机构创新设计论文223Word格式.docx

机构创新设计论文223Word格式.docx

《机构创新设计论文223Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机构创新设计论文223Word格式.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

本次设计通过对平面曲柄连杆机构的结构特点、结构组成、传动特性、工作特点、故障诊断与排除以及受力分析等方面的讨论和研究，从而得到曲柄连杆机构的最优设计方案，并通过对其优缺点的分析，使之广泛用于不同领域。

由于低副是圆柱面或平面接触，使得连杆机构具有制造容易、运动副中压强和磨损较小、便于润滑等优点，因此广泛应用于各种机械及仪器中。

曲柄连杆机构的整体设计概念

1、设计机械整体时应满足的要求：

设计的机械零件既要工作可靠，又要成本低。

要解决前一个问题，需要根据可能发生的失效，确定要件在强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温升等方面必须满足的条件，这些条件是判断要件工作能力的准则，在设计曲柄连杆机构中，根据机构的具体运转情况和的计算后，确定后来设计方案。

2、标准化、系列化、通用化：

在不同类型、不同规格的各种机器中，有相当多的零部件是相同的（本设计中就有3个螺钉），将这些零部件加以标准化，并按尺寸加以系列化，则设计时就毋须重设计，可直接从有关手册的标准中选用。

通用化是指系列系列之内的或跨系列的产品之间尽量采用同一结构和尺寸的零部件，以减少设计时零部件的种类，从而简化生产管理和缩短制造时间（如本设计中的机架）。

3、结构设计：

计算和结构设计都是设计工作中的重要内容，两者同等重要。

有必要指出，结构设计千万不可轻视，何况计算也往往要在初步结构构思的基础上将其抽象为数学模型后才能进行（以曲柄为例，只有先确定轴的支承和受载零件的位置和尺寸后才能计算）。

