PROE機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊在平面連桿機(jī)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

汪秀珍汪秀鳳

（1.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080；2.江漢油田采油院實(shí)驗(yàn)室 湖北 潛江：433123）

PROE機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊在平面連桿機(jī)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

汪秀珍1汪秀鳳2

（1.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080；2.江漢油田采油院實(shí)驗(yàn)室 湖北 潛江：433123）

通過對(duì)曲柄搖桿、擺動(dòng)導(dǎo)桿等機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得到機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角、急回特性及死點(diǎn)位置等工作特性最直接的素材，并應(yīng)用于教學(xué)，使學(xué)生對(duì)急回特性、死點(diǎn)位置等抽象概念有感性認(rèn)識(shí)，取得較好的教學(xué)效果。

Pro／E機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)分析；工作特性

0 引 言

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊（Mechanism）是Pro／ENGINEER中一個(gè)集運(yùn)動(dòng)仿真和機(jī)構(gòu)分析于一身的功能強(qiáng)大的模塊［1］。利用該模塊，當(dāng)各個(gè)零件通過裝配模塊組裝成一個(gè)完整的機(jī)構(gòu)以后，設(shè)計(jì)師就可以在Pro／ENGINEER中直接啟動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊，根據(jù)設(shè)計(jì)意圖定義機(jī)構(gòu)中的連接，設(shè)置伺服電機(jī)，然后運(yùn)行機(jī)構(gòu)分析，觀察機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)動(dòng)情況和各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并可輸出分析圖表，進(jìn)行定量分析。

平面連桿機(jī)構(gòu)是《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的重點(diǎn)內(nèi)容，在各種機(jī)械和儀器中得到廣泛應(yīng)用，其中該機(jī)構(gòu)工作特性是基礎(chǔ)，而且機(jī)構(gòu)的急回特性和死點(diǎn)位置是教學(xué)難點(diǎn)，學(xué)生感覺太抽象，不好理解。這時(shí)利用Pro／ENGINEE軟件進(jìn)行仿真，讓學(xué)生自己觀察、自己動(dòng)手、自己分析得出結(jié)論，可以取得非常好的教學(xué)效果。

1 機(jī)構(gòu)工作特性分析

1.1 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角

壓力角或傳動(dòng)角是針對(duì)機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件而言的，它是反映驅(qū)使從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的力的有效利用程度和衡量機(jī)構(gòu)傳動(dòng)質(zhì)量的重要參數(shù)，故也稱為機(jī)構(gòu)的壓力角或機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角。壓力角是指從動(dòng)件上驅(qū)動(dòng)力與該力作用點(diǎn)絕對(duì)速度之間所夾的銳角，壓力角的余角γ稱為傳動(dòng)角。由于傳動(dòng)角γ有時(shí)可以從平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖上直接觀察其大小，故平面機(jī)構(gòu)常采用γ來衡量機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)質(zhì)量［2］。當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其傳動(dòng)角的大小是變化的，為了保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)良好，設(shè)計(jì)時(shí)通常應(yīng)使γmin≥40°；對(duì)于高速和大功率的傳動(dòng)機(jī)械，應(yīng)使γmin≥50°。為此，需確定γ＝γmin時(shí)的機(jī)構(gòu)位置，并檢驗(yàn)γmin是否小于上述許用值。

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄為主動(dòng)件時(shí)，由圖1可知，傳動(dòng)角γ就等于連桿與搖桿之間的夾角γ，于是只要找到連桿與搖桿之間的最小夾角就對(duì)應(yīng)著最小傳動(dòng)角。

圖1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角

第一步，模型的建立及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的定義：.創(chuàng)建四桿件的三維實(shí)體，桿長(zhǎng)分別為300（機(jī)架），100（曲柄），350（連桿），200（搖桿），隨后建立裝配模型，裝配時(shí)注意對(duì)運(yùn)動(dòng)零部件以連接方式裝配；點(diǎn)擊“應(yīng)用程序”菜單，切換到“Mechanism”模式，定義機(jī)構(gòu)連接并根據(jù)需要設(shè)置連接軸初始位置；.定義伺服電動(dòng)機(jī)；.進(jìn)行運(yùn)動(dòng)定義。

第二步，定義分析特征：在“Mechanism”模式下，點(diǎn)擊“分析”，“測(cè)量”，“角度”彈出對(duì)話框如圖2左所示。

第三步，在對(duì)話框中選擇要測(cè)量的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)零件上的圖元，即連桿的邊和搖桿的邊，注意在結(jié)果中會(huì)自動(dòng)計(jì)算出機(jī)構(gòu)在當(dāng)前位置時(shí)兩圖元之間的角度。同時(shí)圖形區(qū)顯示出角度，如圖2右所示。

圖2 傳動(dòng)角的測(cè)量

觀察機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角變化：點(diǎn)擊右側(cè)工具欄的“回放”按鈕，進(jìn)入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)回放窗口，注意觀察窗口內(nèi)傳動(dòng)角的數(shù)值隨著機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)在不斷變化，如圖2右所示。

通過四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)回放觀察到傳動(dòng)角的變化，可知當(dāng)曲柄與機(jī)架共線時(shí)傳動(dòng)角達(dá)到最小值，圖片上顯示為γmin＝28.8980。很顯然，這是不滿足機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)要求γmin≥40°。

