基于MSC_ADAMS软件的曲柄滑块机构和止转轭机构运动性能的比较与分析.pdf

第2 5 卷第5 期 2 0 1 2 年9 月 机电产品开笈与纠新 D e v e l o p m e n t I n n o v a t io no fM a ch in e r y E l e ct r ica lP r o d u ct s V O I 2 5 N O 5 S e p 2 0 12 文章编号 1 0 0 2 6 6 7 3 2 0 1 2 0 5 1 1 6 0 3 基于M S C A D A M S 软件的曲柄滑块机构和止转轭机构运动 性能的比较与分析 梁丽萍 山西职业技术学院 山西太原0 3 0 0 0 6 摘要 论文利用动力学仿真软件M S C A D A M S 对曲柄滑块机构和止转轭机构进行了原理建模和运动学 分析 分析结果显示 止转轭机构的位移运动是纯正弦运动 速度是余弦 加速度是正弦的 这种 特性可以增加运动的平稳性 止转轭机构在往复运动的顶部有长的停留时间 该特性对于特定体积 的燃烧循环可以提高发动机的理论效率 同时 止转轭机构具有运动部件少 蓉易维护等优点 关键词 曲柄滑块机构 止转轭机构 动态性能分析 M S CA I D A M S 软件 中图分类号 T P 3 9文献标识码 Ad o i 1 0 3 9 6 9 i is s n 1 0 0 2 6 6 7 3 2 0 1 2 0 5 0 4 6 K in e m a t icA n a l y s isa n dC o m p a r eo fC r a n k S l id e r S co t ch Y o k eM e ch a n is m sB a s e do nt h eM S C A D A M SS o f t w a r e L I A N GL i J D j 凡g S h a n x aP o l y t e ch n icC o l l o g e T a iy u a nS h a n d0 3 0 0 0 6 C h in a A b s t r a ct I nt h isp a p e r acr a n k s l id e ra n das co t ch y o k em e ch a n is mw e r eco m p a r e dF ir s t a3 Ds t r u ct u r ew a gd e s ig n e db yM S C A D A M S s o f t w a r e a n dt h e n s l id in gj o in tk in e m a t icsw a so p e r a t e db yt h iss o f t w a r e T h er e s u l t ss h o wt h a ts co t chy o k ein s t e a do fco n n e ct in gr o d st o t r a n s l a t el in e a rm o t io nt or o t a r ym o t io nw h ichr e d u ce dd w e l lt im ea tt o pd e a dce n t e r S co t ch y o k eh a ss m o o t h e ro p e r a t io nd u et oe l im in a t io no fcr a n ka n ds l id e rm e ch a n is ma n ds in u s o id a lm o t io n H ig h e rp e r ce n t a g eo ft h et im es p e n ta tt o pd e a dce n t e r d w e l l im p r o v in gt h e o r e t i ca le n 垂n ee f f icie n cyo fco n s t a n tv o l u m eco m b u s t io ncy cl e s K e yw o r d s C r a n k s l id e r S co t ch y o k em e ch a n is m s k in e m a t ica n a l y s is M S C A D A M Ss o f t w a r e 0 引言 曲柄滑块机构和止转轭机构都是机械传动系统中关 键的 常用的机械结构 这两种机构都能把曲柄的旋转 运动转化为滑块的往复直线运动 或者相反 把滑块的 往复直线运动转化为曲柄的旋转运动 曲柄滑块机构有 着广泛的应用 例如汽车发动机的汽缸利用曲柄滑块机 构往复运动向旋转运动的转化性能 又如流体机械中的 泵或阀利用曲柄滑块机构往复运动向旋转运动的转化性 能 止转轭机构通常应用在高压油气管线中作为控制阀 门的驱动器 在扭头刨床中 止转轭机构通常用来调整 刨床的运动 从而达到慢速切削和快速返回的机械运 动 