曲柄滑块机构仿真实验教学的研究

坠　！　＝塑　ＣＮ１１—２０３４／Ｔ　实验技术与管理　第２５卷第３期２００８年３月　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｖ０１．２５　Ｎｏ．３　Ｍ８２＂．２Ｏ０８　曲柄滑块机构仿真实验教学的研究　周永清　（南京农业大学工学院，江苏南京２１００３１）　摘要：机械原理是大学本科机械类专业的一门重要专业基础课。针对机械原理中曲柄滑块机构的演化、　急回特性及动平衡等有关内容，开设了基于动力学仿真分析软件Ｐｒｏ／Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ的曲柄滑块机构仿真实验　教学，取得了明显的综合成效。　关键词：曲柄滑块机构；实验教学；仿真；急回；动平衡　中图分类号：ＴＨ１３２；ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２－４９５６（２００８）０３—００６５—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ｓｌｉｄｅｒ．ｃｒａｎｋ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ＺＨＯＵ　Ｙｏｎｇ—ｑｉｎｇ　（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ＣｏＵｅｇｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｍａｃｈｉｎｅｓ　ｎｄ　ａｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｕｎｄｅｒｇｒａｄｕａｔｅ　ｃｏｕｒｓｅ　ｆｏｒ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ　ｉｎ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ａｂｏｕｔ　ｓｌｉｄｅｒ—ｃｒｎｋ　ｍｅｃｈａａｎｉｓｍ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｅｖｏｌｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｑｕｉｃｋ—ｒｅ—　ｍｕｍ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｎｄ　ａｄｙｎａｍｉｃ　ｂａｌｎｃｅ．Ｓｉａｍｕｌａｔｉｖｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ｓｌｉｄｅｒ－ｃｒａｎｋ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ｉｎｔｏ　ｅｆｆｃｔ．Ｉｅｔ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ—Ｐｒｏ／Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｐｏｐｕｌｒ　ＳＯ　ｔａｈａｔ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ　ｒｅ　ｍａｄｅ．ａ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｌｉｄｅｒ－ｃｒａｎｋ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｑｕｉｃｋ—ｒｅｔｕｒｎ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｂａｌａｎｃｅ　机械原理课程是大学本科机械类专业的一门重　要专业基础课，既有丰富的基础理论，又有一定的　工程实践知识，同时还包含利用这些知识解决工程　问题的方法，对培养工科学生的综合分析能力和创　新能力具有重要的作用。２１世纪的高等教育要从　知识传授型向能力培养型转变，而能力培养的途径　之一是实验教学。机械原理中关于平面四杆机构的　演化、急回特性及动平衡等有关内容的教学一直以　来都是偏重理论，太过抽象，枯燥乏味。且未见有　开设关于曲柄滑块机构演化、急回特性及动平衡等　系列知识的实验内容。　