曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析及應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機(jī)械原理課程機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 題 目： 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析及應(yīng)用小組成員與學(xué)號(hào)： 劉澤陸()陳柯宇 ()熊宇飛()張保開(kāi) ()班 級(jí)： 2013年6月10日摘要本文著重介紹了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，分類，用途，并進(jìn)行了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析，得出了機(jī)構(gòu)壓力表達(dá)式，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析，得出了滑塊的位移、速度和加速度的運(yùn)動(dòng)表達(dá)式。最后，對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中振動(dòng)、平衡穩(wěn)定性等進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵字：曲柄滑塊 動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)分析 振動(dòng)與平穩(wěn)性ABSTRACTThe paper describes the composition of p

2、lanar linkage, focusing on the structure, classification, use of a slider-crank mechanism and making the dynamic and kinematic analysis, kinematics characteristics of the crank slider mechanism analysis for a slider-crank mechanism, on one hand , we obtain the drive pressure of the slider-crank mech

3、anism ,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 the crank slider mechanism are summarized.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介曲柄滑塊機(jī)構(gòu)定義曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化形式,由若干剛性構(gòu)件用低副(回轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副)聯(lián)接而成的一種機(jī)構(gòu)。是由曲柄（或曲軸、偏心輪）、連桿、滑塊通過(guò)移動(dòng)副

4、和轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的機(jī)構(gòu)4。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的特性及應(yīng)用常用于將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng);或者將滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),研究機(jī)構(gòu)其余構(gòu)件上各點(diǎn)的軌跡、位移、速度、加速度等,從而評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)是否滿足工作性能要求,機(jī)構(gòu)是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉等。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單,加工方便,易于得到較高的制造精度等優(yōu)點(diǎn),因而在包括煤礦機(jī)械在內(nèi)的各類機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用，如自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)、沖床、內(nèi)燃機(jī)空氣壓縮機(jī)等 5。 對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)選用不同構(gòu)件為機(jī)架可演化成具有不

5、同運(yùn)動(dòng)特性和不同用途的機(jī)構(gòu)。列如選取滑塊為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)演化為移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，下面以抽水機(jī)為例進(jìn)行介紹。抽水泵的Adams仿真圖圖中白色曲桿為原動(dòng)件，紅色直桿為從動(dòng)件。原動(dòng)件位移曲線從動(dòng)件位移曲線原動(dòng)件速度曲線從動(dòng)件速度曲線原動(dòng)件加速度曲線從動(dòng)件加速度曲線綜上，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)演化為移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)后可應(yīng)用在手搖抽水機(jī)上改變力的方向和大小，從而使原動(dòng)件與從動(dòng)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(jī)構(gòu)演化的偏心輪搖桿機(jī)構(gòu)藍(lán)色搖桿為研究對(duì)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(jī)構(gòu)將輸入運(yùn)動(dòng)偏心輪的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為輸出運(yùn)動(dòng)搖桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng),可以作為汽車

6、雨刷等需要搖桿做連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的分類根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分成3大類：對(duì)心曲柄滑塊、偏置曲柄滑塊、偏心輪機(jī)構(gòu)圖2-1 對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圖2-2 偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圖2-3 偏心輪機(jī)構(gòu)偏心輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介當(dāng)曲柄長(zhǎng)度很小時(shí)，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(qiáng)度和剛度，而且當(dāng)軸頸位于中部時(shí)，還可以安裝整體式連桿，使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)、內(nèi)燃機(jī)等機(jī)械中6。偏心輪機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的非線性傳動(dòng)關(guān)系，且傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)力平衡性好。將偏心輪與連桿等機(jī)構(gòu)組合應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)單純用連桿機(jī)構(gòu)難以得到的復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特性。是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是常用的

7、機(jī)構(gòu)型式。生產(chǎn)實(shí)際中，如在滑塊往復(fù)行程中具有勻速運(yùn)動(dòng)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(jī)的沖頭(滑塊)，如能以勻速?zèng)_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(wú)疑會(huì)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(jiǎn)單的對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄勻速回轉(zhuǎn)時(shí)，其滑塊是不具有急回特性和勻速運(yùn)動(dòng)段的;即便采用六桿以上的連桿機(jī)構(gòu)，一般也只能實(shí)現(xiàn)近似的勻速運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)在采用偏心輪一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，則能以緊湊的機(jī)構(gòu)型式實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)特性7。在海上能源綜合開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，采用這種偏心輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)滑塊聯(lián)動(dòng)液壓缸，用于將海風(fēng)端水平軸旋

8、轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成液壓能。圖2-4 工作原理圖曲柄滑塊的動(dòng)力學(xué)特性上圖為曲柄滑塊機(jī)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(jī)構(gòu)l>4r，所以，可將l看成比r大很多，即l>>r ，這時(shí)，角趨近于零