止转轭机构还应用在B o u r k ee n g in e 或蒸汽机中 l 对于曲柄滑块机构的研究 国内山东建筑大学的路松利 收稿日期 2 0 1 2 0 7 1 6 作者简介 梁丽萍 1 9 7 4 一 女 山西平遥人 硕士研究 生 研究方向 材料加工 已发表论文八篇 1 1 6 用M a t l a b 软件对曲柄滑块机构做了建模与仿真 E r k a y a 研究了偏心曲柄滑块机构的运动特性和动力学特性1 3 1 F u n g 研究了一种在曲柄上安装有气压缸和弹簧的曲柄 滑块机构 4 1 K a r im 等研究了应用于曲柄滑块机构的多物 理系统计算机辅助设计方法 5 1 对于止转轭机构运动性能 的研究 国内西安交通大学的冯诗愚研究了十字滑块压 缩机的止转轭机构悯 日本的本田公司S u z u k i等研究了连 杆长度和曲柄半径比对热效率的影响同 从以上文献检索 可以看到 对曲柄滑块机构和止转轭机构运动性能研 究 大多数研究者都是结合曲柄滑块机构或止转轭机构 实际应用来研究其运动性能或动力学性能 对于曲柄滑 块和止转轭这两种机构的运动性能分析与比较 还没有 找到相关的研究文献 曲柄滑块机构和止转轭机构是两 种非常相近的机械运动机构 但是又有不同 对这两种 机构运动特性进行分析比较研究将是一个非常有学术意 义的工作 本文利用目前在机械工程领域非常通用的 M S C A D A M S 软件 对曲柄滑块机构和止转轭机构进行 制造业信息化 原理模型建模和运动学分析 深入分析和比较了两种机 构滑块的位移特性 速度特性和加速度特性 本文的研 究结果将有助于机械工程师在实际工程设计中 合理选 择曲柄滑块机构或止转轭机构 同时 该研究成果将帮 助机械领域的学习者更深地理解曲柄滑块机构和止转轭 机构 1 曲柄滑块机构和止转轭机构的建模与仿真 M S C A D A M S 软件由于其领先的 功能化数字样 机 技术 迅速发展成为C A E 领域中使用范围最广 应用行业最多的机械系统动力学仿真工具 占据了该领 域5 3 的市场份额 数据来自于D a r a t e ch 的统计数据 许多国际化大型公司 企业均采用M S C A D A M S 软件作 为其机械系统动力学仿真的平台 M S CA D A M S 可用于 建立复杂机械系统的 功能化数字样机 在现实工作 条件下逼真地模拟其所有运动情况 并且可以快速分析 比较多种设计思想 直至获得最优设计方案 从而减少 昂贵的物理样机试验 提高产品设计水平 缩短产品开 发周期和开发成本 a 由辆滑块机构f b 止转轭机构 圈1 模型示意圈 脚lM o d e ls ch e m e s 本文利用M S C A D A M S 软件 首先对曲柄滑块机构 和止转轭机构进行原理建模 然后对相关部件施加运动 副 最后施加驱动力进行运动学分析 图l a 是曲柄滑 块机构原理建模示意图 该曲柄滑块机构由刚性连杆 l 连杆2 和刚性滑块组成 在连杆l 与地面 连杆l 和连杆2 以及连杆2 和滑块之间施加旋转副 在滑块 和地面之间施加移动副 然后对连杆l 和地面之间的旋 转副施加驱动力 图l b 是止转轭机构结构示意图 该 原理示意图由连杆l 滑块和轭组成 在连杆l 和地 面 连杆1 和滑块之间施加旋转副 在滑块和轭 轭和 地面之间施加移动副 然后对连杆l 和地面之间的旋转 副施加驱动力 最后利用M S C A D A M S 软件的后处理功 能对曲柄滑块机构和止转轭机构进行位移 速度和加速 度分析和比较 图2 一图4 分别是曲柄滑块机构和止转轭机构的位 移 速度和加速度特性 分析中以一个曲柄长度为单 a 曲柄滑块机构 b 止转轭机构 图2 位移特性 F ig 2D is p l a ce m e n tch a r a ct e r is t ics 曲柄滑块机构 止转轭机构 图3 速度特性 V ig 3S p e e dch a r a ct e r is t ics 曲柄滑块机构 b 止转轭机构 圈4 加速度特性 F ig 4A cce l e r a t io nch a r a ct e r is t ie s 位 对曲柄连杆机构和止转轭机构产生两个来回往复运 动进行研究 对连杆长度和曲柄长度进行归一化处理 对于恒定曲柄旋转速度O J 止转轭机构在t 时刻产生的点 位移为co s t 点速度为 e m in o o t 点加速度为叫2 c0 6 曲 从止转轭机构运动分析的结果可以看出 止转轭机构是 纯正弦运动 速度是余弦 加速度是正弦的 该特性 可以增加机构的运动平稳性 止转轭机构可以减小连杆 带来的振动 例如加速度峰值小于曲柄滑块的加速度峰 值 活塞的运动和振动都是正弦的 因此在理论上发动 机具有良好的平衡作用 同时我们可以注意到 止转轭 机构在往复运动的顶部 有长的停留时间 该特性在设 计内部燃烧发动机时 使燃料快而且燃烧完全 该特性 可以提高发动机的理论效率对于特定体积的燃烧循环 该特性与曲柄滑块机构相比是一个很大潜在的优势 同时 