1、華北電力大學設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷結(jié)課論文院 系能源動力與機械工程學院專業(yè)班級研動1023班學號1102202134學生姓名王向志指導教師顧煜炯二一一年四月摘要本文簡述平面連桿機構(gòu)的組成，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)的動力學和運動學分析，曲柄滑塊機構(gòu)的運動學特性分析，得出了機構(gòu)壓力表達式，曲柄滑塊機構(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：平面四桿 曲柄滑塊 動力與運動分析 振動與平穩(wěn)性ABSTRACTThe paper describes the composition of

2、 planar 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 me

3、chanism ,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.Key words： planar linkage slider-crank mechanism dynamic and kinematic analysis vibrat

4、ion and balance stability目錄摘 要ABSTRACT.第1章 平面連桿機構(gòu)的簡介11.1平面連桿機構(gòu)的定義11.2平面連桿機構(gòu)的優(yōu)缺點11.2.1優(yōu)點11.2.2缺點11.3平面四桿機構(gòu)的分類1第2章 曲柄滑塊機構(gòu)簡介22.1曲柄滑塊機構(gòu)定義22.2曲柄滑塊機構(gòu)的特性及應(yīng)用32.3曲柄滑塊機構(gòu)的分類32.3.1偏心輪機構(gòu)簡介4第3章 曲柄滑塊機構(gòu)的動力學與運動學特性53.1曲柄滑塊的動力學特性53.2曲柄滑塊的運動學特性7第4章 曲柄滑塊機構(gòu)運行中的振動與平衡8參考文獻10第1章 平面連桿機構(gòu)的簡介1.1平面連桿機構(gòu)的定義平面連桿機構(gòu)是由若干構(gòu)件用低副（轉(zhuǎn)動副、移動副）

5、連接組成的平面機構(gòu)，又稱平面低副機構(gòu)。平面連桿機構(gòu)中構(gòu)件的 運動形式多樣，可以實現(xiàn)給定運動規(guī)律或運動軌跡；低副以圓柱面或平面相接觸，承載能力高，耐磨損，制造簡便，易于獲得較高的制造精度。因此，平面連桿機構(gòu)在各種機械、儀器中獲得了廣泛的應(yīng)用1。1.2平面連桿機構(gòu)的優(yōu)缺點1.2.1優(yōu)點(1)面接觸低副，壓強小，便于潤滑，磨損輕，壽命長，傳遞動力大(2)低副易于加工，可獲得較高精度，成本低(3)桿可較長，可用作實現(xiàn)遠距離的操縱控制 (4)可利用連桿實現(xiàn)較復雜的運動規(guī)律和運動軌跡1.2.2缺點(1)低副中存在間隙，精度低(2)不容易實現(xiàn)精確復雜的運動規(guī)律1.3平面四桿機構(gòu)的分類最簡單的平面連桿機構(gòu)由四

6、個構(gòu)件組成，稱為平面四桿機構(gòu)。它的應(yīng)用十分廣泛，而且是組成多桿機構(gòu)的基礎(chǔ) 2。圖1-1 平面四桿機構(gòu)的分類圖3第2章 曲柄滑塊機構(gòu)簡介2.1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。2.2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直線運動;或者將滑塊的往復直線運動轉(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

7、工作性能要求,機構(gòu)是否發(fā)生運動干涉等。曲柄滑塊機構(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。2.3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)2.3.1偏心輪機構(gòu)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(jié)構(gòu)簡化。因此偏

8、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)，當曲柄勻速回轉(zhuǎn)時，其滑塊是不具

9、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。現(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，用于將海風端水平軸旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)化成活塞往復運動的機械能，進而轉(zhuǎn)化成液壓能。圖2-4 工作原理圖圖2-5 立體效果圖第3章 曲柄滑塊機構(gòu)的動力學與運動學特性3.1曲柄滑塊的動力學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

10、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）一般曲柄連桿機構(gòu)l4r，所以，可將l看成比r大很多，即lr ，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，可以導出 ，將上式代入，則得：8 （3-9）3.2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(gòu)的位置如圖?？梢约僭O(shè)C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：

11、（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） （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。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(zhì)，轉(zhuǎn)矩，通過上述原理設(shè)計出合理的曲柄滑塊機構(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。第4章 曲柄

12、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

13、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致機械結(jié)構(gòu)復雜化及其質(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，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)中包含有作往復運動的滑塊和作復合

14、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)心不會隨構(gòu)件的運動而運動,從而達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

15、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)心位置的向量表達式,然后利用機構(gòu)環(huán)路方程使表達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)M. 北京：高等教育出版社，2006(5)2 鄒慧君等.機械原理M. 北京：高等教育出版社，1999(3)3 于賀憲.平面四桿機構(gòu)的工作特性及設(shè)計J.黑龍江

16、科技信息，2009(8)4 婁建國. 基于工作行程最佳傳動性能的曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計J. 煤礦機械，2006(2)5 尚先云. 解析法設(shè)計曲柄滑塊機構(gòu)J. 機械管理開發(fā)，2004(2)6 孫恒，陳作模.機械原理.北京：高等教育出版社，2001(3)7 陳辛波，富建國，汪信遠.具有勻速往復運動和急回特性的非圓齒輪一曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計J. 機械研究與設(shè)計，1998(5)8 于喜泉.曲柄連桿機構(gòu)曲柄徑受力計算J.機械設(shè)計與制造，1993(1)9 費學博，黃純明，陳乃立.理論力學M.北京：高等教育出版社，1999(3)10 劉黎陽. 平衡曲柄滑塊機構(gòu)慣性力的研究J. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2008(1)11 徐廣紅，賀偉.曲柄滑塊機構(gòu)慣性力部分平衡的新見解J. 中國產(chǎn)業(yè)，2010(16)12 崔福龍，臧勇，張國平. 曲柄滑塊機構(gòu)振動力和力矩的附加平衡機構(gòu)J.機械設(shè)計，2006(11)13 JIA Xiao hong，JI Lin hong. Dynamic Analysis of the Crank slider Mechanism Including Tripod-ball Sliding Jo