基于Solid Works的單缸內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真及分析

楊 青

（江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225101）

0 引言

SolidWorks軟件是美國(guó)達(dá)索公司在Windows平臺(tái)下開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)類（CAD）軟件，具有功能強(qiáng)大和操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，基本模塊為零件建模、裝配和工程圖生成模塊，還配置了運(yùn)動(dòng)仿真分析和有限元等插件，可對(duì)設(shè)計(jì)的零件部件進(jìn)行相關(guān)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。在SolidWorks2012中自帶了Motion插件無縫集成了裝配體運(yùn)動(dòng)仿真、干涉檢查等實(shí)用功能，通過Motion運(yùn)動(dòng)仿真和分析，可以有效降低產(chǎn)品的制造成本及縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，設(shè)計(jì)分析可快速地了解產(chǎn)品的可行性[2]。本文以典型的平面四桿機(jī)構(gòu)-單缸內(nèi)燃機(jī)為例，對(duì)單缸內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并簡(jiǎn)化出機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，采用SolidWorks軟件進(jìn)行零件的建模和裝配，最后運(yùn)用Solidworks Motion插件對(duì)內(nèi)燃機(jī)簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，得出活塞的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 單缸內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)分析

內(nèi)燃機(jī)為交通運(yùn)輸工具中常用的動(dòng)力源，通過汽油、柴油的燃燒產(chǎn)生熱能，熱能再轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能輸出。單缸內(nèi)燃機(jī)不考慮進(jìn)氣、噴油等結(jié)構(gòu)，其主要由曲軸、活塞、連桿、機(jī)架和連接銷軸構(gòu)成，見圖1.單缸內(nèi)燃機(jī)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化如圖2，活塞簡(jiǎn)化為構(gòu)件1滑塊，連桿簡(jiǎn)化為構(gòu)件2，曲軸簡(jiǎn)化為構(gòu)件3，構(gòu)件4為機(jī)架，通過滑塊1的上下移動(dòng)帶動(dòng)曲軸3的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，本文設(shè)曲柄3的長(zhǎng)度為30 mm，連桿2的長(zhǎng)度為120 mm，來進(jìn)行建模仿真。

圖1 單缸內(nèi)燃機(jī)示意圖

圖2 簡(jiǎn)圖-曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

2 單缸內(nèi)燃機(jī)零件建模和裝配

2.1 零件建模

根據(jù)單缸內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，需要設(shè)計(jì)的零件為5個(gè)部分：曲軸、活塞、連桿、機(jī)架和連接銷軸。其中曲軸和連桿的長(zhǎng)度已知，活塞和連接銷軸設(shè)計(jì)成圓柱體，大小影響不大，自定義。機(jī)架設(shè)計(jì)時(shí)有兩個(gè)部分組成，一是活塞的缸體，尺寸根據(jù)活塞定，為了更好地呈現(xiàn)，設(shè)計(jì)成一半；二是固定曲軸處。

SolidWorks軟件對(duì)零件的建模主要采用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等特征命令來完成。單缸內(nèi)燃機(jī)的主要零件三維建模見圖3.

圖3 單缸內(nèi)燃機(jī)各零件實(shí)體圖

2.2 裝配

所謂的“裝配”，就是根據(jù)事先制定的技術(shù)要求，將產(chǎn)品各個(gè)零部件組裝在一起，使之成為完整產(chǎn)品模型的過程[3]。在完成了單缸內(nèi)燃機(jī)各個(gè)零件建模后，進(jìn)行單缸內(nèi)燃機(jī)的裝配，如圖4所示，具體步驟如下。

圖4 單缸內(nèi)燃機(jī)裝配體

1）新建“裝配體”，插入一個(gè)零部件，其中，第1個(gè)插入的零件為整個(gè)裝配體的基礎(chǔ)，且SolidWorks軟件默認(rèn)其為固定零件[4]。分析單缸內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)，首先插入零部件為機(jī)架。

2）采用重合、平行、同軸等配合關(guān)系，依次插入曲軸、連桿、聯(lián)接銷軸和活塞，這四個(gè)零件進(jìn)行裝配。

3 單缸內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 添加馬達(dá)

單擊布局選項(xiàng)卡中的“運(yùn)動(dòng)算例1”，再單擊“馬達(dá)”按鈕，對(duì)“馬達(dá)”屬性管理器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。選擇馬達(dá)類型為旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，單擊曲軸一段的圓柱面，設(shè)置馬達(dá)的位置為曲軸，馬達(dá)運(yùn)行的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，曲軸為等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，設(shè)定旋轉(zhuǎn)的速度為50 r/min，

完成添加馬達(dá)和參數(shù)的設(shè)置，見圖5、圖6.

圖5 馬達(dá)參數(shù)設(shè)置

圖6 馬達(dá)的添加位置和方向

3.2 運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

運(yùn)動(dòng)仿真為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過連桿，驅(qū)動(dòng)活塞做上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果求解的對(duì)象為活塞，活塞X、Y方向無法運(yùn)動(dòng)，所有只求解為Z軸分量，對(duì)活塞Z軸方向的位移、速度和加速度進(jìn)行仿真求解。

點(diǎn)擊“運(yùn)動(dòng)算例屬性”按鈕，在彈出的“結(jié)果”管理器中，求解位移、速度和加速度，如圖7、圖8、圖9.

圖7 活塞的位移曲線圖

圖8 活塞的速度曲線圖

圖9 活塞的加速度曲線圖

對(duì)活塞的位移、速度和加速度曲線進(jìn)行分析，得出表1.

表1 單缸內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵尺寸及運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)

4 結(jié)論

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，此單缸內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)周期為1.2 s，在0.3 s～0.9 s之間是空回程，0.9 s～1.5 s之間是做功階段。0.3 s和1.5 s節(jié)點(diǎn)時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)位置，這時(shí)活塞從向下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)速度為0，加速度方向?yàn)橄蛏希_(dá)到最大值542 mm/s2；0.9 s節(jié)點(diǎn)時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)，這時(shí)活塞從向上運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)速度為0，加速度方向?yàn)橄蛳拢_(dá)到最大值821 mm/s2，符合單缸內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際情況。

在實(shí)際工作中，工程技術(shù)人員若通過修正有關(guān)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸，即可得出不同的運(yùn)動(dòng)結(jié)果參數(shù)，再結(jié)合相關(guān)的力學(xué)仿真結(jié)果，所求解出的參數(shù)為該機(jī)構(gòu)的應(yīng)用提供了理論依據(jù)，通過這些參數(shù)可以設(shè)計(jì)出最為優(yōu)化的機(jī)構(gòu)模型。

[1]張晉西，郭學(xué)琴.SolidWorks及COSMOSMotion機(jī)械仿真設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2]張晉西，蔡 維，譚 芬.SolidWorks Motion機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)例教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[3]孔 璇，祝成峰，蘇 暢.SolidWorks2014案例教程[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2015.

[4]呂欽松.SolidWorks Motion在千斤頂設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2014（3）：48-50.