导柱设计——曲柄连杆机构设计
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摘 要摘要:曲柄连杆是若干构件用低副连接成的机构。曲柄连杆机构中的构件大都可以表示为杆状,故亦称其为杆.由于低副是圆柱面或平面接触,使得平面连杆机构具有制造容易、运动副中压强和磨损较小、便于润滑等优点,因此平面连杆机构广泛用于天各种机械及仪器中。但是,这种机构运动副磨损后会形成间隙,当构件数目较多时,会使从动件产生较大的运动累积误差,不容易精确地实现复杂的运动规律。关键词: 曲柄 连杆。AbstractCrank connecting bar is a mechanism that severial mechanical components are connected by low counter gear. The mechanical components of crank connecting bar can normally be expressed as rodlike forms, so we can also called it “bar”. Due to low counter gear indicats a cylindrical surface contact or a plane surface contact,planar linkage mechanisms has a numbers of advantages such as easy manufacture, relatively small pressure and abrasion of kinematic pair, and easier lubrication, so which has been widely used in various machinery and apparatus. However, a gap will be formed after this kind of mechanism of kinermatic pair is fretted away. Followers will lead to accumulated error of movement when there is a relative large number of mechanical components, so which is not easy to precisely realize the complicated law of motion.Key words: crank connecting bar译文滑动块转动曲柄机构的设计 第一部分:多阶段动作产生摘要设计滑动块曲柄机构到完成多阶段运动产生应用代表性地完成可通过可调节的平面的四杆运动加速器,这一方法是被提出来了的。这个方法的好处有两点:第一,多阶段的规定刚体位置是可完成的利用一个机构同较少数活动部分,它用的活动部分比那平面的四杆机构要少。第二,在这阶段滑动块曲柄运动加速器可以完成阶段的规定刚体位置不需任何人工的或自动调整的它的运动副。一滑块路径启动曲柄运动加速器到完成刚体位置的二阶段是设计者利用第7项命令多项式去联接那那可调节的平面四杆运动产生器推杆连接的运动副。这个多项式产生平滑平稳径向位移、速度、加速度和带有转角轮廓的边界条件,这些是可以被呈现的。在本研究中例子问题是考虑一个二阶段的运动副转动平面四杆的机构装置的调整。 2004 Elsevier 公司版权所有。1.介绍平面的四连杆机构广泛的被被用于机械系统和装置。由于平面四杆机构的平面运动学,平面的类型和连接轴方向,它可以是实际的设计并且实现这些机构(与大部分四杆空间机构相比较)。 除此之外, 平面的四连杆机构有一广范系列的图解式和解析设计和分析方法。机构分析中产生的问题要求一个刚体是通过一系列规定位置而被控制的.图.1显示了四连杆机构可用于生产这个运动通过制造那刚体作为它的耦合器连接的一部分。图.2显示了一部装配机器的三个位置的运动产生.理想耦合器的运动只能由个别的离散的精确位置近似表示。由于一连接点只有一有限数的有效的尺寸,设计师可以只规定一有限数的精确点。一个四连杆机构可以满足直到五个规定位置由那运动产生问题。然而,一个可调节的四连杆机构可以满足超过五个给定的位置用这一样的硬件。