曲柄滑块原理范文（精选7篇）

曲柄滑块原理 第1篇

1 多功能可发电健身器材的整体构造与工作原理

1.1 运动机构整体构造如图1

1.扶手;2.导轨;3.台阶;4.踏板;5.踏板杆;6.传动装置 (链传动) ;7.电力装置 (发电机) ;8.曲柄;9.支架;10.蓄电池

1.2 工作原理

如图1所示, 导轨与水平面成30度角。当人踩台阶时, 通过曲柄将人体左右脚的交替上升下降运动转化成圆周运动从而带动大链轮转动, 大链轮通过链条带动小链轮转动, 小链轮通过联轴器带动发电机转动发电, 从而实现了将人体模拟登山的动作转换为了电机的转动, 将人体模拟登山时消耗的部分能量转化为了电能。同理当人踩脚踏板跑时, 将跑步是消耗的部分能量转化为电能。

2 曲柄滑块机构的尺寸设计

如图1杆5的设计尺寸为1000mm, 曲柄8的设计尺寸为200mm。在设计好杆件尺寸和安装位置后, 我们用Proe对踏板4的轨迹进行模拟仿真, 很据在Proe软件所建立的WCS坐标下的坐标变化用Matlab分别对x轴z轴随时间变化的图像进行函数拟合,

X坐标函数为:

Z坐标函数为:

3 发电功率校核

从能量角度分析, 运动器械是把人体运动过程中肌肉产生的部分能量, 以及运动中按周期交替变换的重力势能转化为电能。因此我们在校核产电功率时, 首先应该遵守能量守恒定律, 我们校核的思路如下:

器械整个工作过程的平衡方程式:

人在运动器械上运动时, 做工的力分为重力和肌肉运动发的力, 为了精确计算实际的做工功率, 我们将重力以及肌肉发的力F设为1000N, 方向竖直向下。因此人体做功功率为P=Fsin30°v, 用Proe进行模拟仿真的台阶速度

由于我们进行仿真时所加的力的周期与实际人体运动时发力周期不一致, 因此模拟出的速度要比实际小, 但实际上发电机本身也阻碍人体运动, 也消耗电能, 因此综合考虑实际的平均发电功率应该在1000W左右。

4 创新点及推广应用

4.1 产品创新点

1) 我们设计的多功能健身器材充分利用了曲柄滑块原理。

2) 兼具运动与产电两大功能, 整合了跑步与登山两大流行运动项目。

3) 与公园现有普通健身器材相比, 更具趣味性, 更具吸引力。

4.2 推广应用

从经济效益方面考虑, 我们设计的多功能健身器材适合于普通公园、学校操场等集中运动场所, 应用面十分广泛。

从器材锻炼功能发面考虑, 我们设计的多功能健身器材适合于爱好跑步、登山等运动方式同时节能减排意识十分强烈的群众。

摘要：随着煤炭、石油等资源的日益减少, 居民生活用电的不断提高, 人们的节约用电意识不断增强, 节约用电已从工业方面逐渐转向人们的日常生活。伴随着城镇化的不断加快, 人们锻炼活动的空间越来越小, 锻炼方式也趋向于统一, 加快建设公共锻炼场所迫在眉睫。我们平时锻炼产生的能量很大一部分被白白浪费掉了, 因此基于曲柄滑块原理设计一款集登山与跑步于一体的多功能可发电健身器材是有显著意义的。

关键词：运动损耗,跑步登山,曲柄滑块原理,发电功率

参考文献

[1]谢进.机械原理[M].2版.高等教育出版社.2010.2013.

[2]王继华.建设工程定额与概预算[M].中国铁道出版社, 1993.[3邢启恩.Solid Works 2007装配体设计与精粹[M].机械工业出版社, 2006.

[4]苏金明.编.Matlab 6.1实用指南 (上册) [M].电子工业出版社.

曲柄滑块机构的运动分析 第2篇

在学习曲柄摇杆机构时我们知道:当曲柄匀速转动时, 摇杆往复摆动并存在急回特性。从图中不难看出, 连杆与曲柄的二次共线位置是同一条直线, 滑块在两倍于曲柄长度的范围内作往复直线运动, 故不存在急回特性。下面来分析一下当曲柄匀速转动时滑块的运动情况。

1 数学分析

设曲柄的长度为R, 连杆的长度为L, 曲柄的角速度为ω。滑块作直线运动, 设其运动方程为X=S=f (t) , t为运动时间, 故知:曲柄转过的角度为α=ωt, (以水平线为参考点) , 以A为坐标原点, 也即参考点, 可知:X=f (t) =AD+DC=Rcosα+Lcosβ (1) 。

