一種基于SolidWorks的偏置曲柄滑塊機構設計方法及特性分析

劉帥 賈俊良 郝繼紅 秦涵 梁美芹 孫哲

摘 要：偏置曲柄滑塊機構作為一種常用的急回機構，在工程中得到廣泛的應用。為了提高偏置曲柄滑塊機構的設計精度和設計效率，通過對傳統設計方法的剖析，再結合幾何原理，提出了一種基于SolidWorks三維軟件的偏置曲柄滑塊機構的設計方法和特征分析。此方法操作簡單，運算速度快，可以較快而又精確地設計出所需的曲柄滑塊機構。

關鍵詞：急回特性;曲柄滑塊機;SolidWorks

曲柄滑塊機構廣泛應用于工程實際中，在往復活塞式發動機、壓縮機、沖床等機構中廣泛應用，往復活塞式發動機以活塞為主動件，把往復移動轉換為不整周或整周的回轉運動;壓縮機、沖床以曲柄為主動件，把整周轉動轉換為往復移動[1]。偏置曲柄滑塊機構的滑塊具有急回特性，本文利用SolidWorks軟件基于曲柄滑塊機構設計原理對急回機構進行設計，并進行三維建模，建模完成后利用SolidWorks motion插件對模型進行仿真和特征分析，此種設計方法可以有效降低產品的制造成本、縮短產品開發周期，并可使設計者快速地了解產品的可行性。

1偏置曲柄滑塊機構設計原理

偏置曲柄滑塊機構作為平面四桿機構的一類，其設計跟平面四桿機構類似，用圖解法、解析法或實驗法即可確定機構運動簡圖的尺寸參數[2]。當按給定的急回要求設計時，其設計原理為：若給定滑塊的行程H和行程速比系數K和偏距e，由給定條件可得極位夾角，利用3點確定一個圓的原理，可確定過AC'C"三點的一個圓（其中C'C"為滑塊極限位置），可知圓心O在C'C"的垂直平分線上，其次利用圓周角等于同弧所對的圓心角一半的幾何原理，可知且滑塊極限位置C'C"與OC"的夾角為90°-θ，通過偏距e可知可知機架鉸鏈點A與滑塊極限位置的水平距離為e，此原理可確定偏置曲柄滑塊機構的確定解。此時AC'為連桿與連架桿的和值，AC"為連桿與連架桿的差值。

由圖 1所示，設連架桿AB長度為a，連桿BC長度為b，因此，b+a的值AC'，b-a的值AC"。傳統方法為利用直尺進行測量出AC'與AC"的長度，進行數學運算得出連桿和連架桿的長度。即：

或者通過解析法求解，用解析法設計曲柄滑塊機構時，首先需建立包括機構各尺寸參數和運動變量在內的解析式，然后根據已知的運動變量求機構的尺寸參數。偏置曲柄滑塊機構以平面幾何的三角形余弦定理和三角形面積公式為核心，通過設定未知數，建立方程組來求得連架桿和連桿的長度。

在三角形AC'C"中進行分析，根據余弦定理得：

根據三角形面積公式得：

公式（3）和公式（4）中H、e、θ為已知，a、b為未知，可將公式（3）和公式（4）組成方程組求出a、b。

由上述方法可知，當利用直尺直接測量時，限于直尺精度和測量人員的不穩定性，直尺測量出的AC'與AC"長度會有較大誤差，因此求出的結果會有較大誤差，而利用解析法求解時，計算步驟較為繁瑣，求解較困難。

2 SolidWorks軟件簡介

SolidWorks是基于Windows平臺的三維設計軟件，是由達索系統下的子公司SolidWorks公司研制開發的。它是基于PARASOLID幾何造型核心，采用VC++編程和面向對象的數據庫來開發的具有基于特征的參數化實體造型、復雜曲面造型、實體與曲面融合、基于約束的裝配造型等一系列先進的三維設計功能及工具，所具有的特征管理器，使復雜零部件的細節和局部設計安排條理清晰，操作簡單;它采用了自頂向下的設計方法，設計數據100%可以編輯，尺寸、相互關系和幾何輪廓形狀可以隨時修改;它的全相關技術使得零部件之間和零部件與圖紙之間的更新完全同步：它支持IGES、DXF、STEP、DWG、ASC等多種數據標準，可以很容易地將目前市場上幾乎所有的機械CAD軟件集成到設計環境中來[3]。目前，SolidWorks已經成為微機平臺上的主流三維設計軟件之一。SolidWorks motion是SolidWorks軟件中的一個功能強大的仿真計算插件，它使用計算能力強大的動力求解器，可以在計算中添加各類屬性，可用于精確模擬和分析裝配體上的運動狀態，還可使用它描述模擬結果供進一步分析。SolidWorks motion 仿真分析的基本流程首先是對機構進行建模，得到裝配體后通過對模型添加定義和約束，并對其施加力和驅動，建立一個完善的接近于真實的系統，進行分析仿真，最后處理分析結果并得出結論。