一四杆机构的运动副可以用二种不同的方法来调整:可调曲柄推杆长度(图.3)和安装曲柄推杆联杆调整(图.4)。那可调节的传动机构可以供应解决一般平面运动(图.5)两个阶段的方法。 如果在调整之后,一四连杆机构在第一阶段是被设计能达到达位置1,2和3,同相地、这同样的接合在第二阶段可以到达三个新的位置4,5和6。两个阶段的运动可以利用一样部件通过校准一个或多个接合叁数来完成,接合可以在这些位置精确地产生运动并且近似表示在其他的位置的运动。连接器的真实运动是精密位置被用愈较多,对理想的运动也愈靠近。 图.1 平面四杆机构 图.2 平面四杆卸栽机构 图.3 可调节长度的曲柄机构 图.4 固定长度的曲柄机构关于运动的产生在可调节的传动机构的区域内,在已出版的作品里1-19 略微被限制。上述的工作包括包括 Ahmad和 Waldron的工作1,他们发展一方法关于综合处理一四连杆机构同可调传动装置安装。他们解决二个阶段的问题用一最大量总数的五个位置。Tao和Krishnamoorthy2发明了绘图的合成程序用尖头产生可变耦合器弯曲。图.5 规定刚体位置的两阶段Mcgovern和Sandor 3,4提出了综合处理可调节的机构的功能和路径生成利用合成物耦合器的方法。Funabashietal.介绍一般方法到设计平面,球体和空间机构哪个可以校准的调整输入/输出关系。Shoup设计可调节的存在于空间的滑动块曲柄机构被当作可变的换置使用泵。 Cheun-chom 和 Kota7介绍了一般的方法关于合成可调节的机构利用可调节的二数。Wilhelm呈现了为可调节的四杆机构的二相运动产生问题的合成方法。Wangand Sodhi9 呈现了解决为那在每二时期中的二个阶段的恰当的移动铰链的三个位置的问题。Russell和Sodhi10,11 最近有耐心的介绍这些方法为综合处理可调节的空间的机构对于多阶段运动产生,空间的RRSS机构可以是综合处理到完成阶段的规定精确的刚体位置。最近Chang12 呈现了可调整四杆机构用指定的切线速度产生圆形的弧。如果存在过任何性能有关限制到那可调节的平面的四杆机构, 人工控制或自动控制是被要求完成所有的规定阶段在多阶段的申请。人工控制可能是耗费时间的尤其是如果那调整过程处于被涉及到的收上位置及机件控制被经常地运用。实现自动化调整能力可能使机制不实用从财务的立场来说-尤其当操作和维护开支被考虑的时候。对于一可调节的平面的四杆运动加速器它包含移动副和连接长度一起控制推杆连接而曲柄连接只能用移动副控制,一等效的滑动块曲柄运动加速器可以被设计成能完成多阶段的规定刚体的位置。这种方法的好处是规定刚体位置的多个阶段是可利用一机构与较少数活动件就能实现的,它与那平面的四连杆机构和那滑动块曲柄运动加速器相比较只用少数活动件就可以完成阶段的规定刚体位置而不需要任何实际的或自动操作控制的它的移动副在这些阶段中。在这个一工作中,一种方法设计偏置曲柄运动加速器实现一般地多阶段运动产生点样可利用可调节的平面的四杆运动加速器来完成是已经被提出来了的。一滑块路径启动曲柄运动加速器到完成刚体位置的二阶段是设计者利用第7项命令多项式去连接那那可调节的平面四杆运动产生器推杆连接的移动副。推杆连接的移动副的径向位移、速度、加速度和参数也被规定利用这个多项式的界限条件的情况2.刚体规则和多阶段运动链锁反应存在于这个工作中的滑块曲柄运动加速器设计法可适应事实上任何多阶段运动链锁反应可利用的方法,那方法含有移动副的控制与安装和可分别地调整曲柄和推杆长度。作者10,11发展了他们整个运动阶段链锁反应在这一个研究中被利用的方法。那平面的四杆运动加速器在图图.6是图解说明了的。在本研究中、连线a0-a1的是表示曲柄而连线b0-b1表示摇杆。平面的四连杆机构的杆a0-a1和杆b0-b1必须满足那固定长条件因为它的安装和移动副的连接轴要保持平行。给一固定支点b0和一移动的铰链b1它们的长度条件等价于公式(1)当用合成法合成平面的四连杆机构的曲柄和从动件时20,21必须被满足。等式(1)可以被重新写成等式(3)。在等式(3)里,变量R表示曲柄或从动件连杆的长度。这一个工作的一个目的是设计一个等效的滑动块-曲柄运动加速器作为一可调节的平面的四杆运动机构。虽然平面的四连杆机构中的曲柄和从动件连杆两者的运动铰链是可调整的,但只有动件连杆的长度可被调整(非那曲柄连杆)。 