基于ADAMS的曲柄滑塊機構運動仿真研究

何毅斌，胡榮博，劉 慧，楊兵寬，張 雨

（武漢工程大學機電學院，湖北 武漢430073）

曲柄滑塊機構是曲柄搖桿機構的演化形式，由曲柄的回轉運動可以實現滑塊的往復運動。由于曲柄滑塊機構之間是低副連接，在承受同樣載荷的條件下壓強較低，因而可以傳遞較大的動力；由于構件之間的接觸面是圓柱或者平面，加工、制造比較容易，能獲得較高的精度，所以在內燃機、沖床、空壓機中有廣泛的應用［1－2］。曲柄滑塊機構是內燃機的主體構件，所以研究曲柄滑塊機構對內燃機的設計有重要意義。

1 曲柄滑塊機構運動方程建立

如圖1所示是一對心曲柄滑塊機構，以AB為主動件，即作回轉運動，帶動滑塊往復直線運動。l1是AB桿的長度，l2為BC桿的長度，AB桿以勻速ω1轉動，設連桿BC的角位移為φ2，角速度為ω2，角加速為a2。滑塊的位置為xc，位移為S，速度為vc，加速度為ac。以A點為坐標原點建立xoy坐標系。

圖1 曲柄滑塊的機構運動簡圖

建立機構的封閉向量方程

在x、y軸上的投影方程為

由式（2）得

將式（3）對時間t求導得

將式（4）對時間t求導得

當滑塊φ1＝0時，滑塊位移

將式（6）代入式（1）整理得

將式（6）分別對時間t進行一次和二次求導，并簡化整理得

2 曲柄滑塊機構的運動學仿真

利用ADAMS建立圖1所示的曲柄滑塊機構虛擬樣機模型［3－4］（圖2）。已知某內燃機中曲柄滑塊機構的曲柄長200mm、連桿長500mm，根據其活塞運動的規律，給曲柄AB桿添加60度／秒的驅動［6－7］。為了測量一個周期內的滑塊的速度與加速度，設置曲柄運動周期為6s，步長為100。

圖2 曲柄滑塊的虛擬樣機模型

由于不同長度的曲柄以及連桿都將會影響內燃機曲柄滑塊機構中滑塊活塞的性能，為此，分別就改變曲柄、連桿的長度，對滑塊的影響進行研究。只改變曲柄AB長度，不改變連桿BC長度500mm，進行仿真研究，仿真結果見圖3。

圖3 曲柄AB不同長度時的滑塊速度和加速度

不改變曲柄AB長度200mm，只改變連桿BC長度500mm，進行仿真研究，仿真結果見圖4。獲得的圖中，實線表示速度曲線，虛線表示加速度曲線。

圖4 連桿BC不同長度時的滑塊速度和加速度

3 仿真數據分析

將以上數據得到的滑塊速度、加速度的最大值、最小值列入表1、表2。

表1 只改變曲柄的長度，不改變連桿長度的數據

表2 不改變曲柄的長度，只改變連桿長度的數據

通過分析表1、2的數據可發現，改變曲柄的長度，對滑塊的速度和加速度有較顯著的影響，而改變連桿的長度，對滑塊的速度和加速度的影響較小。表1數據表明，曲柄轉速一定，曲柄長度的選取對滑塊加速度的影響非常大，從而對滑塊動載荷影響大，影響整個機構運動的平穩性。

此外，從圖3，圖4可看到，滑塊在近半個運動周期中，其加速度處于一個相對平穩的階段。

4 小結

本文利用ADAMS軟件，建立了內燃機曲柄滑塊的虛擬樣機，并進行了運動仿真研究，仿真結果表明：曲柄大小的改變對滑塊的速度和加速度有較顯著的影響，而連桿影響較小；此外，在曲柄轉速一定時，滑塊加速度在近半個運動周期時間內基本保持穩定。這些結果對以曲柄滑塊機構為原型的設備設計開發研制具有參考價值。

［1］ 竟含晨，吳文挽，吳耀權，曲柄滑塊機構運動學特性分析［J］.電子制作，2013（21）：29－29.

［2］ 孫 恒，陳作模，葛文杰，機械原理［M］.第七版.北京：高等教育出版社，2006.

［3］ 高廣娣，典型機械機構ADAMS仿真應用［M］.北京：電子工業出版社，2013.

［4］ 李增剛，ADAMS入門詳解與實例［M］.北京：國防工業出版社，2013.

［5］ 高 奇，基于Pro／E的曲柄滑塊機構運動仿真分析［J］.起重運輸機械，2011（04）：45－47.

［6］ 周 展，張 鋼，林富生，基于 Matlab和ADMAS的四桿機構運動仿真［J］.軟件導刊，2011（09）：102－103.

［7］ 陳賽克，劉江濤，綜合考慮運動仿真結果的曲柄滑塊機構的優化設計［J］.機械傳動，2007，31（06）：43－45.