曲柄滑塊機構(gòu)的計算機輔助分析

摘要:該文利用VB開發(fā)了一個操作界面簡單、交互功能強的曲柄滑塊機構(gòu)分析軟件。該軟件可以直接、準確地實現(xiàn)對曲柄滑塊機構(gòu)的運動仿真，并且可以在曲柄滑塊運動過程中進行參數(shù)分析。研究結(jié)果表明曲柄滑塊機構(gòu)的計算機輔助分析能為機械設計提供準確可靠的參數(shù)解，可以提高設計精度，縮短設計周期。

關鍵詞:曲柄滑塊;VB;計算機輔助分析;運動仿真

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)05-1184-02

Computer Aided Analysis of Slider-crank Mechanism

REN Xiao-dan

(Electrical Engineering Department， Inner Mongolia Machine Electricity Occupation Technical College， Hohhot 010051， China)

Abstract: In this paper， VB has been used to develop a simple interface andstrong interactive features slider-crank mechanism analysis software. The software can achieve the motion simulation of slider-crank mechanism directly and accurately， and parameter analysis can be carried out during the motion process of slider-crank mechanism. The results show that computer-aided analysis of slider-crank mechanism can provide accurate and reliable parameter solution for mechanical design， and can shorten the design cycle and improve design accuracy.

Key words: slider-crank; visual basic; computer aided analysis; motion simulation

計算機輔助分析是在計算機技術(shù)、應用數(shù)學和模擬理論的基礎上發(fā)展起來的一門綜合性很強的新興技術(shù)學科，廣泛應用于機械工程、自動化控制工程等領域，已成為研究、設計和分析復雜問題的重要工具。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是計算機處理速度的大幅度提高，為數(shù)學模型的建立和實驗提供了更大的靈活性。

機械工程中最常用的機構(gòu)之一是平面連桿機構(gòu)，其中由曲柄搖桿機構(gòu)演化而來的曲柄滑塊機構(gòu)應用比較廣泛。運用計算機輔助分析技術(shù)對曲柄滑塊機構(gòu)進行了運動仿真研究，將靜態(tài)機構(gòu)變?yōu)閯討B(tài)機構(gòu)，能精確地描繪出整個曲柄滑塊機構(gòu)的運動過程及運動曲線，為曲柄滑塊機構(gòu)的研究設計提供可靠的依據(jù)。

1 曲柄滑塊機構(gòu)的運動分析

平面連桿機構(gòu)是一種應用十分廣泛的機構(gòu)，它在工農(nóng)業(yè)機械和工程機械中得到了廣泛的應用，其中尤其以曲柄搖桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)最為常見，例如東風聯(lián)合收割機曲柄連桿切割機構(gòu)、曲柄搖桿式水稻分插機構(gòu)、往復式抽水機、內(nèi)燃機及沖床等機器中都應用了曲柄滑塊機構(gòu)。曲柄滑塊機構(gòu)又分為偏置曲柄滑塊機構(gòu)和對心曲柄滑塊機構(gòu)。

平面機構(gòu)的運動分析方法主要有圖解法和解析法。如果要精確了解機構(gòu)在整個運動循環(huán)過程中的運動特性時，就需要采用解析法并借助于計算機進行輔助分析。因此，首先應利用矢量方程解析法對曲柄滑塊機構(gòu)進行運動分析，將為后續(xù)程序的開發(fā)和運動仿真做好準備。

曲柄滑塊機構(gòu)的運動過程如圖1所示，已知各構(gòu)件的尺寸及原動件1的方位角和等角速度。其中:l1為曲柄半徑;l2為連桿長度;e為偏距;ω1為曲柄角速度;φ1為曲柄方位角;φ2為連桿方位角;sc為滑塊位移;vc為滑塊移動速度;ac為滑塊移動加速度。

由圖1建立矢量方程:

l1+l2=e+sc

取直角坐標系XOY，各構(gòu)件的矢量方向和轉(zhuǎn)角如圖1所示，向X軸和Y軸投影得:

l1cosφ1+l2cosφ2=sc(1)

l1sinφ1+l2sinφ2=e (2)

將式(1)和式(2)整理得滑塊和連桿的位置方程:

將位移對時間進行一次和二次求導，即可得到滑塊速度 和加速度 的方程。

2 程序開發(fā)及運動仿真

程序開發(fā)采用Visual Basic 6.0，根據(jù)曲柄滑塊的運動分析所建立的數(shù)學模型進行程序設計，主界面如圖2所示。

曲柄滑塊機構(gòu)的運動仿真主要利用Picture控件，其主要設計內(nèi)容包括:

1) 對圖片框定義坐標系，采用了Scale方法來實現(xiàn)坐標系的定義;

2) 用Line方法繪制水平坐標軸和箭頭;

3) 通過循環(huán)語句及Circle方法繪制所需要的曲線。

在曲柄滑塊機構(gòu)的計算機輔助分析界面輸入?yún)?shù)進行計算機輔助分析。已知參數(shù)曲柄長l1=38mm、連桿長l2=960mm、曲柄轉(zhuǎn)速n=300r/min、偏距e=0，點擊運動分析按鈕，在曲柄滑塊運動分析示意圖中對曲柄滑塊機構(gòu)(對心曲柄滑塊機構(gòu))進行運動仿真，同時在滑塊瞬時計算分析當中顯示滑塊在任意位置時的瞬時位移、速度及加速度。點擊繪制曲線按鈕，在窗體的右側(cè)顯示滑塊的運動曲線，并以不同的顏色進行區(qū)分。

3 結(jié)束語

本軟件界面友好，操作簡單，當需要對曲柄滑塊機構(gòu)進行運動分析時，只需要輸入曲柄長、連桿長、曲柄轉(zhuǎn)速及偏距等，就能夠?qū)η瑝K機構(gòu)進行運動仿真，觀察到整個機構(gòu)運動過程中滑塊的位移、速度和加速度的瞬時值，并繪制出滑塊的位移、速度和加速度變化曲線圖。因此曲柄滑塊機構(gòu)的計算機輔助分析可實現(xiàn)機構(gòu)的動態(tài)模擬及運動分析，設計者可根據(jù)工作要求，鍵盤輸入設計參數(shù)即可完成。

參考文獻:

[1] 孫桓，陳作模.機械原理教程[M].西安:西北工業(yè)大學出版社，2001.

[2] 裴喜春，王健，周根寶.Visual Basic程序設計教程[M].內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古大學出版社，2002.

[3] 趙勻.農(nóng)業(yè)分析與綜合[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[4] 陳賽克，劉江濤.基于MSGC的曲柄滑塊機構(gòu)快速仿真研究[J].機械研究與應用，2007(6).