通过做这些,这个等效滑动块曲柄运动机构是被设计成将会有一个固定曲柄连杆长度和一滑动块路径这就相当于从动件连杆的调解。 图.6 平面四杆运动加速器及它刚体上的p、q、r点 (3)方程(2)是一刚体位移矩阵,它是存在于空间的刚体位移矩阵20,21的矩阵与逆矩阵之乘积。为一刚体在适当的位置“i”和那之后的位置“j”制定坐标,矩阵 Dij是一个变换矩阵要求变换坐标从位置“i”到位置“j”变量 p,q和r在等式方程(2)中表示那刚体在二维空间的位置。虽然这一位置的二维空间位置是通常被描述为单个点和一位移角(例如: p和 ),作家选择描述刚体使用三个点作为计算的目的。如果用户喜欢描述那刚体利用传统的的标记,这个位移矩阵在方程等式(2)将被替换为简单的平面刚体位移矩阵20,21。因为有四个变量(b0x、b0y、b1x,and b1y),一个五个刚体位置的最大值可以被确定,不需要任意的选择一参数作为其中的一阶段(看表1)。点p、q和r 将不会全部的落在各刚体位置的同一直性上.拿这个预防措施防止那些在刚体位移矩阵(方程等式(2)中的排变成成比例项的。有比例项的排,这些矩阵不能被倒置的。在表1里、给出了为可调节的平面的四杆运动机构规定的刚体位置的最大极限数目转动曲柄和从动件连杆的固定和移动的铰链的数目确定了刚体位置的最大极限数目。 这个例子问题在这个工作中,一个等效滑动块曲柄是被设计成能完成一二相移动铰链控制请求为一可调节的平面的四杆运动加速器。在这二相中,可调整的移动铰链例子的问题在这一个工作中,需要的未知数是 a0,a1,a1n,b0,b1和b1n,未知数a0 和 b0表示平面的四杆机构繁荣固定支点。未知数a1,a1n,b1和b1n表示那移动铰链在平面四杆机构中的1阶段和阶段。由于这些未知数的中间每一个有二组成物,则总共由12个变量来确定。表1 可调的平面四杆机构的规定刚体位置和各阶段的变化方程等式 (4)-(8), 是用来计算六个未知者中的五个在a0, a1和a1n 。这个变量a0x 和连杆长度R是确定了的。方程等式 (9)-(13), 是用来计算六个未知者中的五个在b0, b1和b1n 。这个变量b0x 和连杆长度R1和R2是确定了的。3.轨道链锁反应级在前一单元描述了那多阶段运动链锁反应级方法之后,用户可以用合成法合成一个平面的四杆运动加速器和确定移动副的路径。这个从动件连杆的运动副的轨道必须以一种方式被连接的,这种方式以允许平滑的变位速度,加速度和 变换在确定运动副的轨道之间。突然的或不连续的变化将最终导致滑动块转动曲柄机构的过度磨损。这等效滑动块曲柄运动加速器的滑动块路径将由该从动件连杆的运动副的路径和连接他们的轨道组成。在一可调节的四连杆机构的操作期间由于在一个特别的阶段,这转动曲柄和从动件连杆的运动副的半径位置是固定的及这个运动副半径的速度,加速度和转角是零。这同样的适用在可调节的平面的四连杆机构的运动副,固定连杆长度调整的期间 ,当运动副和连杆长度调整被考虑的时候,这运动副的径向位置,速度,加速度和转角进行从这连杆参数在前阶段到这后阶段连杆参数的变化。如果转变曲线的产生是因为这从动件连杆,及这个曲线图是分段的连接到这个从动件的移动副的曲线图上的,这就相当于这个阶段前后的变化, 一个单一的滑动块轨道的形成说明在这些阶段之间的变化(或从动件连杆移动副的调整)。一7次顺序多项式22,23是要求确定这可调整的平面的四杆运动加速器中从动件的运动副的径向位置,速度,加速度和转角在这些阶段的变化。这径向变位,速度,加速度和转角边界条件关于这个多项式是在这一个工作中, R0是从动件连杆在阶段一的长度(连杆b0 - b1)而Rf是从动件连杆在阶段二的长度(连杆b0 -b1n)。这些约束确定了一线性集的八个方程等式与八个数,它们的解答式是4. 例问题带有固定转动曲柄的可调整的平面四杆运动加速器的两个阶段的运动副的调节和从动件从动件长度在这一个断面是被例证了的。在表2里是列出关于七个规定刚体位置的点p, q和r在X Y 座标系中的座标。表2可调整的平面四杆运动加速器规定刚体的位置等式方程(4)-(8)用来计算六个未知者中的五个在a0、a1和a1n中。这可变的a0x和连杆长度R1是确定了的(a0x = 0而R1 = 1)利用下列初始值:这平面的四连杆机构解答表示为 图.7 可调整的平面四杆运动加速器和相应规定刚体位置 图.8 用合成法合成可调整的平面的四杆运动加速器的运动副的轨迹等式方程.