-
第
16
章
CATIA
运动分析
16.1
曲轴连杆运动分析
四缸发动机曲轴、
连杆和活塞的运动分析是较复杂的机械运动。
曲轴做旋转运动，
连杆
左做平动，
活塞是直线往复运动。
在用
CATIA
作曲轴、
连杆和活塞的运动分析的步骤如下所
示。
（
1
）
设置曲轴、连杆、活塞及活塞销的运动连接。
（
2
）
创建简易缸套机座。
（
3
）
设置曲轴与机座、活塞与活塞缸套之间的运动连接。
（
4
）
模拟仿真。
（
5
）
运动分析。
16.1.1
定义曲轴、连杆、活塞及活塞销的运动连接
1.
新建组文件
(1)
点击“开始”选取“机械设计”中的“装配件设计”模块，如图
16-1
所示。
图
16-1
进入“装配件设计”模块
（
2
）进入装配件设计模块后，点击
添加现有组件
图标
，再点击模型树上的
Product1
图
标
，
此
时
会
出
现
文<
/p>
件
选
择
对
话
框
，
按
住
Ctrl
键
，
分
别
选
取
“
Chapter16/t
、
t
、
duct
、
< br>t
”
，将这些零件体载入到
Pr
oduct1
中。
（
3
）
此时，
零件体载入后重合
到一起，
点击分解图标
，
出现分解对话
框如图
16-2
所示。然后点击模型树上的
Product1,
点击确定，此时弹出警告对话框，如图
16-3
所示，
警告各零件的位置会发生变，
< br>点击警告对话框的按钮
“是”
，
我们会发现各个零件分解开来。
图
16-2
分解对话框
图
16-3
警告对话框
（
3
）由于连杆体零件是装配体，各部分之间存在约束，点击“全部更新”按钮
我们会发现连杆体组件恢复装配后的样子。
（
4
）点击“约束”工具栏中的“相合约束”图标
，
，分别选择活塞销中心线及活塞
，选择活
孔中心线，如图
16-4
所示。然后点击“约束”
工具栏中的“偏移约束”图标
塞销的一个端面及活塞孔一侧的凹下去细环端面，如图
16-5
所示，此时出现“约束属性”
对话
框，如图
16-6
所示。将对话框中的“偏移”一栏改为“
3.75mm
”
，点击“确定”按钮，
完成活塞销端面和活塞内凹孔细环端面之间的偏移约束关系。
点击<
/p>
“全部更新”
按钮
完成活塞与活塞销之间
的约束，如图
16-7
所示。自此完成添加零部件工作。
，
图
16-4
选择活塞销中心线及活塞孔中心线
图
16-5
活塞销及活塞内凹孔的端面约束
图
16-6
将对话框中的偏移一栏改为
3.75mm
图
16-7
完成活塞及活塞销的约束
2.
设置连杆体与活塞销的运动连接
（<
/p>
1
）点击“开始”选取“数字模型”中的“
DMU Kinematics
（数字模型运动）
”模块，<
/p>
进入模型运动工作台，如图
16-8
所示
。
图
16
-8
进入“
DMU
Kinematics
”模块
（
2
）单击“
DMU
Kinematics
（数字模型运动）
”工具栏中的“
Revolnte
Joint(
旋转铰<
/p>
)
”
按钮
右下方
的箭头，出现“
Kinematics Joint(
运动饺<
/p>
)
”工具栏，包括所有铰定义按
钮，如图
16-9
所示。
图
16-9
“
Kinematics Joint(
运动饺
)
”工具栏
（
3
）单击“
Kinemat
ics Joint(
运动饺
)
”工具
栏中的“
Revolnte Joint(
旋转铰
)
”按
钮
，弹出“
Joint Creation: Revolute(
生成旋转铰
)
”对话框，如图
16-10
所示。
图
16-10
“
Joint Creation: Revolute(
生成旋转铰
)
”对话框
（
4
）
单击对话框中的
“
New
Mecha
nism(
新运动机构
)
“按钮弹出<
/p>
“
Mechanism
Creatio
n(
生
成运动机构
)
< br>”对话框，如图
16-11
所示。单击对话框中的“确定
”按钮，按照对话框中的
默认机构名称“
Mechanism.
