郭 麗，暢國勇

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023;2.南京汽輪電機(jī)有限公司，江蘇 南京 210037)

1 引言

發(fā)動機(jī)汽缸是一種典型的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，又是絕大多數(shù)動力機(jī)械的動力源，發(fā)動機(jī)的質(zhì)量與性能的優(yōu)劣決定了整臺機(jī)械的運(yùn)行，堪稱汽車、輪船以及飛機(jī)的心臟[1]。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是機(jī)械結(jié)構(gòu)中較常見機(jī)構(gòu)之一，其結(jié)構(gòu)簡單，由曲柄、連桿和滑塊通過3個轉(zhuǎn)動副和1個移動副連接形成，機(jī)構(gòu)的自由度為1，其輸出效率較高，只需在曲柄上施加作用力或力矩，即可使機(jī)構(gòu)做往復(fù)循環(huán)運(yùn)動，在活塞上輸出周期性動力[2]。

在機(jī)構(gòu)仿真分析技術(shù)出現(xiàn)之前，設(shè)計者需要將產(chǎn)品模型放入到實(shí)際工作中進(jìn)行驗證，再根據(jù)結(jié)果來修正模型。這些工作無疑浪費(fèi)了大量的時間、財力和人力。Pro/E軟件為機(jī)構(gòu)提供了仿真分析功能，其中的機(jī)構(gòu)分析模塊Mechanism，可以進(jìn)行裝配的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析和仿真，能夠大大簡化機(jī)構(gòu)的設(shè)計開發(fā)過程，縮短其開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析

圖1是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動示意圖。OA為曲柄，且OA=R;AB為連桿，且AB=L。運(yùn)動時，OA以等角速度ω作順時針方向整周轉(zhuǎn)動，A點(diǎn)作上下的往復(fù)移動。對應(yīng)活塞在上止點(diǎn)B1位置時，α=0°;活塞在下止點(diǎn) B2位置時，α=180°。

圖1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動示意圖

2.2 活塞運(yùn)動方程建立

由圖1可知，活塞的位移方程為:

經(jīng)整理可得到活塞的位移方程為:

設(shè)α=ω·t，ω為曲軸的角速度，設(shè) ω為勻速，則[3]:

3 三維實(shí)體建模與裝配

將組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的各元件使用三維實(shí)體建模模塊創(chuàng)建好后，存放在同一工作目錄下。創(chuàng)建一個.asm文件，首先將曲軸(曲柄)放置于缸體(機(jī)架)內(nèi)，并將曲柄與連桿的鉸鏈連接設(shè)置為銷釘連接;接著通過圓柱銷連接活塞與連桿，并將此處的鉸鏈連接設(shè)置為銷釘連接;最后將活塞與汽缸的連接設(shè)置為滑動桿連接，裝配好的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 發(fā)動機(jī)活塞機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型

4 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析

在Pro/E的Mechanism模塊下，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真主要通過3個步驟進(jìn)行:①對裝配好的機(jī)構(gòu)模型建立伺服馬達(dá)，使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定形式的運(yùn)動;②運(yùn)行一個機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析，產(chǎn)生可視化的機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程，保存運(yùn)動分析結(jié)果;③進(jìn)行分析測量，得到分析測量圖形，同時輸出分析結(jié)果。

4.1 設(shè)置驅(qū)動

驅(qū)動是機(jī)構(gòu)的動力源，和電動機(jī)一樣能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動力。在此選取曲軸與連桿的銷釘連接軸作為旋轉(zhuǎn)中心[4]，設(shè)定初始角為 0(°)，伺服電動機(jī)速度為180(°)/s，即每 2 s轉(zhuǎn) 1 周。

4.2 運(yùn)動模擬

完成機(jī)構(gòu)的連接和驅(qū)動的設(shè)置后，通過為運(yùn)動設(shè)置一定的條件及環(huán)境，就可進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析。在“分析定義”對話框中，選擇“類型”為“運(yùn)動學(xué)”，設(shè)置開始時間為0，結(jié)束時間為6 s，在6 s內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過3周。點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，系統(tǒng)即開始運(yùn)行分析，同時可觀察到機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況。

4.3 獲取分析結(jié)果

利用Pro/E中的測量功能，建立活塞的位移、速度、加速度與時間的關(guān)系，對其位移、速度、加速度進(jìn)行分析。首先設(shè)置位置分析，單擊新建測量按鈕，在類型選項組中選擇位置選項，選取活塞與連桿的連接軸的軸線為分析點(diǎn);適用同樣的方法添加速度、加速度選項。然后選中所有要分析項，點(diǎn)擊結(jié)果表里面的動態(tài)分析，勾選分別繪制測量圖形，點(diǎn)擊左上角的繪制選定結(jié)果及所選測量圖形，就可形成活塞的位移、速度、加速度隨時間的變化曲線，如圖3～5所示。

圖3 活塞的位移隨時間的變化規(guī)律曲線

圖4 活塞的速度隨時間的變化規(guī)律曲線

圖5 活塞的加速度隨時間的變化規(guī)律曲線

5 結(jié)論

(1)通過對活塞運(yùn)動方程的分析，將已知條件R=16 mm，L=35 mm帶入位移方程，可以得到其位移的變化范圍為0～32 mm之間。

(2)通過Pro/E的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真輸出的圖形可以看出:活塞的行程范圍為0～32 mm，仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果一致;速度和加速度變化規(guī)律符合實(shí)際運(yùn)動規(guī)律。

(3)從以上的分析過程可知，運(yùn)用Pro/E三維軟件，可以更加形象、直觀地模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，并且可以觀察到任何時刻的運(yùn)動狀態(tài)，使得整個機(jī)構(gòu)的仿真過程更加精確和高效，為發(fā)動機(jī)理論的研究提供了新的思路。

(4)仿真技術(shù)的應(yīng)用使在設(shè)計的初期便能準(zhǔn)確掌握機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)，避免了通過制作樣機(jī)來驗證設(shè)計的合理性，有效解決了反復(fù)投入資金制造樣機(jī)的問題，極大地降低了生產(chǎn)成本，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期[5]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，必將會帶來很好的市場效益，具有廣泛的應(yīng)用價值。

[1]李 凱.發(fā)動機(jī)汽缸的動態(tài)仿真和工程分析[J].茂名學(xué)院學(xué)報，2009，19(6):22－24.

[2]王 果，衛(wèi)瑞元，胡繼雪，等.基于Pro/E的曲柄活塞機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真分析[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(工科版)，2012，32(4):66－70.

[3]馬成習(xí).基于Pro/E的發(fā)動機(jī)活塞運(yùn)動仿真分析[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2008，35(4):66－67.

[4]蔡曉君，羅福華.基于Pro/E MECHANIC MOTION的活塞壓縮機(jī)運(yùn)動仿真[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2006(5):24－26.

[5]戴士杰，侯建英，管嘯天，等.基于Pro/E的活塞機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真及應(yīng)用[J].仿真技術(shù)，2008(11):273－275.