基于SolidWorks的曲軸動(dòng)平衡分析

1、CAD/C AE/CAPP/CA M現(xiàn)代制造工程2007年第6期基于Soli d W orks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Del phi710和S olid Works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(lèi)號(hào):T H16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):16713133(2007

2、06003703The ba l ance ana lysis of crank parts i n the con text of the Soli d W orksFan Yuan,D iao Yan,Ge Peng(Sichuan University Manufacturing Science and Engineering I nstitute,Chengdu610065,CHN Abstract:I n the traditi onal crank parts design p r ocess,because the conditi on is li m ited or the d

3、esigners rely on own experience t o carry on the design,the accuracy of the dyna m ic balance is l ower.The method intr oduced based on the computati onal method of the rigid r ot or equilibriu m analysis is the secondary analysis devel opment about the crank parts in the envir on ments of the Del p

4、hi 710and the Solid Works.This app r oach put up moti on balance analysis in the p r ocess of crank parts design.It can greatly i m p r ove the accuracy of the dynam ic balance;reduce the design ti m e and the cost of the crank parts.Key words:Crankshaft;Dyna m ic balancing;Mass p r operty本文利用Solid

5、Words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111動(dòng)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(chēng)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(chēng)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

6、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。112剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡計(jì)算的方法11211質(zhì)徑積的分解與代替對(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

7、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)平衡基面間的距離為L(zhǎng)。用來(lái)代替m的兩個(gè)質(zhì)量分別為mA和mB,73現(xiàn)代制造工程2007年第6期C AD/C AE/C APP/C A M它們分別在A和B兩個(gè)平衡基面內(nèi),其向徑分別為rA和rB,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)生的離心力P、P A和P B構(gòu)成同一平面內(nèi)的三個(gè)平行力,PA 和PB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=m r m

8、 B r B b=m A r A aL=a+b (2解式(2可得式(3:m A r A=m rb/L m B r B=m ra/L(311212平衡分析的計(jì)算方法設(shè)一剛性轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量m1、m2和m3分別位于平面1、2和3內(nèi),r1、r2和r3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)生的離心慣性力P1、P2和P3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b1、b2和b3,到平衡基面A的距離分別為a1、a2和a3。當(dāng)mi位于平面A和B之間時(shí)(如圖2中的m1、m2的m3,a i和b

9、i均為正;當(dāng)m i位于平面A和B之外時(shí),ai 和bi均為負(fù),根據(jù)本文第11211節(jié)中敘述的質(zhì)徑積的分解與代替,將不平衡重質(zhì)徑積m1r1、m2r2、m3r3分別由平衡基面A和B內(nèi)的m A1r1和m B1r1、m A2r2和m B2r2、m A3r3和m B3r3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/L m 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

10、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)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 cosA b=-C A x=-m A i r icosim A b r A b sinA b=-C A y=-m A i r i sini(5類(lèi)似地,在平衡基面B內(nèi)可得式(6:m B

11、 b r B b cosB b=-C B x=-m B i r i cosim B b r B b sinB b=-C B y=-m B i r i sini(62二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的方案及其關(guān)鍵技術(shù)211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,曲軸的偏心質(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割,將曲軸零件分割成若干個(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的曲軸零件進(jìn)行軸向分割,提取分割的各個(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

12、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 Solid Works環(huán)境下,其自帶的應(yīng)用程序接口(AP I函數(shù)I nsert CutSurface可以實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸零件進(jìn)行分割的操作,Get M assPr operties2可以提取出分割的各個(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212關(guān)鍵技術(shù)曲軸的零件圖如圖4所示,其軸向長(zhǎng)度為669175mm,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Solid Works環(huán)境下,打開(kāi)

13、設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)成形的曲軸零件圖(見(jiàn)圖4。2Del phi與Solid Works建立聯(lián)系。Del phi與Solid Works程序建立連接關(guān)系的AP I命令為:FSld Works:=TSld Works.Create(self;該命令的作用是在Del phi的運(yùn)行環(huán)境下建立一83CAD /C AE /CAPP /CA M現(xiàn)代制造工程2007年第6期個(gè)Solid Works 的工作環(huán)境。Del phi 與Solid Works 中的當(dāng)前活動(dòng)零件環(huán)境建立連接關(guān)系的AP I 命令為:F I D oc:=FSld Works .I A ctive Doc2;該命令的作用是將圖4所示的零件設(shè)置為當(dāng)前的

14、Solid Works 文檔,以便進(jìn)行Solid Works 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)AP I 函數(shù)即可將Del phi 與Solid Works 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A 、B 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割的起始基準(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)算時(shí)的基準(zhǔn);然后再選擇該零件的一個(gè)端面作為分割零件的參考基準(zhǔn)面,如圖5所示。圖5選擇基準(zhǔn)界面然后輸入曲軸所

15、要?jiǎng)澐值木群退蟮膭?dòng)平衡精度。在該例中劃分精度為015mm ,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 Plane A t O ffSet3命令創(chuàng)建切割零件的切割基準(zhǔn)面,然后利用I nsert CutSurface 命令將曲軸零件沿軸向分割為有限個(gè)切片,再利用Get M assPr oper 2ties2命令提取出分割的各個(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

16、。在Solid Works 環(huán)境下對(duì)零件進(jìn)行切割的AP I 命令為:status =Model D oc2.I nsert CutSurface (fli p,keepPiece I ndex ;創(chuàng)建參考基準(zhǔn)面的AP I 命令為:retval =Model D oc2.CreatePlane A t O ffSet3(val,fli pD ir,aut osize ;對(duì)實(shí)體進(jìn)行質(zhì)量特性提取的AP I 命令為:retval =Sld Works .Get M assPr operties2(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(mǎn)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(mǎn)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Solid Works 環(huán)境下的A