曲柄滑塊機構的運動分析及應用

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上機械原理課程機構設計實驗報告 題 目： 曲柄滑塊機構的運動分析及應用小組成員與學號： 劉澤陸()陳柯宇 ()熊宇飛()張保開 ()班 級： 2013年6月10日摘要本文著重介紹了曲柄滑塊機構的結構，分類，用途，并進行了曲柄滑塊機構的動力學和運動學分析，曲柄滑塊機構的運動學特性分析，得出了機構壓力表達式，曲柄滑塊機構的運動特性分析，得出了滑塊的位移、速度和加速度的運動表達式。最后，對曲柄滑塊機構運動中振動、平衡穩(wěn)定性等進行了總結。關鍵字：曲柄滑塊 動力與運動分析 振動與平穩(wěn)性ABSTRACTThe paper describes the composition of 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.曲柄滑塊機構簡介曲柄滑塊機構定義曲柄滑塊機構是鉸鏈四桿機構的演化形式,由若干剛性構件用低副(回轉副、移動副)聯(lián)接而成的一種機構。是由曲柄（或曲軸、偏心輪）、連桿、滑塊通過移動副

4、和轉動副組成的機構4。曲柄滑塊機構的特性及應用常用于將曲柄的回轉運動變換為滑塊的往復直線運動;或者將滑塊的往復直線運動轉換為曲柄的回轉運動。對曲柄滑塊機構進行運動特性分析是當已知各構件尺寸參數(shù)、位置參數(shù)和原動件運動規(guī)律時,研究機構其余構件上各點的軌跡、位移、速度、加速度等,從而評價機構是否滿足工作性能要求,機構是否發(fā)生運動干涉等。曲柄滑塊機構具有運動副為低副,各元件間為面接觸,構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用，如自動送料機構、沖床、內(nèi)燃機空氣壓縮機等 5。 對曲柄滑塊機構選用不同構件為機架可演化成具有不

5、同運動特性和不同用途的機構。列如選取滑塊為機架，則機構演化為移動導桿機構，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，曲柄滑塊機構演化為移動導桿機構后可應用在手搖抽水機上改變力的方向和大小，從而使原動件與從動件的速度，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演化的偏心輪搖桿機構藍色搖桿為研究對象搖桿質心的位移曲線搖桿質心的速度曲線搖桿質心的加速度曲線這套機構將輸入運動偏心輪的圓周運動轉化為輸出運動搖桿的往復運動,可以作為汽車

6、雨刷等需要搖桿做連續(xù)往復運動的機構曲柄滑塊機構的分類根據(jù)結構特點，將其分成3大類：對心曲柄滑塊、偏置曲柄滑塊、偏心輪機構圖2-1 對心曲柄滑塊機構圖2-2 偏置曲柄滑塊機構圖2-3 偏心輪機構偏心輪機構簡介當曲柄長度很小時，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，而且當軸頸位于中部時，還可以安裝整體式連桿，使得結構簡化。因此偏心輪廣泛應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。偏心輪機構可以實現(xiàn)復雜的非線性傳動關系，且傳動平穩(wěn)，結構緊湊，動力平衡性好。將偏心輪與連桿等機構組合應用，可實現(xiàn)單純用連桿機構難以得到的復雜的運動特性。是曲柄滑塊機構是常用的

7、機構型式。生產(chǎn)實際中，如在滑塊往復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，當曲柄勻速回轉時，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，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，則能以緊湊的機構型式實現(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，通過滑塊聯(lián)動液壓缸，用于將海風端水平軸旋

8、轉的機械能轉化成活塞往復運動的機械能，進而轉化成液壓能。圖2-4 工作原理圖曲柄滑塊的動力學特性上圖為曲柄滑塊機構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，存在如下關系： （3-1）曲柄頸A處，沿半徑方向的力和的關系：= （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l>4r，所以，可將l看成比r大很多，即l>>r ，這時，角趨近于零

9、。則上式可以寫成： （3-8）按平面幾何圓部分的勾股定理，可以導出 ，將上式代入，則得：8 （3-9）曲柄滑塊的運動學特性圖3-2取A點為坐標原點，x軸水平向右。在任意瞬時t，機構的位置如圖?？梢约僭OC點的矢徑為：=+ （3-10）C點的坐標為其矢徑在坐標軸上的投影： （3-11） （3-12）根據(jù)圖形可知： （3-13）所以： （3-14）式中，是曲柄長與連桿長之比。將上式代入的表達式中，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）

10、（3-17）上式再對時間取導數(shù)，便可以得到速度和加速度的表達式： （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式吻合。在海上能源綜合開發(fā)平臺上， 在已知海風端的輸入軸頸，材質，轉矩，通過上述原理設計出合理的曲柄滑塊機構，得出驅動液壓缸運動的滑塊的位移，速度，加速度，壓力，得到的結果便于液壓缸的傳動設計。曲柄滑塊機構運行中的振動與平衡 在一切有質量、構件質心有加速度或構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

11、撞擊、振動,會降低傳動零件的使用壽命。機械在高速運轉過程中,這種隨機構運轉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件的內(nèi)應力,導致磨損加劇、效率降低,也影響構件的強度。而且由于慣性力隨機械的運轉而作周期性變化,也會使機械及其基礎產(chǎn)生強迫振動,從而導致機械工作質量和可靠性下降、零件材料內(nèi)部疲勞損傷加劇,并由振動而產(chǎn)生噪聲污染。因此,研究機械高速運轉中慣性力的變化規(guī)律,采用平衡設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

12、構是最早獲得廣泛應用的連桿機構之一，在運轉時各構件產(chǎn)生的慣性力會引起機座的強迫振動，加劇機器構件的磨損并產(chǎn)生噪聲污染，降低機構的運動精度和平穩(wěn)性。因此，對這類機構平衡問題的研究很有必要。從理論上講，運用質量代換法可使這種機構的慣性力完全平衡。但是這種平衡法會導致機械結構復雜化及其質量的增加，尤其是把配重安裝在連桿上時，對機構更為不利。因此，人們多采用慣性力部分平衡的方法來減小機構的振動11。曲柄滑塊機構中包含有作往復運動的滑塊和作復合運動的連桿和作轉動的曲柄,它們質心加速度以及角加速度的存在會導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

13、低機構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)中的曲柄滑塊機構進行振動力和振動力矩平衡方法主要有:(1)質量重分配法,這種方法是通過在構件上加平衡重的方法,使機構的總質心位置始終處于機架上,機構的總質心不會隨構件的運動而運動,從而達到振動力的完全平衡;(2)平衡機構平衡法,即在機構上附加其它機構來平衡原機構的慣性作用。分析機構振動力和振動力矩平衡問題的方法主要有:(1)質量替代法,就是根據(jù)替代前后構件質量和質量矩不變的原則,將構件的質量代為相應點處的質量。這種方法有利于機構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總質心位置的向量表達式,然后利用機構環(huán)路方程使表達式各項向量線性獨立,最后設法使總質心位置不動,即使表達式中所有與時間有關的各項系數(shù)全部為零12。參考文獻1 楊可楨，程光蘊，李仲生.機械設計基礎. 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