1
”生成新的运动机构。同时“
Mechanism
Creation(
生成运动机
构
)
”对话框被关闭，回到“
Joint Creat
ion:Revolute(
生成旋转铰
)
”对话框。
（
5
）在连杆体零件中选择小孔中心线（注意这里选择的应是连杆体小孔中衬套的中心
线，因为与活塞销进行运动接触的是衬套）
，在选择活塞销的中心线，如图
16-12
所示。在
连杆体零件中选择小孔衬套的
一个端面，在活塞组件中选择活塞销的一个端面，如图
16-13
所示，在“
Joint Creation:Revolute(
生成旋转铰
)
”对话框中点选“
C
entered(
居中
)
”单
选扭，然后选择小孔衬套和
活塞销的另外一侧
端
面，如图
16-14
所示
。此时“
Joint
Creation:Revolute(
生成旋转铰
)
”
对话框的各
项内容如图
16-15
所示。
单击对话
框中的
“确
定”
按钮，
生成旋转铰。
零件按铰配合在一起，
同时在模型树中出
现和铰的名称，
如图
16-16
所示。
图
16-11
“
Mechanism
Creation
”对话框
图
16-12
选择衬套和活塞销中心线
图
16-13
选择衬套和活塞销的一个端面
图
16-14
选择衬套和活塞销的另一个端面
图
16-15
“
Joint Creation:Revolute(
生成旋转铰
)
”对话框的各项内容
图
16-16
模型树上出现机构和铰的名称
3.
设置活塞销与活塞之间的运动连接
（
1
）实际中，活塞与活塞销之间为过
盈配合，所以这里我们把活塞与活塞销之间定为
刚性连接。
单击
“
DMU
Kinematics
（数字模型运动）
”
工具栏中的
“
Revolnte
Joint(
旋转铰
)
”
按钮
右下方的箭头，出现“
Kinematics Joint(
运动饺
)
”工具栏。
（
2
）单击“
Ri
gid Joint(
刚性连接
)
”按
钮
刚性连接
)
”对话框，如图
16-17
所示。
，弹出“
Joint
Creation:Rigid(
生成
图
16-17
“
Joint Creation:Rigid(
生成刚性连接
)
”对话框
（
3
）在图形区上分别选择活塞销和活
塞，
“
Joint
Creation
:Rigid(
生成刚性连接
)
”对<
/p>
话框内容被更新，显示出所选择的零件名称，如图
16-18
所示。
图
16-18
对话框显示出所选择的零件名称
（<
/p>
4
）单击对话框中的“确定“按钮，生成刚性连接。零件刚性连接
配合在一起。同时
在模型树上出现刚性铰的名称。如图
16-1
9
所示。
图
16-19
模型树上出现刚性铰的名称
4.
