基于Pro/E的发动机曲柄滑块机构运动仿真分析

　　运用Pro/E软件创建了发动机活塞的曲柄滑块机构模型，对该机构进行运动仿真，提取运动过程中滑块的位移、速度、加速度变化曲线，分析了滑块在运动过程中各物理量的输出变化规律，并将仿真结果和基于数学分析的结果进行对比，理论分析与模拟结果吻合。该种设计方法可视化强，精确、高效，具有一定的工程应用价值。

1、引言

　　发动机汽缸是一种典型的曲柄滑块机构，又是绝大多数动力机械的动力源，发动机的质量与性能的优劣决定了整台机械的运行，堪称汽车、轮船以及飞机的心脏。曲柄滑块机构是机械结构中较常见机构之一，其结构简单，由曲柄、连杆和滑块通过3个转动副和1个移动副连接形成，机构的自由度为1，其输出效率较高，只需在曲柄上施加作用力或力矩，即可使机构做往复循环运动，在活塞上输出周期性动力。

　　在机构仿真分析技术出现之前，设计者需要将产品模型放入到实际工作中进行验证，再根据结果来修正模型。这些工作无疑浪费了大量的时间、财力和人力。Pro/E软件为机构提供了仿真分析功能，其中的机构分析模块Mechanism，可以进行装配的运动学、动力学分析和仿真，能够大大简化机构的设计开发过程，缩短其开发周期，减少开发费用，提高产品质量。

2、数学模型

　　2.1、曲柄滑块机构的运动分析

　　图1是曲柄滑块机构的运动示意图。OA为曲柄，且OA=R;AB为连杆，且AB=L。运动时，OA以等角速度ω作顺时针方向整周转动，A点作上下的往复移动。对应活塞在上止点B1位置时，α=0°;活塞在下止点B2位置时，α=180°。

图1 曲柄滑块机构的运动示意图

5、结论

　　(1)通过对活塞运动方程的分析，将已知条件R=16mm，L=35mm带入位移方程，可以得到其位移的变化范围为0～32mm之间。

　　(2)通过Pro/E的机构运动仿真输出的图形可以看出:活塞的行程范围为0～32mm，仿真结果与理论计算结果一致;速度和加速度变化规律符合实际运动规律。

　　(3)从以上的分析过程可知，运用Pro/E三维软件，可以更加形象、直观地模拟机构的运动，并且可以观察到任何时刻的运动状态，使得整个机构的仿真过程更加精确和高效，为发动机理论的研究提供了新的思路。

　　(4)仿真技术的应用使在设计的初期便能准确掌握机构的运动状态，避免了通过制作样机来验证设计的合理性，有效解决了反复投入资金制造样机的问题，极大地降低了生产成本，缩短了产品的研发周期[5]。随着虚拟现实仿真技术应用的不断深入，必将会带来很好的市场效益，具有广泛的应用价值。