”和“ASM_TOP”两个基准平面，新建基崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真18准轴“AA_1”，同样在“ASM_RIGHT”和“ASM_TOP”上新建基准轴“AA_1”。新建平面“ADTM1”、“ADTM2”、“ADTM3”，都平行于“ASM_RIGHT”面，并设间距。在上一步建立的三个面上新建基准轴“AA_3”、“AA_4”、“AA_5”。如图73所示图33新建装配基准轴和基准平面（2）向组件中添加曲轴选择“用户定义”为“销钉”选项，分别通过【轴对齐】、【平移】，分别选取对应的轴和面，使其相匹配，选取完成曲轴的连接。（3）向组件中添加连杆组件运用【添加元件】，“插入”已创建好的连杆组件，选择“销钉”选项，分别选取连杆组件和曲轴的对应面，通过【轴对齐】和【平移】，使其相互匹配，完成连杆组件的连接。（4）向组件中添加活塞组件选择“销钉”选项，分别选取活塞组件和连杆组件的轴，通过【轴对齐】使其相匹配。分别选取活塞组件和连杆组件的的基准平面，通过【平移】，使这两个平面相匹配。选择“滑动杆”选项，再分别设置【轴对齐】和【旋转】，完成“连接定义”。（5）装配其它组件运用同样的方法向组件中依次添加其它三组连杆组件和活塞组件，完成曲柄连杆机构的装配，如图34所示。崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真19图34装配结果33定义伺服电动机（1）选择菜单栏的“应用程序”“机构”命令，进入“机构”模块，此时在窗口的组件上以各种不同的标志表示不同的连接方式。（2）打开“伺服电动机”对话框，接受系统默认的名称，单击“类型”选项卡，在“从动图元”中选取“运动轴”，然后选取曲轴的销钉连接标识“CONNECTION_2AXIS_1”。（3）单击“轮廓”选项卡，在“规范”下拉列表框中选取“速度”选项，在“初始位置”列表框中选中“当前”复选框，在“模”下拉列表框中选取“常数”选项。在“A”文本框中输入“150”，如图35所示，完成伺服电动机的定义。34建立运动分析（1）单击右侧工具栏的【定义分析】按钮，接受系统默认的名称，在“类型”下拉列表框中选取“运动学”，其他选项接受系统默认。（2）打开“电动机”，接受系统默认的上一步所定义的电动机“SERVOMOTOR1”。（3）单击【运行】按钮，则视图中的曲轴连杆活塞机构转动起来。等一段时间后机构停止运转，完成运动分析的建立。35进行干涉检验与视频制作（1）单击右侧工具栏的【回放】按钮，打开“回放”对话框。接受系统默认结果集。然后单击【冲突检测设置】按钮，打开“冲突检测设置”对话框，如图36所示，在“崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真20一般设置”选项中选中“全局冲突检测”单选按钮。单击【确定】按钮，返回“回放”对话框。图35伺服电动机速度的设置（2）单击“回放”对话框左上侧的【播放】按钮，系统开始进行干涉计算。干涉计算完成后，打开“动画”对话框。单击【循环播放】按钮，然后单击【播放】按钮，曲柄连杆机构转动起来，并以红色表示运动过程中出现干涉的部位。图36“冲突检测设置”对话框图37“捕获”对话框（3）单击“播放”对话框左下侧的【捕获】按钮，打开“捕获”对话框。接受系统默认的名称。在下侧的“帧频”下拉列表框中选取“30帧/秒”，如图37所示，单击【确定】按钮，则系统开始录像。（4）单击“回放”对话框右上侧的【创建运动包络】按钮，打开“创建运动包络”对话框。设置质量级别为“7”，单击“选取元件”选项下的箭头，然后从模型树中选取连杆组件，其他选项接受系统默认，如图38所示。单击【预览】按钮，得到组件的运动包络图，如图39、图310、图311所示。崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真21图38“创建运动包络”对话框图39连杆运动包络图图310曲轴运动包络图图311活塞运动包络图36获取分析结果（1）单击右侧工具栏的【测量】按钮，打开“测量结果”对话框。单击“测量”列表框的【新建】按钮，打开“测量定义”对话框，选取“类型”为“速度”。其他选项接受系统默认，如图312所示。单击“点或运动轴”下的选取箭头，然后选取活塞的一点（由于活塞上各点运动相同，选取任意一个顶点都可以），在新弹出的窗口中单击【确定】按钮。返回“测量结果”对话框。（2）选取“结果集”列表框中的“ANAALYSISDEFINEINTION”和“测量”列表框中的“MEASURE1”，然后单击绘制【图形】按钮，得到活塞的速度与时间曲线图，如图314所示。崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真22图312速度定义图313加速度定义图314活塞的速度与时间曲线图（3）在单击“测量”列表框的【新建】按钮，打开“测量定义”对话框，选取“类型”为“加速度”。选取和上一步相同的点，如图所示。选取“结果集”列表框中的“ANAALYSISDEFINEINTION”和“测量”列表框中的“MEASURE2”，如图313所示，然后单击绘制【图形】按钮，得到活塞的加速度与时间曲线图，如图315所示。崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真23图315活塞的加速度与时间曲线图37对结果的分析在模拟分析中，分别对活塞组、连杆组和曲轴进行运动包络和运动干涉检查。通过运动包络确定曲柄连杆运动所需要的空间范围，通过运动干涉来检查曲柄连杆机构各运动部件之间是否发生干涉。