基于ADAMS的曲柄滑块机构运动仿真研究

何毅斌，胡荣博，刘 慧，杨兵宽，张 雨

（武汉工程大学机电学院，湖北 武汉430073）

曲柄滑块机构是曲柄摇杆机构的演化形式，由曲柄的回转运动可以实现滑块的往复运动。由于曲柄滑块机构之间是低副连接，在承受同样载荷的条件下压强较低，因而可以传递较大的动力；由于构件之间的接触面是圆柱或者平面，加工、制造比较容易，能获得较高的精度，所以在内燃机、冲床、空压机中有广泛的应用［1－2］。曲柄滑块机构是内燃机的主体构件，所以研究曲柄滑块机构对内燃机的设计有重要意义。

1 曲柄滑块机构运动方程建立

如图1所示是一对心曲柄滑块机构，以AB为主动件，即作回转运动，带动滑块往复直线运动。l1是AB杆的长度，l2为BC杆的长度，AB杆以匀速ω1转动，设连杆BC的角位移为φ2，角速度为ω2，角加速为a2。滑块的位置为xc，位移为S，速度为vc，加速度为ac。以A点为坐标原点建立xoy坐标系。

图1 曲柄滑块的机构运动简图

建立机构的封闭向量方程

在x、y轴上的投影方程为

由式（2）得

将式（3）对时间t求导得

将式（4）对时间t求导得

当滑块φ1＝0时，滑块位移

将式（6）代入式（1）整理得

将式（6）分别对时间t进行一次和二次求导，并简化整理得

2 曲柄滑块机构的运动学仿真

利用ADAMS建立图1所示的曲柄滑块机构虚拟样机模型［3－4］（图2）。已知某内燃机中曲柄滑块机构的曲柄长200mm、连杆长500mm，根据其活塞运动的规律，给曲柄AB杆添加60度／秒的驱动［6－7］。为了测量一个周期内的滑块的速度与加速度，设置曲柄运动周期为6s，步长为100。

图2 曲柄滑块的虚拟样机模型

由于不同长度的曲柄以及连杆都将会影响内燃机曲柄滑块机构中滑块活塞的性能，为此，分别就改变曲柄、连杆的长度，对滑块的影响进行研究。只改变曲柄AB长度，不改变连杆BC长度500mm，进行仿真研究，仿真结果见图3。

图3 曲柄AB不同长度时的滑块速度和加速度

不改变曲柄AB长度200mm，只改变连杆BC长度500mm，进行仿真研究，仿真结果见图4。获得的图中，实线表示速度曲线，虚线表示加速度曲线。

图4 连杆BC不同长度时的滑块速度和加速度

3 仿真数据分析

将以上数据得到的滑块速度、加速度的最大值、最小值列入表1、表2。

表1 只改变曲柄的长度，不改变连杆长度的数据

表2 不改变曲柄的长度，只改变连杆长度的数据

通过分析表1、2的数据可发现，改变曲柄的长度，对滑块的速度和加速度有较显著的影响，而改变连杆的长度，对滑块的速度和加速度的影响较小。表1数据表明，曲柄转速一定，曲柄长度的选取对滑块加速度的影响非常大，从而对滑块动载荷影响大，影响整个机构运动的平稳性。

此外，从图3，图4可看到，滑块在近半个运动周期中，其加速度处于一个相对平稳的阶段。

4 小结

本文利用ADAMS软件，建立了内燃机曲柄滑块的虚拟样机，并进行了运动仿真研究，仿真结果表明：曲柄大小的改变对滑块的速度和加速度有较显著的影响，而连杆影响较小；此外，在曲柄转速一定时，滑块加速度在近半个运动周期时间内基本保持稳定。这些结果对以曲柄滑块机构为原型的设备设计开发研制具有参考价值。

［1］ 竟含晨，吴文挽，吴耀权，曲柄滑块机构运动学特性分析［J］.电子制作，2013（21）：29－29.

［2］ 孙 恒，陈作模，葛文杰，机械原理［M］.第七版.北京：高等教育出版社，2006.

［3］ 高广娣，典型机械机构ADAMS仿真应用［M］.北京：电子工业出版社，2013.

［4］ 李增刚，ADAMS入门详解与实例［M］.北京：国防工业出版社，2013.

［5］ 高 奇，基于Pro／E的曲柄滑块机构运动仿真分析［J］.起重运输机械，2011（04）：45－47.

［6］ 周 展，张 钢，林富生，基于 Matlab和ADMAS的四杆机构运动仿真［J］.软件导刊，2011（09）：102－103.

［7］ 陈赛克，刘江涛，综合考虑运动仿真结果的曲柄滑块机构的优化设计［J］.机械传动，2007，31（06）：43－45.