曲柄滑塊機構的典型應用分析與運動仿真

楊義慧，余波

（貴州交通職業技術學院，貴州 貴陽 550001）

機械制造大類專業課中的《機械制造基礎》《機械設計基礎》《發動機構造與拆裝》等多門課程都涉及到平面連桿機構相關知識點的學習應用，《機械制造基礎》《機械設計基礎》課程著重于介紹幾種典型的平面連桿機構運動原理，如曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構，曲柄滑塊機構、曲柄導桿機構等，《發動機構造與拆裝》課程則側重于介紹典型機構曲柄滑塊機構的應用，這樣導致同一個知識點的理論和實際應用跨分到不同課程，甚至到不同學科中，教師教授起來不夠全面系統，學生的專業認知能力又不足以發現課程間的相互聯系，以至于本來相互呼應的教學安排被完全割離。同時，機械制造類專業大多開設計算機輔助設計這類課程，如UG、INVENTOR、SLOIDWORKS、Pro/E等。基于以上原因，本文選取inventor軟件，運用其中的建模、裝配與運動仿真功能，將曲柄滑塊機構的理論和實際應用有機結合起來，將本知識點系統化、具體化，促進不同課程乃至不同專業間的融合。

1 曲柄滑塊機構的運動原理

曲柄滑塊機構屬于平面連桿機構中的一種典型運動機構，由曲柄搖桿機構演化而來。其中，曲柄作整周的旋轉運動，滑塊作往復直線運動，兩構件都可作為主動件。

2 曲柄滑塊機構在發動機上的典型應用

汽車發動機由2大機構、5大系統組成，即曲柄連桿機構和配氣機構，燃油供給系統、啟動系統、冷卻系統、潤滑系統、點火系統，其中的曲柄連桿機構就是曲柄滑塊機構在發動機上的實際應用。發動機是將燃氣燃燒所產生的化學能轉化為驅動車輪旋轉的動能，完成能量轉化的主要機構即曲柄連桿機構，即將燃氣燃燒產生的壓力作用在活塞頂上，轉化為曲軸旋轉的動力，并對外輸出做功，這里滑塊作為主動件，帶動曲軸做從動運動。

3 柴油機曲柄滑塊機構的建模與運動仿真

（1）構建零件模型。柴油機曲柄連桿機構由曲軸飛輪組、活塞連桿組以及機體組3個部分組成，其零件結構都屬于典型的箱體類、軸套類、輪盤類、叉架類零件，結構不特殊。因此，在建模環節用拉伸、旋轉、放樣、掃掠4大命令完成基于草圖的特征創建，然后再通過抽殼、打孔、倒角等命令完成細節特征的編輯即可。建模過程中，需要注意的是，第一，盡可能將零件的幾何中心定位在坐標原點，以便后續可以直接運用坐標系的相關參考，避免重新建立參考；第二，基于各個特征的草圖所在平面，應與零件正常放置或者按工作狀態放置時所處的平面相對應，以便于匹配模型所處的空間位置。第三，必要時，多用投影幾何圖元命令，以關聯圖元間位置關系，方便模型更新。

（2）柴油機曲柄連桿機構組的虛擬裝配。通過Inventor的裝配模塊，將曲柄連桿機構的各個零件進行裝配。裝配的約束可分為2大類：一類是無連接接口約束，另一類是有連接接口約束。無連接接口的約束主要用于一般的裝配中，通過這種裝配方法裝配的零件不具有自由度，零件之間不能做任何的相對運動；有連接接口的約束主要是用于解決各機構以及零件間的相對運動。柴油機曲柄連桿機構組的運動由活塞進行往復直線運動，曲軸進行旋轉運動，以及飛輪作旋轉運動，零件間有相對運動，所以采用有接口的約束。在裝配過程中，先將活塞連桿組和曲軸飛輪組分別裝配，最后以曲軸飛輪組為基礎進行整體裝配，應用到的裝配約束有配合、角度、相切、插入、對稱等。首先，新建一個【Standard．iam】文件進入裝配環境裝配零件。單擊【放置】，放置活塞、連桿、活塞銷、活塞環，以連桿為基礎，利用Inventor提供的配合、角度、相切、插入、對稱等約束進行裝配。活塞連桿組裝配完成后，命名子裝配1并保存。其次，曲軸飛輪組的裝配與裝配1的方法類似，通過添加約束以確保運動過程中各部分正確配合便可完成裝配，命名為裝配2。最后，新建一個【Standard．iam】文件，對裝配1、裝配2以及其他零件添加裝配約束，約束完成后便完成虛擬裝配。值得注意的是，在裝配部件中應該放置4個活塞連桿組，曲軸須設置為360°旋轉。