设置连杆体与曲轴的运动连接
<
/p>
（
1
）单击“
K
inematics Joint(
运动饺
)
< br>”工具栏中的“
Revolnte Joint(
旋转铰
)
”按
钮
，弹
出“
Joint Creation: Revolute(
生
成旋转铰
)
”对话框，在连杆体零件中选择
大孔中心线
（注意这里选择的应是连杆体大孔中轴瓦的中心线，
因为与曲轴进行运动接触的
是轴瓦）
，在选择曲轴的第一段
的中心线，如图
16-20
所示。在连杆体零件中选择大孔轴瓦
的
一
个端
面<
/p>
，在
曲
轴中
选择
曲
轴第
一段
的
一个
端面
，
如
图
16-21
所示
，在
“
Joint
Creation:Revolute
(
生成旋转铰
)
”对话框中点选“
Centered(
居中
)
”单选扭，然后选择大
孔轴瓦和曲轴第一段的另外一侧端面，
< br>如图
16-22
所示。
此时
“
Joint
Creation:Rev
olute(
生
成旋转铰
)
”对话框的各项内容如图
16-23
所示。单击对
话框中的“确定”按钮，生成旋转
铰。零件按铰配合在一起，同时在模型树中出现旋转铰
的名称，如图
16-24
所示。
图
16-20
选择连杆体大孔中轴瓦的中心线与曲轴的第一段的中心线
图
16-21
选择大孔中轴瓦的一个端面与曲轴第一段的一个端面
图
16-22
选择大孔轴瓦和曲轴第一段的另外一侧端面
图
16-23
“
Joint Creation:Revolute(
生成旋转铰
)
”对话框的各项内容
图
16-24
在模型树中出现旋转铰的名称
（
6
）
此时完成了曲轴与一个连杆体的运动连
接，
连接后的整体约束图如图
16-25
所示。
图
16-25
整体部件的连接图
5.
完成其余三组活塞、活塞销、连杆体及曲轴的运动连接
(1)
点击“开始”再次选取“机械设计”中的“装配件设计
”
，进入“装配件设计”模
块。点击“快速多实例化”按钮
，然后在模型树上点击活塞零件，如图
16-26
< br>所示。
此时在零部件上有一个新的活塞零件生成，如图
1
6-27
所示。
图
16-26
在模型树上点击活塞零件体
图
16-27
新的活塞零件生成
（
2
）
按照
（
< br>1
）
中的快速生成实体的方法分别生成新的活塞销与连杆
体零件，
生成后的
零件如图
16-28
，同时在模型树上出现新的零件体，如图
16-29
所示。
图
16-28
生成新的活塞销与连杆体零件
图
16-29
模型树上出现新的零件体
（
3
）由于零件体重合在一起，点击“分解”按
钮
，出现“分解”对话框，在模型
树上点击
Product.1,
然后点击“确定”按钮。这时会出现警告对话框，继续点击“
确定”
按钮，完成重合零部件体的分解。
（
4
）由于先前已完成对第一组活塞、活塞销、连杆体及曲
轴的运动关系的连接，第一
组零部件间存在约束，点击“全部更新”按钮
第二组零件被分离开来，如图
16-30
所示。
后，它们又恢复到先前的位置关系，但
图
16-30
分离更新后的效果图
（
5
）
）点击“约束”工具栏中的“相合约束”图标<
/p>
，分别选择新生成的活塞销中
，
心线及活
塞孔中心线，
如图
16-31
所示。<
/p>
然后点击
“约束”
工具栏中的
“偏移约束”
图标
选择活塞销的一个端面及活塞孔
一侧的凹下去细环端面，
如图
16-32
所示，
此时出现
“约束
属性”对话框
，如图
16-33
所示。将对话框中的“偏移”一栏改为“
3.75mm
”
，点击“确定”
按钮完成活塞销端面和活塞内凹孔细环端面之间的偏移约束关系。点击“全部更新”按钮< p>
，完成活塞与活塞销之间的约束，如图
16-34
所示。自此完成添加新零部件的工作，
如图
16-35
所示。
图
16-31
选择活塞销中心线及活塞孔中心线
束
图
16-33
将对话框中的偏移一栏改为
3.75mm
图
16-32
活塞销及活塞内凹孔的端面约
图
16-34
完成活塞及活塞销的约束
图
16-35
完成添加新零部件的工作
（
6
）点击“开始”选取“数字模型”中的“
DM
U Kinematics
（数字模型运动）
”模块，
再次进入模型运动工作台。
按照前面介绍过的同样的方法将第二组活塞、
活塞销、
连杆体及
曲轴组件进行运动连
接。
连接后的整体效果图如图
16-36
所示。