(9)-(13)是用来计算在 b 0 , b 1 和 b 1n 中六个未知数中的五个。这可变的b0x和连接长度R1而R2是确定了的(b0x = 1.5、R1 = 1.5、R2 = 1.3)。利用下列初始估计:这平面的四连杆机构解答表示为:利用这已计算了的值和运动副的参数,可调整的平面四杆机构运动加速器的结果在图.7里被说明.在本研究中一等效滑动块曲柄加速器是被设计成平面的四杆运动加速器的。用合成法合成可调整的平面的四杆运动加速器在阶段一和阶段二的开始和结束位置是被说明的在图.8。 由于这曲柄连杆由一固定的长度的连杆的运动副来控制, 这个图.9 等效滑动块曲柄加速器和刚体的初始位置 滑块径向位移曲柄的角位移图.10 合成法合成滑动块曲柄运动加速器中滑动块相对曲柄转角径向位移连杆的运动副的全部位置(a1经过a4而a1n经过 D57 a1n)是位于同一条圆弧上的。而从动件连杆的运动副的位置(b1穿过b4和b1n穿过 D57 b1n)落在两条不同的弧上(一个为一个阶段)。为了完成等效滑动块曲柄运动加速器的滑动块轨道,等式方程(14)是用来计算一连接从动件运动副如在图.8.的路径。使用方程(14)和这规定边界条件,滑动块轨道在图.9是可以被设计的。滑动块轨道产生这径向变位,速度,加速度和转角轮廓这在图.1013中被说明了。 在表 3 列出是等效平面滑动块转动曲柄机构的七个规定刚体位置点p ,q 和r在X Y 座标系中的值。为了达到位置2,3 和4在表3中,连杆a0a1需绕X轴分别旋转到130,125和120。为了要在表 3 中达成位置 5,6 和 7,连杆a0-a1需绕X轴分别旋转到100,95和90。在这两个阶段,曲柄转角最初 135 是相对 X轴和刚体点坐标在这个转动曲柄的位置是表格3中位置 1 中是坐标。 滑块的径向速度 曲柄的角位移图.11 合成法合成滑动块曲柄运动加速器中滑动块相对曲柄转角径向速度 滑块的径向速度曲柄的角位移图.12 合成法合成滑动块曲柄运动加速器中滑动块相对曲柄转角径向加速度曲柄的角位移图.12 合成法合成滑动块曲柄运动加速器中滑动块相对曲柄转角径向加速度表3图.1013说明了等效滑动块曲柄运动机构径向这径向变位,速度,加速度和转角(相对于转动曲柄位移角)在阶段1到阶段2这其中的变化。这径向速度,加速度和转角的边界条件(等式方程( 16 ( 18)和等式方程( 20) ( 22)是指定到零的,这是为了产生的速度,加速度和转角轮廓与那外在变化的轮廓是相连的。这径向位移轮廓边界条件(等式方程。( 15)和( 19)是表示阶段1和阶段2从动件连杆的长度( R0 = 1.5和Rf = 1.3),这也是为了形成的位移与那在外面变化的轮廓是连续的。5.讨论由于被综合的机械装置所需要,在这一个工作中被呈现的滑件路径设计方法因只有固定的和运动副对可调整平面的四杆机械装置对大部份的现有动作是可适用方法。虽然一个二个阶段的移动副问题在这一个工作被例证,规定的刚体位置的另外时期能被插入。 通过计算那平面四杆机构的坐标和移动副分别为附加的阶段,和每个另外的阶段另外的转变路径 (等式方程 (14)-(30) 等效滑动块曲柄运动加速器可以被设计成能达到这个附加的阶段。 虽然二维的空间的刚体的位置普遍被描述被一点和一个变位角 (p 和 h 举例来说),作家选择描述刚体使用三个点作为计算的目的。如果使用者偏爱描述使用的刚体传统的标记,位移矩阵在方程(2) 将会替换为这传统的平面刚体被放置成矩阵20,21。 计算机辅助设计软件将规定在这一个工作和数学软件的机械装置叁数用来计算机械装置。这一个软件使那能够作成表规定和有计划的叁数被四位有效数来表示。6.结论为滑件曲柄机构的一个设计方法达成多阶段动作链锁反应级请求的完成通过平面的四连杆机构带有可调整的运动副是被呈现在这项研究中的。这种方法的好处是那使用它,规定刚体使用一机构与较少数活动部分可完成的多阶段位置,它用到的活动部分部分与平面的四连杆机构相比较是少的。这一个方法的另一种利益是使用它,滑块曲柄机构能被设计达成规定刚体的各阶段不需任何的人工的或自动操作控制它的运动副在这些阶段中。一滑块路径启动曲柄运动加速器到完成刚体位置的二阶段是设计者利用第7项命令多项式去连接那那可调节的平面四杆运动产生器推杆连接的移动副。