曲柄滑塊機構(gòu)的運動分析及應(yīng)用

1、機械原理課程機構(gòu)設(shè)計實驗報告 題 目： 曲柄滑塊機構(gòu)的運動分析及應(yīng)用小組成員與學(xué)號： 劉澤陸(11071182)陳柯宇 (11071177)熊宇飛(11071174)張保開 (11071183)班 級： 1107172013年6月10日摘要3曲柄滑塊機構(gòu)簡介4曲柄滑塊機構(gòu)定義4曲柄滑塊機構(gòu)的特性及應(yīng)用4曲柄滑塊機構(gòu)的分類8偏心輪機構(gòu)簡介9曲柄滑塊的動力學(xué)特性10曲柄滑塊的運動學(xué)特性11曲柄滑塊機構(gòu)運行中的振動與平衡14參考文獻15組員分工15摘要本文著重介紹了曲柄滑塊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，分類，用途，并進行了曲柄滑塊機構(gòu)的動力學(xué)和運動學(xué)分析，曲柄滑塊機構(gòu)的運動學(xué)特性分析，得出了機構(gòu)壓力表達(dá)式，曲柄滑塊機

2、構(gòu)的運動特性分析，得出了滑塊的位移、速度和加速度的運動表達(dá)式。最后，對曲柄滑塊機構(gòu)運動中振動、平衡穩(wěn)定性等進行了總結(jié)。關(guān)鍵字：曲柄滑塊 動力與運動分析 振動與平穩(wěn)性ABSTRACTThe paper describes the composition of planar linkage, focusing on the structure, classification, use of a slider-crank mechanism and making the dynamic and kinematic analysis, kinematics characteristics of the

3、 crank slider mechanism analysis for a slider-crank mechanism, on one hand , we obtain the drive pressure of the slider-crank mechanism ,on the other hand,we obtain the expression of displacement, velocity and acceleration of movement. Finally, the movement of the vibration and balance stability of

4、the crank slider mechanism are summarized.曲柄滑塊機構(gòu)簡介曲柄滑塊機構(gòu)定義曲柄滑塊機構(gòu)是鉸鏈四桿機構(gòu)的演化形式,由若干剛性構(gòu)件用低副(回轉(zhuǎn)副、移動副)聯(lián)接而成的一種機構(gòu)。是由曲柄（或曲軸、偏心輪）、連桿、滑塊通過移動副和轉(zhuǎn)動副組成的機構(gòu)4。曲柄滑塊機構(gòu)的特性及應(yīng)用常用于將曲柄的回轉(zhuǎn)運動變換為滑塊的往復(fù)直線運動;或者將滑塊的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)換為曲柄的回轉(zhuǎn)運動。對曲柄滑塊機構(gòu)進行運動特性分析是當(dāng)已知各構(gòu)件尺寸參數(shù)、位置參數(shù)和原動件運動規(guī)律時,研究機構(gòu)其余構(gòu)件上各點的軌跡、位移、速度、加速度等,從而評價機構(gòu)是否滿足工作性能要求,機構(gòu)是否發(fā)生運動干涉等。曲柄滑塊

5、機構(gòu)具有運動副為低副,各元件間為面接觸,構(gòu)成低副兩元件的幾何形狀比較簡單,加工方便,易于得到較高的制造精度等優(yōu)點,因而在包括煤礦機械在內(nèi)的各類機械中得到了廣泛的應(yīng)用，如自動送料機構(gòu)、沖床、內(nèi)燃機空氣壓縮機等 5。 對曲柄滑塊機構(gòu)選用不同構(gòu)件為機架可演化成具有不同運動特性和不同用途的機構(gòu)。列如選取滑塊為機架，則機構(gòu)演化為移動導(dǎo)桿機構(gòu)，下面以抽水機為例進行介紹。抽水泵的Adams仿真圖圖中白色曲桿為原動件，紅色直桿為從動件。原動件位移曲線從動件位移曲線原動件速度曲線從動件速度曲線原動件加速度曲線從動件加速度曲線綜上，曲柄滑塊機構(gòu)演化為移動導(dǎo)桿機構(gòu)后可應(yīng)用在手搖抽水機上改變力的方向和大小，從而使原動