模型树上出现新的运动连接
铰的名称如图
16-37
所示。
图
16-36
连接第二组组件后的效果图
图
16-37
模型树上的新增运动连接名称
（
7
）点击“开始”再次选取“机械设计”中的“装配件设计”
，进入“装配件设计”模
块。点击“快速多实例化”按钮
，按照增加第二组活塞、活塞销、连杆体组件的方法
功能，将位置重合的零部
件分解开来，
功能，完成第三、
完成第三、四组组件的增加，并
利用“分解”
然后对分别对第三、四活塞与活塞销进行约束，最后用“全部更新”
四组活塞与活塞销之间的约束更新，如图
16-38
< br>所示。此时模型树上出现新的零部件名称，
如图
16-3
9
所示。
图
16-38
完成第三、四组组件的增加并对新增活塞及活塞销进行约束
图
16-39
模型树上出现新的零部件名称
（
8
）点击“开始”选取“数字模型”中的“
DMU Kinematics
（数字模型运动）
”模块，
再次进入模型运动工作台。同样，按照前面介绍的对第三、四组活塞、活塞销、连杆体及曲<
/p>
轴进行运动连接，
完成连接后的效果图如图
16-40
所示。
同时模型树上出现新的运动连接铰，
如图
16-41
所示。
图
16-40
完成连接后的效果图
图
16-41
模型树上出现新的运动连接铰
16.1.2
创建简易缸套机座
1.
插入新零件
（
1
）
点击
CATIA
的菜单栏中的
“插入”
，
在其子菜单中选择
“新增零部件”
，
如图
16-42<
/p>
所示。
（
2<
/p>
）在模型树上单击“
Product.1
”
,
，这样会在装配图中插入一个新零件。单击
“
Product.1
”后，会出现一个“新零部件<
/p>
:
原点”对话框，如图
16-43
所示，提示使用者如
何定义新零件的原点。
（
3
）单击对话框中的“是”按钮，定
义新零件的原点与组件的原点重合。此时在装配
件的模型树上将出现一个新零件“
Part1(part1.1)
”
。如图
16-44
所示。
图
16-42
选择“新增零部件”
图
16-43
“新零部件
:
原点”对话框
图
16-44
新零部件“
Part1(part1.1)
”
（
4
）
右键点击模型树上的
“
Part1(part1.1
)
”
，
在出现的子菜单中选择属性，<
/p>
如图
16-45
所示。此时会出现“属性
”对话框，在“实例名称”一栏将“
part1.1
”修改为“
缸套机座”
点击“确定”按钮，完成产品实例名称的修改
,
如图
16-46
所示。此时模型树上的新增
零部
件的名称“
Part1(part1.1)
变成“
Part1(
缸套机座
)
”
。
图
16-45
在子菜单中选择属性
图
16-46
修改“属性对话框”中“实例名称”的内容
2.
绘制机座零件草图
（
1
）将模型树上中
Par
t1
零件的元素展开，双击该零件的名称“
Part1
”
,
如图
16-48<
/p>
所示，这样可以直接由“数字模型工作台”转到“零部件设计工作台”
。
（
2
）选择曲轴带有键槽一端的端面，如图
16-47
所示，在“草
图编辑器”工具栏中单
击“
Sketcher(
草图
)
”按钮
，进入草图设计
工作台。
图
16-48
双击零件名称“
Part1
”
图
16-47
选择曲轴带有键槽一端的端面
（
3
）单击“操作”工具栏中的“
Project
3d
element(
投影三维元素
)
”按钮
，然
后选择曲轴带有键槽一端的端面，
将其投影为一个圆形
草图，
如图
16-48
所示。
然后点击
“圆”
，在草图上画一个圆，如图
16-49
，点击“约束”
，再点击刚才画
的圆，此时圆的
尺寸被约束住，
双击尺寸数字，
弹出
“约束定义”
对话框，
将
直径改为
“
80mm
”
,
如图
16-50
所示，按
住“
Ctrl
”键，点击投影圆和刚才绘制的圆，再点击“约束
定义”
按钮，弹
出“约束定义”对话框，如图
< br>16-51
所示，将同心一栏选上，然后点击“确定”按钮。完成
草图绘制，如图
16-52
所示。
图
16-48
三维投影草图
图
16-49
画一个圆
图
16-50
修改直径
图
16-51
“约束定义”对话框
图
16-52
约束完成后的草图
（
4
）单击
“工作台”工具栏中的“
Exit
Workbench(
推出工作台
)
”按钮
，重新进
入“零部件设计工作台”
。
3.