例子问题在本研究中认为一二阶段的移动副调整可调整平面的四杆机械装置。33长春理工大学光电信息学院毕业设计(论文)题目申报表 院 别 机 电 工 程 分 院 教 研 室 机 械 工 程 教 研 室 指导教师 张 广 杰 职称 讲 师 职称 2010年 3月 8日题目名称导柱设计题目类别设计类题目性质结合实际专业机械设计制造及其自动化参加本题目学生人数1人论文类虚拟题目题目来源、教师准备情况、主要培养学生哪些能力1本题目来源于指导教师的命题。2指导教师对此课题有深厚的理论基础及实际经验,在师生共同努力下定能顺利、按期完成该课题设计。3本课题主要培养学生对已有知识的运用能力、查找资料和阅读能力、英译汉的能力、工程机械的设计、制造能力。题 目 内 容 及 要 求一、内容:导柱是用于模具中与组件组合使用确保模具以精准的定位进行活动引导模具行程的导向元件。导柱的材质一般选用轴承钢、热作模具钢、易车铁等,而以轴承钢SUJ2的使用量较大,使导柱在导向性能上的耐用性与可换性大大加强。导柱与组件组成外导柱组件与内导柱组件,具有美丽的金属光泽。二、要求:1.写出11.5万字的论文,绘制总装图、部装图及零件图。论文内容包括:(1)导柱的应用现状。(2)导柱的特点及分类。(3)斜导柱C段的长度计算及结构参数确定。(4)导柱中心孔的作用。2.将一篇与本课题有关的英文资料,翻译成中文(约5000字)。实践环节安排实习长春客车厂3周实验金工实习基地3周计算机应用计算机绘图360学时中、外文参考资料:1于骏一. 邹青.机械制造技术基础M. 北京:机械工业出版社, 2004.2余跃庆. 现代机械动力学M. 北京:北京工业大学出版社,2001. 3濮良贵,纪名刚. 机械设计M. 北京:高等教育出版社, 2001.4谢黎明. 械工程与技术创新M. 北京:化学工业出版社, 2005.5詹启贤. 自动机械设计M. 北京:中国轻工业出版社, 1994.6王步瀛. 机械零件强度计算的理论和方法M. 北京:高等教育出版社, 1988.7扎布隆斯基KE. 机械零件M. 北京:高等教育出版社, 1990.8卜炎. 螺纹连接设计与计算M. 北京:高等教育出版社, 1993.9Hindhede I,Uffe. Machine Design Fundamentals:A Practical ApproachM. New York:Wiley,1983. 10Kollmann F .G . Rotating Elasto-plastic Interference FitsM. Trans.ASME,80-C2/DET-1111 Rajput R K. Elements of Mechanical Engineering. Katson Publ. House, 1985.12Mechanical Drive(Reference Issue). Machine Design. 52(14), 1980.教研室主任审 批 签 字分 院 院 长审 批 签 字注:题目类别和题目性质请用符号填在相应栏内。长春理工大学光电信息学院学生毕业设计(论文)登记表分院机电工程分院专业机械设计制造及其自动化班级学生姓名指导教师设计(论文)起止日期教研室主任题目名称(包括主要技术参数)及要求:1.题目名称:导柱设计2.要求:导柱是用于模具中与组件组合使用确保模具以精准的定位进行活动引导模具行程的导向元件。导柱的材质一般选用轴承钢、热作模具钢、易车铁等,而以轴承钢SUJ2的使用量较大,使导柱在导向性能上的耐用性与可换性大大加强。导柱与组件组成外导柱组件与内导柱组件,具有美丽的金属光泽论文开题报告(设计方案论证)应该包括以下几方面内容:1、 本课题研究的意义;2、调研(社会调查)情况总结;3、查阅文献资料情况(列出主要文献清单;4、拟采取的研究路线;5、进度安排。1. 本课题研究的意义:导柱设计具有运行可靠的特点,能满足现代化工业的应用要求。整个控制系统体积小、结构紧凑,具有较高的可靠性。机构的运行控制精度较高,能够满足使用要求的需要。近年来受到很大的重视,已经成为现代机构学发展的主要方向之一,是创新的主要方面。2. 调研情况总结:为更好的完成本课题,在指导教师的带领下,我们参观了长春电影城及机械加工厂并随同有关人员一起见习了加工过程及使用过程,与此同时还把我们的课题设计思路和要解决的问题与工厂实际情况相结合,得到有关人员的指导,使我们受益匪浅。