在设计过程中，借鉴前人成功的设计经验，注意归纳、分析、总结，掌握设计中的规律，对提高设计质量帮助很大。

在设计曲柄连杆机构过程中，以上的三个方面都是要重点考虑的内容。

经过认真的计算和画图，并参考了很多的设计实例，才完成此次设计。

二、曲柄连杆机构基本知识

（一）曲柄连杆中部分名词

曲柄摇杆机构：

一个连架杆为曲柄，另一个连架杆为摇杆的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。

铰链四杆机构：

在平面机构中如果全部运动副都是转动副，则称为铰链四杆机构。

连架杆：

与机架相连的杆称为连架杆。

曲柄：

连架杆中能作360转动称为曲柄。

摇杆：

在运动中该杆的转动在小于360摆动则称为摇杆。

机械：

机械是机构和机器的总称。

机构：

只有确定的相对运动，而不能代替人做有用的机械的构件组合。

例如摩托车是机器，而自行车是机构。

构件的自由度：

一个作平面运动的自由构件有三个独立运。

在ＸＯＹ坐标系中，构件Ｓ可随其任一点Ａ沿Ｘ，Ｙ轴方向移动和该点转动，这种独立的运动称为构件的自由度。

高副：

高副是指两构件通过点或线接触组成的运动副。

低副：

两构件通过面接触组成的运动副称为低副

固定件：

机架又称固定件，用来支撑活动构件，比如气缸体就是机架。

原动件：

运动规律已知的活动构件。

比如内燃机的活塞就是原动件。

从动件：

机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件称为从动件，比如内燃机的连杆和曲轴都是从动件。

运动链：

若干构件通过运动副联接起来所构成的系统称为运动链.。

平面机构：

所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构称为平面机构；

否则称为空间机构。

（二）曲柄连杆机构的自由度与约束

1：

机构自由度与约束

机构是具有确定相对运动的构件组合。

。

曲柄摇杆机构也属于平面机构，既然是平面机构也就无条件的遵从平面机构的运动特性．所以，一个作平面运动的自由构件有三个自由度。

机构是由许多构件组合而成的，机构的每个构件都以一定的方式与其它构件相互联接。

这种联接都不是固定联接，而是能产生一定相对运动的联接。

这种使两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接称为运动副。

例如在内燃机中，活塞与连杆的联接、活塞与气缸的联接等都构成了运动副。

显然，构件组成运动副后，它们的独立运动就受到约束，自由度便随之减少。

又根据它们的相对运动是转动或是移动，又可分为回转副和移动副。

当两个构件组成运动副之后，它们的运动受约束，因而其自由度随之减少。

不同类型的运动副，由于其运动副元素的不同，引入的约束数目不同，因此使构件保留的自由度也不同。

例如低副为面接触，引入两个约束，保留一个自由度。

其中转动幅限制了沿Ｘ轴、Ｙ轴方向的两个移动，使构件保留了一个转动的自由度；

而移动副约束了垂直于移动副中心线方向的一个移动和在平面内转动这两个自由度。

高副为点或线接触，只能引入一个约束，保留两个自由度，即只约束了接触处（点或线）公法线放向移动的自由度，使构件保留接触处转动和接触处公切线方向移动两个自由度。

在平面机构中，每个低副引入两个约束，每个高副引入一个约束。

2：

平面机构自由度计算

设某平面机构共有Ｎ个构件，除去一个机架是固定件外，活动构件数n=N-1个。

在用运动副将构件联接起来之前，这些构件自由度总和为3n个。

当用P各低副和M个高副联接成运动链以后，这些运动副所带来的总约束数为（2P+M）个。

那么，整个机构相对机架的自由度，即机构的自由度，应为运动构件自由度总和与运动副引入的约束综合之差，所以以F表示机构的自由度，则有

F=3n-2P+M（1-1）

式（1-1）给出了平面机构中运动构件数目、低副数目、高副数目与机构自由度的关系，此式即为平面机构自由度计算公式。

3:

机构具有确定运动的条件

要是机构能有确定运动，必须使主动件数等于机构的自由度数，即因此机构具有确定运动的条件是：

机构的原动件的数目必须等于机构的自由度数。

如果主动件数大于自由度数，若迫使两个主动件数按各自规律运动，则机构中最薄弱的构件或运动将会遭到破坏。

4：

曲柄连杆机构存在曲柄的条件

在图

（一）中在铰链四杆机构中，设分别以a、b、c、d表示机构中个构件长度。

1）设a<

b

如图所示，ABCD为该机构的某个一般位置。

在ΔＢＣＤ中，b，c为定长,　　　　ＢＤ＝ｆ的长度随机构的位置而改变。

　　　　　根据平面几何知识，ΔＢＣＤ各边之间具有下列关系：

b+c≥f

（11-1）

|b-c|≤f

图2-1

如果构件AB为曲柄，则AB能绕轴A相对机架作整周运动。

为此，构件AB应能占据与构件AD拉直共线和重叠工线的两个位置AB'

和AB'

'

当机构在图中虚线所示AB'

C'

D时，

f=Fmax=a+d

当机构在图中虚线所示AB'

C'

f=Fmin=d-a

显然，如果f为Fmax与Fmin之间的值，则ΔＢＣＤ就能在机构任何位置成立，即说明AB杆能作整周回转。

此时由（11-1）式得

b+c≥Fmax=a+d

b-c≤Fmin=d-a（b>

c时）

或c-b≤Fmin=d-a（c>

b时）

将上式整理得：

a≤c,a≤b,a≤d

2）设a>

d

d+a≤b+c

d+b≤a+c

d+c≤a+b

将上式两两相加可得

d≤a,d≤b,d≤c

3设a=d

此时Fmin=0，

a=d

b=c

a≤b

由此可综合归纳出曲柄摇杆机构存在曲柄的条件为：

（1）连架杆和机架中必有一杆为最短杆；

（2）最短杆和最长杆之和应小于或等于其它两杆长度之和。

推论：

当机构尺寸满足杆长条件时，最短杆两端的转动副均为周转副；

其余转动副为摆动副。

上述两个条件必须同时满足，否则机构中无曲柄存在。

根据曲柄存在的条件，还可做如下推论：

1）若铰链四杆机构中最短杆和最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，则可能有以下三种情况：

a以最短杆的相邻杆做机架时，为曲柄摇杆机构。

b以最短杆为机架时，为双曲柄机构。

c以最短杆的相对杆为机架时，为双摇杆机构。

2）若铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则不论哪一杆为机架均为双摇杆机构。

5：

曲柄连杆机构运动特征

1）、连架杆转角曲线

两连架杆转角间的变化关系曲线称为连架杆转角曲线用ψ（φ）表示。

2）、连杆曲线：

四杆机构的连杆平面上任一点所实现的轨迹曲线称为连杆曲线。

连杆曲线的

形状与机构尺寸和该点的位置有关。

连杆转角曲线：

四杆机构连杆平面上任一条标线（如BC）与x轴正向夹角β，随原动件AB转角φ的变化曲线。

3）、急回特性

（1）.机构极位：

曲柄回转一周，与连杆两次共线，此时摇杆分别处于两极限位置，称为机构极位。

（2）极位夹角：

机构在两个极位时，原动件所处两个位置之间所夹的锐角θ称为极位夹角。

（3）急回运动：

曲柄等速转动情况下，摇杆往复摆动的平均速度一快一慢，机构的这种运动性质称为急回运动。

a

图2-2

6.行程速比系数K

为表明急回运动程度，用反正行程速比系数K来衡量

q角愈大，K值愈大，急回运动性质愈显著

对于

（二）图a：

对心曲柄滑块机构θ=0，没有急回运动。

对于

（二）图b：

偏置曲柄滑块机构θ≠0，有急回运动。

机构急回的作用：

节省空回时间，提高工作效率。

（三）曲柄连杆机构的运动分析

1、动力特性

1）.压力角、传动角

压力角a:

在不计摩擦的情况下,从动件受力方向与力作用点速度方向所夹的锐角。

传动角g:

压力角之余角。

衡量机构的传动质量。

传动角g越大，对机构工作越有利。

设计时，应使ggmin

铰链四杆机构中，曲柄与机架拉直共线和重叠共线的两位置处出现的传动角中，必有一出为最小传动角

2）死点

a在分从动件在传动角为零的位置为机构的死点.

b析死点位置时,要首先搞清楚哪个是主动件.

c死点是机构在运动过程中所处的特殊位置,它与自由度为0不同,与机构的自锁也不同.