6、件與從動件的速度，加速度，位移截然不同，在大氣壓的作用下將水從井中抽出。下圖為曲柄滑塊機構(gòu)演化的偏心輪搖桿機構(gòu)藍(lán)色搖桿為研究對象搖桿質(zhì)心的位移曲線搖桿質(zhì)心的速度曲線搖桿質(zhì)心的加速度曲線這套機構(gòu)將輸入運動偏心輪的圓周運動轉(zhuǎn)化為輸出運動搖桿的往復(fù)運動,可以作為汽車雨刷等需要搖桿做連續(xù)往復(fù)運動的機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)的分類根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，將其分成3大類：對心曲柄滑塊、偏置曲柄滑塊、偏心輪機構(gòu)圖2-1 對心曲柄滑塊機構(gòu)圖2-2 偏置曲柄滑塊機構(gòu)圖2-3 偏心輪機構(gòu)偏心輪機構(gòu)簡介當(dāng)曲柄長度很小時，通常把曲柄做成偏心輪，這樣不僅增大了軸頸的尺寸，提高偏心軸的強度和剛度，而且當(dāng)軸頸位于中部時，還可以安裝整體式連桿，

7、使得結(jié)構(gòu)簡化。因此偏心輪廣泛應(yīng)用于傳力較大的剪床、沖床、鄂式破碎機、內(nèi)燃機等機械中6。偏心輪機構(gòu)可以實現(xiàn)復(fù)雜的非線性傳動關(guān)系，且傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，動力平衡性好。將偏心輪與連桿等機構(gòu)組合應(yīng)用，可實現(xiàn)單純用連桿機構(gòu)難以得到的復(fù)雜的運動特性。是曲柄滑塊機構(gòu)是常用的機構(gòu)型式。生產(chǎn)實際中，如在滑塊往復(fù)行程中具有勻速運動段，并有急回特性，則一般將有利于生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)率的提高。沖壓機的沖頭(滑塊)，如能以勻速沖壓工件成形、，則有益于沖壓件加工質(zhì)量的提高;牛頭刨床的刨刀(滑塊)，如能以勻速刨削工件，則無疑會改善工件表面的加工質(zhì)量，并提高刨刀的切削壽命(因切削刀均勻)。但是，簡單的對心曲柄滑塊機構(gòu)，當(dāng)曲柄勻速

8、回轉(zhuǎn)時，其滑塊是不具有急回特性和勻速運動段的;即便采用六桿以上的連桿機構(gòu)，一般也只能實現(xiàn)近似的勻速運動?，F(xiàn)在采用偏心輪一曲柄滑塊機構(gòu)，則能以緊湊的機構(gòu)型式實現(xiàn)上述運動特性7。在海上能源綜合開發(fā)平臺上，采用這種偏心輪機構(gòu)，通過滑塊聯(lián)動液壓缸，用于將海風(fēng)端水平軸旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)化成活塞往復(fù)運動的機械能，進而轉(zhuǎn)化成液壓能。圖2-4 工作原理圖曲柄滑塊的動力學(xué)特性上圖為曲柄滑塊機構(gòu)的受力分析示意圖從曲柄r傳到連桿l上的力與滑塊發(fā)出的壓力之間，存在如下關(guān)系： （3-1）曲柄頸A處，沿半徑方向的力和的關(guān)系：= （3-2）將上2式聯(lián)立，可得到：= （3-3）曲柄頸沿r方向承受與力大小相等的壓力。曲柄頸沿圓周方

9、向所受切線力與半徑r的乘積，就是轉(zhuǎn)矩T。T=*r （3-4）根據(jù)上圖可知： （3-5）將（1）、（4）式代入（5）式，則 （3-6）從上式求出P。 （3-7）一般曲柄連桿機構(gòu)l>4r，所以，可將l看成比r大很多，即l>>r ，這時，角趨近于零。則上式可以寫成： （3-8）按平面幾何圓部分的勾股定理，可以導(dǎo)出 ，將上式代入，則得：8 （3-9）曲柄滑塊的運動學(xué)特性圖3-2取A點為坐標(biāo)原點，x軸水平向右。在任意瞬時t，機構(gòu)的位置如圖。可以假設(shè)C點的矢徑為：=+ （3-10）C點的坐標(biāo)為其矢徑在坐標(biāo)軸上的投影： （3-11） （3-12）根據(jù)圖形可知： （3-13）所以： （3-1

10、4）式中，是曲柄長與連桿長之比。將上式代入的表達(dá)式中，并考慮到，就得到了滑塊的運動方程： （3-15）若將此式對時間求導(dǎo)數(shù)，其運算較繁瑣。在工程實際中，值通常不大（=1/4-1/6），故可在上式中將根式展開成的冪級數(shù)并略去起的各項而作近似計算： （3-16） （3-17）上式再對時間取導(dǎo)數(shù)，便可以得到速度和加速度的表達(dá)式： （3-18） （3-19）其中都是的周期函數(shù)9。下面運用Adams進行仿真模擬驗證曲柄滑塊的Adams仿真模型滑塊的位移曲線滑塊的速度曲線滑塊的加速度曲線經(jīng)計算可知圖像與表達(dá)式吻合。在海上能源綜合開發(fā)平臺上， 在已知海風(fēng)端的輸入軸頸，材質(zhì)，轉(zhuǎn)矩，通過上述原理設(shè)計出合理的曲柄

