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曲柄滑块的运动分析及其应用.docx

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    • 曲柄连杆机构的构造分析及其应用张再宇 摘要:机械机构是社会实践活动中不可缺少的重要构成部分,曲柄连杆机构更是机械机构中不可或缺重要的构成部分;由此对曲柄连杆机构进行了研究,用曲柄和连杆来实现转动和移动互相转换的平面连杆机构,也称曲柄滑块机构曲柄连杆机构中与机架构成移动副的构件为滑块,通过转动副联接曲柄和滑块的构件为连杆,分别由曲柄连杆机构的构造特点、工作特点、设计难点,曲柄滑块机构的应用范畴及其应用实例,以及曲柄连杆机构的最新动态,国内外研究现状进行了调查 核心词:曲柄滑块;动力学运动分析;连杆引言: 制造业是一种国家经济发展的重要支柱,其发展水平标志着该国家的经济实力、科技水平和国防实力曲柄连杆机构是机械机构重要的构成部分曲柄连杆机构由于可以实现旋转运动与直线运动之间的变换,并可以实现急回运动,因此在机械设备中得到广泛的应用,如冲压机械、惯性筛、自动送料机构、冲床、剪床和往复活塞式发动机等随着机械工业化的发展,机械优化设计措施越来越受到设计者的注重,采用优化设计措施能有效地提高设计效率和设计的精度规定,而曲柄连杆又是现代机械设备常用的一种传动设备,本文对该机构进行了如下研究:1. 曲柄连杆机构特点1.1 曲柄连杆机构的工作特点与设计难点 曲柄连杆机构是内燃机中的重要受力部件,曲柄连杆机构的工作环境非常恶劣,曲柄连杆机构面临的是高温、高压、高速、和化学腐蚀。

      曲柄每转一周(二冲程内燃机)或者两周(四冲程内燃机)为一种变化周期事实上,内燃机的工况是不断变化的,特别是作为车用动力时因此,作用在曲柄连杆机构上的力是随着工况的不断变化而变化的内燃机的工况一般由转速和功率来衡量内燃机曲柄连杆机构的设计是为理解决工作过程中惯性力的平衡以及改善构造来减少活塞对汽缸壁的侧压力,并且减少内燃机内的振动,但内燃机工作环境的瞬变使得这些都非常困难在工作过程中,活塞顶部受力变化十分复杂,上下运动时活塞对汽缸壁产生很大的侧压力,这样就减少了内燃机的工作效率,活塞环也容易磨损;连杆做复杂的平面运动并且质量较大,平面运动产生的惯性力也不能忽视,连杆长度的微小变化也对机构产生很大的影响;曲轴飞轮的模态对内燃机的布置方式和工作场合的约束因素较多,设计难点较大老式的措施是对构造进行简化计算并与样机实验结合进行设计这种措施得到的构造存在着很大的误差,且劳动强度大,开发周期长,挥霍人力和物力目前设计都是借助计算机辅助设计手段,减少劳动强度,缩短开发周期但仍有某些难题无法解决,如机构连接处动摩擦和零件变形等,有待进一步完善1.2 曲柄连杆机构的分类 根据构造特点,曲柄连杆机构可以分为三类: (1)对心曲柄连杆机构:机构在运动时滑块的运动轨通过曲柄的回转中心则称为对心曲柄滑块机构。

      如在内燃机机构中的应用等 (2)偏置式曲柄连杆机构:机构在运动时,滑块的运动轨不通过曲柄的回转中心则称为偏置曲柄滑块机构例如在自动送料机构中的使用等 (3)偏心轮机构:在曲柄连杆机构(曲柄摇杆机构)中,若曲柄很短,可将转动副的尺寸扩大到超过曲柄长度,则曲柄就演化成几何中心不与转动中心重叠的圆盘,该圆盘称为偏心轮,具有偏心轮的机构称为偏心轮机构偏心机构构造简朴,偏心轴劲的强度和刚度大,广泛用于曲柄长度规定较短、冲击载荷较大的机械中,例如在工程机械中的颚式破碎机中的应用等1.3 曲柄连杆机构的运动学分析意义和目的 在曲柄连杆机构的运动过程中,活塞作往复直线运动,曲轴做圆周旋转运动,由于两岸自身的运动比较复杂,一般简化为分别集中于连杆小头和连杆大头的两个集中质量,觉得她们分别作旋转运动和往复运动这样就不需要对连杆的运动规律进行单独的研究 活塞在作往复运动时,其速度和加速度都是变化的它的速度和加速度的数值及变化规律就对曲柄连杆机构以及内燃机整个机体的工作具有很大的影响,因此研究分析曲柄连杆机构运动学和动力学的重要任务是分析研究活塞的运动规律1.4 曲柄连杆机构运动学和动力学具体分析 在往复活塞式内燃机中基本上采用三种曲柄连杆机构:中心曲柄连杆机构,偏心曲柄连杆机构和关节曲柄连杆机构。

