何毅斌，胡榮博，劉 慧，楊兵寬，張 雨

（武漢工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢430073）

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的演化形式，由曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)之間是低副連接，在承受同樣載荷的條件下壓強(qiáng)較低，因而可以傳遞較大的動(dòng)力；由于構(gòu)件之間的接觸面是圓柱或者平面，加工、制造比較容易，能獲得較高的精度，所以在內(nèi)燃機(jī)、沖床、空壓機(jī)中有廣泛的應(yīng)用［1－2］。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)的主體構(gòu)件，所以研究曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)有重要意義。

1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程建立

如圖1所示是一對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，以AB為主動(dòng)件，即作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。l1是AB桿的長(zhǎng)度，l2為BC桿的長(zhǎng)度，AB桿以勻速ω1轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)連桿BC的角位移為φ2，角速度為ω2，角加速為a2?；瑝K的位置為xc，位移為S，速度為vc，加速度為ac。以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立xoy坐標(biāo)系。

圖1 曲柄滑塊的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

建立機(jī)構(gòu)的封閉向量方程

在x、y軸上的投影方程為

由式（2）得

將式（3）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得

將式（4）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得

當(dāng)滑塊φ1＝0時(shí)，滑塊位移

將式（6）代入式（1）整理得

將式（6）分別對(duì)時(shí)間t進(jìn)行一次和二次求導(dǎo)，并簡(jiǎn)化整理得

2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

利用ADAMS建立圖1所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型［3－4］（圖2）。已知某內(nèi)燃機(jī)中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄長(zhǎng)200mm、連桿長(zhǎng)500mm，根據(jù)其活塞運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，給曲柄AB桿添加60度／秒的驅(qū)動(dòng)［6－7］。為了測(cè)量一個(gè)周期內(nèi)的滑塊的速度與加速度，設(shè)置曲柄運(yùn)動(dòng)周期為6s，步長(zhǎng)為100。

圖2 曲柄滑塊的虛擬樣機(jī)模型

由于不同長(zhǎng)度的曲柄以及連桿都將會(huì)影響內(nèi)燃機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中滑塊活塞的性能，為此，分別就改變曲柄、連桿的長(zhǎng)度，對(duì)滑塊的影響進(jìn)行研究。只改變曲柄AB長(zhǎng)度，不改變連桿BC長(zhǎng)度500mm，進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 曲柄AB不同長(zhǎng)度時(shí)的滑塊速度和加速度

不改變曲柄AB長(zhǎng)度200mm，只改變連桿BC長(zhǎng)度500mm，進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。獲得的圖中，實(shí)線(xiàn)表示速度曲線(xiàn)，虛線(xiàn)表示加速度曲線(xiàn)。

圖4 連桿BC不同長(zhǎng)度時(shí)的滑塊速度和加速度

3 仿真數(shù)據(jù)分析

將以上數(shù)據(jù)得到的滑塊速度、加速度的最大值、最小值列入表1、表2。

表1 只改變曲柄的長(zhǎng)度，不改變連桿長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)

表2 不改變曲柄的長(zhǎng)度，只改變連桿長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)

通過(guò)分析表1、2的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，改變曲柄的長(zhǎng)度，對(duì)滑塊的速度和加速度有較顯著的影響，而改變連桿的長(zhǎng)度，對(duì)滑塊的速度和加速度的影響較小。表1數(shù)據(jù)表明，曲柄轉(zhuǎn)速一定，曲柄長(zhǎng)度的選取對(duì)滑塊加速度的影響非常大，從而對(duì)滑塊動(dòng)載荷影響大，影響整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

此外，從圖3，圖4可看到，滑塊在近半個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中，其加速度處于一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的階段。

4 小結(jié)

本文利用ADAMS軟件，建立了內(nèi)燃機(jī)曲柄滑塊的虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真研究，仿真結(jié)果表明：曲柄大小的改變對(duì)滑塊的速度和加速度有較顯著的影響，而連桿影響較小；此外，在曲柄轉(zhuǎn)速一定時(shí)，滑塊加速度在近半個(gè)運(yùn)動(dòng)周期時(shí)間內(nèi)基本保持穩(wěn)定。這些結(jié)果對(duì)以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為原型的設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)研制具有參考價(jià)值。

［1］ 竟含晨，吳文挽，吳耀權(quán)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析［J］.電子制作，2013（21）：29－29.

［2］ 孫 恒，陳作模，葛文杰，機(jī)械原理［M］.第七版.北京：高等教育出版社，2006.

［3］ 高廣娣，典型機(jī)械機(jī)構(gòu)ADAMS仿真應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［4］ 李增剛，ADAMS入門(mén)詳解與實(shí)例［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

［5］ 高 奇，基于Pro／E的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2011（04）：45－47.

［6］ 周 展，張 鋼，林富生，基于 Matlab和ADMAS的四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真［J］.軟件導(dǎo)刊，2011（09）：102－103.

［7］ 陳賽克，劉江濤，綜合考慮運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2007，31（06）：43－45.