PROE机构运动分析模块在平面连杆机构教学中的应用

汪秀珍汪秀凤

（1.武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080；2.江汉油田采油院实验室 湖北 潜江：433123）

PROE机构运动分析模块在平面连杆机构教学中的应用

汪秀珍1汪秀凤2

（1.武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080；2.江汉油田采油院实验室 湖北 潜江：433123）

通过对曲柄摇杆、摆动导杆等机构进行仿真并进行运动分析，得到机构传动角、急回特性及死点位置等工作特性最直接的素材，并应用于教学，使学生对急回特性、死点位置等抽象概念有感性认识，取得较好的教学效果。

Pro／E机构；运动分析；工作特性

0 引 言

机构运动分析模块（Mechanism）是Pro／ENGINEER中一个集运动仿真和机构分析于一身的功能强大的模块［1］。利用该模块，当各个零件通过装配模块组装成一个完整的机构以后，设计师就可以在Pro／ENGINEER中直接启动机构运动分析模块，根据设计意图定义机构中的连接，设置伺服电机，然后运行机构分析，观察机构的整体运动情况和各构件间的相对运动，并可输出分析图表，进行定量分析。

平面连杆机构是《机械设计基础》课程的重点内容，在各种机械和仪器中得到广泛应用，其中该机构工作特性是基础，而且机构的急回特性和死点位置是教学难点，学生感觉太抽象，不好理解。这时利用Pro／ENGINEE软件进行仿真，让学生自己观察、自己动手、自己分析得出结论，可以取得非常好的教学效果。

1 机构工作特性分析

1.1 机构传动角

压力角或传动角是针对机构中从动件而言的，它是反映驱使从动件运动的力的有效利用程度和衡量机构传动质量的重要参数，故也称为机构的压力角或机构的传动角。压力角是指从动件上驱动力与该力作用点绝对速度之间所夹的锐角，压力角的余角γ称为传动角。由于传动角γ有时可以从平面机构的运动简图上直接观察其大小，故平面机构常采用γ来衡量机构的传动质量［2］。当机构运转时，其传动角的大小是变化的，为了保证机构传动良好，设计时通常应使γmin≥40°；对于高速和大功率的传动机械，应使γmin≥50°。为此，需确定γ＝γmin时的机构位置，并检验γmin是否小于上述许用值。

在曲柄摇杆机构中，当曲柄为主动件时，由图1可知，传动角γ就等于连杆与摇杆之间的夹角γ，于是只要找到连杆与摇杆之间的最小夹角就对应着最小传动角。

图1 曲柄摇杆机构传动角

第一步，模型的建立及机构运动的定义：.创建四杆件的三维实体，杆长分别为300（机架），100（曲柄），350（连杆），200（摇杆），随后建立装配模型，装配时注意对运动零部件以连接方式装配；点击“应用程序”菜单，切换到“Mechanism”模式，定义机构连接并根据需要设置连接轴初始位置；.定义伺服电动机；.进行运动定义。

第二步，定义分析特征：在“Mechanism”模式下，点击“分析”，“测量”，“角度”弹出对话框如图2左所示。

第三步，在对话框中选择要测量的两个运动零件上的图元，即连杆的边和摇杆的边，注意在结果中会自动计算出机构在当前位置时两图元之间的角度。同时图形区显示出角度，如图2右所示。

图2 传动角的测量

观察机构传动角变化：点击右侧工具栏的“回放”按钮，进入机构运动回放窗口，注意观察窗口内传动角的数值随着机构的运转在不断变化，如图2右所示。

通过四杆机构运动回放观察到传动角的变化，可知当曲柄与机架共线时传动角达到最小值，图片上显示为γmin＝28.8980。很显然，这是不满足机构传动设计要求γmin≥40°。

