基于SolidWorks的曲轴动平衡分析

1、CAD/C AE/CAPP/CA M现代制造工程2007年第6期基于Soli d W orks的曲轴动平衡分析樊远,刁燕,戈鹏(四川大学制造科学与工程学院,成都610065摘要:传统的曲轴零件设计是设计人员凭借自身经验进行设计,常导致其动平衡的计算精度不高。介绍在刚性转子动平衡计算分析方法的基础上,结合Del phi710和S olid Works环境进行的曲轴零件动平衡分析的二次开发。这种设计方法可以在曲轴的设计过程中直接对曲轴零件进行动平衡分析,提高计算精度并节省曲轴的设计开发时间和成本。关键词:曲轴;动平衡;质量特性中图分类号:T H16文献标识码:A文章编号:16713133(2007

2、06003703The ba l ance ana lysis of crank parts i n the con text of the Soli d W orksFan Yuan,D iao Yan,Ge Peng(Sichuan University Manufacturing Science and Engineering I nstitute,Chengdu610065,CHN Abstract:I n the traditi onal crank parts design p r ocess,because the conditi on is li m ited or the d

3、esigners rely on own experience t o carry on the design,the accuracy of the dyna m ic balance is l ower.The method intr oduced based on the computati onal method of the rigid r ot or equilibriu m analysis is the secondary analysis devel opment about the crank parts in the envir on ments of the Del p

4、hi 710and the Solid Works.This app r oach put up moti on balance analysis in the p r ocess of crank parts design.It can greatly i m p r ove the accuracy of the dynam ic balance;reduce the design ti m e and the cost of the crank parts.Key words:Crankshaft;Dyna m ic balancing;Mass p r operty本文利用Solid

5、Words环境,对设计的曲轴进行相应的动平衡计算分析,使曲轴零件能达到动平衡的要求。1曲轴的动平衡分析111动平衡的定义机构的不平衡可以分为静不平衡和动不平衡两种形式。对于轴向尺寸较小的盘状转子(如齿轮、盘形齿轮等,它们的质量可以近似地认为分布在垂直于其回转轴线的同一平面内。这种不平衡现象在转子静态时即可表现出来,故称为静不平衡;而对于轴向尺寸较大的转子(如内燃机的曲轴、机床主轴等,其质量就不能再视为分布在同一平面内,偏心质量往往是分布在若干个不同的回转平面内,这时将产生惯性力偶,这种不平衡现象只有在转子转动的情况下才能显示出来,所以称为动不平衡。对于静不平衡问题,可以在转子上增加或除去一部分

6、质量的方法,使其质心与回转轴中心重合,即可使转子的惯性力得以平衡。而对于动不平衡问题,不仅要平衡各偏心质量产生的惯性力,还要对偏心质量产生的惯性力偶矩进行平衡。112刚性转子动平衡计算的方法11211质径积的分解与代替对于质量分布不在同一回转面内的转子,当其转动时所产生的离心力已不再是一个平面汇交力系,而是空间力系。因此,单靠在某一回转平面内加、减平衡质量的方法已不能解决动不平衡的问题。在进行动平衡计算时,需将不平衡质量产生的惯性力分解为两个指定平面内的力。这就需要用到质径积的分解和代替 。图1惯性力的分解与代替根据平行力的合成与分解原理,某一平面上的一个力,可以由任意选定的两个平行平面内的两

7、个力代替它。如图1所示,在不平衡质量m所在的平面的两侧选定两个平衡基面A和B,设它们与m所在平面的距离分别为a和b,A和B两个平衡基面间的距离为L。用来代替m的两个质量分别为mA和mB,73现代制造工程2007年第6期C AD/C AE/C APP/C A M它们分别在A和B两个平衡基面内,其向径分别为rA和rB,且m、m A和m B三者在同一轴面内。则m、m A和m B所产生的离心力P、P A和P B构成同一平面内的三个平行力,PA 和PB能完全代替的条件如式(1所示:P A+P B=P P B b=P A a(1考虑L和a、b间的关系可得式(2: m A r A+m B r B=m r m

8、 B r B b=m A r A aL=a+b (2解式(2可得式(3:m A r A=m rb/L m B r B=m ra/L(311212平衡分析的计算方法设一刚性转子的不平衡质量m1、m2和m3分别位于平面1、2和3内,r1、r2和r3分别为其向径,如图2所示。当该转子以等角速度回转时,它们产生的离心惯性力P1、P2和P3构成一空间力系。为了将其转化为两个回转平面内的静平衡问题,选定两个平衡基面A和B,设两者间的距离为L。平面1、2、3到平衡基面B的距离分别为b1、b2和b3,到平衡基面A的距离分别为a1、a2和a3。当mi位于平面A和B之间时(如图2中的m1、m2的m3,a i和b

9、i均为正;当m i位于平面A和B之外时,ai 和bi均为负,根据本文第11211节中叙述的质径积的分解与代替,将不平衡重质径积m1r1、m2r2、m3r3分别由平衡基面A和B内的m A1r1和m B1r1、m A2r2和m B2r2、m A3r3和m B3r3代替(它们分别在同一轴面内。因被分解代替的不平衡质量的向径与分解后的向径相等,故由式(3可得式(4:m A i=b i m i/L m B i=a i m i/L (i=1,2,3(4经过分解代替后,就把三个平行平面内的不平衡质量问题简化为集中在A和B两个平行平衡平面内的不平衡质量问题。同理,有四个、五个、甚至更多个平行平面内的不平衡质量