拉伸生成机座零件
（
1
）
单击
“给予草图的特征”
工具栏中的”
Pad
（拉伸）
”
按钮，
弹出<
/p>
“
Pad Definition(
拉
伸定义
)
”对话框，如图
16-53
所示，将长度一栏改为“
40mm
”
,
在轮廓曲面一栏选择刚才绘
制的草图，然后点击确定，完成实体的拉伸。
（<
/p>
2
）为了区别机座实体，将机座实体更改颜色。在模型树上右键点
击“
Part1(
缸套机
座
)
，在出现的子菜单中点击“属性”弹出属性对话框，点击图形一栏，将颜
色改为黄色，
如图
16-54
，然后点
击“确定”
。这样就将机座实体与曲轴零件区别开来。
图
16-53
“凸台定义”对话框
图
16-54
将颜色改为黄色
4.
绘制缸套零件草图
（
1
）点击“基准平面”
图
标，再点击第一组活塞的上表面，如图
16-55
所示，弹
出“基准平面定义”对话框，将偏移一栏数据改为“
0mm
”
,
如图
16-56<
/p>
所示
,
点击确定完成
基准平面的建立。建立后的基准平面如图
16-57
所示。
图
16-55
选择活塞上表面
图
16-56
“基准平面定义”对话框
图
16-57
建立的基准平面
（
< br>2
）
点击新建的基准平面，
在<
/p>
“草图编辑器”
工具栏中单击
“
Sketcher(
草图
)
”
按钮
进入草图设计工作台。
<
/p>
，
（
3
）单击草
图工具中的“虚线”图标
，此时该图标变成红色。接着单击“操作”
，然后选择活塞上表面，将
，图标恢复
工具栏中的“
Project 3d element(
投影三维元素
)
”按钮
其投影到草图设计平面上，如图
16-58
所示。接着再次单击“虚线”图标
原来
的颜色，
即取消
“虚线”
功能。
然后在点击
“圆”
，
在草图上画一个圆，
如图
16-59
，
按钮，弹出“约束
按住“
Ctrl
”键，选择投影圆与绘制的圆，单击点击“约束定义”
圆相合，如图
16-61
所示。
< br>定义”对话框，如图
16-60
所示，将相合一栏选上，
然后点击“确定”按钮，绘制圆与投影
图
16-58
投影活塞上表面
图
16-59
绘制一个圆
图
16-60
“约束定义”对话框
图
16-61
绘制圆与投影圆相合
（
4
）在草图上再画一个圆，单击“约束”
，此时圆的尺寸被约束住，双击尺寸数<
/p>
字，弹出“约束定义”对话框，将直径改为“
120mm
”
,
点击“确定”完成尺寸约束，
如图
16-62
所示
.
按住“
Ctrl
”键，点击两个绘制的圆，再点击“约束定义”
起，如图
16-
63
所示。
按钮，弹出“约
束定义”对话框，将“同心”一栏选上，然后点击“确定”按钮。将两个圆的圆心约束在一
图
16-62
绘制直径为
120mm
的一个圆
图
16-63
将两个圆的圆心约束在一起
5.
拉伸生成缸套零件
单击“给予草图的特征”工具栏中的”
Pad
（拉伸
）
”按钮，弹出“
Pad Definition(
拉
伸定义
)
”对话框，
将长度一栏改为“
120mm
”
,
在轮廓曲面一栏选择刚才绘制的草图，然后
点击确定，完成实体的拉
伸，如图
16-64
所示。
图
16-64
拉伸缸套零件
6.
