曲柄連桿機構虛擬樣機技術研究

摘 要:本論文將利用計算機輔助設計軟件CATIA及其插件SIMDesigner建立6135柴油機曲柄連桿機構的虛擬樣機，該設計方法在設計初期即可對曲柄連桿機構的運動特性進行分析，為后期的強度和剛度校核以及進一步的優(yōu)化設計打下基礎，避免了樣機試驗的耗時和耗力，縮短了設計周期，降低了設計成本。

關鍵詞:曲柄連桿機構 虛擬樣機 運動分析

中圖分類號:TK423文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(a)-0106-02

曲柄連桿機構作為內燃機的重要組成部分，是實現工作循環(huán)，完成能量轉換的主要運動件，它承受著周期性變化的氣體力、往復慣性力和旋轉慣性力以及由這些力引起的彎曲載荷和扭轉載荷。因此，曲柄連桿機構的設計是否合理，工作是否可靠，將直接影響內燃機的動力性、經濟性、排放性、可靠性和使用壽命。

傳統(tǒng)的設計方法一次成功率很低，主要原因是:設計方案的優(yōu)劣基本上要等到產品樣機試制完成，并經考核后才能確定，如果此時發(fā)現設計方案不合理，就必須改動設計重新試制，因此，將造成很大的原材料浪費，并拖延產品的開發(fā)時間。應用現代設計方法中的計算機輔助設計技術，建立研發(fā)產品的虛擬樣機，并對其進行反復的驗證和修改，可從根本上改變這一狀況，提高設計的效率、縮短產品的開發(fā)周期、提高市場競爭力。

本論文將利用計算機輔助設計軟件CATIA及其插件SIMDesigner對6135柴油機的曲柄連機構建立虛擬樣機，以為后期的強度和剛度校核做準備。

1 曲柄連桿機構主要零部件的設計

6135柴油機的基本結構參數要求如表1所示，根據參考文獻中設計要求和設計方法設計6135柴油機曲柄連桿機構主要零部件的具體尺寸，然后利用CATIA軟件建立曲軸、連桿、活塞等主要零部件的三維實體模型，如圖1、2、3所示。

2 曲柄連桿機構虛擬樣機的建立

在CATIA軟件中，將活塞、連桿、曲軸等主要零部件裝配在一起，組成曲柄連桿機構。然后，利用SIMDesigner插件，在曲柄連桿機構各主要零部件之間添加運動副。由于活塞是往復直線運動，故使用滑動副;活塞與活塞銷之間、活塞銷與連桿小頭之間、連桿大頭與曲軸之間存在轉動關系，因此使用轉動副;連桿蓋和連桿體之間、飛輪與曲軸之間的相對位置不變，故使用是固定副，完成6135柴油機曲柄連桿機構虛擬樣機的建立，如圖4所示。

3 曲柄連桿機構虛擬樣機的運動

發(fā)動機的曲軸以恒定轉速1800n/min運轉，運轉時間為一個周期，即得到活塞在缸內運動的位移、速度和加速度。以3缸為例加以說明，如圖5、6所示。

從圖5中可以看出:活塞位移的最大值為137.5982mm，而發(fā)動機要求的行程為140mm，，二者誤差為1.7%，因此，虛擬樣機的仿真結果是可以參考的。

4 結語

在該虛擬樣機的基礎上，通過內燃機工作過程模擬計算得到該柴油機的示功圖，并將該示功圖轉化為作用在活塞頂部的氣體力，通過動力學仿真，可驗證曲柄連桿機構的強度和剛度，為曲柄連桿機構的優(yōu)化設計打下基礎，從而使內燃機的設計過程減少甚至摒棄復雜樣機試驗的步驟。

參考文獻

[1] 蔣立軍.內燃機曲柄連桿機構動力分析及優(yōu)化設計[J].西北農林科技大學，2006，05.

[2] 赫寶林.發(fā)動機曲柄連桿機構建模與仿真[J].哈爾濱工業(yè)大學，2006，06:2-3.

[3] 袁兆成.內燃機設計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008.

[4] 吳兆漢，汪長民等.內燃機設計[M].北京:北京理工大學出版社，1990:201-282.

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