黃經(jīng)元,王淑芳,賈穎蓮,廖東旺
(1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,九江 332007;2.江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系,南昌 330013 3.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,南昌 330013)
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是機(jī)械中常見的一種機(jī)構(gòu),其作用是將曲柄的等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)制造容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、速度快,因此廣泛應(yīng)用于空壓機(jī)、沖床、發(fā)動(dòng)機(jī)、儀表機(jī)構(gòu)中。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)屬于低副機(jī)構(gòu),低副接觸兩元素之間不易產(chǎn)生磨損,故可以承受較大的載荷,因此在重型機(jī)械中也得到了廣泛應(yīng)用。
本文以比較典型的單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例來論述曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在Pro/E軟件中的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析過程。
單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是通過曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),借助連桿把動(dòng)力傳遞給活塞,利用活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng),使汽油與空氣在密閉容器(如氣缸)混合、燃燒、膨脹、做功,并將熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能機(jī)械的。單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機(jī)構(gòu)等零部件組成,其中氣缸是汽油和空氣的混合氣體進(jìn)行燃燒釋放熱能,并將熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的地方。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)沖程的循環(huán)來不斷地產(chǎn)生動(dòng)力。通過分析,曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過連桿轉(zhuǎn)化成活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng),這種機(jī)構(gòu)就是機(jī)械原理中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。因此,根據(jù)機(jī)械原理的知識(shí)可以得到被研究對(duì)象單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)工作原理圖的數(shù)學(xué)模型,如圖1所示。
圖1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
圖中零件“1”即曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的曲柄,相當(dāng)于單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸;零件“2”即連桿;零件“3”即滑塊,相當(dāng)于活塞;零件“4”即機(jī)架,相當(dāng)于氣缸。
單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型建立之后,即可使用Pro/E的運(yùn)動(dòng)仿真模塊Mechanism進(jìn)行仿真分析,但此前需要使用計(jì)算機(jī)三維參數(shù)化的軟件設(shè)計(jì)完成待仿真的零部件。首先須了解Pro/E的運(yùn)動(dòng)仿真流程和方法(圖2),方可熟練地使用該軟件的運(yùn)動(dòng)仿真模塊。
圖2 仿真分析流程圖
對(duì)零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)就不再贅述,這里主要討論曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析。
在Pro/E軟件中進(jìn)行曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真有兩個(gè)關(guān)鍵的步驟:其一是創(chuàng)建機(jī)構(gòu),其二是添加驅(qū)動(dòng)器。惟如此,才有可能仿真成功。
在Pro/E軟件中創(chuàng)建曲柄滑塊機(jī)構(gòu)主要有三個(gè)主要的步驟。
步驟一、裝配機(jī)架。
在Pro/E軟件的裝配模塊Assembly 的主界面中,選擇主菜單【插入】→【元件】→【裝配】,在彈出的【打開】對(duì)話框中選取裝配到機(jī)構(gòu)中的第一個(gè)零件“Qgang”(即氣缸,該名稱由用戶自行定義,下同),調(diào)入該零件到繪圖區(qū)。在【裝配操控板】選擇常規(guī)裝配類型中的“缺省”,即將氣缸定義為機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)主體(即機(jī)架)。這種裝配方式也是我們通常完成裝配體所用的方法。
步驟二、創(chuàng)建“銷釘”連接(銷釘連接只有一個(gè)自由度,可圍繞指定軸旋轉(zhuǎn))。
創(chuàng)建“銷釘”連接是進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的關(guān)鍵,同時(shí)方法也與創(chuàng)建機(jī)架不同,因此這里作特別的說明。