（3）拆裝動畫制作。為幫助學生充分理解曲柄連桿機構組各部分組成以及零件間裝配的關系，可用Inventor的【表達視圖】工具，對曲柄連桿機構的裝配體中的各零件進行分解，并制作拆裝動畫。為便于在錄制視頻時容易區分各零件，所以將所有的零件都上色。拆裝示意圖見圖1，拆裝動畫制作的具體過程如下。

圖1 曲柄連桿機構組拆裝示意圖

新建一個【Standard．ipn】文件進入表達視圖環境，單擊【創建視圖】工具，打開曲柄連桿機構組的裝配文件，將分解方式設置為手動分解。再利用【調整零部件位置】工具定義各零件的分解動作。零件動作的定義非常靈活，可以是單個的移動或轉動，也可以是多個的移動或轉動，還可以一個零件同時進行多個動作，如螺釘在擰進螺紋孔的運動，既有平移的運動，又有旋轉的運動。最后，將各零件的動作順序調整為符合實際拆裝的順序，為了能看清楚各零件的結構，需要選擇合適的距離和方向。此外，為了能夠更好的觀察部件內部的運動情況，可利用【編輯任務及順序】界面中的【設置照相機】這一功能來設置觀察方向。

在零件的分解動作和播放順序設置完成后，點擊表達視圖工具面板中的【動畫制作】，設置合適的時間間隔，即可錄制曲柄連桿機構的裝配和拆卸動畫。

（4）運動仿真動畫制作。通過Inventor Studio功能，可將上述裝配部件進行模擬運動并錄制動畫，用于輔助教師教學。Inventor Studio的動畫特征有多種，這里使用到了【參數動畫制作】、【淡顯動畫制作】、【相機動畫制作】，通過這幾種動畫的結合，可生成該曲柄連桿機構組的工作模擬動畫，如圖2。具體制作過程如下：打開曲柄連桿機構的裝配文件，然后在【環境】菜單下選擇【Inventor Studio】進入Inventor Studio環境，在瀏覽器中，先選擇合適的【Studio光源樣式】，再選擇【動畫時間軸】選項并雙擊將時間軸激活，在動畫時間軸中即可對裝配件進行動畫編輯。如選擇【相機動畫制作】選項并單擊將彈出相機，在彈出的【照相機動畫制作：照相機1】對話框中，以X原點為旋轉中心，設定時間和旋轉的圈數，這樣即可以讓視角進行一個旋轉，以方便觀察裝配件的各個位置。點擊【淡顯動畫制作】并選擇缸體、汽缸墊、油底殼，將這幾個零件的透明度和時間進行設置，觀察者即可清晰地觀察內部運動的情況。在參數收藏夾中選中連桿與曲軸的角度約束參數即d172，點擊【參數動畫制作】對所選參數進行編輯，使角度從0°變為3600°，并設置角度變化的時間。隨著設置時間的進行，整個動畫的內容便制作完成。最后，點擊工具面板上的【渲染動畫】按鈕，或者點擊【動畫時間軸】界面中的紅色按鈕，在彈出的【渲染動畫】對話框中設置動畫的存放位置、動畫格式、動畫的時間長度及每秒的幀數等參數，并將錄制模式設置為“無預覽”模式，再點擊【渲染】確定后，便開始錄制動畫。一般來說，參數設置越高所錄制出的動畫效果越好，但錄制視頻的時間就越長。

圖2 曲柄滑塊機構運動仿真

4 結語

本文通過闡述典型平面連桿機構——曲柄滑塊機構的運動原理，結合柴油發動機運用inventor軟件制作曲柄滑塊機構的實際應用視頻，較好地將平面連桿機構的理論和實際應用緊密聯系。從理論原理到實際應用，再到虛擬模型的全過程，這種方式極大地引導學生將抽象枯燥的理論與鮮活生動的實踐相結合，促進學生將所學的知識“內化”成為自己的東西，幫助學生構建系統的知識框架。教學方面，為下一步探索機械類專業課的項目式教學法奠定基礎；同時，通過論述Inventor軟件的建模、運動仿真關鍵技術，對于該軟件學習者來說，也具有一定的指導意義。

[1]祝鈴鈺，許軼，姚克儉．化工設計課程群的項目教學改革探討[J]．化工高等教育，2012，（02）．