四连杆机构的振动特性分析与研究—刘俊勇

第一章绪论 (2)

1.1 研究意义 (2)

1.2 振动特性的研究现状 (2)

第二章．四连杆机构介绍 (3)

2.1 基本概念 (3)

2.2 平面四杆机构的基本特性 (4)

2.2.1 曲柄存在条件（格拉肖夫条件） (4)

2.2.2急回特性及行程速比系数K (5)

2.2.3 压力角和传动角 (7)

2.2.4 死点 (8)

第三章四连杆机械振动的特性 (10)

3.1 机械加工振动的表现和特点 (10)

3.1.1 强迫振动 (11)

3.1.2 自激振动 (11)

3.2 振动产生的原因分析 (12)

3.2.1 强迫振动产生的原因 (12)

3.2.2 自激振动产生的原因 (12)

3.3 预防措施 (13)

3.3.1 预防强迫振动的途径 (13)

3.3.2 预防自激振动的途径 (13)

第四章四连杆机械振动的控制策略 (14)

4.1 研究现状 (14)

4.1.1 振动被动控制 (14)

4.1.2 振动主动控制 (15)

4.1.3 振动混合控制 (18)

4.2 结论 (18)

第五章小结 (18)

致谢 (20)

参考文献 (20)

第一章 绪论

1.1 研究意义

四连杆机构在通用机械、 纺织、 食品、印刷等工业领域有着广泛的应用，是机构运动弹 性动力学的一个主要研究对象。 连杆机构高速运行时， 在外力与惯性力作用下， 构件会发生 不可忽略的振动。为提高轨迹精度，减小振动，使机构能够准确、高效的工作，必须对这种 有害的振动响应加以控制。 目前基于四连杆机构振动特性分析的机构运动弹性动力学研究正 日趋完善， 但如何改善机构的动态特性， 有效地抑制弹性机构的有害振动， 是机构学界面临 的一个重要的研究课题。

节约能源和原材料、 提高效能是当前世界经济、 军事和科技发展面临的关键课题。 目前， 从传统的机械制造业到航空航天技术领域、 建筑设计、 机器人制造等精密机械， 低刚度与柔 性化是这些领域内结构设计制造的一个重要发展趋势。 这些轻型结构可以增加有效承重载荷 的重量，提高运载工具的效率，消耗的能源减少，生产成本降低，运行精度提高。但是同时 这类结构的设计、 制造和使用带来了一系列新的问题， 诸如 : 结构模态阻尼减小， 柔性增大， 大振幅的振动响应持续时间长， 结构疲劳问题严重影响系统的精度和使用寿命， 甚至诱发相 关部件的损坏。 特别对于高速机械和机器人领域， 由于承载能力加大， 造成设备整机刚度降 低，不平衡质量引起的自激振动加剧， 振动引起的弹性变形不仅影响了机构的轨迹精度和定 位精度， 延迟了机构稳定工作时间， 破坏系统运行的稳定性和可靠性， 同时降低了工作效率 和整机的使用寿命。对有害动态响应的消减是机械动力学研究的重要问题。

1.2 振动特性的研究现状

连杆机构可以实现复杂的运动规律，且加工简便、强度高、可靠性大，所以广泛地用 于农业、纺织、轻工、重型、冶金、精密等各机械行业中 . 但在在高速运行条件下，机构的 弹性动力响应不仅使机构的运动轨迹产生偏差， 同时还会造成构件疲劳破坏。 为获得高速运 转条件下， 高精度的运动轨迹和较小的振动响应， 机构学界先后采用被动控制和主动控制两 种方式抑制连杆机构的弹性振动。被动控制具有成本低， 易实现， 无需外部能源， 能够较好 的抑制高频模态响应等优点，但对外界环境变化的适应性差，对低频模态的抑制效果有限， 然而研究发现 : 弹性连杆机构的低频模态对机构弹性振动响应的贡献较大。随着材料科学的 发展，含机敏材料机构的振动主动控制技术因其设计灵活、

效果显著、 能满足特殊的控制要求等优越性而得到了广泛重视。

性连杆机构振动响应的控制研究中， 给机构学界注入了极大的活

力。 弹性连杆振动主动控制 是基于一定的控制策略， 根据对弹性连杆机构振动响应的测量信息， 通过外界对低频和宽带随机振动响应抑制

将振动主动控制思想引入弹

的能量输入对机构施加一定的控制力，使控制系统与机构本身构成同一整体，从而改变机构的动力学特性。它涉及机构动力学、控制理论、材料科学以及作动传感技术的交叉学科，有着诱人的发展前景。目前该领域的研究还处于理论研究和仿真计算阶段，开展实验研究的很少。因此，根据实际弹性机构（粘贴或埋入传感材料和作动材料，包含阻尼材料、复合材料等）建立较为精确的非线性动力学模型，提高控制方法的警棒性‘实时性和自适应性，增强机构的抗振特性，已成为弹性连杆机构振动控制面临的一个堕待解决的问题，也是机械、航空航天及军事工业等领域设计良好产品必须解决的关键问题之一。系统深入地开展这方面的研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。

第二章．四连杆机构介绍

2.1 基本概念

平面四连杆结构是由四根杆件（图2-1 ）1、2、3、4 借助于转动副（2-1 中的A,B,C,D ）依次连接（铰销连接）而成，每个铰销的轴都互相平行，从而使活动杆件都在互相平行的平面上运动。在四根杆件中，不论把那根杆件作为基架（固定杆或基杆），而把另一杆作为原动杆，那么其余的活动杆都作一定的强制运动。因此平面四连杆运动链在选定了固定杆和原动杆之后，就构成了平面四连杆机构。此外，又由于转动副属于V 级的低副，所以平面四连杆机构时属于低副的平面机构。

22平面四杆机构的基本特性

2.2.1曲柄存在条件（格拉肖夫条件）

①最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；（杆长之和条件）

②连架杆与机架中必有一杆为最短杆。（最短构件条件）

图2-2 曲柄摇杆机构

图2-2曲柄摇杆机构中，设各杆长度依次为丨1、丨2、丨3、丨4,且丨1<14。假定AB为曲

柄，则曲柄AB回转一周过程中，必有两次与连杆BC处于共线。据三角形两边之和大于第三边的定理，由△ ACD有