劉帥 賈俊良 郝繼紅 秦涵 梁美芹 孫哲

摘 要：偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為一種常用的急回機(jī)構(gòu)，在工程中得到廣泛的應(yīng)用。為了提高偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)效率，通過對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的剖析，再結(jié)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和特征分析。此方法操作簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快，可以較快而又精確地設(shè)計(jì)出所需的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：急回特性;曲柄滑塊機(jī);SolidWorks

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中，在往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、沖床等機(jī)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)以活塞為主動(dòng)件，把往復(fù)移動(dòng)轉(zhuǎn)換為不整周或整周的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);壓縮機(jī)、沖床以曲柄為主動(dòng)件，把整周轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)移動(dòng)[1]。偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊具有急回特性，本文利用SolidWorks軟件基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理對(duì)急回機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行三維建模，建模完成后利用SolidWorks motion插件對(duì)模型進(jìn)行仿真和特征分析，此種設(shè)計(jì)方法可以有效降低產(chǎn)品的制造成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，并可使設(shè)計(jì)者快速地了解產(chǎn)品的可行性。

1偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為平面四桿機(jī)構(gòu)的一類，其設(shè)計(jì)跟平面四桿機(jī)構(gòu)類似，用圖解法、解析法或?qū)嶒?yàn)法即可確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的尺寸參數(shù)[2]。當(dāng)按給定的急回要求設(shè)計(jì)時(shí)，其設(shè)計(jì)原理為：若給定滑塊的行程H和行程速比系數(shù)K和偏距e，由給定條件可得極位夾角，利用3點(diǎn)確定一個(gè)圓的原理，可確定過AC'C"三點(diǎn)的一個(gè)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(duì)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(jī)架鉸鏈點(diǎn)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(jī)構(gòu)的確定解。此時(shí)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(shè)連架桿AB長度為a，連桿BC長度為b，因此，b+a的值A(chǔ)C'，b-a的值A(chǔ)C"。傳統(tǒng)方法為利用直尺進(jìn)行測(cè)量出AC'與AC"的長度，進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)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(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)時(shí)，首先需建立包括機(jī)構(gòu)各尺寸參數(shù)和運(yùn)動(dòng)變量在內(nèi)的解析式，然后根據(jù)已知的運(yùn)動(dòng)變量求機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)。偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)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(shè)定未知數(shù)，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(jìn)行分析，根據(jù)余弦定理得：

根據(jù)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(dāng)利用直尺直接測(cè)量時(shí)，限于直尺精度和測(cè)量人員的不穩(wěn)定性，直尺測(cè)量出的AC'與AC"長度會(huì)有較大誤差，因此求出的結(jié)果會(huì)有較大誤差，而利用解析法求解時(shí)，計(jì)算步驟較為繁瑣，求解較困難。

2 SolidWorks軟件簡(jiǎn)介

SolidWorks是基于Windows平臺(tái)的三維設(shè)計(jì)軟件，是由達(dá)索系統(tǒng)下的子公司SolidWorks公司研制開發(fā)的。它是基于PARASOLID幾何造型核心，采用VC++編程和面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫來開發(fā)的具有基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型、復(fù)雜曲面造型、實(shí)體與曲面融合、基于約束的裝配造型等一系列先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)功能及工具，所具有的特征管理器，使復(fù)雜零部件的細(xì)節(jié)和局部設(shè)計(jì)安排條理清晰，操作簡(jiǎn)單;它采用了自頂向下的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)100%可以編輯，尺寸、相互關(guān)系和幾何輪廓形狀可以隨時(shí)修改;它的全相關(guān)技術(shù)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(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可以很容易地將目前市場(chǎng)上幾乎所有的機(jī)械CAD軟件集成到設(shè)計(jì)環(huán)境中來[3]。目前，SolidWorks已經(jīng)成為微機(jī)平臺(tái)上的主流三維設(shè)計(jì)軟件之一。SolidWorks motion是SolidWorks軟件中的一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真計(jì)算插件，它使用計(jì)算能力強(qiáng)大的動(dòng)力求解器，可以在計(jì)算中添加各類屬性，可用于精確模擬和分析裝配體上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，還可使用它描述模擬結(jié)果供進(jìn)一步分析。SolidWorks motion 仿真分析的基本流程首先是對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，得到裝配體后通過對(duì)模型添加定義和約束，并對(duì)其施加力和驅(qū)動(dòng)，建立一個(gè)完善的接近于真實(shí)的系統(tǒng)，進(jìn)行分析仿真，最后處理分析結(jié)果并得出結(jié)論。

