连杆的优化设计Word格式.docx
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国外连杆毛坯的加热大多采用电加热或感应加热；
国内多数厂家采用空气锤制，蒸汽锤成形。
连杆的计算分析在早期多采用经验公式，有限元理论和方法提出以后，迅速在连杆分析上得到广泛应用。
近年来，对平面连杆机构的研究，不论从研究范围上还是方法上都有了很大发展。
对多杆多自由度平面连杆机构的研究，也提出了一些有关的分析及综合的方法。
同时，在设计要求上也已不再局限于运动学要求，而是同时要求兼顾机构的动力学特性。
特别是对于高速机械，考虑构件弹性变形的运动弹性动力学（KED）已得到很快的发展。
在研究方法上，优化方法和计算机辅助设计的应用已成为研究连杆机构的重要方法，并已相应的编制出大量的、适用范围广、计算机时少、使用方便的通用软件。
随着计算机的发展和现代数学工具的日益完善，以前不能解决的复杂平面连杆机构的设计问题正在逐步得到解决。
[2]
2.3连杆机构的应用
连杆机构应用十分广泛，它不仅在众多工农业机械和工程中得到广泛应用，而且诸如调整雷达天线俯仰角大小的连杆机构、铸造车间振实式造型机工作台的翻转机构、折叠伞的收放机构以及人体假肢等等，也都用到连杆机构。
如图2-1所示的鹤式起重机构，保证货物水平移动。
如图2-2所示的汽车前轮转向机构。
车子转弯时，与前轮轴固定的两个摇杆的摆角不相等，如果在任意位置都能使两前轮的轴线的交点P落在后轮轴线的延长线上，则当整个车子转向时，保证四个轮子都是纯滚动，从而可以避免轮胎因滑动而产生过大磨损。
图2-2汽车前轮转向机构
3连杆的机构设计
3.1连杆的结构设计特点分析
在分析连杆的设计结构之前,应充分了解连杆的运动情况和受力情况。
3.1.1连杆的运动分析
连杆是发动机传递动力的主要运动件,在机体中作复杂的平面运动,连杆小头随活塞作上下运动,连杆大头随曲轴作高速回转运动。
连杆杆身在大、小头孔运动的合成下作复杂的摆动。
其作用是将活塞顶的气体压力传给曲轴。
又受曲轴驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。
3.1.2连杆的受力分析
连杆组在工作时工作条件恶劣承受着三方面的作用力；
（1）气缸内的燃气压力；
（2）活塞连杆组的往复运动惯性力；
（3）连杆高速摆动时所产生的横向惯性力。
这三种力的大小和方向随着曲轴转角的变化而不断地变化。
综合起来的结果使连杆处于一种交变的复杂受力状态。
由于连杆为一细长杆件，当受压缩和横向惯性力作用时，若连杆杆身刚度不足，则会产生弯曲变形。
若在垂直于摆动平面内发生弯曲，则危害更大，造成轴承不均匀磨损，甚至烧瓦。
3.1.3连杆的结构分析
连杆组一般由连杆体、大头盖、连杆螺栓、轴瓦和连杆小头衬套等组成。
连杆体包括连杆小头、杆身和连杆大头的上部。
连杆大头的上部与连杆大头盖一起组成连杆大头。
连杆结构如图3-1所示：
1-连杆衬套
2-连杆小头
3-连杆杆身
4-连杆螺钉
5-连杆大头
6-连杆轴瓦
7-连杆端盖
8-连杆轴瓦凸键
9-连杆轴瓦定位槽
图3—1连杆结构图
连杆把活塞和曲轴连接起来，连杆小头与活塞销相连接，并与活塞一起作往复运动；
连杆大头与曲柄销相连接，和曲轴一起作旋转运动；
连杆的其余部分则作复杂的平面运动。
作用于活塞上的力经连杆传给曲轴。
连杆必须具有足够的结构刚度和疲劳强度。
在力的作用下，杆身应该不致被显著压弯，连杆大小头也应该不致显著失圆。
杆身弯曲会使活塞相对于气缸、轴承相对于轴颈发生歪斜；
也的失圆会使轴承失去正常配合。
如果强度不足，在发动机动转过程中一旦发生连杆杆身、大头盖和连杆螺栓断裂，就会使机器受到严重的破坏。
3.2连杆机构的杆长条件及应用实例
一、连杆机构中转动副为周转副的条件是：
1.杆长条件：
最短杆与最长杆的长度之和应小于或等于其它两杆的长度之和。
2.最短杆条件：
组成该周转副的两杆中必有一杆为四杆中的最短杆。
引深：
（1）四杆机构中，当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是周转副。
（2）平行四边形机构，不论取何杆为机架，均为双曲柄机构。
二、铰链四杆机构有曲柄的条件：
1．杆长条件。
2．最短杆为连架杆或机架。
三、推论（判断铰链四杆机构的类型的方法）
1、不满足杆长条件，无论取何杆为机架，均为：
双摇杆机构。
双摇杆机构:
①应用举例:
A.翻台式造型机.