在二项式展开 (2) 中, 我们只取了前两项, 以便分析, 若再多取几项可以得到多个谐振动叠加的运动方程, 只不过高阶谐振动的振幅成幂指数减小, 而频率成幂指数增加, 对其影响很小, 所以滑块的运动是一个多级谐振动叠加的谐振动。

2 求其速度与加速度并绘制其曲线

数学方程 (5) 既是滑块运动的位移方程, 对 (5) 式求导得其速度为:

由曲线图 (2) 、 (3) 、 (4) 可以看出:曲柄在从0度到90度和270度到360度的过程中, 滑块所移动的位移越过中点, 即移动位移大于R, 所以滑块的加速度绝对值大, 滑块移动的速度快曲柄在从90度到180度和180度到270度的过程中, 滑块所移动的位移不越过中点, 即移动位移小于R, 所以滑块的加速度绝对值小, 滑块移动的速度较慢。滑块的这一运动特点在实际中得到广泛应用:如汽车的活塞连杆机构, 活塞在做功行程中, 活塞在气缸行程上半部时所受燃烧气体的压力大, 加速度大, 移动速度快;越过气缸行程中点后, 受燃烧气体的压力小, 加速度小, 移动速度较慢, 这样, 使得活塞可以推动曲轴匀速转动, 使汽车运行平稳。

3 结论

通过对滑块的运动进行数学分析可知:在曲柄滑块机构中, 当曲柄匀速转动时, 滑块的运动是一个多级谐振动叠加的谐振动。通过绘制位移、速度、加速度曲线图并对曲线进行分析, 掌握了曲柄滑块机构中滑块的运动特性和规律, 为在实际工作中的应用提供理论依据。

摘要：曲柄滑块机构是曲线运动与直线运动之间的运动相互转换的机构, 在日常生活中的应用很多, 如汽车的活塞连杆机构。本文的分析是了解当曲柄匀速转动时滑块是一种什么运动, 掌握滑块的运动特点。

关键词：曲柄滑块,运动,分析

参考文献

曲柄滑块原理 第3篇

压力机是冲床生产中最基本和应用最广泛的一种设备, 以曲柄滑块机构作为工作机构。

利用传动系统把电动机的能量和运动传递给工作机构, 通过滑块对模具施加压力, 从而使毛坯产生塑性变形, 可以完成板料的冲裁弯曲、浅拉深和成型等工序, 即将曲柄的转动转化为滑块在直线上的往复运动, 使滑块沿机身导轨上下往复运动, 并直接承受上模传来的工艺反力, 从而完成冲压过程。

2 曲柄滑块机构的运动规律分析和许用负荷曲线

2.1 曲柄滑块机构的运动规律分析

根据滑块与连杆的连结点B的运动轨迹是否位于曲柄旋转中心O和连结点B的连线上, 将曲柄滑块机构分为结点正置, 如图1 (a) 所示, 以及结点偏置两种, 结点偏置又有正偏置和负偏置之分。当结点B的运动轨迹偏离OB连线位于曲柄上行侧时, 称为结点正偏置, 如图1 (b) 所示;当结点B的运动轨迹偏离OB连线位于曲柄下行侧时, 称为结点负偏置, 如图1 (c) 所示。它们的受力状态和运动特性是有差异的, 结点偏置机构主要用于改善压力机的受力状态和运动特性, 从而适应工艺要求。例如, 负偏置机构, 滑块有急回特性, 其工作行程速度较小, 回程速度较大, 有利于冷挤压工艺, 常在冷挤压机中采用。正偏置机构, 滑块有急进特性, 常在平锻机中采用。下面讨论常见的结点正置的曲柄滑块机构的运动规律。

当曲柄以角速度ω等速转动时, 滑块的位移s、速度υ、加速度a是随曲柄转角α的变化而改变的。由图2所示的几何关系, 可得滑块位移s与曲柄转角α之间的关系:

将式 (2-1) 代入式 (2-2) , 经整理得:

对于通用压力机, R/L一般在0.1~0.2范围内, 这时式 (2-3) 中根号部分可作如下近似:

所以, 式 (2-3) 变为:

式中:S滑块位移, 从下止点算起, 向上方向为正;ω曲柄转角, 从下止点算起, 与曲柄旋转方向相反为正, 以下相同;R曲柄半径;L连杆长度 (当连杆长度可调时, 取最短时数值) 。

将式 (2-4) 对时间求导, 可得滑块的速度公式为:

式中:υ滑块速度, 向下方向为正;ω曲柄角速度, ω=2πn/60, 弧度s-1;n曲柄转速, 即滑块行程次数, 次/min;L连杆长度 (当连杆长度可调时, 取最短时数值) ;其余符号同式 (2-4) 。

将式 (2-5) 对时间再次求导, 可得滑块的加速度公式为:

式中:a滑块加速度, 向下方向为正, m/s2, 负号是因为坐标的关系而加上的。其余符号同式 (2-4) 和式 (2-5) 。

由式 (2-4) 、 (2-5) 及 (2-6) 可得出曲柄滑块机构的运动线图。如图3所示。图中表明滑块在上止点和下止点时, 速度为零;滑块在行程中点时, 速度最大;近似取α=90.和α=270.的滑块速度作为最大值。由式 (2-5) 可得:

ωmax=±ωR=±2πnR/60=±πnS/60 (2-7)

上式表明滑块最大速度等于连杆与曲柄连接点的线速度, 并与滑块行程次数和滑块行程的乘积成正比。而且滑块的速度与冲压工艺有关。若滑块速度高, 可以提高普通冲裁件的断面质量, 但对拉深工艺就不利, 会引起拉深件的破裂。另外工件材料的不同, 拉深时所允许压力机滑块速度也不同。目前国产通用压力机滑块的最大速度为0.135~0.435m/s。为了提高生产率, 压力机滑块速度有提高的趋势。

2.2 压力机滑块许用负荷曲线

为了使压力机不超载, 规定了曲柄压力机滑块的许用负荷曲线。如图4所示。在使用压力机时要注意曲柄的工作角度, 应使工作压力落在安全区内, 以保证曲柄及齿轮不致造成强烈破坏。

3 常见的压力机曲柄滑块机构的三种驱动形式的特点及应用场合

3.1 曲轴驱动的曲柄滑块机构

特点及使用场合:曲轴式结构可以设计成较大的曲柄半径, 但曲柄半径一般是固定的, 故滑块的行程也不可调节。在工作中, 曲轴既受弯矩又受扭矩, 而且力是不断变化的。所以, 加工技术要求较高, 又由于大型曲轴锻造困难, 因此, 曲轴式的曲柄滑块机构在大型压力机上的应用受到限制。

3.2 曲拐轴驱动的曲柄滑块机构

特点及使用场合:曲拐轴式曲柄滑块机构便于实现调节行程且结构较简单, 但由于曲柄悬伸, 受力情况较差, 因此, 主要在中小型压力机上应用。

3.3 偏心齿轮驱动的曲柄滑块机构

特点及应用场合:偏心齿轮工作时只传递扭矩, 弯矩由心轴承受, 因此偏心齿轮的受力比曲轴简单, 心轴只承受弯矩, 受力情况也比曲轴好, 且刚度较大。此外, 偏心齿轮的铸造比曲轴锻造容易解决, 但总体结构相对复杂些。所以, 偏心齿轮驱动的曲柄滑块机构常用于大中型压力机中。

4 结语

曲柄滑块机构的应用极为广泛, 利用曲柄的连续转动转换成滑块的往复移动。本文分析了曲柄压力机滑块机构的运动规律, 其目的是表明滑块的速度与零件的冲压工艺有关, 滑块的行程反应压力机的工作范围, 滑块的运动对压力机的运动情况有直接的影响。在曲柄压力机不超载条件下, 对滑块使用时的允许承受载荷有一定的限制。由于曲柄滑块机构的结构可以进行演化而得到不同的机构, 从而满足各种工作的需要。

参考文献

[1]王浩钢.冲压与塑压设备.北京:人民邮电出版社, 2008.

[2]张英, 李玉生.机械设计基础.北京:机械工业出版社, 2006.

平衡曲柄滑块机构惯性力的研究 第4篇

1 平面机构惯性力的平衡条件

设机构中活动构件的总质量为m,机构总质心S的加速度为ms,则要使机构作用于机架上的总惯性力F得以平衡,就必须满足F=-mas=0。由于式中m不可能为零,故必须使as为零,即机构总质心S应作匀速直线运动或静止不动。又由于机构中各构件的运动是周期性变化的,故总质心S不可能永远作匀速直线运动。因此,欲使总惯性力F=0,只有设法使总质心S静止不动。

在曲柄滑块机构中,可通过在构件中添加平衡质量的方法来完全平衡其惯性力。用来确定平衡质量的方法有质量替代法、主导向量法和线性独立向量法等,这里仅研究质量替代法。采用质量替代法,即是指将构件的质量简化成几个集中质量,并使它们所产生的力学效应与原构件所产生的力学效应完全相同。设一构件的质量为m,若以n个集中质量m1,m2,,mn,来替代,替代点的坐标为(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn),则为使替代前后的力学效应完全相同,必须满足下列条件:

(1)所有替代质量之和与原构件质量相等;即:

(2)所有替代质量的总质心与原构件的质心重合;即:

满足两个条件,则替代质量产生的总惯性力与元构件的总惯性力相同,这种替代称为质量静替代。质量静替代后,替代质量的动能之和与原构件的动能不相等。

2 曲柄滑块机构的滑块运动规律

2.1 滑块的行程和曲柄转角的关系

图1是曲柄、连杆和滑块的运动简图。图中O点为曲轴的旋转中心,A点为连杆与曲轴的连接点,B点为连杆与滑块的连接点,B1点和B2点分别代表滑块的上死点和下死点。

曲柄压力机滑块是在接近行程下死点的一段区间工作,因此,在研究滑块运动规律时,取滑块行程的下死点B2为行程的起点,滑块从B2点到B点为滑块行程S。曲柄转角由A0点算起,相应顺时针方向(和实际转动方向相反)转到A点时,曲柄转角为α。

如图所示,当曲柄机构处于位置时,滑块的行程

上式(2)表示S与α之间的精确的数学关系,但运算很复杂。为简化计算,将(2)式中的根式展开,得

因为曲柄压力机的λ值一般不超过0.2,所以当α=90°、sinα=1时,根式的最大值:

可见,取级数前两项,对实际计算足够精确了,因此,式2可简化为:

对于一定的曲柄压力机,曲柄半径和连杆系数是已知的,根据式(3)即可绘制出滑块行程与转角关系的行程曲线。

2.2 滑块的速度和曲柄转角的关系

将式(3)对时间进行微分,即可求出滑块的速度。

同理,对于一定的曲柄压力机,根据式(4)即可绘制出曲柄在一定转速下滑块速度与转角关系的速度曲线。

2.3 滑块的加速度和曲柄转角的关系

对式(4)进行微分,即可求出滑块在行程中任一点的加速度。

由式(5)可看出,曲柄滑块机构在运转过程中产生的惯性力与转速的平方成正比,若曲柄转角的角速度ω高(高速曲柄压力机),滑块的加速度α很大,运动的惯性力必需考虑。

3 主要的平衡方法

机构动力平衡的目的就是要消除或减小机构的惯性作用,而机构各构件自身的惯性作用是由其质量和运动产生的,其本身不能自行消除。因此,必须在机构上附加其它能产生惯性作用的元件,以抵消原机构的惯性作用,从而使整个机构达到新的惯性平衡,这就是机构动力平衡的主要思想并由此产生了各种平衡方法:加平衡质量法和对称布置法。

3.1 加平衡质量法

利用平衡重平衡,即在机构某些构件上加一定的配重,使之产生与原构件惯性作用相反的惯性,从而达到整体惯性平衡,对于机构惯性力的平衡。配重法是最为简单而有效的方法。

3.1.1 机构惯性力的完全平衡

如图3所示,曲柄滑块机构由曲柄1、连杆2、滑块3和机架4组成。首先对曲柄1和连杆2的质量(m1、m2)和质心(S1、S2)进行质量静代替,然后得到位于A,B,C三点的集中质量mA,mB,mC;然后在构件2上的延长线上D点加平衡质量mD,使mD和mC的总质心移至B点;最后在构件1的延长线上E点处加平衡质量mE,使机构的总质心移至固定点A。这样,整个机构的惯性力达到完全平衡。

3.1.2 机构惯性力的部分平衡

生产实践中,在机械中的某些构件上加平衡质量是平衡惯性力的常用方法。但是机构惯性力的完全平衡对于有些机构是很难实现的。而且对有些机构,即使理论上可以实现完全平衡,由于应加的平衡量过大,带来许多问题而不宜采用完全平衡法。在机构设计中也常碰到加平衡质量后效果并不理想的情况。如图3所示,同时在D点、E点处加平衡质量可使机构完全平衡,但因在D处加平衡质量存在结构上的困难,且所加的总平衡质量太大,故一般不用这种方法。通常采用的方法是在E点处加平衡质量,这样只能平衡滑块一阶惯性力的一部分。

对于图4所示的曲柄滑块机构,用质量静替代可得到两个可动的替代质量mB和mC。质量mB所产生的惯性力,只需在曲柄1的延长线上E点处加一平衡质量mE1即可完全被平衡。质量mC作往复移动,由机构的运动分析可得到C点的加速度的方程式,用级数法展开,并取前两项得

故mC所产生的往复惯性力为

式(6)中右边第一项称为第一阶惯性力,第二项称为第二阶惯性力。舍去较小的二阶惯性力,只考虑一阶惯性力,即取

为平衡Fc,可在曲柄延长线上E处再加一平衡质量mE2。mE2所产生的惯性力在x,y方向分别为

比较(7)及(8)式可知:若mE2Re=mcR,则:Fx=-Fc,即Fx可将mc所产生的一阶往复惯性力平衡,但又多出一新的不平衡惯性力Fy,它对机构也会产生不利影响。为减少此不利影响,通常取:

只平衡部分往复惯性力。这样,既可以减小往复惯性力,又使新惯性力不至于太大,这对机械的工作较为有利,且在结构设计上也较为简便。显然,这是一种近似平衡法。

3.2 加平衡机构法对称布置法

3.2.1 完全对称布置法

当机械本身要求多套机构同时工作时,可采用图5所示的加连杆平衡机构利用对称布置方式使惯性力得到完全平衡,由于机构各构件的尺寸和质量完全对称,故在运动过程中其总质心将保持不动。利用对称机构或几套相似机构实现完全或部分平衡。平衡效果好,但整个机构将会非常庞大,仅适用于某些特定场合。

当机械本身要求多套机构同时工作时,可采用图5的完全对称布置方式得到完全平衡。

3.2.2 近似对称布置法

图6冲床平衡装置所示的采用加连杆机构的平衡惯性力的方法,是一种近似对称法。增加了一套尺寸为原机构ABC按比例缩小的平衡机构AB'C',其构件质量按比例增加,这样可使平衡机构的体积缩小。

对曲柄滑块机构进行质量静代替,然后得到位于A,B,C,B',C'五点的集中质量mA,mB,mC,mB',mC'。

通过式(6)可得:mC和mC'所产生的往复惯性力为:

通过式(8)、(9)可得:mB和mB'所产生的往复惯性力为:

从上可以看出,由于平衡机构的产生的惯性力与原机构的惯性力方向相反,只要满足:

即可达到惯性力的完全平衡。

4 结论

曲柄滑块机构在运转过程中产生的惯性力与转速的平方成正比,所以曲柄滑块机构在高速运转中必须考虑惯性力的平衡设计问题。

加平衡质量法理论上可以实现惯性力的完全平衡,可在实际可行结构设计中只能达到部分惯性力的平衡。

加平衡机构法(对称布置法)理论上可以实现惯性力的完全平衡,但机构非常庞大。采用近似对称布置法即可以达到惯性力的完全平衡,有可以简化平衡机构的复杂性,有很强的实用性,同时本文给出了计算方法。

摘要：论述了曲柄滑块机构在高速运转过程中会产生很大惯性力的原因,并提出了部分平衡惯性力和完全平衡惯性力的常见方法。

关键词：曲柄滑块机构,惯性力,加平衡质量法,对称布置法

参考文献

[1]唐锡宽.金德闻.机械动力学[M].北京:高等教育出版社.1984.5.

[2]申永胜.机械原理教程[M].北京:清华大学出版社.1999.8.

偏置曲柄滑块机构的运动仿真与分析 第5篇

曲柄滑块机构是通过曲柄的旋转运动,借助连杆把动力传递到滑块,利用滑块的水平移动实现特定的工作要求。它是一种典型的四杆机构,根据机构的布置特征,可以分为对心机构和偏置机构。主要由低副构成,可以承担较大的载荷,同时制造容易、结构简单、机械强度高,因此在内燃机、冲压机床及其他机械中有广泛的应用。本文利用MATLAB软件中的SimMechanics模块进行系统建模,仿真分析研究典型的偏心曲柄滑块机构的运动特性。

1偏置曲柄滑块机构的建模

1.1 机构的仿真框图

偏置曲柄滑块机构见图1,它由曲柄(杆AB)、连杆(杆BC)以及滑块C组成,机构中各组成部分在SimMechanics工具箱里都有对应的系统框图。选择合适的系统框图建立该机构的机械模型图,如图2所示。其中,Ground模块用来确定机架位置;Joint模块中包含Revolute和Prismatic两种约束,分别代表转动副和移动副;Body模块用来指定刚体的属性,如惯性张量、质心位置及相关的坐标系;Joint Actuator 和Joint Sensor分别指定连接处的驱动和传感器。

1.2 机构尺寸和惯性的确定

机构中杆AB的长度crank_length=400 mm,杆BC的长度rod_length=1 200 mm,滑块的长度l=100 mm。假设以上各杆均为截面直径Φ20 mm的圆杆,在Body模块中,需要输入刚体的惯性张量。根据理论力学的知识,杆件的惯性张量计算公式为:

undefined

。 (1)

其中:m为各杆的质量。

将数据代入式(1),分别可以求出杆AB、BC以及滑块C的惯性张量,并输入系统中。

1.3 偏心距和初始位置的确定

假设机构偏心距为e,在初始状态下,曲柄和连杆位于同一直线上,且与x轴的夹角为θ,B点位置为(B_x, B_y),C点位置为(C_x, C_y),机架最右端位置为(ground_x, ground_y),则编写初始位置M文件如下:

%initial_position.m

e=0;

crank_length=0.4;

rod_length=1.2;

theta=asin(e/(crank_length+rod_length));%计算偏心角

B_x=crank_length*cos(theta);

