基于Pro/E的发动机曲柄滑块机构运动仿真分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京信息职业技术学院 作者:郭丽

  运用Pro/E软件创建了发动机活塞的曲柄滑块机构模型,对该机构进行运动仿真,提取运动过程中滑块的位移、速度、加速度变化曲线,分析了滑块在运动过程中各物理量的输出变化规律,并将仿真结果和基于数学分析的结果进行对比,理论分析与模拟结果吻合。该种设计方法可视化强,精确、高效,具有一定的工程应用价值。

1、引言

  发动机汽缸是一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。曲柄滑块机构是机械结构中较常见机构之一,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1,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,其中的机构分析模块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=R;AB为连杆,且AB=L。运动时,OA以等角速度ω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B1位置时,α=0°;活塞在下止点B2位置时,α=180°。

曲柄滑块机构的运动示意图

图1 曲柄滑块机构的运动示意图

5、结论

  (1)通过对活塞运动方程的分析,将已知条件R=16mm,L=35mm带入位移方程,可以得到其位移的变化范围为0~32mm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0~32mm,仿真结果与理论计算结果一致;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计的合理性,有效解决了反复投入资金制造样机的问题,极大地降低了生产成本,缩短了产品的研发周期[5]。随着虚拟现实仿真技术应用的不断深入,必将会带来很好的市场效益,具有广泛的应用价值。

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