B.鹤式起重机的变幅机构.
C.汽车前轮转向操纵机构。
（等腰梯形机构）
D.风扇摇头机构.
2、满足杆件条件，若取最短杆为连架杆时：
曲柄摇杆机构。
①应用举例：
A.破碎机的颚式破碎机构。
B.雷达天线的俯仰机构。
C.砂轮机的驱动机构，缝纫机驱动机构（踏板机构）。
D.搅拌机的搅拌机构。
E．影片机构（有些电影放映机）:
抓片爪插入影片孔,拨动影片往下移动一幅。
3、满足杆件条件，若取最短杆为连杆时：
4、满足杆件条件，若取最短杆为机架时：
双曲柄机构。
3.3连杆的设计计算（图解法）
连杆机构设计的基本问题
如图3—4所示，平面四杆机构的设计时应注意以下基本问题。
机构选型：
根据给定的运动要求选择机构的类型；
尺度综合：
确定各构件的尺度参数（长度尺寸）。
同时要满足其他辅助条件：
图3-4平面四杆机构
a）结构条件
b）动力条件
c）运动连续性条件等。
三类设计要求：
1）满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如起落架要求两连架杆转角对应（图3—5）、牛头刨要求两连架杆的转角满足函数y=logx（图3—6）。
2）满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构要求满足砂箱的翻转运动过程。
3）满足预定的轨迹要求，如鹤式起重机要求连杆上E点的轨迹为一条水平直线（图3—7）、搅拌机要求连杆上E点的轨迹为一条卵形曲线（图3—8）等。
给定的设计条件：
1）几何条件（给定连架杆或连杆的位置）
2）运动条件（给定K）
3）动力条件（给定γmin）
设计方法：
图解法
按连杆预定位置设计四杆机构
条件：
给定连杆两位置或三位置及活动铰链B、C
该机构的设计实质上就是确定两固定铰A、D
的位置。
当给定连杆两位置B1C1、B2C2时，如图3-9所示。
由于B、C两点的轨迹都是圆弧，故知转动副A、D分别在
和
的垂直平分线上，也就是说A、
D可以在其垂直平分线上任意选取。
显然，在这种情况下，该机构的设计有无数个答案，此时可以根据结构条件或其它辅助条件来确定A、D的位置。
图3-10造型机翻转机构
如图3-10所示为铸造车间振实造型机工作台的翻转机构，就是实现连杆两预定位置的应用实例。
当翻台（即连杆BC）在振实台上振实造型时，处于图示实线
B1C1位置。
而需要起模时，要求翻台能转过180°
到达图示托台上方虚线B2C2位置，以便托台上升接触砂箱起模。
若已知连杆BC的长度，B1C1和B2C2在坐标系中的坐标，并要求固定铰链中心A、D位于x轴线上，此时可以选定一比例尺，按上述方法设计出AB、CD、AD的长度。
4连杆的优化设计
4.1建模
连杆机构是最常用的机构，因此连杆机构优化设计在机构设计中十分重要，研究工作开展得也最为广泛。
有大量的文献介绍有关平面四杆机构、平面五杆机构、柔性连杆机构、曲柄连杆机构、槽轮连杆机构、凸轮连杆组合机构和齿轮连杆等机构的优化。
鉴于四连杆机构的典型性，本节结合四连杆机构的函数再现优化设计问题，阐述连杆机构优化问题的一般方法及流程。
