【正文】 ..... 34 參考文獻(xiàn) ................................................................................................ 35 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 1 1 緒論 18 世紀(jì)下半葉的第一次工業(yè)革命促進(jìn)機(jī)械工 XXXX 的迅速發(fā)展，機(jī)構(gòu)學(xué)在原來機(jī)械力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展成為一門獨(dú)立的科學(xué) .早在 19 世紀(jì)連桿機(jī)構(gòu)就已經(jīng)廣泛的運(yùn)用最簡單的就是四桿機(jī)構(gòu)，也 是出現(xiàn)最早的一種連桿機(jī)構(gòu)。通過引入曲柄固定鉸鏈點(diǎn)的位置角建立了曲柄搖桿和機(jī)架長度關(guān)于 ? 和 ? 的顯示函數(shù)關(guān)系，通過解析法、幾何作圖法、和實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。 XXX 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 作者姓名： XXXX 專業(yè)名稱： 機(jī)械工 XXXX及自動化 指導(dǎo)教師： XXXX講師 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 I 摘要 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的運(yùn)動樣式多樣，可以實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動規(guī)律或運(yùn)動軌跡且承載能力高、耐磨順，制造簡單，已于獲得較高的制造精度，因此曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在各種機(jī)械儀器中獲得廣泛的應(yīng)用。 本文針對曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的行 XXXX速度變化速度系數(shù)和給定點(diǎn)的軌跡設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，通過深入分析機(jī)構(gòu)的行 XXXX 數(shù)度比 k、 搖桿擺動角 ? 、 最小傳動角，極為夾角和搖桿擺動角等運(yùn)動性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可能附加要求極其相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法為曲柄搖桿設(shè)計(jì)提供各種可能選項(xiàng)并對曲柄搖桿的急回特性和死點(diǎn)情況進(jìn)行說明 。對連桿機(jī)構(gòu)的研究起始于 19 世紀(jì)著名發(fā)明家瓦特，他改進(jìn)的蒸汽機(jī)運(yùn)用了四桿機(jī)構(gòu)。平面四桿機(jī)構(gòu)是平面多桿機(jī)構(gòu) ,空間多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ) ,所以對平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究有著很重要的意義。如縫紉機(jī)的踏板機(jī)構(gòu)（如圖 ）送料機(jī)構(gòu)（如圖 ），牛頭刨床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)（如圖 ），傳送帶送料機(jī)構(gòu) (如圖 )等。而一些相關(guān)的書籍里對曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化并沒有完整的提出，對于設(shè)計(jì)者查詢相關(guān)信息時帶來不變，也對學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶來不便。 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 2 圖 縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu) 圖 送料機(jī)構(gòu) 圖 牛頭刨床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu) 圖 傳送帶送料機(jī)構(gòu) 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 3 2 平面四桿機(jī)構(gòu)概述 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式 平面四桿機(jī)構(gòu)最常見是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)如圖 所示 ， 機(jī)構(gòu)的固定構(gòu)件 4 稱為機(jī)架，與機(jī)架用轉(zhuǎn)動副相連接的構(gòu)件 1 和 3 稱為連架桿，不與機(jī)架直接連接的構(gòu)件 2 稱為 連桿。與機(jī)架組成整轉(zhuǎn)副的連架桿稱為曲柄 ， 與機(jī)架組成擺動副的連架桿稱為搖桿。