实验一曲柄滑块机构的运动规律

上海应用技术学院

数学实验报告

题目：曲柄滑块机构的运动规律

姓名：周玲

院系：理学院数学与应用数学系

学号： 1112211115

指导老师：许建强

2015年3月30日

目录

一、实验目的1

二、实际问题2

三、数学模型2

四、数值积分方法3

五、实验任务5

任务一5

任务二6

任务三7

任务四错误!未定义书签。

一、实验目的

本实验主要涉及微积分中对函数特性的研究。通过实验复习函数求导法, Taylor公式和其他有关知识。着重介绍运用建立近视似模型并进行数值计算来研究讨论函数的方法。

二、 实际问题

曲柄滑块机构是一种常用的机械结构,它将曲柄的转动转化为滑块在直线上的往复运动,是气压机、冲床、活塞式水泵等机械的主机构。右图为其示意图。

记曲柄OQ 的长为r ,连杆QP 的长为l , 当曲柄绕固定点O 以角速度w 旋转时, 由连杆带动滑块P 在水平槽内做往复直线运动。假设初始时刻曲柄的端点Q 位于水平线段OP 上, 曲柄从初始位置起转动的角度为θ,而连杆QP 与OP 的锐夹角为β(称为摆角) 。在机械设计中要研究滑块的运动规律和摆角的变化规律, 确切的说,要研究滑块的位移,速度和加速度关于θ的函数关系,摆角β及其角速度和角加速度关于θ的函数关系, 进而

（1）求出滑块的行程s (即滑块往复运动时左、右极限位置间的距离);

（2）求出滑块的最大和最小加速度(绝对值), 以了解滑块在水平方向上的作用力;

（3）求出β的最大和最小角加速度(绝对值), 以了解连杆的转动惯量对滑块的影响;

在求解上述问题时,我们假定:

100(),3300(),240(/min)r mm l r mm ω====转

符号说明:r －曲柄OQ 的长;l －连杆PQ 的长度;β－摆角(连杆PQ 与OP 的锐夹角);ω－角速度;P －滑块;x －滑块的位移;a －滑块的加速度。

三、 数学模型

取O 点为坐标原点，OP 方向为x 轴正方向，P 在x 轴上的坐标为x ，那么可用x 表示滑块的位移。利用三角关系，立即得到

θθ222sin cos r l r x -+= （1.1）

由于t ωθ= ，故有

θ

ωθθd dx dt d d dx dt dx == （1.2） 而

θ

θ

θθθ2222sin cos sin sin r l r r d dx --

-= （1.3） 于是滑块的速度

⎪⎪⎭

⎫

⎝

⎛-+-=θθ

ω222sin cos 1sin r l r r v （1.4） 进而，可以得到滑块的加速度为

⎥⎥

⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎣⎡-++-===

232224

222)sin ()sin )2cos((cos θθθθωθ

ωr l r l r r d dv dt dv a （1.5） 同样，基于关系式

θβsin sin r l = （1.6）

我们有摆角的表达式

⎪⎭

⎫ ⎝⎛=θβsin arcsin l r

（1.7）

式（1.6）对t 求导， θωθθββcos cos cos r dt

d r dt d l == 可得

β

θ

ωβcos cos l r dt d = （1.8） 由此再得

⎪⎪⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛

--=βββθβθωωβ2

22

cos sin cos cos sin dt d l r dt d （1.9） 利用（1.6），不难由上两式导出

θ

θωβ222sin cos r l r dt d -= （1.10） 和

2

3

22222222)sin ()(sin θθωβr l r l r dt

d ---= （1.11） 至此，我们得到了滑块位移x 和连杆摆角β运动规律中有关变量依赖θ的表达式。

四、 数值积分方法

将位移的表达式（1.1）改写为

21

222

)sin 1(cos θθl

r l r x -+=

一般而言，22

l

r 是远比1小的数，于是利用

1,1)1(<++=+εαεεα （1.12）

得到滑块位移的近似模型为

θθ22

1sin 2cos l

r l r x -+= （1.13）

从而有相应的近似速度

⎪

⎭

⎫

⎝⎛--=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛--===)2sin(2sin )2sin(2sin 2

111θθωθθωθθl r r l r r dt d d dx dt dx v （1.14）

和近似加速度

⎪⎭

⎫

⎝⎛+-==

)2cos(cos 211θθωl r r dt dv a （1.15） 这里的速度1v 和加速度1a 是直接对近似位移模型1x 求导得来的，而不是对v 和a

的精确表达式（1.4）和（1.5）的近似。当然我们也可以直接从滑块速度的解析式（1.4）进行近似。仍利用公式（1.12）有

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+≈⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-=--

θθθ2

222

1

2

22

2

22sin 211sin 11sin 1

l r l l r l r l 把上式代入（1.4），就得到滑块速度的近似模型

⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛++-=⎥⎦⎤⎢⎣

⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=32

32

2224)2sin(sin 2)2sin(sin sin 21cos 1sin l r l r r l r l r r v θθθθωθθθω （1.16） 从（1.16）出发，又可得近似加速度

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+++-=3

223224)2cos(sin 2)2((sin )2cos(cos l r l r r a θθθθθω （1.17） 对摆角β可以利用幂级数展开的Maclaurin 公式

1,6

arcsin 3

<++

=εεεε （1.18）

得到摆角的近似模型。粗略一些，可以取

θβsin 1l

r

= （1.19）

（当l

r 较小时可用此式）。而必要时可以取

θθβ333

2sin 6sin l

r l r += （1.20）

相应的近似角速度为

θωβcos 1l

r

dt d = （1.21） 或

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=θθθωβcos sin 2cos 2

332l r l r dt d （1.22）