四连杆机构的优化设计就是对四连杆机构的参量进行优化调整，使得机构给定的运动和机构所实现的运动之间误差最小。
因此四连杆机构的优化设计的过程，就是寻找使得四连杆机构运动误差最小的一组机构设计参量。
四连杆机构设计参量确定后，就可认为实现了机构的优化设计。
四连杆机构的优化设计包括四连杆机构优化模型建立和优化模型求解二个主要过程。
通过对四连杆机构的分析确定优化方案，确定设计变量，给出目标函数，并将机构设计制约条件，如杆长条件、传动角条件等，写成相应的约束条件，即可建立机构优化设计模型。
[1]
下面介绍四连杆机构函数再现优化设计模型的建立。
连杆机构函数再现设计主要通过选取输人构件和输出构件相对应若干位置、采用机构图解法或分析法确定机构各参数。
图1是典型的平面铰链四杆机构，
、
分别表示于四个构件的长度，杆AB是输入构件。
假设图1所示的平面铰链四杆机构再现给定函数为
，即
，则机构位置取决于
铰链A的位置
、AD与机架x轴夹角
以及输人构件转角
等七个变量。
图4—1平面铰链四杆机构
为简化问题，可令A的位置为
，
构件的长度为1（参考构件），由此可将问题维数降为四维，并不影响构件输入、输出的函数关系。
由此可以得到输出构件转角
外与输入构件转角
之间的函数关系式：
（1）
机构优化设计目标就是使得输出构件转角与给定值在
所有位置上的误差最小。
因此机构优化设计的目标函数可用下式表示
（2）
当输入构件转角为
时，输出构件转角
外可由下式求得，
（3）
式中：
所以
（4）
将上式代入式（3），并令
代表设计变量
及
，机构优化设计目标函数可写为：
（5）
机构优化设计的约束条件应根据机构设计的实际情况确定。
例如曲柄摇杆式四连杆机构必须满足如下关系式：
或
（6）
如果机构要求传动灵活可靠，则传动角
应满足：
其中
从上式可知，传动角
随
的变化而变化，当
为最大值时，
为最小，
为最小值时，
为最大。
要满足上式条件，约束方程应为：
曲柄摇杆机构有
，因此，约束方程为
（7）
当所选定的设计变量为构件长度时，则构件长度必须是正数，即约束方程为
式中
是为了使构件长度不小于
而设的。
此外，由于具体结构尺寸的限制，往往对某些构件的长度限定在某一范围内选取，例如连杆BC的长度
最短为
的
倍，最长为
倍，即
则约束方程为
（8）
下面介绍再现函数为
的曲柄摇杆机构的优化设计。
先变换给定函数为
，并设输人构件初始角为
，输出构件初始角为
，选取输入构件的转角为
输出构件的转角为
。
当输入构件从
转到
时，输出构件从
，输入构件从
时，输出构件则从
回到
显然有
代入函数式
得：
设将输入构件的转角
均分成20等分，则
，取权因子
，再令
，则由式（5）得曲柄连杆机构优化目标函数为
曲柄摇杆机构优化设计约束条件如下：
由式（6）得：
要求传动角满足
，由式（7）得：
根据机构结构尺寸，要求各构件长度相对机架的尺寸在给定的范围内，由式（8）得
因此曲柄摇杆机构优化设计模型如下：
Min.
s.t.
