基于SolidWorks的曲軸動(dòng)平衡分析_圖文

1、CAD/CAE/CAPP/CAM現(xiàn)代制造工程2007年第6期基于Solidworks的曲軸動(dòng)平衡分析樊遠(yuǎn),刁燕,戈鵬(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院,成都610065摘要:傳統(tǒng)的曲軸零件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員憑借自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì),常導(dǎo)致其動(dòng)平衡的計(jì)算精度不高。介紹在剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡計(jì)算分析方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合Deiphi7.0和SoiidWorks環(huán)境進(jìn)行的曲軸零件動(dòng)平衡分析的二次開(kāi)發(fā)。這種設(shè)計(jì)方法可以在曲軸的設(shè)計(jì)過(guò)程中直接對(duì)曲軸零件進(jìn)行動(dòng)平衡分析,提高計(jì)算精度并節(jié)省曲軸的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。關(guān)鍵詞:曲軸;動(dòng)平衡;質(zhì)量特性中圖分類號(hào):TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):16713133(20070600370

2、3The balance analysis of crank parts in the context of the SolidworksFan Yuan,Diao Yan,ge Peng(Sichuan University Manufacturing Science and Engineering Institute,Chengdu610065,CHN Abstract:In the traditionai crank parts design process,because the condition is iimited or the designers reiy on own exp

3、erience to carry on the design,the accuracy of the dynamic baiance is iower.The method introduced based on the computationai method of the rigid rotor eguiiibrium anaiysis is the secondary anaiysis deveiopment about the crank parts in the environments of the Deiphi7.0and the SoiidWorks.This approach

4、 put up motion baiance anaiysis in the process of crank parts design.It can greatiy improvethe accuracy of the dynamic baiance;reduce the design time and the cost of the crank parts.Key words:Crankshaft;Dynamic baiancing;Mass property本文利用SoiidWords環(huán)境,對(duì)設(shè)計(jì)的曲軸進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)平衡計(jì)算分析,使曲軸零件能達(dá)到動(dòng)平衡的要求。1 曲軸的動(dòng)平衡分析1.1 動(dòng)

5、平衡的定義機(jī)構(gòu)的不平衡可以分為靜不平衡和動(dòng)不平衡兩種形式。對(duì)于軸向尺寸較小的盤(pán)狀轉(zhuǎn)子(如齒輪、盤(pán)形齒輪等,它們的質(zhì)量可以近似地認(rèn)為分布在垂直于其回轉(zhuǎn)軸線的同一平面內(nèi)。這種不平衡現(xiàn)象在轉(zhuǎn)子靜態(tài)時(shí)即可表現(xiàn)出來(lái),故稱為靜不平衡;而對(duì)于軸向尺寸較大的轉(zhuǎn)子(如內(nèi)燃機(jī)的曲軸、機(jī)床主軸等,其質(zhì)量就不能再視為分布在同一平面內(nèi),偏心質(zhì)量往往是分布在若干個(gè)不同的回轉(zhuǎn)平面內(nèi),這時(shí)將產(chǎn)生慣性力偶,這種不平衡現(xiàn)象只有在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下才能顯示出來(lái),所以稱為動(dòng)不平衡。對(duì)于靜不平衡問(wèn)題,可以在轉(zhuǎn)子上增加或除去一部分質(zhì)量的方法,使其質(zhì)心與回轉(zhuǎn)軸中心重合,即可使轉(zhuǎn)子的慣性力得以平衡。而對(duì)于動(dòng)不平衡問(wèn)題,不僅要平衡各偏心質(zhì)量產(chǎn)生

6、的慣性力,還要對(duì)偏心質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力偶矩進(jìn)行平衡。1.2 剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡計(jì)算的方法對(duì)于質(zhì)量分布不在同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)的轉(zhuǎn)子,當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的離心力已不再是一個(gè)平面匯交力系,而是空間力系。因此,單靠在某一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)加、減平衡質(zhì)量的方法已不能解決動(dòng)不平衡的問(wèn)題。在進(jìn)行動(dòng)平衡計(jì)算時(shí),需將不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力分解為兩個(gè)指定平面內(nèi)的力。這就需要用到質(zhì)徑積的分解和代替。圖1 慣性力的分解與代替根據(jù)平行力的合成與分解原理,某一平面上的一個(gè)力,可以由任意選定的兩個(gè)平行平面內(nèi)的兩個(gè)力代替它。如圖1所示,在不平衡質(zhì)量m所在的平面的兩側(cè)選定兩個(gè)平衡基面A和B,設(shè)它們與m所在平面的距離分別為a和b,A和B兩個(gè)平衡基面間

7、的距離為L(zhǎng)。用來(lái)代替m的兩個(gè)質(zhì)量分別為m A和m B,7 3現(xiàn)代制造工程2007年第6期CAD /CAE /CAPP /CAM它們分別在A 和B 兩個(gè)平衡基面內(nèi),其向徑分別為r A 和r B ,且m 、m A 和m B 三者在同一軸面內(nèi)。則m 、m A 和m B 所產(chǎn)生的離卜力P 、P A 和P B 構(gòu)成同一平面內(nèi)的三個(gè)平行力,P A 和P B 能完全代替的條件如式(1所示:P A +P B =P P B b =P A a(1考慮L 和a 、b 間的關(guān)系可得式(2:m A r A +m B r B =mrm B r B b =m A r A a L =a +b(2解式(2可得式(3:m A r

