楊 青

（江海職業(yè)技術學院，江蘇 揚州 225101）

0 引言

SolidWorks軟件是美國達索公司在Windows平臺下開發(fā)的計算機輔助設計類（CAD）軟件，具有功能強大和操作簡單方便等優(yōu)點，基本模塊為零件建模、裝配和工程圖生成模塊，還配置了運動仿真分析和有限元等插件，可對設計的零件部件進行相關分析和優(yōu)化設計[1]。在SolidWorks2012中自帶了Motion插件無縫集成了裝配體運動仿真、干涉檢查等實用功能，通過Motion運動仿真和分析，可以有效降低產品的制造成本及縮短產品開發(fā)周期，設計分析可快速地了解產品的可行性[2]。本文以典型的平面四桿機構-單缸內燃機為例，對單缸內燃機結構進行分析，并簡化出機構簡圖，采用SolidWorks軟件進行零件的建模和裝配，最后運用Solidworks Motion插件對內燃機簡化機構進行仿真，得出活塞的相關運動參數(shù)，為其結構優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 單缸內燃機結構分析

內燃機為交通運輸工具中常用的動力源，通過汽油、柴油的燃燒產生熱能，熱能再轉化成旋轉的機械能輸出。單缸內燃機不考慮進氣、噴油等結構，其主要由曲軸、活塞、連桿、機架和連接銷軸構成，見圖1.單缸內燃機為曲柄滑塊機構，簡化如圖2，活塞簡化為構件1滑塊，連桿簡化為構件2，曲軸簡化為構件3，構件4為機架，通過滑塊1的上下移動帶動曲軸3的旋轉運動，本文設曲柄3的長度為30 mm，連桿2的長度為120 mm，來進行建模仿真。

圖1 單缸內燃機示意圖

圖2 簡圖-曲柄滑塊機構

2 單缸內燃機零件建模和裝配

2.1 零件建模

根據(jù)單缸內燃機的結構分析，需要設計的零件為5個部分：曲軸、活塞、連桿、機架和連接銷軸。其中曲軸和連桿的長度已知，活塞和連接銷軸設計成圓柱體，大小影響不大，自定義。機架設計時有兩個部分組成，一是活塞的缸體，尺寸根據(jù)活塞定，為了更好地呈現(xiàn)，設計成一半；二是固定曲軸處。

SolidWorks軟件對零件的建模主要采用拉伸、旋轉、掃描、放樣等特征命令來完成。單缸內燃機的主要零件三維建模見圖3.

圖3 單缸內燃機各零件實體圖

2.2 裝配

所謂的“裝配”，就是根據(jù)事先制定的技術要求，將產品各個零部件組裝在一起，使之成為完整產品模型的過程[3]。在完成了單缸內燃機各個零件建模后，進行單缸內燃機的裝配，如圖4所示，具體步驟如下。

圖4 單缸內燃機裝配體

1）新建“裝配體”，插入一個零部件，其中，第1個插入的零件為整個裝配體的基礎，且SolidWorks軟件默認其為固定零件[4]。分析單缸內燃機機構，首先插入零部件為機架。

2）采用重合、平行、同軸等配合關系，依次插入曲軸、連桿、聯(lián)接銷軸和活塞，這四個零件進行裝配。

3 單缸內燃機運動仿真

3.1 添加馬達

單擊布局選項卡中的“運動算例1”，再單擊“馬達”按鈕，對“馬達”屬性管理器進行參數(shù)設置。選擇馬達類型為旋轉馬達，單擊曲軸一段的圓柱面，設置馬達的位置為曲軸，馬達運行的方向為逆時針方向，曲軸為等速旋轉運動，設定旋轉的速度為50 r/min，

完成添加馬達和參數(shù)的設置，見圖5、圖6.

圖5 馬達參數(shù)設置

圖6 馬達的添加位置和方向

3.2 運動仿真結果

運動仿真為曲軸的旋轉運動，通過連桿，驅動活塞做上下直線往復運動，運動仿真結果求解的對象為活塞，活塞X、Y方向無法運動，所有只求解為Z軸分量，對活塞Z軸方向的位移、速度和加速度進行仿真求解。

點擊“運動算例屬性”按鈕，在彈出的“結果”管理器中，求解位移、速度和加速度，如圖7、圖8、圖9.

圖7 活塞的位移曲線圖

圖8 活塞的速度曲線圖

圖9 活塞的加速度曲線圖

對活塞的位移、速度和加速度曲線進行分析，得出表1.

表1 單缸內燃機關鍵尺寸及運動仿真參數(shù)

4 結論

對仿真結果進行分析，此單缸內燃機運動周期為1.2 s，在0.3 s～0.9 s之間是空回程，0.9 s～1.5 s之間是做功階段。0.3 s和1.5 s節(jié)點時，活塞運動到最低點位置，這時活塞從向下運動轉變成向上運動，此時速度為0，加速度方向為向上，達到最大值542 mm/s2；0.9 s節(jié)點時，活塞運動到最高點，這時活塞從向上運動轉變成向上運動，此時速度為0，加速度方向為向下，達到最大值821 mm/s2，符合單缸內燃機的實際情況。

在實際工作中，工程技術人員若通過修正有關機構的關鍵尺寸，即可得出不同的運動結果參數(shù)，再結合相關的力學仿真結果，所求解出的參數(shù)為該機構的應用提供了理論依據(jù)，通過這些參數(shù)可以設計出最為優(yōu)化的機構模型。

[1]張晉西，郭學琴.SolidWorks及COSMOSMotion機械仿真設計[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2]張晉西，蔡 維，譚 芬.SolidWorks Motion機械運動仿真實例教程[M].北京：清華大學出版社，2013.

[3]孔 璇，祝成峰，蘇 暢.SolidWorks2014案例教程[M].上海：上海交通大學出版社，2015.

[4]呂欽松.SolidWorks Motion在千斤頂設計中的應用[J].新技術新工藝，2014（3）：48-50.