4.2黄金分割法优化设计
4.2.1黄金分割法基本思路：
黄金分割法适用于[a，b]区间上的任何单股函数求极小值问题，对函数除要求“单谷”外不做其他要求，甚至可以不连续。
因此，这种方法的适应面非常广。
黄金分割法也是建立在区间消去法原理基础上的试探方法，即在搜索区间[a，b]内适当插入两点a1，a2，并计算其函数值。
a1，a2将区间分成三段，应用函数的单谷性质，通过函数值大小的比较，删去其中一段，是搜索区间得以缩小。
然后再在保留下来的区间上作同样的处理，如此迭代下去，是搜索区间无限缩小，从而得到极小点的数值近似解。
[6]
4.2.2黄金分割法的基本原理
一维搜索是解函数极小值的方法之一，其解法思想为沿某一已知方向求目标函数的极小值点。
一维搜索的解法很多，这里主要采用黄金分割法（0.618法）。
该方法用不变的区间缩短率0.618代替斐波那契法每次不同的缩短率，从而可以看成是斐波那契法的近似，实现起来比较容易，也易于人们所接受。
图4-2黄金分割法原理
黄金分割法是用于一元函数f（x）在给定初始区间[a,b]内搜索极小点α*的一种方法。
它是优化计算中的经典算法，以算法简单、收敛速度均匀、效果较好而著称，是许多优化算法的基础，但它只适用于一维区间上的凸函数，即只在单峰区间内才能进行一维寻优，其收敛效率较低。
其基本原理是：
依照“去劣存优”原则、对称原则、以及等比收缩原则来逐步缩小搜索区间。
具体步骤是：
在区间[a,b]内取点：
a1，a2把[a,b]分为三段。
如果f（a1）>
f（a2），令a=a1,a1=a2,a2=a+r*（b-a）；
如果f（a1）<
f（a2），令b=a2，a2=a1,a1=b-r*（b-a）,如果｜（b-a）/b｜和｜（y1-y2）/y2｜都大于收敛精度ε重新开始。
因为[a,b]为单峰区间，这样每次可将搜索区间缩小0.618倍或0.382倍，处理后的区间都将包含极小点的区间缩小，然后在保留下来的区间上作同样的处理，如此迭代下去，将使搜索区[a,b]逐步缩小，直到满足预先给定的精度时，即获得一维优化问题的近似最优解。
黄金分割法原理如图所示.
4.2.3程序流程
图4-3黄金分割法程序流程
4.2.4优化所编程序框图
#include《math.h》
#include《stdio.h》
#definef（x）x*x+2*x
doublecalc（double*a,double*b,doublee,int*n）
{doublex1,x2,s;
if（fabs（*b-*a）<
=e）
s=f（（*b+*a）/2）;
else
{x1=*b-0.618*（*b-*a）;
x2=*a+0.618*（*b-*a）;
if（f（x1）>
f（x2））
*a=x1;
*b=x2;
*n=*n+1;
s=calc（a,b,e,n）;
}
returns;
main（）
{doubles,a,b,e;
intn=0;
scanf（"
%lf%lf%lf"
&
a,&
b,&
e）;
s=calc（&
b,e,&
n）;
printf（"
a=%lf,b=%lf,s=%lf,n=%d\n"
a,b,s,n）;
程序运行最优解为:
5连杆原理在管理领域中的应用
连杆在生活中各个领域都有其很特殊很重要的作用，根据本文对连杆进行的分析，我觉得这种机构在管理学中也应有一定的应用与创新。
应该有其一定的发展空间。
5.1连杆式管理
构件之间都是用转动副联接的平面四杆机构称为铰链四杆机构,如图所示。
铰链四杆机构是平面机构的最基本的可以实现运动和力转换的连杆机构型式。
也就是说：
铰链四杆机构是具有转换运动功能而构件数目最少的平面连杆机构。
其它型式的四杆机构都可以看成是在它基础上通过演化而来的。
图5-1四连杆机构
D
如图5-1，在此机构中，AD固定不动，称为机架；
AB、CD两构件与机架组成转动副，称为连架杆；
BC称为连杆。
就一个汽车来说，发动机可以说是整个汽车的心脏，而组成发动机机构之一的连杆在其中则扮演者举足轻重的角色。
稍微引申一下，把它应用到管理的领域，比如说在一个公司或者企业中，从人们的潜意识与大众的角度与认知来说，整个公司或者整个企业在一定程度上是呈金字塔模型的，分别为上层、中层、下层。