B_y=-crank_length*sin(theta);%计算C点的坐标

C_x=rod_length*cos(theta);%相对坐标

C_y=-rod_length*sin(theta);

ground_x=(crank_length+rod_length)*cos(theta);

ground_y=-(crank_length+rod_length)*sin(theta);

当改变偏心距时,只需修改e值就可以得到新的初始位置。在执行仿真时,在命令行输入Initial_position,则相关参数由系统自动计算得出。

2运动分析

设偏心距e=0,曲柄以角速度ω=1 rad/s匀速转动,机构的运动周期T=2π/ω≈6.28 s,滑块在一个周期内的运动规律如图3所示。由图3可以看出,滑块的速度变化类似于正弦曲线,加速度变化曲线类似于盆型曲线。当t=0时,曲柄位于初始位置,滑块的位移和速度均为零,加速度为最大值;当t=1.31 s和t=4.92 s时,滑块的速度最大,此时可以计算出曲柄与初始位置夹角分别为75.5°和-78.2°。

图4为不同偏心距下滑块速度随时间的变化规律。由图4可以看出,不同偏心距作用下,滑块运动的速度曲线波形近似相同,但数值上有所区别。当t=1.31 s时,不同偏心距机构中的滑块速度均达到最大值,分别为:ve=0=0.39 m/s,ve=0.15=0.41 m/s,ve=0.3=0.47 m/s. 比较其数值可以发现在曲柄滑块机构中,当偏心距为零时,滑块的速度峰值最小,随着偏心距的增加,速度峰值略有增加。当t=2.21 s时,ve=0=ve=0.15=ve=03,观察曲线,可以看出当偏心距最大时,滑块速度最先降低到零,说明随着偏心距的增加,机构的速度波动变大。

图5为不同偏心距下滑块加速度随时间的变化规律。当e=0,即对心机构时,加速度曲线左右对称,而随着偏心距的增大,逐渐出现了左右不对称的现象,这也说明了机构的冲击增大,速度波动逐渐变大。

3结语

通过本文的分析,得出了偏置曲柄滑块机构中滑块的运动规律,滑块速度规律变化类似于正弦曲线。当偏心距为零时,滑块的最大速度最小,速度波动最小,偏心距越大,机构的冲击越大,速度波动越大。

参考文献

[1]陈杰平,姚智华.基于MATLAB的曲柄滑块机构仿真研究[J].安徽技术师范学院学报,2005(4):31-34.

[2]赵中华,徐新成.结点偏置曲柄滑块机构的运动特征[J].锻压装备与制造技术,2004(3):35-36.

[3]鲁春发,夏德洲.偏心曲柄滑块机构中偏心距对机构传动性能的影响[J].湖北汽车工业学院学报,2003(2):21-23.

曲柄滑块原理 第6篇

1 建立数学模型

以某曲柄滑块机构为例,作如图1所示的曲柄滑块机构简图,演示其节点布置的几种形式。其中O点为曲柄的旋转中心,A点为曲柄和连杆的连接点,B点为连杆和滑块的连接点,节点正置,即连杆的连接点B的运动轨迹位于旋转中心O和连接点B的连线上,如图1a所示。节点偏置分为正偏置和负偏置,正偏置如图1b所示,负偏置如图1c所示。

根据参考文献[5],得出曲柄滑块机构正置时运动特性为:

滑块位移

滑块速度

滑块加速度

由此推导出偏置曲柄滑块机构运动特性为:

滑块位移

滑块速度

滑块加速度

式中:S———滑块位移,从下死点算起,向上为正方向;

V———滑块速度,向下方向为正;

ω———曲柄角速度;

a———滑块加速度,向下方向为正;

α———曲柄转角,从下死点算起,与曲柄旋转方向相反为正;

R———曲柄半径;

λ———连杆系数,,其中L为连杆长度,当L可调时,取最短时数值;

e /R———正偏置时取正值,负偏置时取负值。

2 仿真运动分析

2.1 Solid Works模型的建立

本文根据现有某机床结构建立简化结构。首先对模型进行结构简化,在Solid Works环境下进行三维实体造型,然后通过装配完成机构模型的组装;其次,采用COSMOSMotion插件对其进行仿真分析,输出三种结构的运动特性曲线[6]。通过建模,得到虚拟样机的模型如图2所示。

2.2 运动曲线特征

最后进行仿真和运动曲线输出,如图3、4所示,分别为曲柄滑块机构正置、正偏置和负偏置三种状态下的位移曲线图、速度和加速度曲线图,横坐标为时间,纵坐标为相应的位移、速度和加速度。由此看出,滑块正偏置,接近下死点时,速度较为缓慢,以达到拉伸的作用,回程时速度较快,节约整个工作过程的时间,提高效率;滑块正置时,运动特性曲线为正余弦曲线;滑块负偏置时,运动特性与正偏置相反,回程速度较慢,适合应用在平锻机中[7]]。