9、。則上式可以寫(xiě)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(yùn)動(dòng)學(xué)特性圖3-2取A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸水平向右。在任意瞬時(shí)t，機(jī)構(gòu)的位置如圖?？梢约僭O(shè)C點(diǎn)的矢徑為：=+ （3-10）C點(diǎn)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： （3-14）式中，是曲柄長(zhǎng)與連桿長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)方程： （3-15）若將此式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，其運(yùn)算較繁瑣。在工程實(shí)際中，值通常不大（=1/4-1/6），故可在上式中將根式展開(kāi)成的冪級(jí)數(shù)并略去起的各項(xiàng)而作近似計(jì)算： （3-16）

10、（3-17）上式再對(duì)時(shí)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(yùn)用Adams進(jìn)行仿真模擬驗(yàn)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(jì)算可知圖像與表達(dá)式吻合。在海上能源綜合開(kāi)發(fā)平臺(tái)上， 在已知海風(fēng)端的輸入軸頸，材質(zhì)，轉(zhuǎn)矩，通過(guò)上述原理設(shè)計(jì)出合理的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，得出驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)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(dòng)設(shè)計(jì)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)行中的振動(dòng)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(jī)械中,都存在著慣性力。例如:曲柄壓力機(jī)在向下行程時(shí),滑塊出現(xiàn)“快落”,對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生

11、撞擊、振動(dòng),會(huì)降低傳動(dòng)零件的使用壽命。機(jī)械在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,這種隨機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)而周期變化的強(qiáng)慣性作用將會(huì)在運(yùn)動(dòng)副中引起附加動(dòng)壓力。這不僅將增加運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度。而且由于慣性力隨機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)而作周期性變化,也會(huì)使機(jī)械及其基礎(chǔ)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng),從而導(dǎo)致機(jī)械工作質(zhì)量和可靠性下降、零件材料內(nèi)部疲勞損傷加劇,并由振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲污染。因此,研究機(jī)械高速運(yùn)轉(zhuǎn)中慣性力的變化規(guī)律,采用平衡設(shè)計(jì)和平衡試驗(yàn)的方法對(duì)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(jī)械振動(dòng)、改善機(jī)械工作性能、提高機(jī)械工作質(zhì)量、延長(zhǎng)機(jī)械使用壽命、減輕噪聲污染的重要措施之一10。曲柄滑塊機(jī)

12、構(gòu)是最早獲得廣泛應(yīng)用的連桿機(jī)構(gòu)之一，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力會(huì)引起機(jī)座的強(qiáng)迫振動(dòng)，加劇機(jī)器構(gòu)件的磨損并產(chǎn)生噪聲污染，降低機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性。因此，對(duì)這類機(jī)構(gòu)平衡問(wèn)題的研究很有必要。從理論上講，運(yùn)用質(zhì)量代換法可使這種機(jī)構(gòu)的慣性力完全平衡。但是這種平衡法會(huì)導(dǎo)致機(jī)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(shí)，對(duì)機(jī)構(gòu)更為不利。因此，人們多采用慣性力部分平衡的方法來(lái)減小機(jī)構(gòu)的振動(dòng)11。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中包含有作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的滑塊和作復(fù)合運(yùn)動(dòng)的連桿和作轉(zhuǎn)動(dòng)的曲柄,它們質(zhì)心加速度以及角加速度的存在會(huì)導(dǎo)致周期性變化的振動(dòng)力和振動(dòng)力矩。這種力和力矩將造成機(jī)械的強(qiáng)烈振動(dòng)和噪聲,加劇機(jī)件的磨損和疲勞失效,降

13、低機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性,限制了機(jī)械性能的提高。對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)力和振動(dòng)力矩平衡方面的研究,主要集中在兩個(gè)方面:振動(dòng)力和振動(dòng)力矩的平衡方法和平衡問(wèn)題的分析方法。目前對(duì)機(jī)器傳動(dòng)系統(tǒng)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)力和振動(dòng)力矩平衡方法主要有:(1)質(zhì)量重分配法,這種方法是通過(guò)在構(gòu)件上加平衡重的方法,使機(jī)構(gòu)的總質(zhì)心位置始終處于機(jī)架上,機(jī)構(gòu)的總質(zhì)心不會(huì)隨構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到振動(dòng)力的完全平衡;(2)平衡機(jī)構(gòu)平衡法,即在機(jī)構(gòu)上附加其它機(jī)構(gòu)來(lái)平衡原機(jī)構(gòu)的慣性作用。分析機(jī)構(gòu)振動(dòng)力和振動(dòng)力矩平衡問(wèn)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(diǎn)處的質(zhì)量。這種方法有利于機(jī)構(gòu)振動(dòng)力和振動(dòng)力矩平衡的研究;(2)線性獨(dú)立向量法,這種方法就是首先建立機(jī)構(gòu)總質(zhì)心位置的向量表達(dá)式,然后利用機(jī)構(gòu)環(huán)路方程使表達(dá)式各項(xiàng)向量線性獨(dú)立,最后設(shè)法使總質(zhì)心位置不動(dòng),即使表達(dá)式中所有與時(shí)間有關(guān)的各項(xiàng)系數(shù)全部為零12。參考文獻(xiàn)1 楊可楨，程光蘊(yùn)，李仲生.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ). 北京：高等教育出版社2 鄒慧君等.機(jī)械原理M. 北京：高等教育出版社，3郭衛(wèi)東