分别由上层下达公司的任务、决策等，然后由中层进行初步分配，最后由下层进行具体实施操作。
这是一种传统的管理形式。
然而，有些特殊行业可能用这种传统的管理方法不能很好地满足其管理需求或者不能很好的最大限度的创出业绩。
图5-2金字塔式的管理方法流程图
根据本文可以得出，运用四连杆的特征与图形可以提出一种类似于连杆的管理方法。
在四连杆中，首先机架是固定的，即可以代表公司的固定资产，还包括公司的上层领导。
其次是连架杆，可以代表公司的中层人员，其中一个连架杆构成的转动副是周转副。
它比另一个连架杆要短，它可以代表公司的行政上、老员工、技术员等一些不容易发生转移的中层管理人员，而另一个连架杆则可以表示公司易发生流动的中层人员。
所以经过正常的管理运转，公司固有的人员会带动其他流动的人员为公司做出最大的贡献创造出最大的效益。
还培养了公司人员的团队合作精神。
综上所述，它们的特点是能够把力使在同一个点，能够实现同一个目标。
这恰恰和传统的金字塔式的管理模式相反。
所以，连杆式的这种管理方法适用于单一的生产运作模式。
5.2连杆式管理的优化
通过对两种管理方式的分析，传统的金字塔式的管理方法最大的缺点是不能很好的很及时的得到反馈，但其管理尽然有序。
而连杆式的管理方法存在的不足之处是管理似乎稍有些混乱，但其自我消化能力的结果是很明显的。
如果将传统的金字塔式的管理方法与连杆式的管理方法结合起来，则其效果不言而喻，可以达到最优管理方案。
6总结
本文主要介绍了连杆的功能特点以及它的设计，虽然在某些情况下它有自身的局限性，但其在生产生活中的用途不言而喻。
文章以连杆杆长条件为依据，分别列举了在不同条件下四连杆的应用。
并通过建模、优化得到最优解。
而且对连杆做了一个大胆的拓展，大概以自己的思路设想了一下连杆原理在管理学中的应用。
并对其进行了简单的优化设计，达到了优化效果。
致谢
本论文是在方立霞指导老师的悉心指导和亲切关怀下完成的，从选题到设计，无不倾注着导师大量的心血。
方立霞老师渊博的知识、严谨的治学作风、敏锐的洞察力和刻苦的工作精神令我深为钦佩，终生受益。
在我完成本论文的过程中，她曾对我严格要求、悉心指导，为我的设计提出了很多合理的建议。
在此，我向她表示崇高的敬意和诚挚的感谢！
同时，要感谢我的几位朋友，他们在我遇到困难时曾给予了热心的帮助。
还要感谢我们一起做毕业论文同组的几位同学，这个组在方老师的带领下是一个优秀的团队，在完成设计的过程中，大家互相鼓励、互相帮助、共同进步，这种团队精神给了我压力和努力的力量，使我受益匪浅。
其实最应该感谢的还是我的父母，他们不辞辛劳，在我的学业和生活上给予了最大限度的关怀，在这即将毕业之际，我得说一声：
谢谢爸爸，妈妈，您们辛苦了！
参考文献
[1]孙恒,陈作模.机械原理[M]第7版.高等教育出版社.
[2]李建功.机械设计[M]第4版.机械工业出版.
[3]苏春.计算机辅助设计[M]第1版.机械工业出版社.
[4]杨巍,何晓玲.机械原理[M]机械工业出版社.2010.
[5]孙靖民.机械优化设计[M]机械工业出版社.1990.
[6]安培文.平面连杆机构的过约束及自调结构的分析与设计研究[M].
[7]曹惟庆.连杆机构的分析与综合[M].北京.科学出版社.2003.
[8]李哲.考虑运动副间隙和构件弹性的平面连杆机构动力学研究[M].北京工业大学.1991.
[9]杨延力.机械系统基本原理[M].北京:
机械工业出版社.1996.
[10]张策,黄永强等著.弹性连杆机构的分析与设计[M]第2版.北京：
机械工业出版社.1997.
[11]阿瑟.G厄尔德曼等著,庄细荣等译，机构设计——分析与综合（第一卷），高等教育出版社，1993.
[12]阿瑟.G厄尔德曼等著，庄细荣等译，机构设计——分析与综合（第二卷），高等教育出版社，1993.
[13]Huadanian.Hongzhilinkagedesignandapplicationofinnovation[M].MachineryIndustryPress,.2008.
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