基于Solidworks 的曲柄圓滑塊機構仿真分析

姜慧君，金麗瓊，毛京兵，李金祿，譚躍進

（合肥通用機械研究院有限公司 壓縮機技術國家重點實驗室，安徽 合肥 230031）

一般活塞式壓縮機中的傳動方式多采用曲柄連桿機構，該機構具有技術成熟、加工方便等優點，但也存在著運轉過程中慣性力不好平衡、機組振動大且不好消除的缺點。隨著人們對設備振動噪音越來越多的關注，減振降噪的要求也越來越高。曲柄圓滑塊機構就是為了改善設備的振動噪聲而在曲柄連桿機構的基礎上改進得來的，此傳動機構消除了二階慣性力，減小了設備的振動。本文就是通過采用Solidworks里的Motion 插件，對該機構進行運動學仿真分析，得到機構的運動規律。

1 Solidworks Motion 仿真分析基本流程

Solidworks Motion 是Solidworks premium 版本里的一個功能強大的仿真計算插件，它使用計算能力強大的動力求解器，可以在計算中添加材料屬性和質量及慣性，可用于精確模擬和分析裝配體上的運動狀態，還可使用它描述模擬結果供進一步分析。

Solidworks Motion 仿真分析的基本流程首先是對機構進行建模，得到裝配體后通過對模型添加定義和約束，并對其施加力和驅動，建立一個完善的接近于真實的系統，進行分析仿真，最后處理分析結果并得出結論。

2 曲柄圓滑塊機構原理分析

圖1 曲柄連桿機構原理圖

常見的曲柄連桿機構中有個重要的參數叫曲柄連桿比λ，為曲柄半徑r 與連桿長度l 的比值，即。在活塞式壓縮機中，曲柄連桿比對活塞的運動學影響很大。通常連桿比λ 的取值是在1/3 ～1/6，值越小表示連桿長度越長，壓縮機活塞軸向方向所需的空間越大；值越大表示連桿長度越短，機構緊湊，但活塞上所承受的側向力會越大。曲柄連桿機構的原理圖如1。

一般曲柄連桿機構活塞的運動規律為：

式中，r 為偏心距，θ 為曲軸轉角。

曲柄圓滑塊機構是從曲柄連桿機構演變而來。當λ 的值變為1 時，曲柄和連桿的長度相等，機構就演變成了曲柄圓滑塊機構。曲柄圓滑塊機構的原理圖如圖2。

圖2 曲柄圓滑塊機構原理圖

在曲柄圓滑塊機構中，由于連桿比λ 為1，則：

其中ω 為曲軸旋轉角速度。

3 曲柄圓滑塊機構運動學仿真

Solidworks Motion 是Solidworks 里的一個功能強大的插件，在對裝配體添加約束、驅動及作用力后可以用于分析求解裝配體的狀態，可以得到機構的運動學仿真。

3.1 建模

建模得到曲柄圓滑塊活塞機構的三維裝配圖，見圖3。

圖3 曲柄圓滑塊機構裝配圖

3.2 添加配合及驅動

在對圓滑塊、曲軸及活塞施加定位及約束后，對曲軸施加一個“馬達”，模擬機構的運轉。

3.3 選擇“結果和圖解”，確定要分析計算的參數

在Motion 插件里選擇“結果和圖解”命令后，再選擇“位移/速度/加速度”選項，依次選取子類別中的“線性位移”“線性速度”“線性加速度”，再選取Y 分量，對其中一列活塞選取頂部進行分析，可以得到活塞的位移曲線，速度曲線和加速度曲線。

3.4 仿真分析結果

為了便于分析，將曲軸的轉速設定為6r/min，分析的時長選取為15s 即1.5 個周期。在Solidworks 的Motion 模塊里進行結果分析，依次得到活塞的位移、速度和加速度隨時間的圖解。

圖4 活塞位移曲線

圖5 活塞速度曲線

圖6 活塞加速度曲線

由活塞的位移速度及加速度曲線可以看出來,活塞的運動規律為一個簡諧運動，與前面的公式推導結果保持一致。3 個曲線的周期相同均與曲軸的旋轉周期相同。當活塞到達上止點時，此時位移達到最大值，速度為零，加速度達到最大值；當活塞運動到行程中點處，此時速度達到最大值，加速度為零；當活塞運動到下止點時，此時位移達到最小值，速度為零，加速度達到最小值。

4 結語

本文采用Solidworks 里的Motion 分析模塊對曲柄圓滑塊機構進行建模及運動學仿真分析，得到曲柄圓滑塊機構的運動學特性。該方法也可以用于其他四桿機構、復雜機構的運動學分析，相較于數學原理分析，采用計算機仿真分析得出的結果更形象直觀。