基于SolidWorks的曲柄搖桿機構(gòu)急回特性分析

孫應秋

（滁州職業(yè)技術學院，安徽 滁州 239000）

引言

隨著計算機技術的發(fā)展，三維軟件在機械行業(yè)中運用廣泛[1][2]。實際工程中，設計者可以利用它縮短設計周期并節(jié)省設計成本；理論研究中，學者利用它提高研究速度并能生動的展現(xiàn)研究成果。SolidWorks軟件在產(chǎn)品性能優(yōu)化和仿真（運動和干涉檢查、整機運動分析、零部件設計優(yōu)化等）、結(jié)構(gòu)特征建模、分析評價等方面具有獨到的優(yōu)勢。故本文利用SolidWorks軟件對曲柄搖桿機構(gòu)建模并進行運動仿真，以研究其急回特性。

一、曲柄搖桿機構(gòu)急回特性

曲柄搖桿機構(gòu)如圖1所示，當曲柄轉(zhuǎn)動一周與連桿BC有兩次共線，即圖中AB1和AB2所示，曲柄在兩次共線時所夾銳角θ為極位夾角，搖桿CD的兩個極限位置間所夾角β為搖桿擺角[3]。曲柄AB繞A點以等角速度ω順時針從AB1到AB2，轉(zhuǎn)過的角度 α1=180°+θ，用的時間為 t1，此時，搖桿從C1D 到 C2D，C 點平均速度 v1；當曲柄由 AB2到 AB1，轉(zhuǎn)過的角度α2=180°-θ，用的時間為t2，搖桿從C2D到C1D，C點平均速度v2。曲柄等角速度運轉(zhuǎn)，從AB1到AB2比AB2到AB1的角位移量多，故t1＞ t2。對于搖桿CD往返運動的弧長相同，但時間不同，故v1＜v2。曲柄做等速轉(zhuǎn)動，搖桿往復擺動的速度不同，返回的速度更大，這種性質(zhì)即為急回特性[4]。

二、曲柄搖桿機構(gòu)建模

（一）建立三維模型

依據(jù)曲柄存在條件，取曲柄搖桿機構(gòu)各桿長分別 為 AB=60mm，BC=100mm，CD=110mm，AD=120mm，在SolidWorks軟件中創(chuàng)建各零部件如下圖2所示，其中AB桿和CD桿的結(jié)構(gòu)相同，只是長度不同，如圖中（a）所示；BC桿結(jié)構(gòu)如圖（b）所示；AD桿作為機架，在建立模型時分別創(chuàng)建兩個底座，如圖（c）所示。

圖2 零件三維模型

（二）生成裝配體

在SolidWorks軟件中新建裝配體文件，插入圖2中的（c）底部零件圖，并在左側(cè)的特征樹中，將其設為固定。復制底部零件，并對其進行配合，使其與原件的位置一致，在X軸上的距離為120 mm，將其設為固定。分別插入零件AB、BC、CD，采用機械配合中的鉸鏈配合，最終所得裝配體如圖3所示。

圖3 曲柄搖桿裝配體模型

三、建立運動仿真及仿真結(jié)果分析

（一）建立運動仿真

在SolidWorks中增加motion插件，并設置相應參數(shù)。首先選擇算例類型為motion分析，其次設置參數(shù)，設置馬達：馬達類型為旋轉(zhuǎn)馬達，方向為順時針方向，零部件選AB桿，等速運動值設為6RPM；仿真時間為20s；引力參數(shù)選擇Y軸。最后計算運動算例[5]。

（二）仿真結(jié)果與分析

在結(jié)果和圖解中選擇類型為速度，結(jié)果分量中選擇幅值，并選擇CD桿的C點端進行結(jié)果輸出，得桿CD的C端點速度曲線，如圖4所示。

圖4 桿CD的C端點速度曲線

馬達速度設為6RPM，仿真設置時間為20s，在此期間CD桿轉(zhuǎn)過兩個周期。圖4中0—10s曲柄CD轉(zhuǎn)一圈，為一個運動周期，當時間為0s時，曲柄搖桿機構(gòu)的位置如3所示，0—10s有兩次速度為0的情況即兩次共線位置，在兩個速度為0的時間范圍內(nèi)搖桿C2D到C1D，其余的時間搖桿的運動為C1D到C2D。將圖4中的數(shù)據(jù)導出，并求得搖桿在C2D到C1D運動過程的平均速度約為26.7mm/s，搖桿在C1D到C2D運動過程的平均速度約為24.3mm/s。

四、結(jié)論

SolidWorks軟件能夠快速的建立曲柄搖桿機構(gòu)各零部件的三維模型，并能夠完成裝配工作，用以仿真運動。運用其中的motion插件可進行運動仿真，在完成相應的參數(shù)設置后，可以得到相應的運動仿真動畫及結(jié)果圖解。用給定尺寸的一組曲柄搖桿進行仿真分析，并導出數(shù)據(jù)求得平均速度值，搖桿在C2D到C1D運動過程的平均速度約為26.7mm/s，搖桿在C1D到C2D運動過程的平均速度約為24.3mm/s，前者的值大于后者的值，驗證曲柄搖桿機構(gòu)確有急回特性。因SolidWorks軟件基于參數(shù)化繪圖，修改零件模型相應的裝配圖模型也隨之變化，故對于不同尺寸的曲柄搖桿機構(gòu)只要在草圖中修改長度值，就可以得到裝配模型，不需要再重復建立零件圖?；赟olidWorks軟件對曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性分析更直觀更精確更效率。