基于SolidWorks的曲柄连杆机构动力学仿真研究

    设计往复活塞式发动机时，要进行发动机的运动学和动力学计算，发动机的运动学是计算发动机活塞的位移、速度和加速度。动力学计算主要包括主要运动件的载荷，为零件的强度计算提供依据。在过去的设计中，发动机的运动学和动力学引算一般是采用计算机编程的方式进行。

    是目前应用较为广泛的三维设计软件，COSMOS Motion是以ADAMS软件的技术为内核的机构运动学和动力学仿真软件，是的一个插件，与可以进行无缝对接。我们运用该软件，对一个简化的单缸发动机模型进行了运动学与动力学仿真，其结果对往复活塞式发动机的运动学和动力学设计计算有参考意义，现将研究情况介绍如下：

1 发动机模型的基本情况

    为了研究的需要，建立了一个简化的单缸发动机模型，主要的结构参数为：缸径125mm，行程160mm，连杆大、小头孔中心距210mm，λ=0.381。发动机的活塞、活塞销、连杆和曲轴用进行三维实体造型设计，然后进行装配，发动机装配后效果及坐标系见图1。

    图1 发动机模型

2 发动机的运动学仿真

    由于是对一个特定的模型作定量的运动学和动力学仿真，所以，从简单起见，在仿真参数中，将曲轴的转速设为60r/min，即1r/s。在COSMOS Motion中运行仿真后，可以得到活塞运行的位移、速度和加速度，见图2、图3、图4。

    图2 活塞的位移

    图3 活塞的速度

    图4 活塞的加速度

    按照活塞位移x、速度v和加速度α的近似计算公式：

    以仿真时间0.3s时为例，对仿真结果进行了验算。小于仿真时间为1s，曲轴转动360°，所以，0.3s所对应的曲轴转角α=0.3×360=108°，按照上述公式，可以计算出其位移x=118.5mm，仿真的结果为728-608=120mm；计算的速度为v=421mn/s，仿真的结果为v=409mm/s；汁算的加速度α=1921mm/s2，仿真的结果α=1920mm/s2。验算结果表明，仿真计算与采用近似公式计算的结果是一致的，误差很小。

3 连杆的双质量系统与实际系统的动力学仿真比较

    在曲柄连杆机构中，活塞作往复运动，曲轴作定轴转动，但连杆的运动是一般的平面运动，即既有移动，又有转动。为便于计算，在发动机的动力学计算中，是将连杆按照质量不变，质心位置不变和连杆相对于质心的转动惯量不变的原理，将实际的连杆简化为一个双质量的系统进行计算的。但实际上，简化得到的双质量系统不能同时满足上逑的三个条件，只能满足前面的两个条件，这样，就使连杆的双质量简化系统与实际的连杆之间存在一定的误差，但通常认为这两者之间差别很小，对动力计算的误差影响不大。