基于Pro/E的发动机曲柄滑块机构运动仿真分析

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发动机汽缸是-种典型的曲柄滑块机构，又是绝大多数动力机械的动力源，发动机的质量与性能的优劣决定了整台机械的运行，堪称汽车、轮船以及飞机的心脏 j。曲柄滑块机构是机械结构中较常见机构之- ，其结构简单，由曲柄、连杆和滑块通过 3个转动副和 1个移动副连接形成，机构的自由度为 l，其输出效率较高，只需在曲柄上施加作用力或力矩，即可使机构做往复循环运动，在活塞上输出周期性动力 。

在机构仿真分析技术出现之前，设计者需要将产品模型放入到实际工作中进行验证，再根据结果来修正模型。这些工作无疑浪费了大量的时间、财力和人力。Pro/E软件为机构提供了仿真分析功能，其中的机构分析拈 Mechanism，可以进行装配的运动学、动力学分析和仿真，能够大大简化机构的设计开发过程，缩短其开发周期，减少开发费用，提高产品质量。

2 数学模型2.1 曲柄滑块机构的运动分析图 1是曲柄滑块机构的运动示意图。OA为曲柄，且 OA尺；AB为连杆，且AB： 。运动时，OA以等角速度 作顺时针方向整周转动，A点作上下的往复移动。对应活塞在上止点 日 位置时，OL0。；活塞在下止点 B2位置时，O/180。。

图 1 曲柄滑块机构的运动示意图2.2 活塞运动方程建立由图 1可知，活塞的位移方程为： ，J-Rcos -Lcos B且 ACR·sin O/·sin卢，COS卢/1-sin ，经整理可得到活塞的位移方程为：：RL-尺。。s i设 09·t，∞为曲轴的角速度，设 09为匀速，则 ：收稿日期：2013-06-O5作者简介：郭 丽(1979-)，女，河南洛阳人 ，讲师，研究方向：工程图学、CAD/CAM。

· 70·· 机械研究与应用 ·2013年第4期(第26卷，总第126期) 应用与试验 Rwsin(tot)R tosin(2tot)/2L 200S( t)R 00S(2tot)/L3 三维实体建模与装配将组成曲柄滑块机构的各元件使用三维实体建模拈创建好后，存放在同-工作 目录下。创建-个.asm文件 ，首先将曲轴(曲柄)放置于缸体(机架)内，并将曲柄与连杆的铰链连接设置为销钉连接；接着通过圆柱销连接活塞与连杆，并将此处的铰链连接设置为销钉连接；最后将活塞与汽缸的连接设置为滑动杆连接，装配好的曲柄滑块机构如图2所示。

图2 发动机活塞机构的实体模型4 机构的运动分析在 Pro/E的 Mechanism拈下，机构的运动仿真主要通过3个步骤进行 ：①对装配好的机构模型建立伺服马达，使机构产生-定形式的运动；②运行-个机构运动分析，产生可视化的机构运动过程，保存运动分析结果；③进行分析测量，得到分析测量图形，同时输出分析结果。

4.1 设置驱动驱动是机构的动力源，和电动机-样能够产生旋转动力。在此选取曲轴与连杆的销钉连接轴作为旋转中心 j，设定初始角为 0(。)，伺服电动机速度为180(。)/s，即每2 S转 1周。

4.2 运动模拟完成机构的连接和驱动的设置后，通过为运动设置-定的条件及环境，就可进行机构的运动分析。在分析定义”对话框中，选择类型”为运动学”，设置开始时间为0，结束时间为6 S，在6 S内曲轴转过3周。点击运行”按钮，系统即开始运行分析，同时可观察到机构的运行情况。

4.3 获取分析结果利用 Pro/E中的测量功能，建立活塞的位移、速度、加速度与时间的关系，对其位移、速度、加速度进行分析。首先设置位置分析，单击新建测量按钮，在类型选项组中选择位置选项，选阮塞与连杆的连接轴的轴线为分析点；适用同样的方法添加速度、加速度选项。然后选中所有要分析项，点击结果表里面的动态分析，勾选分别绘制测量图形，点击左上角的绘制选定结果及所选测量图形，就可形成活塞的位移、速度、加速度随时间的变化曲线，如图3～5所示。

图3 活塞的位移随时间的变化规律曲线： . ： / f 7≮ 图4 活塞的速度随时间的变化规律曲线捌蘸- 50.00.100.∞0.00 1.00 2.00 3：00 t00 5.00 6.00- - A嘣ys塔De 强建 e3(Hun/s呐图5 活塞的加速度随时间的变化规律曲线(下转第74页)。 71·应用与试验 2013年第4期(第26卷，总第126期)·机械研究与应用 ·出现涡及脱流主要由以下原因造成：(1)转子叶片出口角过小造成尾缘出现涡流，叶片吸力面的弯曲程度过大造成脱流。所以根据速度场分布修整定、转子出口角及叶片叶型。减小转子吸力面的弯曲程度，并对优化后的模型进行流场分析，得到压力场如图5所示，速度场如图6所示(设计转速 Ⅳ仍为600)。

(2)从优化后的压力分布云图5可知，在转子吸力面尾缘附近虽然压力亦急剧降低，但并未出现强烈负压，故减少了汽蚀和振动发生的可能性。

(3)从优化后的速度云图6可知，转子叶片尾缘附近脱流明显降低。故优化结果积极。

鋈：： 图5 叶型修正后动流场压力 图 6 叶型修正后动叶尾缘附分布分布图 近流场分布(上接第7l页)5 结 论(1)通过对活塞运动方程的分析，将已知条件 R16 mm.L35 mil带入位移方程，可以得到其位移的变化范围为0～32 mm之间。

(2)通过 Pro/E的机构运动仿真输出的图形可以看出：活塞的行程范围为0～32 mm，仿真结果与理论计算结果-致；速度和加速度变化规律符合实际运动规律。

(3)从以上的分析过程可知，运用Pro/E三维软件，可以更加形象、直观地模拟机构的运动，并且可以观察到任何时刻的运动状态，使得整个机构的仿真过程更加精确和高效，为发动机理论的研究提供了新的思路。

(4)仿真技术的应用使在设计的初期便能准确掌握机构的运动状态，避免了通过制作样机来验证设· 74 ·4 结 论(1)转子叶片的吸力面尾缘附近容易出现紊流及脱流现象，造成能量的浪费，需对理论计算出的叶型进行适当修正。

(2)转子叶片的吸力面尾缘附近压力急降，当压力降低过大，甚至出现负压时，可能发生汽蚀现象并伴随振动，将对涡轮发电机密封性能造成不 良影响，甚至造成润滑油泄漏，因此应严格控制此处压力降。