我们开设了基于Ｐｒｏ／Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ的曲柄滑块机　构演化、急回特性及动平衡的仿真综合实验。实验　中学生自己动手进行三维构件造型、建立曲柄滑块　机构动力学分析模型、分析曲柄滑块机构的急回特　性并利用平衡机构对曲柄滑块机构进行动平衡，最　一后完成实验报告。通过实验，学生们的求知欲被激　发，动手能力、分析问题解决问题的能力和对知识　的融会贯通能力得以提高。　１曲柄滑块机构　图１（ａ）所示为一平面四杆机构，当摇杆３　的长度增至无穷大时，曲线轨迹将变为直线，于是　机构就演化成为曲柄滑块机构。图１（ｂ）所示是　偏距为ｅ的偏置曲柄滑块机构，当ｅ＝０时为对心　曲柄滑块机构。　１．１　曲柄滑块机构的演化　图２（ａ）所示的曲柄滑块机构，当曲柄１与　连杆２的连接铰链半径大过曲柄与机架４的铰链　时，机构就演化成为偏心轮机构，其运动特性与曲　柄滑块机构完全相同。机械中往往由于结构尺寸需　要或为了避免构件间运动干涉而较多使用偏心轮　机构。　收稿日期：２００７—０６—２５修改日期：２００７—０９—２７　作者简介：周永清（１９７７一），男，江苏省泗阳市人，硕士，讲　师，主要从事机械设计及理论、机械动力学等教学与　科研工作．　１．２　曲柄滑块机构的急回特性　图３中３和３　分别是滑块的极限运动位置，简　称极位，对应曲柄之间所夹锐角仅称为极位夹角。　维普资讯 http://www.cqvip.com

实验技术与管理　当机构存在不为零的极位夹角时，曲柄匀速转动，　滑块机构　＝０，无急回。偏置曲柄滑块机构的急　滑块３在位置３和３　之间来回行程的速度是不一样　的，滑块的这种运动性质称为急回特性。对心曲柄　＼　回特性随偏距ｅ的增大也愈显著。　图１平面四杆机构的演化　（ｂ）　图２曲柄滑块机构的演化　图４利用平衡机构平衡曲柄滑块机构　图３曲柄滑块机构的急回特　２　Ｐｒｏ／Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ模块简介　１．３　曲柄滑块机构的动平衡　机构中作往复运动或平面复合运动的构件，　在运动中产生的惯性力不可能在构件本身上予以　平衡，而必须就整个机构设法加以研究。曲柄滑　块机构就属于这一类型的平衡问题。为了总惯性　力的完全平衡，有利用平衡机构平衡和利用平衡　质量平衡两种措施。本实验中要求学生完成利用　Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件是一款参数化三维实体设计　软件，只要修改尺寸参数的值就可实时改变设计，　所见即所得。Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ模块是Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件　中进行机构动力学仿真分析的软件，使用该模块，　可实现对机构的定义，比如建立零件之间的连接及　装配自由度和对输入轴添加相应马达来产生设计要　平衡机构平衡。如图４所示的机构，由于其左、　右两部分对　点完全对称，故可使惯性力在　处　的轴承引起的动压力得到完全平衡，某型号摩托　车的发动机就采用了这种布置方式，ＺＧ１２—６型　高速冷镦机中也利用了与此类似的方法获得了较　好的平衡效果，使机器的转速提高到３５０　ｒ／ｍｉｎ，　而振动仍很小。　求的运动等。使用该模块，还可对机构的运动进行　分析研究，观察和记录分析过程或一些测量量，如　位置、速度、加速度和力等。Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件是　我校为机械类专业学生开设的机械三维ＣＡＤ课程　的教学软件，机械三维ＣＡＤ与机械原理同期开设，　对于组成曲柄滑块机构这类简单构件的建模操作学　生已经掌握，曲柄滑块机构中所含运动副类型又只　有铰链（Ｐｉｎ）与滑块（Ｓｌｉｄｅｒ），所需测量量只有　滑块的运动速度及曲柄对机架的作用力，实验前只　维普资讯 http://www.cqvip.com 周永清：曲柄滑块机构仿真实验教学的研究　６７　需用大约５　ｍｉｎ时间把实验中用到的Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ模　动压力载荷，并进行分析比较和总结。　块中的命令讲授给学生后，学生便可自己动手上机　３．３建立模型　进行实验。　因为实验中并没有明确要求是建立图５（ａ）　３仿真实验　所示的曲柄滑块机构，还是建立图５（ｂ）所示的　偏心轮机构，绝大多数学生都建立了相对简单的图　３．