3 结论

曲柄滑块机构是压力机中最常见、也是应用最多的结构。节点偏置对滑块的运动特性有一定影响,调整偏置值和杆长,能够改善压力机的受力状态和运动特性,得到满意的运动曲线,对压力机设计具有重要的意义:

(1)建立相应的数学模型,从理论公式计算中可以看出,偏置值和杆长对曲柄滑块机构有一定影响。

(2)运用Solid Works的COSMOSMotion插件对结果进行仿真,模拟出三种机构的运动过程,生成运动曲线并进行比较,分析三种机构分别适用的场合。

(3)在今后的设计中,通过设置合理的偏置值和杆长,优化压力机的运动曲线图,能够满足零件拉伸工艺要求,达到客户需求。

摘要：偏置曲柄滑块机构具有急回特性。本文通过三维软件Solid Works建模,采用COSMOSMotion插件对曲柄滑块机构结点偏置进行仿真分析,通过仿真结果得出其运动规律,根据运动特点选择合适的应用场合。

关键词：机械设计,曲柄滑块机构,偏置机构,运动学,仿真

参考文献

[1]刘永平,王鹏,县喜龙,等.椭圆齿轮偏置曲柄滑块机构的运动特性研究[J].机械设计与制造,2014,(12):37-44.

[2]王增胜,孔令云,郭晓君.基于Simmechanics的偏置曲柄滑块机构运动学建模及仿真研究[J].现代机械,2013,(5):19-22.

[3]杨程,刘晓平,章建军.基于Pro E的曲柄滑块机构运动仿真[J].机械工程师,2008,(9):92-93.

[4]赵中华,徐新成.结点偏置曲柄滑块机构的运动特征[J].锻压装备与制造技术,2004,39(3):35-36.

[5]何德誉.曲柄压力机[M].北京:机械工业出版社,1987.

[6]牛瑞霞,詹俊勇,仲太生.基于Solid Works运动仿真的多连杆压力机优化设计[J].锻压装备与制造技术,2015,50(5):17-19.

曲柄滑块原理 第7篇

曲柄滑块机构理论模型应用于许多机械中,例如,废旧电池切割机械、矿石粉碎机械等,如何得到这些现有机械中曲柄滑块机构理论模型的运动特性,以及如何研究机构中各连杆的内部应力应变情况,以便设计出合理的结构,这些问题需要作进一步解答。

MATLAB运动仿真运用的目的在于通过其强大的矩阵计算功能、简单易操作的编程语言和可视化功能来表达机构的运动特性,即将机构运动参数的变化情况最终通过可视化的图像表达出来,实现图形仿真,从而对机构做进一步的研究。

运用MATLAB运动仿真具有重要意义,其一,MATLAB的计算单元为矩阵,其强大的计算功能可以实现机构的定量分析;其二,简易的编程语言在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C语言),可以大大提高研究工作的效率;其三,可视化功能可透过机构运动的表面现象实质性地将机构的运动参数表现在具体的图像中,实现由表及里地对机构进行研究分析。

本文基于MATLAB技术没有选定某一具体机械中的曲柄滑块机构进行研究,原因在于本文试图通过曲柄滑块机构这一理论模型的普遍性角度去研究,当然这也是本文的不足之处,从而导致在解决实际问题时的具体模拟分析时出现偏差。

1 MATLAB运动仿真技术发展现状

自20世纪90年代MATLAB1.0问世至今,发展到MATLAB2012a,其数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能都有很大改善,因此成为各工程学科领域的必备研究工具。在国外MATLAB的使用也成为理工科学生的一项必备技能。目前,在工业技术和计算机技术较发达的欧美国家,尤其在美国,MATLAB运动仿真技术比较成熟,主要表现在:

(1)MATLAB运动仿真核心技术的掌握与运用;

(2)MATLAB运动仿真与相关学科理论两者结合运用得较好。

随着MATLAB工具功能的不断强大,国外的MATLAB运动仿真技术将走向理论多元化道路。国内的MATLAB运动仿真技术较晚,主要原因在于国内接触MATLAB软件工具较晚,具体原因是当时的大中型电脑还不普及。国内MATLAB核心技术的日趋成熟,也能够完成较复杂机构的运动仿真,但与国外相比,国内的MATLAB运动仿真技术开发力度还不够强。在学习借鉴国外经验和自我研习的基础上,国内MATLAB运动仿真技术将努力赶超国外先进技术,并创新地应用于实际问题中。

2 曲柄滑块机构的运动学分析

曲柄滑块机构运动分析包括连杆和滑块的位移、速度和加速度分析,两者的运动分析均以其理想几何中心为质点进行研究。

2.1 曲柄滑块机构运动学矢量方程的建立

曲柄滑块机构是由平面四连杆机构演化而来,具体是平面四连杆机构中的摇杆CD做成滑块形式,使其沿圆弧导轨C′CC″往复滑动,如图1。所以首先研究曲柄存在的条件,用以确定机构的有效尺寸,为下面的分析做铺垫。