1.2 急回特性

在某些从动件作往复运动的平面连杆机构中，若从动件回程的平均速度大于工作行程的平均速度，则称该机构具有急回特性。

1.2.1 曲柄摇杆机构

曲柄摇杆机构中，曲柄作等速转动，而摇杆摆动时空回行程的平均速度却大于工作行程的平均速度，所以曲柄摇杆机构具有急回特性，其主要作用是缩短非工作行程时间，提高效率。

在Pro／ENGINEER中定义曲柄的速度为72deg／sec，运转10sec，即曲柄转动2周，得到摇杆顶点的速度图线如图3所示。

图3 四杆机构急回特性

由图3分析可知，当曲柄做匀速转动时，摇杆做变速运动，并且在摇杆的行程和回程段，速度有显著地区别，回程段的平均速度高于行程段的平均速度，这就是机构所具有的急回特性。

1.2.2 摆动导杆机构

创建摆动导杆机构如图4左侧所示，在滑块上创建基准点，定义曲柄的回转速度为24deg／sec，运转时间为15sec，即曲柄回转一周，得基准点速度曲线如图4右侧所示，即对应为牛头刨床滑轨的速度曲线。

图4 摆动导杆机构急回特性

从图4中看看出行程和回程的速度相差很大，所以导杆机构的急回特性非常明显，可以从机构运动动画中直接观察出来。

1.3 死点位置

当从动件上的传动角＝0°，驱动力对从动件的有效回转力矩为零，这个位置称为机构的死点位置，也就是机构中从动件与连杆共线的位置称为机构的死点位置。

1.3.1 曲柄摇杆机构

在Pro／ENGINEER中，取曲柄为主动件时，单击工具按钮“拖动元件”，再单击曲柄，可以观察到曲柄上有一控制按钮。移动鼠标，曲柄随着鼠标做整周回转，摇杆做摆动，说明机构无死点位置。

图5 机构死点位置

当取摇杆为主动件时，单击工具按钮“拖动元件”，再单击摇杆，可以观察到摇杆上有一控制按钮。移动鼠标，当处于如图5（左）位置时，机构无法运动，说明机构此时处于死点位置。

观察机构的位置可知，此时连杆与曲柄位于同一直线上，再结合机构的传动角的概念，可知此时机构的传动角为0°。

1.3.2 对心曲柄滑块机构

以内燃机为例，当以曲轴为原动件时，曲轴连续回转时，活塞作往复直线运动，说明机构无死点位置。但是当以滑块即活塞为原动件时，即控制按钮处于活塞上时，当控制活塞移动使机构处于如图5（右）位置时，机构无法继续运动。此时曲轴与连杆共线，机构处于死点位置，分别对应于内燃机的上止点和下止点位置。

2 结束语

在Pro／ENGINEER中，通过对曲柄摇杆机构、导杆机构、对心曲柄滑块机构的运动仿真，将平面、静止的研究对象，清晰形象地展现在学生面前，学生通过观察可以看到机构传动角的不断变化过程，并能分析机构最小传动角的位置；通过构件的速度图线分析机构的急回特性；通过动手感觉死点位置，使学生获得对机构特性的感性认识，教学效果非常好。

Pro／ENGINEER运动分析模块内的其它内容还有很多，笔者希望继续研究并应用于相关课程的教学，提高学生学习兴趣，增进学生的感性认识，提高教学质量。

［1］ 林清安.Pro／ENGINEER3.0中文版动态机构设计与仿真［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［2］ 郑文纬，吴克坚.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，1997.

Application of PROE Mechanism Movement Analysis in Plane Shaft Structure Teaching

WANG Xiuzhen WANG Xiufeng

Through simulation and dynamic analysis of mechanism like crank rocker and switch leader，direct information of working properties of transmission angle，swift character and dead point position are obtained and applied to teaching，so that better teaching effects are achieved.

mechanism；dynamic analysis；working property

G714

A

1671－3524（2012）02－0066－03

（责任编辑：李文英）

2012－04－05

2012－05－19

汪秀珍（1973～），女，讲师.E－mail：wangxz＿wuhan＠163.com