基于SolidWorks的曲柄摇杆机构急回特性分析

孙应秋

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

引言

随着计算机技术的发展，三维软件在机械行业中运用广泛[1][2]。实际工程中，设计者可以利用它缩短设计周期并节省设计成本；理论研究中，学者利用它提高研究速度并能生动的展现研究成果。SolidWorks软件在产品性能优化和仿真（运动和干涉检查、整机运动分析、零部件设计优化等）、结构特征建模、分析评价等方面具有独到的优势。故本文利用SolidWorks软件对曲柄摇杆机构建模并进行运动仿真，以研究其急回特性。

一、曲柄摇杆机构急回特性

曲柄摇杆机构如图1所示，当曲柄转动一周与连杆BC有两次共线，即图中AB1和AB2所示，曲柄在两次共线时所夹锐角θ为极位夹角，摇杆CD的两个极限位置间所夹角β为摇杆摆角[3]。曲柄AB绕A点以等角速度ω顺时针从AB1到AB2，转过的角度 α1=180°+θ，用的时间为 t1，此时，摇杆从C1D 到 C2D，C 点平均速度 v1；当曲柄由 AB2到 AB1，转过的角度α2=180°-θ，用的时间为t2，摇杆从C2D到C1D，C点平均速度v2。曲柄等角速度运转，从AB1到AB2比AB2到AB1的角位移量多，故t1＞ t2。对于摇杆CD往返运动的弧长相同，但时间不同，故v1＜v2。曲柄做等速转动，摇杆往复摆动的速度不同，返回的速度更大，这种性质即为急回特性[4]。

二、曲柄摇杆机构建模

（一）建立三维模型

依据曲柄存在条件，取曲柄摇杆机构各杆长分别 为 AB=60mm，BC=100mm，CD=110mm，AD=120mm，在SolidWorks软件中创建各零部件如下图2所示，其中AB杆和CD杆的结构相同，只是长度不同，如图中（a）所示；BC杆结构如图（b）所示；AD杆作为机架，在建立模型时分别创建两个底座，如图（c）所示。

图2 零件三维模型

（二）生成装配体

在SolidWorks软件中新建装配体文件，插入图2中的（c）底部零件图，并在左侧的特征树中，将其设为固定。复制底部零件，并对其进行配合，使其与原件的位置一致，在X轴上的距离为120 mm，将其设为固定。分别插入零件AB、BC、CD，采用机械配合中的铰链配合，最终所得装配体如图3所示。

图3 曲柄摇杆装配体模型

三、建立运动仿真及仿真结果分析

（一）建立运动仿真

在SolidWorks中增加motion插件，并设置相应参数。首先选择算例类型为motion分析，其次设置参数，设置马达：马达类型为旋转马达，方向为顺时针方向，零部件选AB杆，等速运动值设为6RPM；仿真时间为20s；引力参数选择Y轴。最后计算运动算例[5]。

（二）仿真结果与分析

在结果和图解中选择类型为速度，结果分量中选择幅值，并选择CD杆的C点端进行结果输出，得杆CD的C端点速度曲线，如图4所示。

图4 杆CD的C端点速度曲线

马达速度设为6RPM，仿真设置时间为20s，在此期间CD杆转过两个周期。图4中0—10s曲柄CD转一圈，为一个运动周期，当时间为0s时，曲柄摇杆机构的位置如3所示，0—10s有两次速度为0的情况即两次共线位置，在两个速度为0的时间范围内摇杆C2D到C1D，其余的时间摇杆的运动为C1D到C2D。将图4中的数据导出，并求得摇杆在C2D到C1D运动过程的平均速度约为26.7mm/s，摇杆在C1D到C2D运动过程的平均速度约为24.3mm/s。

四、结论

SolidWorks软件能够快速的建立曲柄摇杆机构各零部件的三维模型，并能够完成装配工作，用以仿真运动。运用其中的motion插件可进行运动仿真，在完成相应的参数设置后，可以得到相应的运动仿真动画及结果图解。用给定尺寸的一组曲柄摇杆进行仿真分析，并导出数据求得平均速度值，摇杆在C2D到C1D运动过程的平均速度约为26.7mm/s，摇杆在C1D到C2D运动过程的平均速度约为24.3mm/s，前者的值大于后者的值，验证曲柄摇杆机构确有急回特性。因SolidWorks软件基于参数化绘图，修改零件模型相应的装配图模型也随之变化，故对于不同尺寸的曲柄摇杆机构只要在草图中修改长度值，就可以得到装配模型，不需要再重复建立零件图。基于SolidWorks软件对曲柄摇杆机构的急回特性分析更直观更精确更效率。