在機(jī)架創(chuàng)建完成之后,在裝配主界面繼續(xù)選擇【插入】→【元件】→【裝配】,在彈出的【打開】對(duì)話框中選取裝配到機(jī)構(gòu)中第二個(gè)零件“Qzhou”(即曲軸)后,調(diào)入該零件到繪圖區(qū)(這跟前面裝配機(jī)架是相同的),在彈出的【裝配操控板】,需要選擇【預(yù)定義】的連接集中的【銷釘】連接方式,按照要求即可完成曲軸的“銷釘”連接,如圖3所示。其中1所指示的是裝配完成的氣缸,2是曲軸。
圖3 創(chuàng)建“銷釘”連接
采用同樣的方法創(chuàng)建第二個(gè)“銷釘”連接,裝配零件“Lgan”(即連桿)。至此,在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)“銷釘”連接已經(jīng)創(chuàng)建完成。
步驟三、創(chuàng)建“圓柱”連接(圓柱連接,具有一個(gè)平移自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度,允許構(gòu)件沿指定的軸平移并繞該軸旋轉(zhuǎn))。
在裝配的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中,繼續(xù)裝配零件“Hsai”(即活塞),使該零件采用“圓柱”連接方式。這種連接方式不同于其他連接的地方是在彈出的【裝配操控板】的【預(yù)定義】的連接集中選擇【圓柱】連接方式。同時(shí)按照【圓柱】連接的要求選擇零件“Hsai”的軸線A_2和零件“Lgan”的軸線A_1即可完成活塞的【圓柱】連接。采用同樣的方法完成氣缸和活塞的“圓柱”連接。
最后按照裝配類型中的“缺省”裝配完成零件“汽缸蓋”的裝配。至此單活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)創(chuàng)建完成。如圖4所示,其中3是活塞,4是連桿。
圖4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)創(chuàng)建完成之后,需要使用Pro/E軟件的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模塊Mechanism觀察并記錄分析或測(cè)量對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)動(dòng)中的諸如位置、速度、加速度或力等參數(shù),然后以圖形的形式表示這些測(cè)量結(jié)果,使設(shè)計(jì)者能夠更加簡(jiǎn)便、直觀地了解設(shè)計(jì)的結(jié)果。
3.2.1 創(chuàng)建伺服電機(jī)
為了驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)能夠在Pro/E軟件中進(jìn)行正常工作,必須在機(jī)構(gòu)中添加動(dòng)力源——伺服電機(jī)。創(chuàng)建的方法是在裝配完成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的Pro/E軟件的主界面中選擇菜單【應(yīng)用程序】→【機(jī)構(gòu)】,進(jìn)入Pro/E軟件的機(jī)構(gòu)模塊操作界面。在機(jī)構(gòu)模塊中選擇菜單【插入】→【伺服電機(jī)】,在彈出的對(duì)話框中作相應(yīng)的設(shè)置即可完成伺服電機(jī)的創(chuàng)建。
3.2.2 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
在Pro/E軟件的主界面選擇菜單【分析】→【機(jī)構(gòu)分析】,在彈出的“分析定義”對(duì)話框中定義好運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的“類型”、添加第一步驟中創(chuàng)建的“伺服電機(jī)”等相關(guān)的信息后,單擊該對(duì)話框中的“運(yùn)行”按鈕,機(jī)構(gòu)就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
選取主菜單中的【分析】→【測(cè)量】命令,在彈出的“測(cè)量結(jié)果”對(duì)話框中,選擇“新建”按鈕,在緊接著彈出的“測(cè)量定義”對(duì)話框中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置,如圖5所示。
圖5 “測(cè)量定義”對(duì)話框
在“測(cè)量結(jié)果”對(duì)話框中選擇“繪制選定結(jié)果集所選測(cè)量的圖形”按鈕,系統(tǒng)就會(huì)在“圖形工具”窗口中顯示測(cè)量的結(jié)果。
另外,運(yùn)動(dòng)仿真分析可以保存為回放文件,利于設(shè)計(jì)者和用戶日后查看機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析的結(jié)果。
圖6 測(cè)量結(jié)果
在Pro/E軟件提供的虛擬環(huán)境中,設(shè)計(jì)者可以借助計(jì)算機(jī)中的三維參數(shù)化實(shí)體模型,在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境中對(duì)虛擬裝配機(jī)構(gòu)進(jìn)行全方位的仿真分析,該軟件還能夠?qū)C(jī)構(gòu)中零部件是否存在干涉進(jìn)行檢測(cè),使設(shè)計(jì)者及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的零部件間哪些地方存在不足。同時(shí)軟件能夠記錄分析或測(cè)量對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)動(dòng)中的某些參數(shù),然后以圖形的形式表示這些測(cè)量結(jié)果,使設(shè)計(jì)者甚至客戶能夠更加簡(jiǎn)便、直觀地了解設(shè)計(jì)的各種信息,從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中潛在的缺陷和不足,由此縮短了開發(fā)周期,減少了開發(fā)費(fèi)用,提高了經(jīng)濟(jì)效益。
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