3 利用SolidWorks草圖功能求解

根據偏置曲柄滑塊機構幾何設計原理，利用SolidWorks軟件進行作圖繪制[4]，例如給定條件e=100mm，行程H=180mm，行程速比系數K=1.4，根據極位夾角計算公式可得極位夾角θ=30°。圖 2所示為SolidWorks軟件中利用草圖求連架桿和連桿等參數尺寸設計圖，其中給定C'C"為行程H=180mm，偏心距為C'C"距離直線l的距離為100mm，C'C"與OC"的夾角為90-θ=60°，利用SolidWorks軟件具有的約束關系，使C'D=AC"，并作AD的垂直平分線交AD于點B，AB為連架桿的長度，C'B為連桿長度，由圖可知，可直接根據SolidWorks軟件測量出AB=75.42mm。C'B=204.18mm。

4 利用SolidWorks進行三維建模

根據所求尺寸，利用SolidWorks軟件進行三維模型建模，建模的基本思路是：選取基準面，創建零部件草圖，標注幾何尺寸，確定幾何關系;選取草圖上的邊、面，應用拉伸、旋轉、倒角、抽殼等特征命令生成三維特征，最終完成零部件三維模型的創建;確定配合關系和裝配次序，根據零部件間的位置關系選擇配合種類，對于結構比較簡單的產品可快速一次性地完成裝配，對于由較多零部件構成的復雜產品，通常是將產品按結構關系分成一個個子裝配體，先進行子裝配體的裝配，再按照順序完成整個產品的裝配。本文通過設計和建模過程對連架桿、連桿、機架鉸鏈以及滑塊等三維模型后進行裝配，裝配如圖3所示：

5 利用SolidWorks motion插件進行驗算和特征分析

在SolidWorks軟件中加入motion插件，利用SolidWorks軟件中運動算例進行運動分析，設置連架桿與機架鉸鏈鉸接點位置為旋轉馬達位置，設置等速運動為60PRM;

參數設置完成后進行仿真，設置仿真時間為6s，利用motion模塊進行計算，計算完成后可得出結果和圖解，圖4所示為滑塊隨時間位移圖，通過圖4可知滑塊的最小位移數值為102.26mm，最大位移數值為282.59mm，故滑塊的總行程為180.33mm，推程和回程所用時間為0.41s、0.57s，求得行程速比系數K=1.39。根據分析可知設計的參數符合一開始給定的初始條件。

此外，可利用motion模塊對其他結果進行分析，圖5、圖6分別為滑塊隨時間變化速度圖和滑塊隨時間變化加速度圖，通過滑塊隨時間變化位移、速度、加速度圖可以看出，滑塊的運動為周期性運動，當速度為0時，滑塊到達極限位置點，當加速度為0時，滑塊速度到達最大和最小值點，符合運動規律。

6 結束語

本文通過對偏置曲柄滑塊機構根據設計原理利用SolidWorks軟件進行作圖設計，利用SolidWorks線型之間的互相約束以及測量可直接得出所需尺寸，省去了傳統解析方法中的計算過程，為偏置曲柄滑塊機構尺寸參數等的計算進行提供了一種新的設計思路，得出參數后利用SolidWorks軟件進行三維建模和裝配，同時利用SolidWorks motion插件進行仿真和特征分析，通過特征分析可判別初始條件是否符合設計要求。此設計方法能夠為工程技術人員提供模擬仿真的理論依據，縮短設計制造周期，提升工程技術人員的工作效率。

參考文獻

[1]陳然.內燃機曲柄連桿機構的力學行為分析[D].西安：中北大學，2015.

[2]范思沖.機械基礎[M].北京：機械工業出版社，2014.

[3]衛江紅.基于SolidWorks的連桿機構的運動分析和仿真[D].大連：大連理工大學，2005.

[4]趙罘.SolidWorks2016機械設計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2016.

基金項目：

北京電子科技職業學院校級課題《基于計算機技術的連桿機構教具的設計和制作》;項目編號：2021Z038-KXY。

作者簡介：

劉帥（1991-），男，碩士，山東棗莊人，工程師，研究方向：非標機械設計。