基于Pro/E的發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析

黃經(jīng)元，王淑芳，賈穎蓮，廖東旺

（1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，九江 332007；2.江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，南昌 330013 3.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，南昌 330013）

0 引言

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是機(jī)械中常見的一種機(jī)構(gòu)，其作用是將曲柄的等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)制造容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、速度快，因此廣泛應(yīng)用于空壓機(jī)、沖床、發(fā)動(dòng)機(jī)、儀表機(jī)構(gòu)中。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)屬于低副機(jī)構(gòu)，低副接觸兩元素之間不易產(chǎn)生磨損，故可以承受較大的載荷，因此在重型機(jī)械中也得到了廣泛應(yīng)用。

本文以比較典型的單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例來(lái)論述曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在Pro/E軟件中的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析過(guò)程。

1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是通過(guò)曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，借助連桿把動(dòng)力傳遞給活塞，利用活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使汽油與空氣在密閉容器（如氣缸）混合、燃燒、膨脹、做功，并將熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能機(jī)械的。單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機(jī)構(gòu)等零部件組成，其中氣缸是汽油和空氣的混合氣體進(jìn)行燃燒釋放熱能，并將熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的地方。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)沖程的循環(huán)來(lái)不斷地產(chǎn)生動(dòng)力。通過(guò)分析，曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿轉(zhuǎn)化成活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)構(gòu)就是機(jī)械原理中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。因此，根據(jù)機(jī)械原理的知識(shí)可以得到被研究對(duì)象單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)工作原理圖的數(shù)學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

圖中零件“1”即曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的曲柄，相當(dāng)于單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸；零件“2”即連桿；零件“3”即滑塊，相當(dāng)于活塞；零件“4”即機(jī)架，相當(dāng)于氣缸。

2 仿真分析前期準(zhǔn)備

單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型建立之后，即可使用Pro/E的運(yùn)動(dòng)仿真模塊Mechanism進(jìn)行仿真分析，但此前需要使用計(jì)算機(jī)三維參數(shù)化的軟件設(shè)計(jì)完成待仿真的零部件。首先須了解Pro/E的運(yùn)動(dòng)仿真流程和方法（圖2），方可熟練地使用該軟件的運(yùn)動(dòng)仿真模塊。

圖2 仿真分析流程圖

對(duì)零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)就不再贅述，這里主要討論曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析。

3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析

在Pro/E軟件中進(jìn)行曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真有兩個(gè)關(guān)鍵的步驟：其一是創(chuàng)建機(jī)構(gòu)，其二是添加驅(qū)動(dòng)器。惟如此，才有可能仿真成功。

3.1 創(chuàng)建曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

在Pro/E軟件中創(chuàng)建曲柄滑塊機(jī)構(gòu)主要有三個(gè)主要的步驟。

步驟一、裝配機(jī)架。

在Pro/E軟件的裝配模塊Assembly 的主界面中，選擇主菜單【插入】→【元件】→【裝配】，在彈出的【打開】對(duì)話框中選取裝配到機(jī)構(gòu)中的第一個(gè)零件“Qgang”（即氣缸，該名稱由用戶自行定義，下同），調(diào)入該零件到繪圖區(qū)。在【裝配操控板】選擇常規(guī)裝配類型中的“缺省”，即將氣缸定義為機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)主體（即機(jī)架）。這種裝配方式也是我們通常完成裝配體所用的方法。

步驟二、創(chuàng)建“銷釘”連接（銷釘連接只有一個(gè)自由度，可圍繞指定軸旋轉(zhuǎn)）。

創(chuàng)建“銷釘”連接是進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的關(guān)鍵，同時(shí)方法也與創(chuàng)建機(jī)架不同，因此這里作特別的說(shuō)明。

在機(jī)架創(chuàng)建完成之后，在裝配主界面繼續(xù)選擇【插入】→【元件】→【裝配】，在彈出的【打開】對(duì)話框中選取裝配到機(jī)構(gòu)中第二個(gè)零件“Qzhou”（即曲軸）后，調(diào)入該零件到繪圖區(qū)（這跟前面裝配機(jī)架是相同的），在彈出的【裝配操控板】，需要選擇【預(yù)定義】的連接集中的【銷釘】連接方式，按照要求即可完成曲軸的“銷釘”連接，如圖3所示。其中1所指示的是裝配完成的氣缸，2是曲軸。