死点的避免

a机构错位排列

b加飞轮,利用惯性通过死点

死点的利用

a飞机起落架

b夹具

2、速度瞬心及其应用

1.速度瞬心的概念：

两个刚体上相对速度为零的重合点。

如果两刚体之一是静止的，其瞬心为绝对速度瞬心。

（如图三左）

如果两刚体都是运动的，其瞬心为相对速度瞬心。

（如图三右）

2.速度瞬心数目：

如果一个机构由k个构件所组成，则它的瞬心

总数为：

N=k（k-1）/2

3.速度瞬心的位置：

直接构成运动副

间接构成运动副

三心定理：

作平面运动的三个构件共有三个瞬心，它们位于同一直

上。

图2-3

4.应用：

常用在构件较少的机构中，不适用多杆机构。

•找瞬心时可根据实际情况找所用的瞬心。

•只适用于速度分析，不适用加速度分析。

•只适用一个或几个位置的求解，不适于多位置或一个周期内

速度、加速度分析。

三、曲柄连杆机构的设计与计算

（一）曲柄连杆机构的设计

1、设计的基本问题

1）.设计任务：

Ø

根据给定的运动要求，选定机构的类型；

确定各构件的尺度参数；

检件；

验是否满足结构．运动和动力条

如：

运动副结构．曲柄存在条件．最小传动角．运动连续性等

2）．曲柄连杆机构设计的基本问题

（1）现预定运动规律（函数生成机构的设计）

例.实如：

连架杆的对应位置

从动件的急回运动特性

（2）.实现连杆给定位置（刚体导引机构的设计）

（3）.实现预定运动轨迹（轨迹生成机构的设计）

方法：

解析法、作图法、实验法

3）．使四杆机构两连架杆间实现给定的传动比关系的设计，实现预定的运动要求，称为传动机构设计（函数机构设计）。

车门开闭机构，要求两连架杆转角相同，转向相反。

汽车前轮转向机构，要求两连架杆满足某种函数关系，保证顺利转弯。

牛头刨床要求满足一定的急回等性。

4）．实现预定的连杆位置要求——刚体导引机构设计

铸造翻砂

图3-2要求实现两个翻转位置。

图3-1飞机起落架机构

要求实现机轮放下和收起两个位置

5）．实现预定的轨迹要求——轨迹生成机构设计

使四杆机构连杆上某一点实现给定的一段曲线轨迹或某一封闭曲线轨迹的设计。

6）．曲柄摇杆机构的设计公式

如图，主动机是曲柄OA，从动件是连杆AP与滑块P，机架、导轨l（不动件）如图组合而成，电动机带动曲柄旋转，通过连杆带动滑块在导轨上做往复直线运动．

图3-3

　　设旋转中心O到导轨的距离为e，滑块的最大行程为H，滑块两极限位置

在O点所张的角为

（叫做极位夹角）．当连杆

与曲柄

重叠时，滑块到达位置

；

连杆

成一直线时，滑块到达位置

　　在实际设计中，常常需从已知数据e，H，

出发，求出曲柄OA之长r，连杆AP之长x．下面我们来解决这一问题．

　　在

中，

　　根据余弦定理，有

　　即 

　　所以

　　又因为

　　解由①，②构成的方程组，得

　　因为 

所以

（二）总结

曲柄的计算

1曲柄摇杆机构：

AB为最短杆图3-4

2双曲柄机构：

AD为最短杆

3双摇杆机构：

因不是最短杆的对边，故考虑不满足杆长和条件下的双摇杆机构

或

四、　曲柄连杆机构的应用

1.现实生活中曲柄连杆机构的应用非常多下面是我在现实生活中发现的一些例子

1曲柄摇杆机构

图4-1牛头刨床横向自动进给机构图4-2脚踏砂轮机构

2.双摇杆机构

图4-3鄂式起重机　　　　　　　　　　　　　　　　　图4-4夹紧机构

3.双曲柄机构　

A、D均为整转副

图4-5双曲柄机构　　　　　　　　　图4-6平行四边形机构

参考文献

[1]申永胜.机械原理教程.2版.北京：

清华大学出版社，2005.

[2]吴克坚、于晓红、钱瑞明.机械设计.北京：

高等教育出版社，2003。

[3]陈国华.机械机构及应用.北京：

机械工业出版社，2008.