曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的典型應(yīng)用分析與運(yùn)動仿真

楊義慧，余波

（貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550001）

機(jī)械制造大類專業(yè)課中的《機(jī)械制造基礎(chǔ)》《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》《發(fā)動機(jī)構(gòu)造與拆裝》等多門課程都涉及到平面連桿機(jī)構(gòu)相關(guān)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)應(yīng)用，《機(jī)械制造基礎(chǔ)》《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程著重于介紹幾種典型的平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理，如曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)等，《發(fā)動機(jī)構(gòu)造與拆裝》課程則側(cè)重于介紹典型機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，這樣導(dǎo)致同一個知識點(diǎn)的理論和實(shí)際應(yīng)用跨分到不同課程，甚至到不同學(xué)科中，教師教授起來不夠全面系統(tǒng)，學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知能力又不足以發(fā)現(xiàn)課程間的相互聯(lián)系，以至于本來相互呼應(yīng)的教學(xué)安排被完全割離。同時，機(jī)械制造類專業(yè)大多開設(shè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)這類課程，如UG、INVENTOR、SLOIDWORKS、Pro/E等。基于以上原因，本文選取inventor軟件，運(yùn)用其中的建模、裝配與運(yùn)動仿真功能，將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的理論和實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合起來，將本知識點(diǎn)系統(tǒng)化、具體化，促進(jìn)不同課程乃至不同專業(yè)間的融合。

1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動原理

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)屬于平面連桿機(jī)構(gòu)中的一種典型運(yùn)動機(jī)構(gòu)，由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演化而來。其中，曲柄作整周的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，滑塊作往復(fù)直線運(yùn)動，兩構(gòu)件都可作為主動件。

2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在發(fā)動機(jī)上的典型應(yīng)用

汽車發(fā)動機(jī)由2大機(jī)構(gòu)、5大系統(tǒng)組成，即曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)，燃油供給系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)，其中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)就是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在發(fā)動機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用。發(fā)動機(jī)是將燃?xì)馊紵a(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)的動能，完成能量轉(zhuǎn)化的主要機(jī)構(gòu)即曲柄連桿機(jī)構(gòu)，即將燃?xì)馊紵a(chǎn)生的壓力作用在活塞頂上，轉(zhuǎn)化為曲軸旋轉(zhuǎn)的動力，并對外輸出做功，這里滑塊作為主動件，帶動曲軸做從動運(yùn)動。

3 柴油機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的建模與運(yùn)動仿真

（1）構(gòu)建零件模型。柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)由曲軸飛輪組、活塞連桿組以及機(jī)體組3個部分組成，其零件結(jié)構(gòu)都屬于典型的箱體類、軸套類、輪盤類、叉架類零件，結(jié)構(gòu)不特殊。因此，在建模環(huán)節(jié)用拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、掃掠4大命令完成基于草圖的特征創(chuàng)建，然后再通過抽殼、打孔、倒角等命令完成細(xì)節(jié)特征的編輯即可。建模過程中，需要注意的是，第一，盡可能將零件的幾何中心定位在坐標(biāo)原點(diǎn)，以便后續(xù)可以直接運(yùn)用坐標(biāo)系的相關(guān)參考，避免重新建立參考；第二，基于各個特征的草圖所在平面，應(yīng)與零件正常放置或者按工作狀態(tài)放置時所處的平面相對應(yīng)，以便于匹配模型所處的空間位置。第三，必要時，多用投影幾何圖元命令，以關(guān)聯(lián)圖元間位置關(guān)系，方便模型更新。

（2）柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)組的虛擬裝配。通過Inventor的裝配模塊，將曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各個零件進(jìn)行裝配。裝配的約束可分為2大類：一類是無連接接口約束，另一類是有連接接口約束。無連接接口的約束主要用于一般的裝配中，通過這種裝配方法裝配的零件不具有自由度，零件之間不能做任何的相對運(yùn)動；有連接接口的約束主要是用于解決各機(jī)構(gòu)以及零件間的相對運(yùn)動。柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)組的運(yùn)動由活塞進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動，曲軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以及飛輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，零件間有相對運(yùn)動，所以采用有接口的約束。在裝配過程中，先將活塞連桿組和曲軸飛輪組分別裝配，最后以曲軸飛輪組為基礎(chǔ)進(jìn)行整體裝配，應(yīng)用到的裝配約束有配合、角度、相切、插入、對稱等。首先，新建一個【Standard．iam】文件進(jìn)入裝配環(huán)境裝配零件。單擊【放置】，放置活塞、連桿、活塞銷、活塞環(huán)，以連桿為基礎(chǔ)，利用Inventor提供的配合、角度、相切、插入、對稱等約束進(jìn)行裝配?；钊B桿組裝配完成后，命名子裝配1并保存。其次，曲軸飛輪組的裝配與裝配1的方法類似，通過添加約束以確保運(yùn)動過程中各部分正確配合便可完成裝配，命名為裝配2。最后，新建一個【Standard．iam】文件，對裝配1、裝配2以及其他零件添加裝配約束，約束完成后便完成虛擬裝配。值得注意的是，在裝配部件中應(yīng)該放置4個活塞連桿組，曲軸須設(shè)置為360°旋轉(zhuǎn)。