10、问题都可以用同样的方法简化为任意选定的两个回转面内的不平衡质量问题,从而可以分别在平衡基面A、B内按照质量分布在同图2一个转子的动平衡转化为两个回转面上的静平衡一回转面内的情况解决不平衡问题。在平衡基面A内,假设m Ab为应加的平衡质量,其向径和相位角分别为r Ab和Ab,不平衡向量的合向量的x和y向分量分别为C A x和C A y,合向量的相位角为A;各不平衡质量的相位角为i,则得式(5:m A b r A b cosA b=-C A x=-m A i r icosim A b r A b sinA b=-C A y=-m A i r i sini(5类似地,在平衡基面B内可得式(6:m B

11、 b r B b cosB b=-C B x=-m B i r i cosim B b r B b sinB b=-C B y=-m B i r i sini(62二次开发实现的方案及其关键技术211实现方案根据前面描述的刚性转子的动平衡算法可知,曲轴的偏心质量是分布在若干个不同的回转平面内,所以本文就对曲轴零件进行了有限次的轴向分割,将曲轴零件分割成若干个切片。这若干个切片就认同为若干个平行平面(如图2所示。因此,在动平衡的分析过程中主要是将待分析的曲轴零件进行轴向分割,提取分割的各个切片的数据(如该切片的质量、向径等,然后根据式(5、式(6计算出在平衡基面A、B 上应加的平衡质径积,从而可

12、使设计人员以此为依据对曲轴零件进行再加工,以便达到动平衡的要求。在 Solid Works环境下,其自带的应用程序接口(AP I函数I nsert CutSurface可以实现对曲轴零件进行分割的操作,Get M assPr operties2可以提取出分割的各个切片的数据。可以利用这些函数再结合前面描述的刚性转子的动平衡算法进行动平衡分析即可。对曲轴零件进行动平衡分析的基本流程如图3所示。图3动平衡分析基本流程图212关键技术曲轴的零件图如图4所示,其轴向长度为669175mm,所要求的平衡精度为100mm/s,其关键技术分析如下。1调入曲轴零件模型。首先在Solid Works环境下,打开

13、设计人员设计成形的曲轴零件图(见图4。2Del phi与Solid Works建立联系。Del phi与Solid Works程序建立连接关系的AP I命令为:FSld Works:=TSld Works.Create(self;该命令的作用是在Del phi的运行环境下建立一83CAD /C AE /CAPP /CA M现代制造工程2007年第6期个Solid Works 的工作环境。Del phi 与Solid Works 中的当前活动零件环境建立连接关系的AP I 命令为:F I D oc:=FSld Works .I A ctive Doc2;该命令的作用是将图4所示的零件设置为当前的

14、Solid Works 文档,以便进行Solid Works 环境下操作。 图4曲轴零件图在分析程序中运用上述两个AP I 函数即可将Del phi 与Solid Works 环境下的曲轴零件建立联系。 3参数的设置。结合刚性转子动平衡分析的计算原理,在进行计算分析之前设定两个平衡校正面(即图2中的A 、B 平衡校正面、参考基准面(即选择曲轴的轴向端面作为零件轴向切割的起始基准面、划分精度、动平衡精度等参数,以便于进行动平衡分析。在计算分析过程中,首先选择两个平衡校正面和主轴线作为动平衡计算时的基准;然后再选择该零件的一个端面作为分割零件的参考基准面,如图5所示。图5选择基准界面然后输入曲轴所

15、要划分的精度和所要求的动平衡精度。在该例中划分精度为015mm ,所要求的动平衡精度为100mm /s 。输入参数界面如图6所示。 图6参数输入界面4计算分析。各项参数设定之后,该分析程序将按照图3所示的基本流程进行计算分析。首先根据设计人员选择的参考基准面和输入的划分精度和动平衡精度,利用Create Plane A t O ffSet3命令创建切割零件的切割基准面,然后利用I nsert CutSurface 命令将曲轴零件沿轴向分割为有限个切片,再利用Get M assPr oper 2ties2命令提取出分割的各个切片的质量、向径等数据,利用刚性转子的动平衡算法进行曲轴的动平衡计算分析

16、。在Solid Works 环境下对零件进行切割的AP I 命令为:status =Model D oc2.I nsert CutSurface (fli p,keepPiece I ndex ;创建参考基准面的AP I 命令为:retval =Model D oc2.CreatePlane A t O ffSet3(val,fli pD ir,aut osize ;对实体进行质量特性提取的AP I 命令为:retval =Sld Works .Get M assPr operties2(status ;计算分析结果如图7所示,如果计算结果显示该曲轴不能满足动平衡精度,则可以根据显示的动不平衡量和不平衡质心的位置,在该曲轴零件上增加平衡块来调整,满足动平衡精度要求。图7计算结果界面3结语刚性转子动平衡计算方法是利用Solid Works 环境下的A