3 利用SolidWorks草圖功能求解

根據(jù)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)原理，利用SolidWorks軟件進(jìn)行作圖繪制[4]，例如給定條件e=100mm，行程H=180mm，行程速比系數(shù)K=1.4，根據(jù)極位夾角計(jì)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(shù)尺寸設(shè)計(jì)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(guān)系，使C'D=AC"，并作AD的垂直平分線交AD于點(diǎn)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(jù)SolidWorks軟件測(cè)量出AB=75.42mm。C'B=204.18mm。

4 利用SolidWorks進(jìn)行三維建模

根據(jù)所求尺寸，利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維模型建模，建模的基本思路是：選取基準(zhǔn)面，創(chuàng)建零部件草圖，標(biāo)注幾何尺寸，確定幾何關(guān)系;選取草圖上的邊、面，應(yīng)用拉伸、旋轉(zhuǎn)、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(chuàng)建;確定配合關(guān)系和裝配次序，根據(jù)零部件間的位置關(guān)系選擇配合種類，對(duì)于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的產(chǎn)品可快速一次性地完成裝配，對(duì)于由較多零部件構(gòu)成的復(fù)雜產(chǎn)品，通常是將產(chǎn)品按結(jié)構(gòu)關(guān)系分成一個(gè)個(gè)子裝配體，先進(jìn)行子裝配體的裝配，再按照順序完成整個(gè)產(chǎn)品的裝配。本文通過設(shè)計(jì)和建模過程對(duì)連架桿、連桿、機(jī)架鉸鏈以及滑塊等三維模型后進(jìn)行裝配，裝配如圖3所示：

5 利用SolidWorks motion插件進(jìn)行驗(yàn)算和特征分析

在SolidWorks軟件中加入motion插件，利用SolidWorks軟件中運(yùn)動(dòng)算例進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，設(shè)置連架桿與機(jī)架鉸鏈鉸接點(diǎn)位置為旋轉(zhuǎn)馬達(dá)位置，設(shè)置等速運(yùn)動(dòng)為60PRM;

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

此外，可利用motion模塊對(duì)其他結(jié)果進(jìn)行分析，圖5、圖6分別為滑塊隨時(shí)間變化速度圖和滑塊隨時(shí)間變化加速度圖，通過滑塊隨時(shí)間變化位移、速度、加速度圖可以看出，滑塊的運(yùn)動(dòng)為周期性運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度為0時(shí)，滑塊到達(dá)極限位置點(diǎn)，當(dāng)加速度為0時(shí)，滑塊速度到達(dá)最大和最小值點(diǎn)，符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

6 結(jié)束語

本文通過對(duì)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)原理利用SolidWorks軟件進(jìn)行作圖設(shè)計(jì)，利用SolidWorks線型之間的互相約束以及測(cè)量可直接得出所需尺寸，省去了傳統(tǒng)解析方法中的計(jì)算過程，為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)等的計(jì)算進(jìn)行提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，得出參數(shù)后利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模和裝配，同時(shí)利用SolidWorks motion插件進(jìn)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(shè)計(jì)要求。此設(shè)計(jì)方法能夠?yàn)楣こ碳夹g(shù)人員提供模擬仿真的理論依據(jù)，縮短設(shè)計(jì)制造周期，提升工程技術(shù)人員的工作效率。

參考文獻(xiàn)

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[3]衛(wèi)江紅.基于SolidWorks的連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和仿真[D].大連：大連理工大學(xué)，2005.

[4]趙罘.SolidWorks2016機(jī)械設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2016.

基金項(xiàng)目：

北京電子科技職業(yè)學(xué)院校級(jí)課題《基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的連桿機(jī)構(gòu)教具的設(shè)計(jì)和制作》;項(xiàng)目編號(hào)：2021Z038-KXY。

作者簡(jiǎn)介：

劉帥（1991-），男，碩士，山東棗莊人，工程師，研究方向：非標(biāo)機(jī)械設(shè)計(jì)。