（3）拆裝動畫制作。為幫助學(xué)生充分理解曲柄連桿機(jī)構(gòu)組各部分組成以及零件間裝配的關(guān)系，可用Inventor的【表達(dá)視圖】工具，對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的裝配體中的各零件進(jìn)行分解，并制作拆裝動畫。為便于在錄制視頻時容易區(qū)分各零件，所以將所有的零件都上色。拆裝示意圖見圖1，拆裝動畫制作的具體過程如下。

圖1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)組拆裝示意圖

新建一個【Standard．ipn】文件進(jìn)入表達(dá)視圖環(huán)境，單擊【創(chuàng)建視圖】工具，打開曲柄連桿機(jī)構(gòu)組的裝配文件，將分解方式設(shè)置為手動分解。再利用【調(diào)整零部件位置】工具定義各零件的分解動作。零件動作的定義非常靈活，可以是單個的移動或轉(zhuǎn)動，也可以是多個的移動或轉(zhuǎn)動，還可以一個零件同時進(jìn)行多個動作，如螺釘在擰進(jìn)螺紋孔的運(yùn)動，既有平移的運(yùn)動，又有旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動。最后，將各零件的動作順序調(diào)整為符合實(shí)際拆裝的順序，為了能看清楚各零件的結(jié)構(gòu)，需要選擇合適的距離和方向。此外，為了能夠更好的觀察部件內(nèi)部的運(yùn)動情況，可利用【編輯任務(wù)及順序】界面中的【設(shè)置照相機(jī)】這一功能來設(shè)置觀察方向。

在零件的分解動作和播放順序設(shè)置完成后，點(diǎn)擊表達(dá)視圖工具面板中的【動畫制作】，設(shè)置合適的時間間隔，即可錄制曲柄連桿機(jī)構(gòu)的裝配和拆卸動畫。

（4）運(yùn)動仿真動畫制作。通過Inventor Studio功能，可將上述裝配部件進(jìn)行模擬運(yùn)動并錄制動畫，用于輔助教師教學(xué)。Inventor Studio的動畫特征有多種，這里使用到了【參數(shù)動畫制作】、【淡顯動畫制作】、【相機(jī)動畫制作】，通過這幾種動畫的結(jié)合，可生成該曲柄連桿機(jī)構(gòu)組的工作模擬動畫，如圖2。具體制作過程如下：打開曲柄連桿機(jī)構(gòu)的裝配文件，然后在【環(huán)境】菜單下選擇【Inventor Studio】進(jìn)入Inventor Studio環(huán)境，在瀏覽器中，先選擇合適的【Studio光源樣式】，再選擇【動畫時間軸】選項(xiàng)并雙擊將時間軸激活，在動畫時間軸中即可對裝配件進(jìn)行動畫編輯。如選擇【相機(jī)動畫制作】選項(xiàng)并單擊將彈出相機(jī)，在彈出的【照相機(jī)動畫制作：照相機(jī)1】對話框中，以X原點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，設(shè)定時間和旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，這樣即可以讓視角進(jìn)行一個旋轉(zhuǎn)，以方便觀察裝配件的各個位置。點(diǎn)擊【淡顯動畫制作】并選擇缸體、汽缸墊、油底殼，將這幾個零件的透明度和時間進(jìn)行設(shè)置，觀察者即可清晰地觀察內(nèi)部運(yùn)動的情況。在參數(shù)收藏夾中選中連桿與曲軸的角度約束參數(shù)即d172，點(diǎn)擊【參數(shù)動畫制作】對所選參數(shù)進(jìn)行編輯，使角度從0°變?yōu)?600°，并設(shè)置角度變化的時間。隨著設(shè)置時間的進(jìn)行，整個動畫的內(nèi)容便制作完成。最后，點(diǎn)擊工具面板上的【渲染動畫】按鈕，或者點(diǎn)擊【動畫時間軸】界面中的紅色按鈕，在彈出的【渲染動畫】對話框中設(shè)置動畫的存放位置、動畫格式、動畫的時間長度及每秒的幀數(shù)等參數(shù)，并將錄制模式設(shè)置為“無預(yù)覽”模式，再點(diǎn)擊【渲染】確定后，便開始錄制動畫。一般來說，參數(shù)設(shè)置越高所錄制出的動畫效果越好，但錄制視頻的時間就越長。

圖2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

4 結(jié)語

本文通過闡述典型平面連桿機(jī)構(gòu)——曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動原理，結(jié)合柴油發(fā)動機(jī)運(yùn)用inventor軟件制作曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用視頻，較好地將平面連桿機(jī)構(gòu)的理論和實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系。從理論原理到實(shí)際應(yīng)用，再到虛擬模型的全過程，這種方式極大地引導(dǎo)學(xué)生將抽象枯燥的理論與鮮活生動的實(shí)踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)的知識“內(nèi)化”成為自己的東西，幫助學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)的知識框架。教學(xué)方面，為下一步探索機(jī)械類專業(yè)課的項(xiàng)目式教學(xué)法奠定基礎(chǔ)；同時，通過論述Inventor軟件的建模、運(yùn)動仿真關(guān)鍵技術(shù)，對于該軟件學(xué)習(xí)者來說，也具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]祝鈴鈺，許軼，姚克儉．化工設(shè)計(jì)課程群的項(xiàng)目教學(xué)改革探討[J]．化工高等教育，2012，（02）．