2.1.1 平面四杆机构曲柄存在的条件

平面四杆机构有曲柄的前提条件是其运动副中必有周转副存在,即曲柄能够绕其一端点做回转运动。

如图1所示,在连架杆l1长度小于机架l4长度的条件下,杆l1要整周转动,就要通过位置B′,这就必须使:

l1+l4l2+l3

l1+l3l2+l4

l1+l2l3+l4

将上述三式分别两两相加,则得:

l1l2,l1l3,l1l4,即l1为最短杆之一。分析上述各式,可得出转动副A为周转副的条件是:

(1)最短杆长度+最长杆长度其余两杆长度之和,即杆长条件;

(2)组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆,即连架杆之一条件。

2.1.2 曲柄滑块机构运动学分析的数学模型

如图2所示,在曲柄滑块机构中,已知各构件的尺寸及原动件1的方位角θ1和匀角速度ω1,便可对连杆和滑块的运动情况进行分析。根据前面对平面连杆机构曲柄存在条件的分析结论,本文中对曲柄滑块机构做出如下假设:

(1)曲柄1为原动件,以匀角速度ω1=10 rad/s逆时针旋转;

(2)曲柄和连杆的长度分别为lAB=100 mm,lBC=300 mm。

以此为参数对滑块和连杆进行运动分析。如图2所示,建立直角坐标系,将各构件表示为各杆矢量,并将各杆矢量用指数形式的复数表示。具体建模如下:

(1)位移分析。

如图2所示,由封闭图形ABCA可写出机构各杆矢量所构成的封闭矢量方程为:

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其复数形式表示为:

l1eiθ1+l2eiθ2=sc

将上式的实部和虚部分离,得:

由上式得:

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(2)速度分析。

速度可由位移对时间求一次导数得到,故将式(1)对时间求一次导数,得速度关系:

il1ω1eiθ1+il2ω2eiθ2=vc

将上式的实部和虚部分离,得:

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若用矩阵形式来表示,则上式可写为:

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解上式即可求得角加速度和线加速度。

2.2 曲柄滑块机构的MATLAB运动学分析

2.2.1 MATLAB程序设计

曲柄滑块机构MATLAB程序由主程序slider-crank-main和子函数slider-crank两部分组成。

2.2.2 MATLAB运动仿真结果

由程序运行出的结果如图3所示:

3 结果分析

(1)由位移曲线图可以看出,连杆的角位移和滑块的位移与曲柄转角呈周期性变化,变化比较均匀,而且两个位移变化情况相同,原因在于连杆和滑块刚性连接成为一体,但两者相差半个相位。其中,连杆位移随曲柄转角呈正弦变化,而滑块位移随曲柄转角呈余弦变化,这与实际观察到的曲柄滑块机构运动情况相符。初始条件下,连杆的角位移为0°,滑块的位移为400 mm,滑块处在最远位置。

(2)由速度曲线图可以看出,连杆的角速度和滑块的速度均与曲柄转角呈周期性变化,但相差半个周期。虽然连杆的角速度和滑块的速度都随曲柄转角变化比较均匀,但两者变化情况有所差别,其中,连杆随曲柄转角呈余弦变化,这是由位移对时间求一阶导数所得的结果,而滑块呈现类似于锯齿形的柔性变化,最大速度也低于连杆的最大速度。

(3)由加速度曲线图可以看出,连杆的角加速度和滑块的加速度变化情况区别较大。连杆角加速度随曲柄转角呈正弦变化,这是连杆角速度对时间求一阶导数的结果,而滑块加速度虽也随曲柄转角呈周期性变化,却不是正余弦曲线变化,在滑块运动至其平衡点附近,其加速度变化幅度较小,其余位置变化幅度较大,在实际中可利用这一结论避免不必要的冲击。

(4)综合位移、速度和加速度曲线图分析可知,对心式曲柄滑块机构当曲柄为原动件时无急回特性,也无死点,另外,由于连杆的作用,滑块的速度和加速度曲线图已不是随曲柄转角呈正余弦变化;滑块的运动情况是由机构中构件的尺寸和曲柄运动的初始条件决定的。

参考文献

[1]申永胜.机械原理教程[M].2版.北京:清华大学出版社,2005.

[2]丁玉峰.MATLAB从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2011.

[3]郭仁生.机械工程分析和MATLAB应用[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4]郑阿奇,曹弋.MATLAB实用教程[M].3版.北京:电子工业出版社,2012.

[5]Stephen J.Chapman[美].MATLAB编程[M].4版.北京:科学出版社,2011.