1.2 急回特性

在某些從動(dòng)件作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平面連桿機(jī)構(gòu)中，若從動(dòng)件回程的平均速度大于工作行程的平均速度，則稱該機(jī)構(gòu)具有急回特性。

1.2.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，曲柄作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，而搖桿擺動(dòng)時(shí)空回行程的平均速度卻大于工作行程的平均速度，所以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具有急回特性，其主要作用是縮短非工作行程時(shí)間，提高效率。

在Pro／ENGINEER中定義曲柄的速度為72deg／sec，運(yùn)轉(zhuǎn)10sec，即曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)2周，得到搖桿頂點(diǎn)的速度圖線如圖3所示。

圖3 四桿機(jī)構(gòu)急回特性

由圖3分析可知，當(dāng)曲柄做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖桿做變速運(yùn)動(dòng)，并且在搖桿的行程和回程段，速度有顯著地區(qū)別，回程段的平均速度高于行程段的平均速度，這就是機(jī)構(gòu)所具有的急回特性。

1.2.2 擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

創(chuàng)建擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)如圖4左側(cè)所示，在滑塊上創(chuàng)建基準(zhǔn)點(diǎn)，定義曲柄的回轉(zhuǎn)速度為24deg／sec，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為15sec，即曲柄回轉(zhuǎn)一周，得基準(zhǔn)點(diǎn)速度曲線如圖4右側(cè)所示，即對(duì)應(yīng)為牛頭刨床滑軌的速度曲線。

圖4 擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)急回特性

從圖4中看看出行程和回程的速度相差很大，所以導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的急回特性非常明顯，可以從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫中直接觀察出來。

1.3 死點(diǎn)位置

當(dāng)從動(dòng)件上的傳動(dòng)角＝0°，驅(qū)動(dòng)力對(duì)從動(dòng)件的有效回轉(zhuǎn)力矩為零，這個(gè)位置稱為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置，也就是機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件與連桿共線的位置稱為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置。

1.3.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

在Pro／ENGINEER中，取曲柄為主動(dòng)件時(shí)，單擊工具按鈕“拖動(dòng)元件”，再單擊曲柄，可以觀察到曲柄上有一控制按鈕。移動(dòng)鼠標(biāo)，曲柄隨著鼠標(biāo)做整周回轉(zhuǎn)，搖桿做擺動(dòng)，說明機(jī)構(gòu)無死點(diǎn)位置。

圖5 機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置

當(dāng)取搖桿為主動(dòng)件時(shí)，單擊工具按鈕“拖動(dòng)元件”，再單擊搖桿，可以觀察到搖桿上有一控制按鈕。移動(dòng)鼠標(biāo)，當(dāng)處于如圖5（左）位置時(shí)，機(jī)構(gòu)無法運(yùn)動(dòng)，說明機(jī)構(gòu)此時(shí)處于死點(diǎn)位置。

觀察機(jī)構(gòu)的位置可知，此時(shí)連桿與曲柄位于同一直線上，再結(jié)合機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角的概念，可知此時(shí)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角為0°。

1.3.2 對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

以內(nèi)燃機(jī)為例，當(dāng)以曲軸為原動(dòng)件時(shí)，曲軸連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)，活塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，說明機(jī)構(gòu)無死點(diǎn)位置。但是當(dāng)以滑塊即活塞為原動(dòng)件時(shí)，即控制按鈕處于活塞上時(shí)，當(dāng)控制活塞移動(dòng)使機(jī)構(gòu)處于如圖5（右）位置時(shí)，機(jī)構(gòu)無法繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)曲軸與連桿共線，機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，分別對(duì)應(yīng)于內(nèi)燃機(jī)的上止點(diǎn)和下止點(diǎn)位置。

2 結(jié)束語(yǔ)

在Pro／ENGINEER中，通過對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，將平面、靜止的研究對(duì)象，清晰形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生通過觀察可以看到機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角的不斷變化過程，并能分析機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角的位置；通過構(gòu)件的速度圖線分析機(jī)構(gòu)的急回特性；通過動(dòng)手感覺死點(diǎn)位置，使學(xué)生獲得對(duì)機(jī)構(gòu)特性的感性認(rèn)識(shí)，教學(xué)效果非常好。

Pro／ENGINEER運(yùn)動(dòng)分析模塊內(nèi)的其它內(nèi)容還有很多，筆者希望繼續(xù)研究并應(yīng)用于相關(guān)課程的教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增進(jìn)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量。

［1］ 林清安.Pro／ENGINEER3.0中文版動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［2］ 鄭文緯，吳克堅(jiān).機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，1997.

Application of PROE Mechanism Movement Analysis in Plane Shaft Structure Teaching

WANG Xiuzhen WANG Xiufeng

Through simulation and dynamic analysis of mechanism like crank rocker and switch leader，direct information of working properties of transmission angle，swift character and dead point position are obtained and applied to teaching，so that better teaching effects are achieved.

mechanism；dynamic analysis；working property

G714

A

1671－3524（2012）02－0066－03

（責(zé)任編輯：李文英）

2012－04－05

2012－05－19

汪秀珍（1973～），女，講師.E－mail：wangxz＿wuhan＠163.com