曲柄搖桿機(jī)構(gòu)建模與仿真分析

張海霞 劉月英 王南

摘 要：本文以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例，根據(jù)其固有的要求和特性，建立曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的模型。并使用MATLAB軟件對所建立的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：曲柄搖桿機(jī)構(gòu);MATLAB;仿真分析

1.前言

平面連桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械裝備制造業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。經(jīng)過長期的實踐它表現(xiàn)出各種各樣的特性，其中最突出的是它能夠通過改變構(gòu)件的相對長度來得到各種各樣的運動規(guī)律，來適合不同類型的工作條件。其中最基礎(chǔ)的是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。由于四桿機(jī)構(gòu)中大多都是由低副組成的運動副，所以接觸類型都是面與面接觸。這樣的結(jié)構(gòu)可以承載更大的壓力，制造起來也簡單可靠。但是缺點是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)在運動的時候會引起機(jī)構(gòu)的強(qiáng)迫性震動，會降低構(gòu)件的可靠性和運動的平穩(wěn)性。

本文以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例，應(yīng)用Pro/e軟件建立模型，并使用MATLAB軟件對所建立的模型進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實體建模

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的零件包括曲柄、連架桿、搖桿、支架桿等。這些零件結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用Pro/e建模時要使其建模過程盡量簡化。

（1）創(chuàng)建支架

選擇界面中的拉伸指令，選擇top作為草繪平面。采用系統(tǒng)默認(rèn)參照平面和草繪方向，進(jìn)入草繪模式。繪制一個長3mm寬3mm的長方形，完成后進(jìn)入創(chuàng)建拉伸長度的界面，然后在“深度值”輸入拉伸距離為30mm，完成了特征的創(chuàng)建。然后在零件中設(shè)計的位置平面上再拉伸出一個直徑2mm、高3mm的圓柱。

在建模過程中要考慮連桿在整個運動中所受到的力不會使連桿產(chǎn)生變形，在受到各個方向拉、壓、彎、剪、扭等作用力的時候，也不會發(fā)生斷裂、過大的殘余變形等現(xiàn)象，這也是設(shè)計者對毛坯最基本的要求，所以支架設(shè)計尺寸要合理，滿足設(shè)計的零件質(zhì)量小等要求。

（2）創(chuàng)建曲柄

選用拉伸指令，進(jìn)入工作區(qū)下方“操作板”欄，首先選擇FRONT面作為草繪零件的平面，在草繪界面中，繪制好平面圖形參數(shù)，然后在工作區(qū)下方的“深度值”輸入框中輸入拉伸值10mm，完成曲柄零件的建模。如圖1-1所示。

（3）創(chuàng)建搖桿

使用拉伸指令，進(jìn)入工作界面下方的“操作板”欄，選擇top面作為草繪平面，然后進(jìn)入系統(tǒng)默認(rèn)的參照平面和草繪平面。在草繪界面中，繪制好平面圖形參數(shù)，然后在工作區(qū)下方的“深度值”輸入框中輸入拉伸值18mm，完成搖桿零件的建模。如圖1-2所示。

（4）創(chuàng)建連架桿

建模步驟與曲柄建模過程一樣，在工作區(qū)下方的“深度值”輸入框中輸入拉伸17mm。如圖1-3所示。

（5）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)整體裝配

在PRO/E中新建一個名為zuzhuang的組件，在界面的屬性欄里選擇“缺省”。然后選擇“裝配”，新建約束把零件按步驟添加安裝。整體裝配如圖1-4所示。

3.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)仿真分析

運用MATLAB軟件對曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中各桿的角位移、角速度和角加速度的運動變化規(guī)

律進(jìn)行分析。編制程序進(jìn)行仿真，繪制出了模擬曲線。如圖1-5所示。

4.結(jié)論

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)搖桿為圖1-5所示位置時，AB為曲柄、BC為連桿、CD為搖桿，四桿機(jī)構(gòu)運動較平穩(wěn)，回程時急回特性不太明顯，但速度和加速度的曲線波動較大。

通過分析得到機(jī)構(gòu)的傳力性能常用傳動角γ來限定，為了保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳動性能， 一般要求γ≥40°。傳動角γ的大小隨機(jī)構(gòu)運動位置變化而變化，所以為了省力，四桿機(jī)構(gòu)運動時應(yīng)使工作行程的傳動角接近最大值γ。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 張靜，馬俊麗等. MATLAB在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2007.5.

作者簡介：

張海霞（1985.7—），女，河北省保定市博野縣人，保定市河北科技學(xué)院 機(jī)械設(shè)計及理論專業(yè) 教師