在分析时，设定曲轴的转速为150RAD/S，仿真时间为10秒，开始仿真。曲线图反映了一载荷周期内气缸内活塞的速度及加速度的变化情况，由曲线图可以发现，活塞运动位于上止点时的加速度最大，且与速度的方向相反，活塞在该位置所受到的阻力最大。38本章小结本章主要完成了曲柄连杆机构的装配连接，并分析了机构的运动情况，在进行运动分析的过程中，新建组件并建立运动连接，定义特殊的运动副，如活塞和连杆组件，然后添加伺服电动机驱动，设置伺服电动机参数，设定运动分析条件，运行分析，将结果回放与制作视频，创建运动包络，获取分析结果，绘制加速度与时间曲线图。4PRO/E的建模与运动仿真41行星齿轮的PRO/E建模行星轮减速器的建模主要对齿轮、轴、滚动轴承、箱盖、与箱座的建模，并完成部崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真24件的装配图。411齿轮的建模齿轮的建模主要包括参数的确定、参数之间关系的关系、齿轮渐开线方程的建立、渐开线标志曲线的建立、以及渐开线的镜像等。主要命令包括使用【草绘】工具、【拉伸】工具、【基准曲线】工具、【镜像】工具以及阵列工具等。（1）参数的确定如图41所示（2）参数关系的确定DFMZM25DBMZCOSANGLEDMZDAMZM2D0DFD1DBD2DD3DA图41（3）渐开线方程的建立/为笛卡儿坐标系输入参数方程/根据T将从0变到1对X,Y和Z/例如对在XY平面的一个圆，中心在原点/半径4，参数方程将是崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真25/X4COST360/Y4SINT360/Z0/RDB/2THETAT90XRCOSTHETARSINTHETATHETAPI/180YRSINTHETARCOSTHETATHETAPI/180Z0（4）操作命令以及内齿轮的效果图如图42所示图4242行星齿轮的装配装配过程中主要操作主要包括使用【添加元件】工具、【坐标系】约束、【对齐】约束、【插入】约束、【匹配】约束完成模型的绘制。崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真26421高速级的装配体（1）选择【新建】对话框，选择新建类型为【组件】，取消【使用缺省模板】，单击【确定】按钮，在弹出的【新建文件选项】对话框中选择模板为【MMNSASNDESIGHN】如图43图43（2）选择【添加元件】工具，系统弹出【打开】对话框，在对话框中选择“PLANEARMASM”文件，然后单击【打开】按钮，行星架部分被弹出打开并出现在主窗口中，同时系统弹出【添加元件】操作控制面板。按鼠标中间确定模型的位置。（3）选择【添加元件】工具，打开“LEFTSHAFTASM”文件，齿轮轴模型被添加到主窗口中，同时系统弹出添加元件操作控制面板单击按钮，弹出【放置】上滑面板，选择约束类型为【自动】，分别点击选取两个组件的轴线，使两个组件的中心轴线自动对齐，如图44所示。然后确定第二个约束，选择约束类型为匹配，然后分别选取两个组件的两个配合平面，选择【匹配】类型为【重合】崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真27图44（4）选择【添加元件】工具，打开“RIGHTSHAFTASM”文件，装配方法与“LEFTSHAFTASM”的装配方法类似。装配完成后高速级装配体如图45所示图45422总装图的分解视图图46崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真2843行星齿轮的传动运动仿真与分析431齿轮传动运动仿真主要使用【基准平面】工具、【基准轴】工具、【添加元件】工具、定义齿轮副工具、【定义伺服电动机】工具、选择【机构分析】工具、【回放】工具、【测量】工具等来完成模型的运动仿真。对齿轮传动模型进行运动仿真，效果如47图所示图47（1）选择【新建】对话框，选择新建类型为【组件】，取消【使用缺省模板】选项框，选择模板为【MMMS_ASN_DESIGN】,单击确定按钮，创建一个新的转配文件。（2）选择【基准平面】工具，弹出基准平面对话框。选择【基准平面】对话框。选择基准面ASMRIGHT,在【基准平面】对话框中定义偏距为12125，图48由ASMRIGHT偏移创建了一个基准面ADTM1，如图48所示。（3）选择基准轴工具，弹出基准轴对话框，同时依次选取基准平面ASMRIGHT、ASM崔振龙基于PRO/E农机典型机构的建模与仿真29FRONT,单击【基准轴】对话框中的【确定】按钮，在两基准面相交的位置创建一条基准轴，按同样的方法选择ADM1、ASMFRONT平面，创建另一基准轴如图所示。（4）选择【添加元件】工具，打开“RIGHTHIGHGEARPRT”文件，小齿轮模型被添加到主窗口，同时系统弹出元件操作控制面板，选择连接方式为【销钉】连接，如图所示。接着单击【放置】按钮，弹出【放置】上滑面板，如图所示。系统提示首先定义【销钉】连接的【轴对齐】选项，依次选择前面创建的基准轴AA1与小此轮的轴线GEARAXIS,如图所示。完成平移选项定义，单击确定完成小齿轮的放置及销钉连接定义，如图49所示图49（5）再次选择【添加元件】工具，打开“LOWSPEEDGEARPRT”文件，大齿轮模型被添加到主窗口，同时系统弹出元件操作控制面板，选择连接方式为【销钉】连接，接着单击【放置】按钮，弹出【放置】上滑面板，依次选择前面创建的基准轴AA2与大齿轮的轴线GEARAXIS,如图410所示。完成轴对齐选项定义，接着再依次选择装配模型的基准面