1、CAD/CAE/CAPP/CAM現代制造工程2007年第6期基于Solidworks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Deiphi7.0和SoiidWorks環境進行的曲軸零件動平衡分析的二次開發。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,提高計算精度并節省曲軸的設計開發時間和成本。關鍵詞:曲軸;動平衡;質量特性中圖分類號:TH16 文獻標識碼:A 文章編號: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1.1 動

5、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。這種不平衡現象在轉子靜態時即可表現出來,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

6、的慣性力,還要對偏心質量產生的慣性力偶矩進行平衡。1.2 剛性轉子動平衡計算的方法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

7、的距離為L。用來代替m的兩個質量分別為m A和m B,7 3現代制造工程2007年第6期CAD /CAE /CAPP /CAM它們分別在A 和B 兩個平衡基面內,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。則m 、m A 和m B 所產生的離卜力P 、P A 和P B 構成同一平面內的三個平行力,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設一剛性轉子的不平衡質量m 1、m 2和m 3分別位于平面1、2和3內,r 1、r 2和r 3分別為其向徑,如圖2所示。當該轉子以等角速度!回轉時,它們產生的離卜慣性力P 1、P 2和P 3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m i 位于平面A 和B 之間時(如圖2中的m 1、m 2的m 3,a i 和b i 均為正;當m i 位于平面A 和B 之外時,a

9、 i 和質徑積m 1r 1、m 2r 2、m 3r 3分別由平衡基面A 和B 內的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。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 /Lm 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

10、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 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 二次開發實現的方案及其關鍵技術2.1 實現方案根據前面描述的剛性轉子的動平衡算法可知,曲軸的偏卜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b ,將曲軸零件分b 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

12、的曲軸零件進行軸向分b ,提取分b 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SoiidWorks 環境下,其自帶的應用程序接口(API 函數Insert CutSurface 可以實現對曲軸零件進行分b 的操作,GetMassProperties2可以提取出分b 的各個切片的數據。可以利用這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2.2 關鍵技術曲軸的零件圖如圖

13、4所示,其軸向長度為669.75mm ,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SoiidWorks 環境下,打開設計人員設計成形的曲軸零件圖(見圖4。2Deiphi 與SoiidWorks 建立聯系。Deiphi 與SoiidWorks 程序建立連接關系的API 命令為:FSidWorks :=TSid Works.Create (seif ;該命令的作用是在Deiphi 的運行環境下建立一83CAD/CAE/CAPP/CAM現代制造工程2007年第6期個SoiidWorks的工作環境。Deiphi與SoiidWorks中的當前活動零件環境建立連接

14、關系的API命令為: FIDoc:=FSidWorks.IActiveDoc2;該命令的作用是將圖4所示的零件設置為當前的SoiidWorks文檔,以便進行SoiidWorks環境下操作。圖4 曲軸零件圖在分析程序中運用上述兩個API函數即可將Deiphi與SoiidWorks環境下的曲軸零件建立聯系。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!、"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b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

15、算時的基準;然后再選擇該零件的一個端面作為分b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0.5mm,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 PianeAtoffSet3命令創建切b零件的切b基準面,然后利用Insert CutSurface命令將曲軸零件沿軸向分b為有限個切片,再利用GetMassProper-ties2命令提取出

16、分b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。在SoiidWorks環境下對零件進行切b的API 命令為:status=ModeiDoc2.Insert CutSurface(fiip,keepPieceIndex;創建參考基準面的API命令為:retvai=ModeiDoc2.CreatePianeAtoffSet3(vai,fiipDir,autosize;對實體進行質量特性提取的API命令為:retvai=SidWorks.GetMassProperties2(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SoiidWorks環境下的API函數,再結合動平衡計算方法開發而成。這種分析方法,可以快速地對設計的曲軸進行動平衡分析,并可以及時地反映出該零件動平衡的狀況,便于設計人員及時對曲軸設計做出相應的修改,提高曲軸的動平衡精度,縮短曲軸設計開發的時間。參考文獻:1孫恒,陳作模.機械原理M.6版.北京:高等教育出版社,2001.2生信實維公司.SoiidWorks API二次開發M.北京:機械工業出版社,20