完成其余三组缸套实体建模
（
1
）
点击再建立第一组活塞缸套时所建立的“基准平面”
器”工具栏中单
击“
Sketcher(
草图
)
”按钮
图标，在“草图编辑
，进入草图设计工
作台。
（
2
）按照与绘制第一组缸套草图相同的方法绘制第二组缸套草图平面，绘制完的效果
如图<
/p>
16-65
所示。
（
3
）
单击
“工作台”
工具栏中的
“
Exit
Workbench(
推出工作台
)<
/p>
”
按钮
，
进入<
/p>
“零
部件设计工作台”
。准备完成第二组
缸套的实体拉伸，与第一组缸套实体拉伸方法相同，对
第二组缸套进行拉伸，完成后的实
体效果如
16-66
所示。
图
16-65
第二组缸套草图绘制
图
16-66
第二组缸套的实体拉伸效果
（
4
）按照同样的方法建立第三、四组缸套的实体模型，完成后的四组活
塞缸套的模型
如图
16-67
所示。<
/p>
图
16-67
四组缸套的实体模型
16.1.3<
/p>
设置曲轴与机座、活塞与活塞缸套之间的运动连接
1.
设置曲轴与机座之间的运动连接
（
1
）点击“开始”选取“数字模型”
中的“
DMU Kinematics
（数字模型运动）
”模块，
进入模型运动工作台。
（
2
）单击“
Kinem
atics Joint(
运动饺
)
”
工具栏中的“
Revolnte Joint(
旋转铰
)
”按
钮
，弹出“
Joint Creation: Revolute(
生成旋转铰
)
”对话框，分别选择简易机座的
中心
线和曲轴左端的中心线，如图
16-68
所示。简易机座的左端
面和曲轴的左端面，如图
16-69
所示。
“
Joint Creation: Revolute(
生成旋转铰
)
”对话框内容被更新，如图
16-70
所示，然后点击“确定”完成运动连接，此时模型树上出现新的运动铰的名
称，如图
16-71
所示。
图
16-68
选择机座和曲轴左端中心线
图
16-69
选择机座的左端面和曲轴
左端面
图
16-69
“
Joint Creation: Revolute(
生成旋转铰
)
”对话框内容被更新
图
16-71
模型树上出现新的运动铰
2.
设置活塞浴缸套之间的运动连接
（
1
）单击“
DMU
Kinematics
（数字模型运动）
”工具栏中的“
Revolnte
Joint(<
/p>
旋转铰
)
”
按钮
右下方的箭头，出现“
Kinematics Joints(
运动铰
)
”工具栏。
< br>
（
2
）
单
击
“
Cylindrical <
/p>
Joint(
圆
柱
铰
)
”
按
钮
Creation:Cylindrical(
生成圆柱铰
)
”对话框，如图
16-72
所示。
，
弹
出
“
Joint
图
16-72
“
Joint Creation:Cylindrical(
生成圆柱铰
)
”对话框
（
3
）
在装配零件上分别选择第一组活塞和缸套的中心线，
如图
1
6-73
所示。
此时
“
Joint
Creation:Cylindrical(
< br>生成圆柱铰
)
”对话框内容被更新，如图
16-74
所示，点击“确定”
按钮，完成第一组活塞
与缸套之间的运动连接。
图
16-73
选择第一组活塞和缸套的中心线
图
16-74
对话框内容被更新
< br>
（
4
）按照上诉同样的方法，
依次完成第二、三、四活塞与缸套之间的运动连接，此时
模型树上出现新的运动铰，如图
16-75
所示。
图
16-75
模型树上出现新的运动铰
16.1.4
模拟仿真
1.
设置驱动
在模型树上双击曲轴与机座的运动铰，如图
16-76
，弹出
弹出“
Joint Creation:
Revolute(
生成旋转铰
)
”对话框，将“
Angle driven(
角度驱动
)
”一栏选上，如图
16-77
所示，点击确定
完成驱动设置。
图
16-76
在模型树上双击曲轴与机座的运动铰
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