最新曲柄滑块机构的运动分析及应用

机械原理课程机构设计

实验报告

题目：曲柄滑块机构的运动分析及应用

小组成员与学号：刘泽陆(11071182)

陈柯宇(11071177)

熊宇飞(11071174)

张保开(11071183)

班级：110717

2013年6月10日

摘要 (2)

曲柄滑块机构简介 (4)

曲柄滑块机构定义 (4)

曲柄滑块机构的特性及应用 (4)

曲柄滑块机构的分类 (8)

偏心轮机构简介 (9)

曲柄滑块的动力学特性 (10)

曲柄滑块的运动学特性 (11)

曲柄滑块机构运行中的振动与平衡 (14)

参考文献 (15)

组员分工 (15)

摘要

本文着重介绍了曲柄滑块机构的结构，分类，用途，并进行了曲柄滑块机构的动力学和运动学分析，曲柄滑块机构的运动学特性分析，得出了机构压力表达式，曲柄滑块机构的运动特性分析，得出了滑块的位移、速度和加速度的运动表达式。最后，对曲柄滑块机构运动中振动、平衡稳定性等进行了总结。

关键字：曲柄滑块动力与运动分析振动与平稳性

ABSTRACT

The paper describes the composition of 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 mechanism ,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.

曲柄滑块机构简介

曲柄滑块机构定义

曲柄滑块机构是铰链四杆机构的演化形式,由若干刚性构件用低副(回转副、移动副)联接而成的一种机构。是由曲柄（或曲轴、偏心轮）、连杆、滑块通过移动副和转动副组成的机构[4]。

曲柄滑块机构的特性及应用

常用于将曲柄的回转运动变换为滑块的往复直线运动;或者将滑块的往复直线运动转换为曲柄的回转运动。对曲柄滑块机构进行运动特性分析是当已知各构件尺寸参数、位置参数和原动件运动规律时,研究机构其余构件上各点的轨迹、位移、速度、加速度等,从而评价机构是否满足工作性能要求,机构是否发生运动干涉等。曲柄滑块机构具有运动副为低副,各元件间为面接触,构成低副两元件的几何形状比较简单,加工方便,易于得到较高的制造精度等优点,因而在包括煤矿机械在内的各类机械中得到了广泛的应用，如自动送料机构、冲床、内燃机空气压缩机等[5]。

对曲柄滑块机构选用不同构件为机架可演化成具有不同运动特性和不同用途的机构。

列如选取滑块为机架，则机构演化为移动导杆机构，下面以抽水机为例进行介绍。

抽水泵的Adams仿真图

图中白色曲杆为原动件，红色直杆为从动件。

原动件位移曲线

从动件位移曲线

原动件速度曲线

从动件速度曲线

原动件加速度曲线

从动件加速度曲线

综上，曲柄滑块机构演化为移动导杆机构后可应用在手摇抽水机上改变力的方向和大小，从而使原动件与从动件的速度，加速度，位移截然不同，在大气压的作用下将水从井中抽出。

下图为曲柄滑块机构演化的偏心轮摇杆机构

蓝色摇杆为研究对象

摇杆质心的位移曲线

摇杆质心的速度曲线

摇杆质心的加速度曲线

这套机构将输入运动偏心轮的圆周运动转化为输出运动摇杆的往复运动,可以作为汽车雨刷等需要摇杆做连续往复运动的机构

曲柄滑块机构的分类

根据结构特点，将其分成3大类：对心曲柄滑块、偏置曲柄滑块、偏心轮机构

图2-1 对心曲柄滑块机构

图2-2 偏置曲柄滑块机构

图2-3 偏心轮机构

偏心轮机构简介

当曲柄长度很小时，通常把曲柄做成偏心轮，这样不仅增大了轴颈的尺寸，提高偏心轴的强度和刚度，而且当轴颈位于中部时，还可以安装整体式连杆，使得结构简化。因此偏心轮广泛应用于传力较大的剪床、冲床、鄂式破碎机、内燃机等机械中[6]。

偏心轮机构可以实现复杂的非线性传动关系，且传动平稳，结构紧凑，动力平衡性好。将偏心轮与连杆等机构组合应用，可实现单纯用连杆机构难以得到的复杂的运动特性。是曲柄滑块机构是常用的机构型式。生产实际中，如在滑块往复行程中具有匀速运动段，并有急回特性，则一般将有利于生产质量和生产率的提高。冲压机的冲头(滑块)，如能以匀速冲压工件成形、，则有益于冲压件加工质量的提高;牛头刨床的刨刀(滑块)，如能以匀速刨削工件，则无疑会改善工件表面的加工质量，并提高刨刀的切削寿命(因切削刀均匀)。但是，简单的对心曲柄滑块机构，当曲柄匀速回转时，其滑块是不具有急回特性和匀速运动段的;即

便采用六杆以上的连杆机构，一般也只能实现近似的匀速运动。现在采用偏心轮一曲柄滑块机构，则能以紧凑的机构型式实现上述运动特性[7]。

在海上能源综合开发平台上，采用这种偏心轮机构，通过滑块联动液压缸，用于将海风端水平轴旋转的机械能转化成活塞往复运动的机械能，进而转化成液压能。

图2-4 工作原理图

曲柄滑块的动力学特性

上图为曲柄滑块机构的受力分析示意图

从曲柄r传到连杆l上的力p

c与滑块发出的压力

p之间，存在如下关系：p

p

c

=

ϕ

cos（3-1）

曲柄颈A处，沿半径方向的力p

r 和p

c

的关系：

p

r =p

c

)

cos(ϕ

θ+（3-2）

将上2式联立，可得到：

p

r =ϕ

ϕ

θcos

/)

cos(+

p（3-3）