以圖 中的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)為例 ， 如 圖 示位置時是曲柄搖桿機(jī)構(gòu) ， 當(dāng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)置 ( 即讓不同桿件做機(jī)架 )時，就會得 到不同類型的四桿機(jī)構(gòu) 。 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 4 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特 性 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)是否具有整轉(zhuǎn)副，取決于個桿的長度。因桿 1 為曲柄，故桿 1 與桿 4 的夾角 ? 的變化 0 ~ 0360 當(dāng)搖桿處于左右極限位置時，曲柄與連桿二次共線，故桿1 與桿 2 的夾角 ? 的變化范圍也是化 0 ~ 0360 ；桿 3 為搖桿，與他相鄰的夾角 ? 、 ? 的變化范圍小于 0360 .。為了實(shí)現(xiàn)曲柄 1 整周轉(zhuǎn)動， AB 桿必須順利通過與連桿共線的兩個位置 1AB 和2AB 。根據(jù)三角形任意兩邊之和必大于第三邊的定理可得 ?？梢詫懗鲆韵玛P(guān)系 1l +2l ? 3l + 4l 將上面的式子相加可得 1l ? 2l 1l ? 3l 1l ? 4l 從上面的式子可以得出結(jié)論 ： （ 1）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)具有整轉(zhuǎn)副的條件是最短桿與最長 桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和。 曲柄是連架桿，整轉(zhuǎn)副處于機(jī)架上才能形成曲柄；應(yīng)此，具有整轉(zhuǎn)副的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)是否存在曲柄，還應(yīng)跟據(jù)選擇那一個桿為機(jī)架來判斷： （ 1） 取最短桿為機(jī)架時，機(jī)架上有兩個整轉(zhuǎn)副，故得雙曲柄機(jī)構(gòu) （ 2） 取最短桿的 鄰 邊為機(jī)架時，機(jī)架上只有一個整轉(zhuǎn)副，故得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。 (4)如果鉸鏈機(jī)構(gòu)中的最短桿與最長桿長度之和大于其余兩邊長度之和，則該機(jī)構(gòu)中不存在整轉(zhuǎn)副，無論曲那個構(gòu)件作為機(jī)架都只能得到雙搖桿機(jī) 構(gòu)。當(dāng) B 點(diǎn)由 1B 到 2B 時 ， 曲柄順時針轉(zhuǎn)過角1? ， C 順時針轉(zhuǎn)過 ? ， 設(shè)時間為 1t ， C 點(diǎn)平均速度 1? ；由 B2到 B1時 ， 曲柄順時針轉(zhuǎn)過角 ? 2， C 逆時針轉(zhuǎn)過 ? ， 設(shè)時間過 t2， C 點(diǎn)平均速度 v2 。顯然在曲 柄搖桿機(jī)構(gòu) ， 當(dāng)曲柄為主動件做勻速圓周運(yùn)動時 ， 搖桿由位置 C1D 擺回到位置 C2D，其擺角任然是 ? 。但對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角不等，對應(yīng)的時間也不等，從而反映了搖桿往復(fù)擺動的快慢不同。搖桿自 C2D曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 6 擺會至 C1D 是其空回行 XXXX，這是搖桿的平均角數(shù)度是 2? =? /t2，顯然 1? ? 2? ，它 表明搖桿具有急回特性。 ?????? ??????? 0021211212 180180// ttttvvK (25) 111800 ??? KK? (26) 當(dāng) ? =00 時 ， K=1 則機(jī)構(gòu)沒有急回特性 。若不計(jì)個干的質(zhì)量，則這是連桿加給曲柄的力將經(jīng)過鉸鏈中心 A，此力對點(diǎn) A 不產(chǎn)生力矩，因此不能使曲柄轉(zhuǎn)動。 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 7 圖 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位 置 傳動角和壓力角 曲柄搖桿機(jī) ABCD 中 ， 假設(shè)各桿是理想的二力桿 ， 沒有質(zhì)量和摩擦阻力。分析從動件上力的輸入點(diǎn) C 的 受力如圖 所示。由圖中受力分析可知 ， C 點(diǎn)的壓力角為沿著 BC 桿的 受力 Pt 與垂直于 CD 桿的速度 ? ， c 的夾銳角 ， 即圖中標(biāo)注的 ? 。 CD 桿的絕對運(yùn)動是做以 D 為中心 ， CD 為半徑的圓周運(yùn)動 ， C 點(diǎn)的絕對速度方向垂直于 CD。為了方便測量引入傳動角 ? ， 它是壓力角 ? 的余角 ， 即 γ= 900 ? ， Pt=P ?cos =P ?cos ， 顯然 ? 越大 Pt 越大 Pn 越小。 