8、 A =mrb /Lm B r B =mra /L(3設(shè)一剛性轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量m 1、m 2和m 3分別位于平面1、2和3內(nèi),r 1、r 2和r 3分別為其向徑,如圖2所示。當(dāng)該轉(zhuǎn)子以等角速度!回轉(zhuǎn)時(shí),它們產(chǎn)生的離卜慣性力P 1、P 2和P 3構(gòu)成一空間力系。為了將其轉(zhuǎn)化為兩個(gè)回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的靜平衡問(wèn)題,選定兩個(gè)平衡基面A 和B ,設(shè)兩者間的距離為L(zhǎng) 。平面1、2、3到平衡基面B 的距離分別為b 1、b 2和b 3,到平衡基面A 的距離分別為a 1、a 2和a 3。當(dāng)m i 位于平面A 和B 之間時(shí)(如圖2中的m 1、m 2的m 3,a i 和b i 均為正;當(dāng)m i 位于平面A 和B 之外時(shí),a

9、 i 和質(zhì)徑積m 1r 1、m 2r 2、m 3r 3分別由平衡基面A 和B 內(nèi)的m A 1r 1和m B 1r 1、m A 2r 2和m B 2r 2、m A 3r 3和m B3r 3代替(它們分別在同一軸面內(nèi)。因被分解代替的不平衡質(zhì)量的向徑與分解后的向徑相等,故由式(3可得式(4:m A i =b i m i /Lm B i=a i m i /L (i =1,2,3(4經(jīng)過(guò)分解代替后,就把三個(gè)平行平面內(nèi)的不平衡質(zhì)量問(wèn)題簡(jiǎn)化為集中在A 和B 兩個(gè)平行平衡平面內(nèi)的不平衡質(zhì)量問(wèn)題。同理,有四個(gè)、五個(gè)、甚至更多個(gè)平行平面內(nèi)的不平衡質(zhì)量問(wèn)題都可以用同樣的方法簡(jiǎn)化為任意選定的兩個(gè)回轉(zhuǎn)面內(nèi)的不平衡質(zhì)量問(wèn)

10、題,從而可以分別在平衡基面A 、B 內(nèi)按照質(zhì)量分布在同圖2 一個(gè)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡轉(zhuǎn)化為兩個(gè)回轉(zhuǎn)面上的靜平衡一回轉(zhuǎn)面內(nèi)的情況解決不平衡問(wèn)題。在平衡基面A 內(nèi),假設(shè)m Ab 為應(yīng)加的平衡質(zhì)量,其向徑和相位角分別為r Ab 和"Ab ,不平衡向量的合向量的x 和y 向分量分別為C A x 和C A y ,合向量的相位角為"A;各不平衡質(zhì)量的相位角為"i ,則得式(5:m A b r A b cos "A b =-C A x =-z m A i r i cos "im A b r A b sin "A b =-C A y=-z m A i r i

11、 sin "i (5類似地,在平衡基面B 內(nèi)可得式(6:m B b r B b cos "B b =-C Bx =-z m B i r i cos "i m B b r Bb sin "B b =-CB y=-z m B i r i sin "i(62 二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的方案及其關(guān)鍵技術(shù)2.1 實(shí)現(xiàn)方案根據(jù)前面描述的剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡算法可知,曲軸的偏卜質(zhì)量是分布在若干個(gè)不同的回轉(zhuǎn)平面內(nèi),所以本文就對(duì)曲軸零件進(jìn)行了有限次的軸向分b ,將曲軸零件分b 成若干個(gè)切片。這若干個(gè)切片就認(rèn)同為若干個(gè)平行平面(如圖2所示。因此,在動(dòng)平衡的分析過(guò)程中主要是將待分析

12、的曲軸零件進(jìn)行軸向分b ,提取分b 的各個(gè)切片的數(shù)據(jù)(如該切片的質(zhì)量、向徑等,然后根據(jù)式(5、式(6計(jì)算出在平衡基面A 、B 上應(yīng)加的平衡質(zhì)徑積,從而可使設(shè)計(jì)人員以此為依據(jù)對(duì)曲軸零件進(jìn)行再加工,以便達(dá)到動(dòng)平衡的要求。在SoiidWorks 環(huán)境下,其自帶的應(yīng)用程序接口(API 函數(shù)Insert CutSurface 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸零件進(jìn)行分b 的操作,GetMassProperties2可以提取出分b 的各個(gè)切片的數(shù)據(jù)?？梢岳眠@些函數(shù)再結(jié)合前面描述的剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡算法進(jìn)行動(dòng)平衡分析即可。對(duì)曲軸零件進(jìn)行動(dòng)平衡分析的基本流程如圖3所示。圖3 動(dòng)平衡分析基本流程圖2.2 關(guān)鍵技術(shù)曲軸的零件圖如圖