      其中中心曲柄连杆机构应用最广泛本次设计选择中心曲柄连杆机构1.4.1 曲柄连杆机构的运动学分析曲柄连杆机构将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动,将活塞上的力转化为曲轴上的扭矩曲柄连杆机构动力学分析师内燃机设计的基本,它是分析内燃机中曲柄连杆机构的多种受力状况,并从中找到影响内燃机性能的因素,其中涉及输出扭矩、转矩等,从而改善内燃机的动力性能动力学分析还是为内燃机的重要零部件的刚度、强度、磨损和多种载荷服务并提供重要参数工作运转的内燃机的曲柄连杆机构中作用着气体对活塞的压力、往复或者旋转运动的自重和惯性力、外部负荷对内燃机的反作用力、运动副之间的摩擦等在分析时一般都忽视摩擦,分析运动学时,其中有两个假设:1)曲轴作匀速运动;2)角速度ω为常数 中心曲轴连杆机构的运动规律如图 λ=r/l, 其中r为曲柄半径,l为连杆长度(连杆大小头孔中心距离),λ为连杆比 活塞的位移表达为X,具体计算如下:活塞的运动可以用三角函数构成的复谐函数表达,即活塞的运动时复谐运动1.4.2 曲柄连杆机构的动力学分析作用在曲柄连杆机构的力分为:缸内气压力、运动质量惯性力、摩擦阻力和作用在发动机曲轴上的负载阻力。

      事实上一般作受力分析都把摩擦力忽视不计,由于它的数值比较小,且变化规律很难掌握,而负载阻力与积极力出于平衡状态,无需计算因此,重要研究内燃机的气压力和运动质量惯性力的变化规律对曲柄连杆机构构件的作用,特别是对曲轴和轴承的作用曲柄连杆机构的动力学分析是内燃机构造设计的基本,它是分析曲柄连杆机构中力的作用状况,并能从分析力的过程中找出影响内燃机曲轴的输出扭矩、曲轴旋转的均匀限度和不动力平和的主线因素,从而找到提高内燃机动力性能水平的措施曲柄连杆机构动力学的分析还为内燃机重要零部件的刚度、强度、磨损、振动和轴承负荷等计算提供必要的数据曲柄连杆机构中的受力分析如图曲柄连杆机构中力的传递和互相作用作用力分为: 1)压力Fg ; 2)惯性力往(复惯性力Fj、旋转惯性力Fr); 3)合成力; a曲柄连杆机构中力的传递和互相关系曲柄连杆机构中力的传递和互相关系: 上式阐明,永远存在一种与输出扭矩方向相反、大小相等的翻到力矩 b气压力的作用效果 气压力Fg和 在机体内部平衡掉,对外没有自由力,只有扭矩输出和翻倒力矩 c往复惯性力 1)机构运动件的质量换算 换算原则:保持当量系统与原机构动力学等效 曲柄连杆机构的所有零件,按照运动性质可分为三组: 曲柄连杆机构的应用及应用实例2.1 曲柄摇杆机构有死点条件的应用 当杆长条件不同步,曲柄摇杆机构有死点位置的数目是不同的,既使曲柄积极时,曲柄摇杆机构亦有也许浮既有死点现象且死点个数及位置状况随杆长条件而变化。

      因此,我们可对此条件在下述设计方面进行应用2.1.1 在一般曲柄摇杆机构设计中的应用 一般状况下,应力求避免机构的死点现象因此,在曲柄积极的一般曲柄摇杆机构设计时,应使其杆长关系满足机构无死点的条件即应使最短杆与最长杆的长度之和不不小于此外两杆长度之和2.1.2 在死点机构设计中的应用 设计曲柄积极的曲柄摇杆机构类型的死点机构时,应使其杆长关系满足机构有死点的条件即应使最短杆与最长杆的长度之和等于此外两杆长度之和2.1.3 在可折叠机构设计中的应用 由于满足最短杆与最长杆的长度之和等于此外两杆长度之和的条件时,机构有曲柄、连杆、摇杆所有都运动到重叠于机架的位置,故可运用此条件来设计可折叠机构2.1.4 在停歇机构设计中的应用 在曲柄摇杆机构中,曲柄转动时,摇杆有在机架位置上不动的也许据此,我们可以设计出具有180度/360度、540度···精确停歇的停歇机构固然,在设计时要注意从动件摇杆在停止瞬间的止动问题及起动瞬间的动力来源问题通过构造设计,此两问题一般不难解决2.2 曲柄滑块机构运营中的振动与平衡 在一切有质量、构件质心有加速度或构件有角加速度的机械中,都存在着惯性力。