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 9 3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要根據(jù)給定的運(yùn)動條件（按照給定從動件的運(yùn)動規(guī)律（位置、速度、加速度）和按照給定點(diǎn)的運(yùn)動軌跡）確定確定運(yùn)動簡圖的尺寸參數(shù)，通過解析法、幾何作圖法和實(shí)驗(yàn)法來進(jìn)行曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 圖 圖 ， 點(diǎn) D是搖桿的固定鉸鏈點(diǎn) ， C1， C2分別是搖桿動鉸鏈點(diǎn) C 的兩個極限位置 ， 角 ? 是機(jī)構(gòu)的極位夾角 ， 應(yīng)按速比系數(shù) K 確定如下 : )1/()1(1 8 0 0 ???? kk? （ 31） (a)桿長表達(dá)式 圖 ，以 C1C2為弦、 2? 為圓心角的圓 1為型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄固定鉸鏈點(diǎn) A 的軌跡圓，圓心位于點(diǎn) O， 兩圓的半徑 R 均為 : 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 10 ?? sin/2sin3lR ? （ 32） 式中 : 搖桿 CD 的長度 ， CDll ?3 。則由圖 的幾何關(guān)系，線段 AC1， AC2和 OD 的長度分別為 : 1AC = ?2sin2 ?R 32l ??? sin/2sin2sin ? 2AC =2R ??22sin ?? 32l ???? s in/)2s in(.2s in ? OD= ?? cos2cos3 RL ?=3l ??? sin/)2sin( ? 由于 121 llAC ?? ， 122 llAC ?? ，所以曲柄和連桿的長度 1l 和 2l 為： 1l =3l 2c os/2c ???? ? （ 33） 2l =3l 2sin/2sin2sin ???? ?? （ 34） ?? sin/)(34 xll ? （ 35） )c o s ().2s in (2s in2)2(s in2s in)( 22 ????????? ??????x (36) 圖 曲柄搖桿機(jī)構(gòu) （ b）位置角 ? 的取值范圍 由于機(jī)構(gòu)的放縮不影響機(jī)構(gòu)的急回特性， 所以上面的公式表示的機(jī)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 11 構(gòu)長只取決于極位夾角 ? 、搖桿擺角 ? 和參量角其中 ? 和 ? 按機(jī)構(gòu)的使用要求確定， ? 的 取值范圍如圖 可知 ??? 21 8 00 00 ???? 附加要求及其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 在給定速度比系數(shù) K 和搖桿擺角 ? 的情況下，桿長表達(dá)式（ 3）、（ 4）（ 5）共包含 4 個桿長參量 1l 、 2l 、 3l 、 4l 及一個角參量 ? 。分析式（ 3）（ 4)和 (5)可知， 2 個參量的可行給定方式有 3 種（ 1）給定 2 個桿長 。 給定 2 個桿長， 4 個桿長給定 2 個，共有 6 個給定方式：（ 1l ， 2l ）（ 1l ， 3l ）（ 1 l ， 4l ）（ 2 l ， 4l )( 2l ， 3l )(2l ， 4l )和 (3l ， 4l ).各種給定方式下的求解方法。 (II)給定 1l 和 3l 式子（ 3）變形整理得： ???? ?? )2s in/2c osa r c c o s (2 31ll （ 38) 仿上即可以求的 2l 和 4l 。 (IV)給定 2l 和 3l 式子（ 4）變形整理的： ???? ?? )2s in/2s ina r c s in (2 32ll (310) 仿上可以求的 1l 和 4l 。 (VI)給定 3l 和 4l 式子（ 5）變形整理的 ????????? ??????)2s in (2s in2s in)()2(s in2s ina r c c o s223422ll (312) 仿上可以求的 1l 和 2l 。由于這 種附加要求下的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵仍在于根據(jù)給定的桿長比確定角參量 ? ，而相應(yīng)的確定方法已在上節(jié)給出，所以此處不再贅述。 (2)如圖 所示，任選固定鉸鏈中心 D 的位置，由搖桿長度 3l 和擺角 ? ，做出搖桿兩個極限位置 C1D 和 C2D。 （ 4）作 ???? 021 90NCC ， C2N 與 C1M 相交于 P 點(diǎn)，有圖可見??? 21PCC 。 （ 6）因極限位置處曲柄和連桿共線，故 AC1= 2l 1l ， AC2 = 2l +1l ，從而得曲柄長度 1l =(AC 2 AC 1 )/2，連桿長度 2l =(AC2 +AC 1 )/AD= 4l 。 A 點(diǎn)位置不同，機(jī)構(gòu)傳動角大小不同。涉及步驟如下： (1)根據(jù)給定條件，繪出連桿 3的兩個位置 B1 C1 和 B2 C2 。 (3)由于 A和 D兩點(diǎn)可分別在 b12 和 c12 兩直線上任意選取，股有無窮多個解。 按照給定點(diǎn)的運(yùn)動軌跡設(shè)計(jì)曲柄 搖桿機(jī)構(gòu) 曲柄搖桿運(yùn)動時其連桿作平面復(fù)雜運(yùn)動，連桿上每一點(diǎn)都描出一條封閉曲線 連桿曲線。 曲柄搖桿曲線是高階曲線，所以設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)使其連桿上一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)給定的任意的