13、4所示,其軸向長(zhǎng)度為669.75mm ,所要求的平衡精度為100mm /s ,其關(guān)鍵技術(shù)分析如下。1調(diào)入曲軸零件模型。首先在SoiidWorks 環(huán)境下,打開(kāi)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)成形的曲軸零件圖(見(jiàn)圖4。2Deiphi 與SoiidWorks 建立聯(lián)系。Deiphi 與SoiidWorks 程序建立連接關(guān)系的API 命令為:FSidWorks :=TSid Works.Create (seif ;該命令的作用是在Deiphi 的運(yùn)行環(huán)境下建立一83CAD/CAE/CAPP/CAM現(xiàn)代制造工程2007年第6期個(gè)SoiidWorks的工作環(huán)境。Deiphi與SoiidWorks中的當(dāng)前活動(dòng)零件環(huán)境建立連接

14、關(guān)系的API命令為: FIDoc:=FSidWorks.IActiveDoc2;該命令的作用是將圖4所示的零件設(shè)置為當(dāng)前的SoiidWorks文檔,以便進(jìn)行SoiidWorks環(huán)境下操作。圖4 曲軸零件圖在分析程序中運(yùn)用上述兩個(gè)API函數(shù)即可將Deiphi與SoiidWorks環(huán)境下的曲軸零件建立聯(lián)系。3參數(shù)的設(shè)置。結(jié)合剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡分析的計(jì)算原理,在進(jìn)行計(jì)算分析之前設(shè)定兩個(gè)平衡校正面(即圖2中的!、"平衡校正面、參考基準(zhǔn)面(即選擇曲軸的軸向端面作為零件軸向切b的起始基準(zhǔn)面、劃分精度、動(dòng)平衡精度等參數(shù),以便于進(jìn)行動(dòng)平衡分析。在計(jì)算分析過(guò)程中,首先選擇兩個(gè)平衡校正面和主軸線作為動(dòng)平衡計(jì)

15、算時(shí)的基準(zhǔn);然后再選擇該零件的一個(gè)端面作為分b零件的參考基準(zhǔn)面,如圖5所示。圖5 選擇基準(zhǔn)界面然后輸入曲軸所要?jiǎng)澐值木群退蟮膭?dòng)平衡精度。在該例中劃分精度為0.5mm,所要求的動(dòng)平衡精度為100mm/s。輸入?yún)?shù)界面如圖6所示。圖6 參數(shù)輸入界面4計(jì)算分析。各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定之后,該分析程序?qū)凑請(qǐng)D3所示的基本流程進(jìn)行計(jì)算分析。首先根據(jù)設(shè)計(jì)人員選擇的參考基準(zhǔn)面和輸入的劃分精度和動(dòng)平衡精度,利用Create PianeAtoffSet3命令創(chuàng)建切b零件的切b基準(zhǔn)面,然后利用Insert CutSurface命令將曲軸零件沿軸向分b為有限個(gè)切片,再利用GetMassProper-ties2命令提取出

16、分b的各個(gè)切片的質(zhì)量、向徑等數(shù)據(jù),利用剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡算法進(jìn)行曲軸的動(dòng)平衡計(jì)算分析。在SoiidWorks環(huán)境下對(duì)零件進(jìn)行切b的API 命令為:status=ModeiDoc2.Insert CutSurface(fiip,keepPieceIndex;創(chuàng)建參考基準(zhǔn)面的API命令為:retvai=ModeiDoc2.CreatePianeAtoffSet3(vai,fiipDir,autosize;對(duì)實(shí)體進(jìn)行質(zhì)量特性提取的API命令為:retvai=SidWorks.GetMassProperties2(status;計(jì)算分析結(jié)果如圖7所示,如果計(jì)算結(jié)果顯示該曲軸不能滿足動(dòng)平衡精度,則可以根據(jù)顯示的動(dòng)不平衡量和不平衡質(zhì)心的位置,在該曲軸零件上增加平衡塊來(lái)調(diào)整,滿足動(dòng)平衡精度要求。圖7 計(jì)算結(jié)果界面3 結(jié)語(yǔ)剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡計(jì)算方法是利用SoiidWorks環(huán)境下的API函數(shù),再結(jié)合動(dòng)平衡計(jì)算方法開(kāi)發(fā)而成。這種分析方法,可以快速地對(duì)設(shè)計(jì)的曲軸進(jìn)行動(dòng)平衡分析,并可以及時(shí)地反映出該零件動(dòng)平衡的狀況,便于設(shè)計(jì)人員及時(shí)對(duì)曲軸設(shè)計(jì)做出相應(yīng)的修改,提高曲軸的動(dòng)平衡精度,縮短曲軸設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)間。參考文獻(xiàn):1孫恒,陳作模.機(jī)械原理M.6版.北京:高等教育出版社,2001.2生信實(shí)維公司.SoiidWorks API二次開(kāi)發(fā)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20