基于SolidWorks的曲轴动平衡分析_图文

1、CAD/CAE/CAPP/CAM现代制造工程2007年第6期基于Solidworks的曲轴动平衡分析樊远,刁燕,戈鹏(四川大学制造科学与工程学院,成都610065摘要:传统的曲轴零件设计是设计人员凭借自身经验进行设计,常导致其动平衡的计算精度不高。介绍在刚性转子动平衡计算分析方法的基础上,结合Deiphi7.0和SoiidWorks环境进行的曲轴零件动平衡分析的二次开发。这种设计方法可以在曲轴的设计过程中直接对曲轴零件进行动平衡分析,提高计算精度并节省曲轴的设计开发时间和成本。关键词:曲轴;动平衡;质量特性中图分类号:TH16 文献标识码:A 文章编号: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环境,对设计的曲轴进行相应的动平衡计算分析,使曲轴零件能达到动平衡的要求。1 曲轴的动平衡分析1.1 动

5、平衡的定义机构的不平衡可以分为静不平衡和动不平衡两种形式。对于轴向尺寸较小的盘状转子(如齿轮、盘形齿轮等,它们的质量可以近似地认为分布在垂直于其回转轴线的同一平面内。这种不平衡现象在转子静态时即可表现出来,故称为静不平衡;而对于轴向尺寸较大的转子(如内燃机的曲轴、机床主轴等,其质量就不能再视为分布在同一平面内,偏心质量往往是分布在若干个不同的回转平面内,这时将产生惯性力偶,这种不平衡现象只有在转子转动的情况下才能显示出来,所以称为动不平衡。对于静不平衡问题,可以在转子上增加或除去一部分质量的方法,使其质心与回转轴中心重合,即可使转子的惯性力得以平衡。而对于动不平衡问题,不仅要平衡各偏心质量产生

6、的惯性力,还要对偏心质量产生的惯性力偶矩进行平衡。1.2 刚性转子动平衡计算的方法对于质量分布不在同一回转面内的转子,当其转动时所产生的离心力已不再是一个平面汇交力系,而是空间力系。因此,单靠在某一回转平面内加、减平衡质量的方法已不能解决动不平衡的问题。在进行动平衡计算时,需将不平衡质量产生的惯性力分解为两个指定平面内的力。这就需要用到质径积的分解和代替。图1 惯性力的分解与代替根据平行力的合成与分解原理,某一平面上的一个力,可以由任意选定的两个平行平面内的两个力代替它。如图1所示,在不平衡质量m所在的平面的两侧选定两个平衡基面A和B,设它们与m所在平面的距离分别为a和b,A和B两个平衡基面间

7、的距离为L。用来代替m的两个质量分别为m A和m B,7 3现代制造工程2007年第6期CAD /CAE /CAPP /CAM它们分别在A 和B 两个平衡基面内,其向径分别为r A 和r B ,且m 、m A 和m B 三者在同一轴面内。则m 、m A 和m B 所产生的离卜力P 、P A 和P B 构成同一平面内的三个平行力,P A 和P B 能完全代替的条件如式(1所示:P A +P B =P P B b =P A a(1考虑L 和a 、b 间的关系可得式(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设一刚性转子的不平衡质量m 1、m 2和m 3分别位于平面1、2和3内,r 1、r 2和r 3分别为其向径,如图2所示。当该转子以等角速度!回转时,它们产生的离卜惯性力P 1、P 2和P 3构成一空间力系。为了将其转化为两个回转平面内的静平衡问题,选定两个平衡基面A 和B ,设两者间的距离为L 。平面1、2、3到平衡基面B 的距离分别为b 1、b 2和b 3,到平衡基面A 的距离分别为a 1、a 2和a 3。当m i 位于平面A 和B 之间时(如图2中的m 1、m 2的m 3,a i 和b i 均为正;当m i 位于平面A 和B 之外时,a

9、 i 和质径积m 1r 1、m 2r 2、m 3r 3分别由平衡基面A 和B 内的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(它们分别在同一轴面内。因被分解代替的不平衡质量的向径与分解后的向径相等,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经过分解代替后,就把三个平行平面内的不平衡质量问题简化为集中在A 和B 两个平行平衡平面内的不平衡质量问题。同理,有四个、五个、甚至更多个平行平面内的不平衡质量问题都可以用同样的方法简化为任意选定的两个回转面内的不平衡质量问