我们还注意到 止转轭机构和曲柄滑块机构 相比具有移动部件少的优点 只有两个移动部件 容易 维护 在理想工程条件下 力直接作用在运动直线上 在发动机应用中 活塞销消除了转动副 几乎消除了活 塞裙和拉缸 由于连杆的正弦运动 边载荷也被削弱 2 结论 仿真软件M S C A D A M S 对曲柄滑块机构和止转轭机 构进行原理建模和运动学分析和比较显示 止转轭机构 具有平稳的运动特性 紧凑的结构 下转第1 1 9 页 1 1 7 制造业信息化 表2 悬架的M 代码表 代码问题描述 2 悬架后钢板弹簧断裂第一片断裂 3 悬架后钢板弹簧断裂每一片断裂 图2C 代码框图 来描述 C 代码 分为6 类 构成 如图2 所示 D 代码 D 代码是针对质量 问题的引发原因 设计的 汽车发 生质量问题不但 与设计 生产 采购件等本身有 关 而且还与环境条件以及驾驶员操作有关 在进行D 代码设计时 把主要由于汽车本身的毛病而引起的质量 问题定义为本质问题 把主要由于操作使用失误而引起 的质量问题定义为误用问题 在收集售后质量信息进行 汽车质量评价时 考核对象应为本质问题 如分不清质 量问题原因 将会使汽车评价结果失真 D 代码应确保 信息的真实程度 P 代码 P 代码描述汽车发生质量问题的地点 Y 代码 Y 代码描述汽车发生质量问题的行驶里 程 Y 代码应在索赔的行驶里程内 将质量问题几种代码组合起来就可以完整地描述一 个质量问题 构成了售后服务质量信息评价系统的一条 质量信息码 1 3 汽车售后服务质量信息评价系统框图 汽车售后服务质量信息评价系统数据库中可输入上 万条质量信息 需要说明的是 由于索赔涉及企业效 益 因此索赔不会将非质量问题划为质量问题 即数据 库中的质量信息准确 但可能存在用户对一些不太严重 的质量问题 不申请索赔 而是自行修理 更换零部件 或鉴定员将质量问题划为非索赔 造成质量信息遗失 这部分信息所占比例大约为1 5 质量评价系统框图如 图3 所示 此系统可以对汽车的总体质量 设计质量 生产质 量 用户使用情况 售后服务工作本身质量进行评价 l 售后服务网络 索赔鉴定单 质量信息代码 数据库 分析评价系统 本质故障使用故障 汽车产品设11 汽车产品生l1 用户使用ll 售后服务工 计质量评价II 产质量评价 I 情况评价 l 本身质量评 图3 质量评价系统框图 其中本质故障评价方法如下 汽车产品总体质量评价 主要运用统计 故障分布 以及回归分析方程 建立汽车质量变化规律曲线 求特 征参数 并从子系统总成故障分配情况 汽车故障模 式 故障原因组成等方面考察汽车总体质量水平 汽车产品设计质量评价 用汽车寿命分布的方法来 统计售后服务质量信息 并与汽车可靠性试验结果进行 比较 同时还可以对汽车设计质量试验方法进行评价和 修正 汽车产品生产质量评价 主要运用统计分析和全面 质量管理方法对汽车生产质量进行评价 并对其次和生 产工艺改进效果进行评价 2 结论 本文所设计的汽车售后服务网络质量 故障 信息 评价系统 可以准确的评价汽车总体质量 并能详细分 析和确定汽车产品在设计 试验 制造 检测中形成的 各种质量问题 对汽车产品设计 试验 检测规程的修 正以及生产过程的改进具有重要意义 上接第1 1 7 页 优良的力平衡性能 在特定的燃烧 循环条件下 相比曲柄滑块机构而言 发动机具有较高 的理论效率 参考文献 1 B o u r k eE n g in eD o cu m e n t a r y P u b l is h e d1 9 6 8 p 5 0 A p p r a is in gE n g in eE f f icie n cy p a r t 2 2 路松 曲柄滑块机构的运动特性分析 C 中国高新技术企业论坛 2 0 0 8 3 1S e l q u kE r k a y a S t ik r uS u a n dI b r a h imU z m a y D y n a m ica n a l y s iso f as l id e r cr a n km e ch a n is mw it he cce n t r icco n n e ct o ra n dp l a n e t a r y g e a r sM e ch a n is ma n dM a ch in eT h e o r y4 2 2 0 0 7 4 R o n g F o n gF u n g C h in L u n gC h ia n ga n dS h in J e nC h e n D y n a m icm o d e l l in go fa nin t e r m it t e n ts l id e r cr a n km e ch a n is m A p p l ie d M a t h e m a t ica lM o d e l l in g3 3 2 0 0 9 5 5K a r imJ a b a l l i N a b ilM o u j ib i B e n