11、滑塊機構(gòu)，得出驅(qū)動液壓缸運動的滑塊的位移，速度，加速度，壓力，得到的結(jié)果便于液壓缸的傳動設(shè)計。曲柄滑塊機構(gòu)運行中的振動與平衡 在一切有質(zhì)量、構(gòu)件質(zhì)心有加速度或構(gòu)件有角加速度的機械中,都存在著慣性力。例如:曲柄壓力機在向下行程時,滑塊出現(xiàn)“快落”,對傳動系統(tǒng)產(chǎn)生撞擊、振動,會降低傳動零件的使用壽命。機械在高速運轉(zhuǎn)過程中,這種隨機構(gòu)運轉(zhuǎn)而周期變化的強慣性作用將會在運動副中引起附加動壓力。這不僅將增加運動副中的摩擦力和構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致磨損加劇、效率降低,也影響構(gòu)件的強度。而且由于慣性力隨機械的運轉(zhuǎn)而作周期性變化,也會使機械及其基礎(chǔ)產(chǎn)生強迫振動,從而導(dǎo)致機械工作質(zhì)量和可靠性下降、零件材料內(nèi)部疲勞損傷

12、加劇,并由振動而產(chǎn)生噪聲污染。因此,研究機械高速運轉(zhuǎn)中慣性力的變化規(guī)律,采用平衡設(shè)計和平衡試驗的方法對慣性力加以平衡,以消除或減輕慣性力的不良影響,是減輕機械振動、改善機械工作性能、提高機械工作質(zhì)量、延長機械使用壽命、減輕噪聲污染的重要措施之一10。曲柄滑塊機構(gòu)是最早獲得廣泛應(yīng)用的連桿機構(gòu)之一，在運轉(zhuǎn)時各構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力會引起機座的強迫振動，加劇機器構(gòu)件的磨損并產(chǎn)生噪聲污染，降低機構(gòu)的運動精度和平穩(wěn)性。因此，對這類機構(gòu)平衡問題的研究很有必要。從理論上講，運用質(zhì)量代換法可使這種機構(gòu)的慣性力完全平衡。但是這種平衡法會導(dǎo)致機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜化及其質(zhì)量的增加，尤其是把配重安裝在連桿上時，對機構(gòu)更為不利。因此

13、，人們多采用慣性力部分平衡的方法來減小機構(gòu)的振動11。曲柄滑塊機構(gòu)中包含有作往復(fù)運動的滑塊和作復(fù)合運動的連桿和作轉(zhuǎn)動的曲柄,它們質(zhì)心加速度以及角加速度的存在會導(dǎo)致周期性變化的振動力和振動力矩。這種力和力矩將造成機械的強烈振動和噪聲,加劇機件的磨損和疲勞失效,降低機構(gòu)的運動精度和運動平穩(wěn)性,限制了機械性能的提高。對運動機構(gòu)的振動力和振動力矩平衡方面的研究,主要集中在兩個方面:振動力和振動力矩的平衡方法和平衡問題的分析方法。目前對機器傳動系統(tǒng)中的曲柄滑塊機構(gòu)進行振動力和振動力矩平衡方法主要有:(1)質(zhì)量重分配法,這種方法是通過在構(gòu)件上加平衡重的方法,使機構(gòu)的總質(zhì)心位置始終處于機架上,機構(gòu)的總質(zhì)心不

14、會隨構(gòu)件的運動而運動,從而達(dá)到振動力的完全平衡;(2)平衡機構(gòu)平衡法,即在機構(gòu)上附加其它機構(gòu)來平衡原機構(gòu)的慣性作用。分析機構(gòu)振動力和振動力矩平衡問題的方法主要有:(1)質(zhì)量替代法,就是根據(jù)替代前后構(gòu)件質(zhì)量和質(zhì)量矩不變的原則,將構(gòu)件的質(zhì)量代為相應(yīng)點處的質(zhì)量。這種方法有利于機構(gòu)振動力和振動力矩平衡的研究;(2)線性獨立向量法,這種方法就是首先建立機構(gòu)總質(zhì)心位置的向量表達(dá)式,然后利用機構(gòu)環(huán)路方程使表達(dá)式各項向量線性獨立,最后設(shè)法使總質(zhì)心位置不動,即使表達(dá)式中所有與時間有關(guān)的各項系數(shù)全部為零12。參考文獻1 楊可楨，程光蘊，李仲生.機械設(shè)計基礎(chǔ). 北京：高等教育出版社2 鄒慧君等.機械原理M. 北京：高等教育出版社，3郭衛(wèi)東. 虛擬樣機技術(shù)與Adams應(yīng)用