基于SolidWorks的曲軸動平衡分析

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的曲軸動平衡分析樊遠,刁燕,戈鵬(四川大學制造科學與工程學院,成都610065摘要:傳統(tǒng)的曲軸零件設計是設計人員憑借自身經驗進行設計,常導致其動平衡的計算精度不高。介紹在剛性轉子動平衡計算分析方法的基礎上,結合Del phi710和S olid Works環(huán)境進行的曲軸零件動平衡分析的二次開發(fā)。這種設計方法可以在曲軸的設計過程中直接對曲軸零件進行動平衡分析,提高計算精度并節(jié)省曲軸的設計開發(fā)時間和成本。關鍵詞:曲軸;動平衡;質量特性中圖分類號:T H16文獻標識碼:A文章編號: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,對設計的曲軸進行相應的動平衡計算分析,使曲軸零件能達到動平衡的要求。1曲軸的動平衡分析111動平衡的定義機構的不平衡可以分為靜不平衡和動不平衡兩種形式。對于軸向尺寸較小的盤狀轉子(如齒輪、盤形齒輪等,它們的質量可以近似地認為分布在垂直于其回轉軸線的同一平面內。這種不平衡現(xiàn)象在轉子靜態(tài)時即可表現(xiàn)出來,故稱為靜不平衡;而對于軸向尺寸較大的轉子(如內燃機的曲軸、機床主軸等,其質量就不能再視為分布在同一平面內,偏心質量往往是分布在若干個不同的回轉平面內,這時將產生慣性力偶,這種不平衡現(xiàn)象只有在轉子轉動的情況下才能顯示出來,所以稱為動不平衡。對于靜不平衡問題,可以在轉子上增加或除去一部分

6、質量的方法,使其質心與回轉軸中心重合,即可使轉子的慣性力得以平衡。而對于動不平衡問題,不僅要平衡各偏心質量產生的慣性力,還要對偏心質量產生的慣性力偶矩進行平衡。112剛性轉子動平衡計算的方法11211質徑積的分解與代替對于質量分布不在同一回轉面內的轉子,當其轉動時所產生的離心力已不再是一個平面匯交力系,而是空間力系。因此,單靠在某一回轉平面內加、減平衡質量的方法已不能解決動不平衡的問題。在進行動平衡計算時,需將不平衡質量產生的慣性力分解為兩個指定平面內的力。這就需要用到質徑積的分解和代替 。圖1慣性力的分解與代替根據平行力的合成與分解原理,某一平面上的一個力,可以由任意選定的兩個平行平面內的兩

7、個力代替它。如圖1所示,在不平衡質量m所在的平面的兩側選定兩個平衡基面A和B,設它們與m所在平面的距離分別為a和b,A和B兩個平衡基面間的距離為L。用來代替m的兩個質量分別為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兩個平衡基面內,其向徑分別為rA和rB,且m、m A和m B三者在同一軸面內。則m、m A和m B所產生的離心力P、P A和P B構成同一平面內的三個平行力,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平衡分析的計算方法設一剛性轉子的不平衡質量m1、m2和m3分別位于平面1、2和3內,r1、r2和r3分別為其向徑,如圖2所示。當該轉子以等角速度回轉時,它們產生的離心慣性力P1、P2和P3構成一空間力系。為了將其轉化為兩個回轉平面內的靜平衡問題,選定兩個平衡基面A和B,設兩者間的距離為L。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mi位于平面A和B之間時(如圖2中的m1、m2的m3,a i和b

9、i均為正;當m i位于平面A和B之外時,ai 和bi均為負,根據本文第11211節(jié)中敘述的質徑積的分解與代替,將不平衡重質徑積m1r1、m2r2、m3r3分別由平衡基面A和B內的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。因被分解代替的不平衡質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經過分解代替后,就把三個平行平面內的不平衡質量問題簡化為集中在A和B兩個平行平衡平面內的不平衡質量問題。同理,有四個、五個、甚至更多個平行平面內的不平衡質量