圖3 創(chuàng)建“銷釘”連接

采用同樣的方法創(chuàng)建第二個(gè)“銷釘”連接，裝配零件“Lgan”（即連桿）。至此，在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)“銷釘”連接已經(jīng)創(chuàng)建完成。

步驟三、創(chuàng)建“圓柱”連接（圓柱連接，具有一個(gè)平移自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，允許構(gòu)件沿指定的軸平移并繞該軸旋轉(zhuǎn)）。

在裝配的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，繼續(xù)裝配零件“Hsai”（即活塞），使該零件采用“圓柱”連接方式。這種連接方式不同于其他連接的地方是在彈出的【裝配操控板】的【預(yù)定義】的連接集中選擇【圓柱】連接方式。同時(shí)按照【圓柱】連接的要求選擇零件“Hsai”的軸線A_2和零件“Lgan”的軸線A_1即可完成活塞的【圓柱】連接。采用同樣的方法完成氣缸和活塞的“圓柱”連接。

最后按照裝配類型中的“缺省”裝配完成零件“汽缸蓋”的裝配。至此單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)創(chuàng)建完成。如圖4所示，其中3是活塞，4是連桿。

圖4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

3.2 運(yùn)動(dòng)仿真分析

在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)創(chuàng)建完成之后，需要使用Pro/E軟件的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模塊Mechanism觀察并記錄分析或測(cè)量對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)動(dòng)中的諸如位置、速度、加速度或力等參數(shù)，然后以圖形的形式表示這些測(cè)量結(jié)果，使設(shè)計(jì)者能夠更加簡(jiǎn)便、直觀地了解設(shè)計(jì)的結(jié)果。

3.2.1 創(chuàng)建伺服電機(jī)

為了驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)能夠在Pro/E軟件中進(jìn)行正常工作，必須在機(jī)構(gòu)中添加動(dòng)力源——伺服電機(jī)。創(chuàng)建的方法是在裝配完成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的Pro/E軟件的主界面中選擇菜單【應(yīng)用程序】→【機(jī)構(gòu)】，進(jìn)入Pro/E軟件的機(jī)構(gòu)模塊操作界面。在機(jī)構(gòu)模塊中選擇菜單【插入】→【伺服電機(jī)】，在彈出的對(duì)話框中作相應(yīng)的設(shè)置即可完成伺服電機(jī)的創(chuàng)建。

3.2.2 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在Pro/E軟件的主界面選擇菜單【分析】→【機(jī)構(gòu)分析】，在彈出的“分析定義”對(duì)話框中定義好運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的“類型”、添加第一步驟中創(chuàng)建的“伺服電機(jī)”等相關(guān)的信息后，單擊該對(duì)話框中的“運(yùn)行”按鈕，機(jī)構(gòu)就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

選取主菜單中的【分析】→【測(cè)量】命令，在彈出的“測(cè)量結(jié)果”對(duì)話框中，選擇“新建”按鈕，在緊接著彈出的“測(cè)量定義”對(duì)話框中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，如圖5所示。

圖5 “測(cè)量定義”對(duì)話框

在“測(cè)量結(jié)果”對(duì)話框中選擇“繪制選定結(jié)果集所選測(cè)量的圖形”按鈕，系統(tǒng)就會(huì)在“圖形工具”窗口中顯示測(cè)量的結(jié)果。

另外，運(yùn)動(dòng)仿真分析可以保存為回放文件，利于設(shè)計(jì)者和用戶日后查看機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析的結(jié)果。

圖6 測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

在Pro/E軟件提供的虛擬環(huán)境中，設(shè)計(jì)者可以借助計(jì)算機(jī)中的三維參數(shù)化實(shí)體模型，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境中對(duì)虛擬裝配機(jī)構(gòu)進(jìn)行全方位的仿真分析，該軟件還能夠?qū)C(jī)構(gòu)中零部件是否存在干涉進(jìn)行檢測(cè)，使設(shè)計(jì)者及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的零部件間哪些地方存在不足。同時(shí)軟件能夠記錄分析或測(cè)量對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)動(dòng)中的某些參數(shù)，然后以圖形的形式表示這些測(cè)量結(jié)果，使設(shè)計(jì)者甚至客戶能夠更加簡(jiǎn)便、直觀地了解設(shè)計(jì)的各種信息，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中潛在的缺陷和不足，由此縮短了開發(fā)周期，減少了開發(fā)費(fèi)用，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

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