10、题,从而可以分别在平衡基面A 、B 内按照质量分布在同图2 一个转子的动平衡转化为两个回转面上的静平衡一回转面内的情况解决不平衡问题。在平衡基面A 内,假设m Ab 为应加的平衡质量,其向径和相位角分别为r Ab 和"Ab ,不平衡向量的合向量的x 和y 向分量分别为C A x 和C A y ,合向量的相位角为"A;各不平衡质量的相位角为"i ,则得式(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类似地,在平衡基面B 内可得式(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 二次开发实现的方案及其关键技术2.1 实现方案根据前面描述的刚性转子的动平衡算法可知,曲轴的偏卜质量是分布在若干个不同的回转平面内,所以本文就对曲轴零件进行了有限次的轴向分b ,将曲轴零件分b 成若干个切片。这若干个切片就认同为若干个平行平面(如图2所示。因此,在动平衡的分析过程中主要是将待分析

12、的曲轴零件进行轴向分b ,提取分b 的各个切片的数据(如该切片的质量、向径等,然后根据式(5、式(6计算出在平衡基面A 、B 上应加的平衡质径积,从而可使设计人员以此为依据对曲轴零件进行再加工,以便达到动平衡的要求。在SoiidWorks 环境下,其自带的应用程序接口(API 函数Insert CutSurface 可以实现对曲轴零件进行分b 的操作,GetMassProperties2可以提取出分b 的各个切片的数据。可以利用这些函数再结合前面描述的刚性转子的动平衡算法进行动平衡分析即可。对曲轴零件进行动平衡分析的基本流程如图3所示。图3 动平衡分析基本流程图2.2 关键技术曲轴的零件图如图

13、4所示,其轴向长度为669.75mm ,所要求的平衡精度为100mm /s ,其关键技术分析如下。1调入曲轴零件模型。首先在SoiidWorks 环境下,打开设计人员设计成形的曲轴零件图(见图4。2Deiphi 与SoiidWorks 建立联系。Deiphi 与SoiidWorks 程序建立连接关系的API 命令为:FSidWorks :=TSid Works.Create (seif ;该命令的作用是在Deiphi 的运行环境下建立一83CAD/CAE/CAPP/CAM现代制造工程2007年第6期个SoiidWorks的工作环境。Deiphi与SoiidWorks中的当前活动零件环境建立连接

14、关系的API命令为: FIDoc:=FSidWorks.IActiveDoc2;该命令的作用是将图4所示的零件设置为当前的SoiidWorks文档,以便进行SoiidWorks环境下操作。图4 曲轴零件图在分析程序中运用上述两个API函数即可将Deiphi与SoiidWorks环境下的曲轴零件建立联系。3参数的设置。结合刚性转子动平衡分析的计算原理,在进行计算分析之前设定两个平衡校正面(即图2中的!、"平衡校正面、参考基准面(即选择曲轴的轴向端面作为零件轴向切b的起始基准面、划分精度、动平衡精度等参数,以便于进行动平衡分析。在计算分析过程中,首先选择两个平衡校正面和主轴线作为动平衡计

15、算时的基准;然后再选择该零件的一个端面作为分b零件的参考基准面,如图5所示。图5 选择基准界面然后输入曲轴所要划分的精度和所要求的动平衡精度。在该例中划分精度为0.5mm,所要求的动平衡精度为100mm/s。输入参数界面如图6所示。图6 参数输入界面4计算分析。各项参数设定之后,该分析程序将按照图3所示的基本流程进行计算分析。首先根据设计人员选择的参考基准面和输入的划分精度和动平衡精度,利用Create PianeAtoffSet3命令创建切b零件的切b基准面,然后利用Insert CutSurface命令将曲轴零件沿轴向分b为有限个切片,再利用GetMassProper-ties2命令提取出

16、分b的各个切片的质量、向径等数据,利用刚性转子的动平衡算法进行曲轴的动平衡计算分析。在SoiidWorks环境下对零件进行切b的API 命令为:status=ModeiDoc2.Insert CutSurface(fiip,keepPieceIndex;创建参考基准面的API命令为:retvai=ModeiDoc2.CreatePianeAtoffSet3(vai,fiipDir,autosize;对实体进行质量特性提取的API命令为:retvai=SidWorks.GetMassProperties2(status;计算分析结果如图7所示,如果计算结果显示该曲轴不能满足动平衡精度,则可以根据显示的动不平衡量和不平衡质心的位置,在该曲轴零件上增加平衡块来调整,满足动平衡精度要求。图7 计算结果界面3 结语刚性转子动平衡计算方法是利用SoiidWorks环境下的API函数,再结合动平衡计算方法开发而成。这种分析方法,可以快速地对设计的曲轴进行动平衡分析,并可以及时地反映出该零件动平衡的状况,便于设计人员及时对曲轴设计做出相应的修改,提高曲轴的动平衡精度,缩短曲轴设计开发的时间。参考文献:1孙恒,陈作模.机械原理M.6版.北京:高等教育出版社,2001.2生信实维公司.SoiidWorks API二次开发M.北京:机械工业出版社,20