      例如:曲柄压力机在向下行程时,滑块浮现“快落”,对传动系统产生撞击、振动,会减少传动零件的使用寿命机械在高速运转过程中,这种随机构运转而周期变化的强惯性作用将会在运动副中引起附加动压力这不仅将增长运动副中的摩擦力和构件的内应力,导致磨损加剧、效率减少,也影响构件的强度并且由于惯性力随机械的运转而作周期性变化,也会使机械及其基本产生逼迫振动,从而导致机械工作质量和可靠性下降、零件材料内部疲劳损伤加剧,并由振动而产生噪声污染因此,研究机械高速运转中惯性力的变化规律,采用平衡设计和平衡实验的措施对惯性力加以平衡,以消除或减轻惯性力的不良影响,是减轻机械振动、改善机械工作性能、提高机械工作质量、延长机械使用寿命、减轻噪声污染的重要措施之一 曲柄滑块机构是最早获得广泛应用的连杆机构之一,在运转时各构件产生的惯性力会引起机座的逼迫振动,加剧机器构件的磨损并产生噪声污染,减少机构的运动精度和平稳性因此,对此类机构平衡问题的研究很有必要从理论上讲,运用质量代换法可使这种机构的惯性力完全平衡但是这种平衡法会导致机械构造复杂化及其质量的增长,特别是把配重安装在连杆上时,对机构更为不利因此,人们多采用惯性力部分平衡的措施来减小机构的振动。

      曲柄滑块机构中包具有作往复运动的滑块和作复合运动的连杆和作转动的曲柄,它们质心加速度以及角加速度的存在会导致周期性变化的振动力和振动力矩这种力和力矩将导致机械的强烈振动和噪声,加剧机件的磨损和疲劳失效,减少机构的运动精度和运动平稳性,限制了机械性能的提高对运动机构的振动力和振动力矩平衡方面的研究,重要集中在两个方面:振动力和振动力矩的平衡措施和平衡问题的分析措施目前对机器传动系统中的曲柄滑块机构进行振动力和振动力矩平衡措施重要有:(1)质量重分派法,这种措施是通过在构件上加平衡重的措施,使机构的总质心位置始终处在机架上,机构的总质心不会随构件的运动而运动,从而达到振动力的完全平衡;(2)平衡机构平衡法,即在机构上附加其他机构来平衡原机构的惯性作用分析机构振动力和振动力矩平衡问题的措施重要有:(1)质量替代法,就是根据替代前后构件质量和质量矩不变的原则,将构件的质量代为相应点处的质量这种措施有助于机构振动力和振动力矩平衡的研究;(2)线性独立向量法,这种措施就是一方面建立机构总质心位置的向量体现式,然后运用机构环路方程使体现式各项向量线性独立,最后设法使总质心位置不动,虽然体现式中所有与时间有关的各项系数所有为零。

      3. 曲柄连杆机构的最新动态 曲柄连杆机构作为汽车发动机的核心部件,用来实现进气、压缩、做工、排气四个行程的工作循环在做工行程中,曲柄连杆机构将曲柄的往复运动转变为曲柄的旋转运动,对外输出动力而在其她三个行程中,由于惯性作用又把曲柄的旋转运动转化为活塞的往复直线运动总的来说曲柄连杆机构是发动机借以产生并传递动力的机构通过它把燃料燃烧后发出的热能转化为机械能 随着时代的发展,美国、德国、日本等汽车工业发达国家都向着开发绿色环保和高性能发动机两大方向开展技术创新曲柄连杆机构的技术创新大多是材料方面的改善,例如碳材质的,尚有从数量方面发展,如双曲柄连杆机构,以及后来的多连杆机构 随着汽车行业的不断进步对汽车多种性能规定也在不断提高一种重要的研究方向,是研究低噪声的发动机,而其中研究的重点是具有高平衡性的曲柄连杆机构随着人们对环境以及可持续发展规定的不断提高,使用对环境和谐的。

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