１　已知条件　５（ａ）所示模型，而想不到图５（ｃ）所示模型。　偏置曲柄滑块机构中曲柄长度为２０　ｍｍ，连杆　图５（ａ）模型虽简单但存在致命的错误：在仿真　长度为１２０　ｍｍ，偏心距为３５　ｍｍ。　时，该模型是不能运动的，因为连杆１会与曲柄销　３．２实验要求　产生干涉，如果把连杆ｌ与连杆２布置在曲柄的同　（１）按所给尺寸建立机架、滑块、曲柄和连杆　一侧，则两连杆又会产生运动干涉，所以该模型是　的三维模型，并建立曲柄滑块机构动力学分析　不可行的，无法实验。这时让学生思考一下：对曲　模型。　柄滑块机构进行怎样的演化，其演化形式可以解决　（２）偏心距分别改为０　ｍｍ、３５　ｍｍ和５０　ｍｍ　问题？最后，学生都建立了图５（Ｃ）模型，问题　时，测量滑块的速度，抓取速度曲线图并保存。　迎刃而解。从而使学生对曲柄滑块机构为什么需要　（３）按图４的平衡原理进行曲柄滑块机构动平　演化，其演化形式的结构等问题有了最更人的　衡实验，分别测量平衡前、后曲柄施加在机架上的　认识。　（ｂ）　图５曲柄滑块机构动平衡模型　３．４仿真分析　３．４．２动平衡结果　３．４．１急回特性分析　为了比较曲柄滑块机构平衡前后由曲柄作用在　模型建立之后，进入Ｐｒｏ／Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ模块，给　机架上的动压力的变化，还建立了图５（ｂ）所示　曲柄销轴加上马达。马达转速为１０　ｒ／ｍｉｎ时测得　的模型。在图５（ｂ）和图５（Ｃ）的模型中，分别　滑块在偏心距分别改为０　ｍｍ、３５　ｍｍ和５０　ｍｍ时　给曲柄销轴加上马达，马达转速为６０　ｒ／ｍｉｎ时测　的速度　的变化曲线，分别如图６中（ａ）、　（ｂ）　得平衡前、后曲柄在曲柄销处施加在机架上的动压　和（Ｃ）所示，图６中ｔ为时间。　力如图７（ａ）和图７（ｂ）所示。由图７看出平衡　由图６中可见，３种情况下正方向最大速度　前曲柄作用在机架上的动压力厂幅值为０．３０５　Ｎ，　均为２１．３　ｍｍ／ｓ，而反方向最大速度分别为２１．３　而平衡后此幅值减小为０．００９５　Ｎ，即平衡后动压　ｍｍ／ｓ、２３．１　ｍｍ／ｓ和２５　ｍｍ／ｓ，与前述结论　力幅值减小为平衡前的１／３０，可见取得了很好的　一致。　动平衡效果。图７中ｔ表示时间。　维普资讯 http://www.cqvip.com 实验技术与管理　（ａ）ｅ＝Ｏｍｍ　图６滑块在不同偏心距时速度曲线图　（ａ）平衡前　（ｂ）平衡后　图７曲柄作用在机架上的动压力　４结束语　综上所述，学生在Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件平台上，　的内容。　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：　［１］张超，任秀华，赵志超，等．机械设计实验教学的现代化改革　与创新［Ｊ］．实验技术与管理，２００６，２３（１０）：９７—１００．　［２］杨金林，陈元斌，张群艳，等．机械基础实验教学改革与探索　［Ｊ］．实验室研究与探索，２００７（２）：７３—７５．　［３］陈涛，吴宝贵，张旭．基于ＡＤＡＭＳ的曲柄滑块机构虚拟样机　设计［Ｊ］．重庆工学院学报，２００５（８）：３０－３３．　［４］许茏．曲柄滑块机构在Ｃｏｓｍｏｓｍｏｔｉｏｎ中的运动分析［Ｊ］．机械　研究与应用，２００６（１２）：ｌ１７－ｌ１８．　按要求正确建立曲柄滑块机构的动力学仿真分析模　型，比较建立曲柄滑块机构及其演化而成的偏心轮　机构的异同点，分析曲柄滑块机构的急回特性，利　用加对称平衡机构法对曲柄滑块机构进行动平衡、　并比较平衡前曲的机架受力差异，从而判断平衡的　效果。通过实验，学生们不仅掌握了关于曲柄滑块　机构的一系列知识，还掌握了一些现代机械设计中　动力学分析的基本原理与方法，开拓了学生的视　野、增强了学生的动手能力，受到了学生的广泛欢　迎。下一步将利用Ｐｒｏ／Ｅ的二次开发技术，把这一　仿真分析的内容设计成较为独立可运行的模块，并　［５］索双富，季林红，阎绍泽，等．机械基础研究性实验的开发与　实施［Ｊ］．实验技术与管理，２００４，２１（１）：ｌ１６　ｌ１９．　［６］孙桓，陈作模，葛文杰．机械原理［Ｍ］．北京：高等教育出版　社，２００６．　［７］和青芳，徐征．Ｐｒｏ／ＥＮＧ￣ＥＥＲ　Ｗｉｌｄｆｉｒｅ产品设计与机构动力学　分析［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２ＯＯ４．　将加入利用平衡质量法对曲柄滑块机构进行动平衡