PROE機構運動分析模塊在平面連桿機構教學中的應用

汪秀珍汪秀鳳

（1.武漢工程職業技術學院 湖北 武漢：430080；2.江漢油田采油院實驗室 湖北 潛江：433123）

PROE機構運動分析模塊在平面連桿機構教學中的應用

汪秀珍1汪秀鳳2

（1.武漢工程職業技術學院 湖北 武漢：430080；2.江漢油田采油院實驗室 湖北 潛江：433123）

通過對曲柄搖桿、擺動導桿等機構進行仿真并進行運動分析，得到機構傳動角、急回特性及死點位置等工作特性最直接的素材，并應用于教學，使學生對急回特性、死點位置等抽象概念有感性認識，取得較好的教學效果。

Pro／E機構；運動分析；工作特性

0 引 言

機構運動分析模塊（Mechanism）是Pro／ENGINEER中一個集運動仿真和機構分析于一身的功能強大的模塊［1］。利用該模塊，當各個零件通過裝配模塊組裝成一個完整的機構以后，設計師就可以在Pro／ENGINEER中直接啟動機構運動分析模塊，根據設計意圖定義機構中的連接，設置伺服電機，然后運行機構分析，觀察機構的整體運動情況和各構件間的相對運動，并可輸出分析圖表，進行定量分析。

平面連桿機構是《機械設計基礎》課程的重點內容，在各種機械和儀器中得到廣泛應用，其中該機構工作特性是基礎，而且機構的急回特性和死點位置是教學難點，學生感覺太抽象，不好理解。這時利用Pro／ENGINEE軟件進行仿真，讓學生自己觀察、自己動手、自己分析得出結論，可以取得非常好的教學效果。

1 機構工作特性分析

1.1 機構傳動角

壓力角或傳動角是針對機構中從動件而言的，它是反映驅使從動件運動的力的有效利用程度和衡量機構傳動質量的重要參數，故也稱為機構的壓力角或機構的傳動角。壓力角是指從動件上驅動力與該力作用點絕對速度之間所夾的銳角，壓力角的余角γ稱為傳動角。由于傳動角γ有時可以從平面機構的運動簡圖上直接觀察其大小，故平面機構常采用γ來衡量機構的傳動質量［2］。當機構運轉時，其傳動角的大小是變化的，為了保證機構傳動良好，設計時通常應使γmin≥40°；對于高速和大功率的傳動機械，應使γmin≥50°。為此，需確定γ＝γmin時的機構位置，并檢驗γmin是否小于上述許用值。

在曲柄搖桿機構中，當曲柄為主動件時，由圖1可知，傳動角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應著最小傳動角。

圖1 曲柄搖桿機構傳動角

第一步，模型的建立及機構運動的定義：.創建四桿件的三維實體，桿長分別為300（機架），100（曲柄），350（連桿），200（搖桿），隨后建立裝配模型，裝配時注意對運動零部件以連接方式裝配；點擊“應用程序”菜單，切換到“Mechanism”模式，定義機構連接并根據需要設置連接軸初始位置；.定義伺服電動機；.進行運動定義。

第二步，定義分析特征：在“Mechanism”模式下，點擊“分析”，“測量”，“角度”彈出對話框如圖2左所示。

第三步，在對話框中選擇要測量的兩個運動零件上的圖元，即連桿的邊和搖桿的邊，注意在結果中會自動計算出機構在當前位置時兩圖元之間的角度。同時圖形區顯示出角度，如圖2右所示。

圖2 傳動角的測量

觀察機構傳動角變化：點擊右側工具欄的“回放”按鈕，進入機構運動回放窗口，注意觀察窗口內傳動角的數值隨著機構的運轉在不斷變化，如圖2右所示。

通過四桿機構運動回放觀察到傳動角的變化，可知當曲柄與機架共線時傳動角達到最小值，圖片上顯示為γmin＝28.8980。很顯然，這是不滿足機構傳動設計要求γmin≥40°。

1.2 急回特性

在某些從動件作往復運動的平面連桿機構中，若從動件回程的平均速度大于工作行程的平均速度，則稱該機構具有急回特性。

1.2.1 曲柄搖桿機構

曲柄搖桿機構中，曲柄作等速轉動，而搖桿擺動時空回行程的平均速度卻大于工作行程的平均速度，所以曲柄搖桿機構具有急回特性，其主要作用是縮短非工作行程時間，提高效率。

在Pro／ENGINEER中定義曲柄的速度為72deg／sec，運轉10sec，即曲柄轉動2周，得到搖桿頂點的速度圖線如圖3所示。

圖3 四桿機構急回特性

由圖3分析可知，當曲柄做勻速轉動時，搖桿做變速運動，并且在搖桿的行程和回程段，速度有顯著地區別，回程段的平均速度高于行程段的平均速度，這就是機構所具有的急回特性。

1.2.2 擺動導桿機構

創建擺動導桿機構如圖4左側所示，在滑塊上創建基準點，定義曲柄的回轉速度為24deg／sec，運轉時間為15sec，即曲柄回轉一周，得基準點速度曲線如圖4右側所示，即對應為牛頭刨床滑軌的速度曲線。

圖4 擺動導桿機構急回特性

從圖4中看看出行程和回程的速度相差很大，所以導桿機構的急回特性非常明顯，可以從機構運動動畫中直接觀察出來。

1.3 死點位置

當從動件上的傳動角＝0°，驅動力對從動件的有效回轉力矩為零，這個位置稱為機構的死點位置，也就是機構中從動件與連桿共線的位置稱為機構的死點位置。

1.3.1 曲柄搖桿機構

在Pro／ENGINEER中，取曲柄為主動件時，單擊工具按鈕“拖動元件”，再單擊曲柄，可以觀察到曲柄上有一控制按鈕。移動鼠標，曲柄隨著鼠標做整周回轉，搖桿做擺動，說明機構無死點位置。

圖5 機構死點位置

當取搖桿為主動件時，單擊工具按鈕“拖動元件”，再單擊搖桿，可以觀察到搖桿上有一控制按鈕。移動鼠標，當處于如圖5（左）位置時，機構無法運動，說明機構此時處于死點位置。

觀察機構的位置可知，此時連桿與曲柄位于同一直線上，再結合機構的傳動角的概念，可知此時機構的傳動角為0°。

1.3.2 對心曲柄滑塊機構

以內燃機為例，當以曲軸為原動件時，曲軸連續回轉時，活塞作往復直線運動，說明機構無死點位置。但是當以滑塊即活塞為原動件時，即控制按鈕處于活塞上時，當控制活塞移動使機構處于如圖5（右）位置時，機構無法繼續運動。此時曲軸與連桿共線，機構處于死點位置，分別對應于內燃機的上止點和下止點位置。

2 結束語

在Pro／ENGINEER中，通過對曲柄搖桿機構、導桿機構、對心曲柄滑塊機構的運動仿真，將平面、靜止的研究對象，清晰形象地展現在學生面前，學生通過觀察可以看到機構傳動角的不斷變化過程，并能分析機構最小傳動角的位置；通過構件的速度圖線分析機構的急回特性；通過動手感覺死點位置，使學生獲得對機構特性的感性認識，教學效果非常好。

Pro／ENGINEER運動分析模塊內的其它內容還有很多，筆者希望繼續研究并應用于相關課程的教學，提高學生學習興趣，增進學生的感性認識，提高教學質量。

［1］ 林清安.Pro／ENGINEER3.0中文版動態機構設計與仿真［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［2］ 鄭文緯，吳克堅.機械原理［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