曲柄搖桿機構建模與仿真分析

張海霞 劉月英 王南

摘 要：本文以曲柄搖桿機構為例，根據其固有的要求和特性，建立曲柄搖桿機構的模型。并使用MATLAB軟件對所建立的曲柄搖桿機構進行仿真分析。分析結果為曲柄搖桿機構進一步優化提供理論依據。

關鍵詞：曲柄搖桿機構;MATLAB;仿真分析

1.前言

平面連桿機構在機械裝備制造業中應用非常廣泛。經過長期的實踐它表現出各種各樣的特性，其中最突出的是它能夠通過改變構件的相對長度來得到各種各樣的運動規律，來適合不同類型的工作條件。其中最基礎的是鉸鏈四桿機構。由于四桿機構中大多都是由低副組成的運動副，所以接觸類型都是面與面接觸。這樣的結構可以承載更大的壓力，制造起來也簡單可靠。但是缺點是鉸鏈四桿機構在運動的時候會引起機構的強迫性震動，會降低構件的可靠性和運動的平穩性。

本文以曲柄搖桿機構為例，應用Pro/e軟件建立模型，并使用MATLAB軟件對所建立的模型進行仿真分析。分析結果為曲柄搖桿機構進一步優化提供理論依據。

2.曲柄搖桿機構實體建模

曲柄搖桿機構的零件包括曲柄、連架桿、搖桿、支架桿等。這些零件結構簡單，應用Pro/e建模時要使其建模過程盡量簡化。

（1）創建支架

選擇界面中的拉伸指令，選擇top作為草繪平面。采用系統默認參照平面和草繪方向，進入草繪模式。繪制一個長3mm寬3mm的長方形，完成后進入創建拉伸長度的界面，然后在“深度值”輸入拉伸距離為30mm，完成了特征的創建。然后在零件中設計的位置平面上再拉伸出一個直徑2mm、高3mm的圓柱。

在建模過程中要考慮連桿在整個運動中所受到的力不會使連桿產生變形，在受到各個方向拉、壓、彎、剪、扭等作用力的時候，也不會發生斷裂、過大的殘余變形等現象，這也是設計者對毛坯最基本的要求，所以支架設計尺寸要合理，滿足設計的零件質量小等要求。

（2）創建曲柄

選用拉伸指令，進入工作區下方“操作板”欄，首先選擇FRONT面作為草繪零件的平面，在草繪界面中，繪制好平面圖形參數，然后在工作區下方的“深度值”輸入框中輸入拉伸值10mm，完成曲柄零件的建模。如圖1-1所示。

（3）創建搖桿

使用拉伸指令，進入工作界面下方的“操作板”欄，選擇top面作為草繪平面，然后進入系統默認的參照平面和草繪平面。在草繪界面中，繪制好平面圖形參數，然后在工作區下方的“深度值”輸入框中輸入拉伸值18mm，完成搖桿零件的建模。如圖1-2所示。

（4）創建連架桿

建模步驟與曲柄建模過程一樣，在工作區下方的“深度值”輸入框中輸入拉伸17mm。如圖1-3所示。

（5）曲柄搖桿機構整體裝配

在PRO/E中新建一個名為zuzhuang的組件，在界面的屬性欄里選擇“缺省”。然后選擇“裝配”，新建約束把零件按步驟添加安裝。整體裝配如圖1-4所示。

3.曲柄搖桿機構仿真分析

運用MATLAB軟件對曲柄搖桿機構中各桿的角位移、角速度和角加速度的運動變化規

律進行分析。編制程序進行仿真，繪制出了模擬曲線。如圖1-5所示。

4.結論

曲柄搖桿機構搖桿為圖1-5所示位置時，AB為曲柄、BC為連桿、CD為搖桿，四桿機構運動較平穩，回程時急回特性不太明顯，但速度和加速度的曲線波動較大。

通過分析得到機構的傳力性能常用傳動角γ來限定，為了保證機構具有良好的傳動性能， 一般要求γ≥40°。傳動角γ的大小隨機構運動位置變化而變化，所以為了省力，四桿機構運動時應使工作行程的傳動角接近最大值γ。

參考文獻：

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作者簡介：

張海霞（1985.7—），女，河北省保定市博野縣人，保定市河北科技學院 機械設計及理論專業 教師