10、問題都可以用同樣的方法簡化為任意選定的兩個回轉面內的不平衡質量問題,從而可以分別在平衡基面A、B內按照質量分布在同圖2一個轉子的動平衡轉化為兩個回轉面上的靜平衡一回轉面內的情況解決不平衡問題。在平衡基面A內,假設m Ab為應加的平衡質量,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類似地,在平衡基面B內可得式(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(62二次開發(fā)實現(xiàn)的方案及其關鍵技術211實現(xiàn)方案根據前面描述的剛性轉子的動平衡算法可知,曲軸的偏心質量是分布在若干個不同的回轉平面內,所以本文就對曲軸零件進行了有限次的軸向分割,將曲軸零件分割成若干個切片。這若干個切片就認同為若干個平行平面(如圖2所示。因此,在動平衡的分析過程中主要是將待分析的曲軸零件進行軸向分割,提取分割的各個切片的數據(如該切片的質量、向徑等,然后根據式(5、式(6計算出在平衡基面A、B 上應加的平衡質徑積,從而可

12、使設計人員以此為依據對曲軸零件進行再加工,以便達到動平衡的要求。在 Solid Works環(huán)境下,其自帶的應用程序接口(AP I函數I nsert CutSurface可以實現(xiàn)對曲軸零件進行分割的操作,Get M assPr operties2可以提取出分割的各個切片的數據?？梢岳眠@些函數再結合前面描述的剛性轉子的動平衡算法進行動平衡分析即可。對曲軸零件進行動平衡分析的基本流程如圖3所示。圖3動平衡分析基本流程圖212關鍵技術曲軸的零件圖如圖4所示,其軸向長度為669175mm,所要求的平衡精度為100mm/s,其關鍵技術分析如下。1調入曲軸零件模型。首先在Solid Works環(huán)境下,打開

13、設計人員設計成形的曲軸零件圖(見圖4。2Del phi與Solid Works建立聯(lián)系。Del phi與Solid Works程序建立連接關系的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Solid Works 的工作環(huán)境。Del phi 與Solid Works 中的當前活動零件環(huán)境建立連接關系的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所示的零件設置為當前的

14、Solid Works 文檔,以便進行Solid Works 環(huán)境下操作。 圖4曲軸零件圖在分析程序中運用上述兩個AP I 函數即可將Del phi 與Solid Works 環(huán)境下的曲軸零件建立聯(lián)系。 3參數的設置。結合剛性轉子動平衡分析的計算原理,在進行計算分析之前設定兩個平衡校正面(即圖2中的A 、B 平衡校正面、參考基準面(即選擇曲軸的軸向端面作為零件軸向切割的起始基準面、劃分精度、動平衡精度等參數,以便于進行動平衡分析。在計算分析過程中,首先選擇兩個平衡校正面和主軸線作為動平衡計算時的基準;然后再選擇該零件的一個端面作為分割零件的參考基準面,如圖5所示。圖5選擇基準界面然后輸入曲軸所

15、要劃分的精度和所要求的動平衡精度。在該例中劃分精度為015mm ,所要求的動平衡精度為100mm /s 。輸入參數界面如圖6所示。 圖6參數輸入界面4計算分析。各項參數設定之后,該分析程序將按照圖3所示的基本流程進行計算分析。首先根據設計人員選擇的參考基準面和輸入的劃分精度和動平衡精度,利用Create Plane A t O ffSet3命令創(chuàng)建切割零件的切割基準面,然后利用I nsert CutSurface 命令將曲軸零件沿軸向分割為有限個切片,再利用Get M assPr oper 2ties2命令提取出分割的各個切片的質量、向徑等數據,利用剛性轉子的動平衡算法進行曲軸的動平衡計算分析

16、。在Solid Works 環(huán)境下對零件進行切割的AP I 命令為:status =Model D oc2.I nsert CutSurface (fli p,keepPiece I ndex ;創(chuàng)建參考基準面的AP I 命令為:retval =Model D oc2.CreatePlane A t O ffSet3(val,fli pD ir,aut osize ;對實體進行質量特性提取的AP I 命令為:retval =Sld Works .Get M assPr operties2(status ;計算分析結果如圖7所示,如果計算結果顯示該曲軸不能滿足動平衡精度,則可以根據顯示的動不平衡量和不平衡質心的位置,在該曲軸零件上增加平衡塊來調整,滿足動平衡精度要求。圖7計算結果界面3結語剛性轉子動平衡計算方法是利用Solid Works 環(huán)境下的A