3. 查阅文件清单:1于骏一,邹青. 机械制造技术基础M. 北京:机械工业出版社, 2004.2余跃庆. 现代机械动力学M. 北京:北京工业大学出版社,2001. 3濮良贵,纪名刚. 机械设计M. 北京:高等教育出版社, 2001.4谢黎明. 机械工程与技术创新M. 北京:化学工业出版社, 2005.5詹启贤. 自动机械设计M. 北京:中国轻工业出版社, 1994.6王步瀛. 机械零件强度计算的理论和方法M. 北京:高等教育出版社, 1988.7扎布隆斯基KE. 机械零件M. 北京:高等教育出版社, 1990.8卜炎. 螺纹连接设计与计算M. 北京:高等教育出版社, 1993.9Hindhede I,Uffe. Machine Design Fundamentals:A Practical Approach. New York:Wiley, 1983. 10Kollmann F .G . Rotating Elasto-plastic Interference Fits. Trans.ASME,80-C2/DET-1111patton W .J .Mechanical Power Transmission. New Jersey: Printice-Hall . 1980.12Mechanical Drive(Reference Issue). Machine Design. 52(14), 1980.4. 拟采取的研究路线:指导教师下达任务充分理解课题要解决的问题查阅文件和素材(图书馆、上网)翻译英文资料到工厂参观实习写论文指导教师审查修改完善、定搞准备答辩。5. 进度安排:3月 8日3月 26日 查阅文件,书籍材料。3月 29日4月 09日 翻译英文材料。4月 11日5月 14日 写课题论文,写初稿。5月 17日5月 21日 完善论文,定稿。5月 23日6月 11日 绘制设计草图、打印。6月 14日6月 18日 整理,熟悉文件。指导教师审阅意见:年 月 日记事:指导教师审阅意见:年 月 日目录第一章、 绪论- 1 -1.1 选题的目的和意义- 2 -1.2 国内外的研究现状- 3 -1.3 设计研究的主要内容- 5-第二章、曲柄连杆机构的整体设计概念- 6 -2.1设计机械整体时应满足的要求:-6 -2.2、标准化、系列化、通用化:- 6-2.3、结构设计:- 7-第三章、 曲柄连杆机构基本知识- 7 -3.1 曲柄连杆中部分名词- 7 -3.2 曲柄连杆机构的自由度与约束- 8 -3.3、 曲柄连杆机构的运动分析- 13-第四章、曲柄连杆机构的设计与计算- 15 -4.1 曲柄连杆机构的设计- 15 -4.2 曲柄连杆机构的计算- 19 -4.3 连杆螺栓的设计- 30-第五章、曲柄连杆机构的应用- 32 -第六章- 34 -6.1 机构- 34 -6.2维护与保养- 35 -6.3 注意事项- 35 -结论- 36 -参 考 文 献- 37 -致谢- 38 -附录Crane Work Needs More Technique- 39 -I长春理工大学光电信息学院目录第一章、 绪论- 5 -1.1 选题的目的和意义- 6 -1.2 国内外的研究现状- 6 -1.2.1、解析法- 7 -1.2.2、图解法- 7 -1.2.3、复数向量法- 8 -1.3 设计研究的主要内容- 9 -1.3.1、- 9 -1.3.2、- 9 -1.3.3、- 9 -1.3.4、- 9 -第二章、曲柄连杆机构的整体设计概念- 10 -2.1设计机械整体时应满足的要求:- 10 -2.2、标准化、系列化、通用化:- 10 -2.3、结构设计:- 10 -第三章、 曲柄连杆机构基本知识- 11 -3.1 曲柄连杆中部分名词- 11 -3.2 曲柄连杆机构的自由度与约束- 12 -3.2.1、机构自由度与约束- 12 -3.2.2、平面机构自由度计算- 12 -3.2.3、 机构具有确定运动的条件- 13 -3.2.4、曲柄连杆机构存在曲柄的条件- 13 -3.2.5、曲柄连杆机构运动特征- 15 -3.3、 曲柄连杆机构的运动分析- 17 -3.3.1、动力特性- 17 -3.3.2、 速度瞬心及其应用- 18 -第四章、曲柄连杆机构的设计与计算- 19 -4.1 曲柄连杆机构的设计- 19 -4.1.1、设计的基本问题- 19 -4.1.2 连杆的工作情况、设计要求和材料选用- 22 -4.2 曲柄连杆机构的计算- 23 -4.2.1 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算- 24 -4.2.2 连杆杆身的结构设计与强度计算- 27 -4.2.3 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算- 31 -4.2.3.1连杆大头的结构设计与主要尺寸- 31 -4.2.3.2、连杆大头的强度校核- 32 -4.3 连杆螺栓的设计- 34 -4.3.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力- 34 -4.3.2 连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算- 35 -第五章、曲柄连杆机构的应用- 36 -第六章- 38 -6.1 机构- 38 -6.1.1 驱动电机- 38 -6.1.2减速器- 38 -6.1.3执行机构- 38 -6.2维护与保养- 39 -6.3 注意事项- 39 -结论- 40 -参 考 文 献- 41 -致谢- 42 -附录- 43 - 41 -倒柱设计曲柄连杆机构第一章、 绪论机械是人类进行物质生产的重要工具,是现代生产的基础,机械是社会生产力发展水平的重要标志。先进生产力离不开先进的机电设备。今天机械设备已经广泛应用于我们的生产和生活领域。随着工业的发展,机械产品的种类越来越多,大到生产用的产品生产线,数控机床、小到我们的生活用品、都离不开机械产品。机构是具有确定的相对运动构件的组合。而不是无条件的任意组合。所以构件组合后是否成为机构,就要看它能否实现却定的相对运动。为此,需要讨论机构的自由度和它具有的相对运动条件。曲柄连杆机构是若干构件用低副连接而成的机构,是铰链四杆机构的基本形式之一。如果组成机构的所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动,这种机构称为平面机构;如果各构件不在同一平面或相互平行的平面内运动,则称为空间机构。本次设计通过对平面曲柄连杆机构的结构特点、结构组成、传动特性、工作特点、故障诊断与排除以及受力分析等方面的讨论和研究,从而得到曲柄连杆机构的最优设计方案,并通过对其优缺点的分析,使之广泛用于不同领域。由于低副是圆柱面或平面接触,使得连杆机构具有制造容易、运动副中压强和磨损较小、便于润滑等优点,因此广泛应用于各种机械及仪器中。但是,这种机构运动副磨损后会形成间隙,当构件数目较多时,会使从动件产生较大的运动累积误差,不容易精确地实现复杂的运动规律。1.1 选题的目的和意义曲柄连杆机构是发动机的传递运动和动力的机构,通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力。因此,曲柄连杆机构是发动机中主要的受力部件,其工作可靠性就决定了发动机工作的可靠性。随着发动机强化指标的不断提高,机构的工作条件更加复杂。在多种周期性变化载荷的作用下,如何在设计过程中保证机构具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲柄连杆机构设计的关键性问题。通过设计,确定发动机曲柄连杆机构的总体结构和零部件结构,包括必要的结构尺寸确定、运动学和动力学分析、材料的选取等,以满足实际生产的需要。在传统的设计模式中,为了满足设计的需要须进行大量的数值计算,同时为了满足产品的使用性能,须进行强度、刚度、稳定性及可靠性等方面的设计和校核计算,同时要满足校核计算,还需要对曲柄连杆机构进行动力学分析。为了真实全面地了解机构在实际运行工况下的力学特性,本文采用了多体动力学仿真技术,针对机构进行了实时的,高精度的动力学响应分析与计算,因此本研究所采用的高效、实时分析技术对提高分析精度,提高设计水平具有重要意义,而且可以更直观清晰地了解曲柄连杆机构在运行过程中的受力状态,便于进行精确计算,对进一步研究发动机的平衡与振动、发动机增压的改造等均有较为实用的应用价值。1.2 国内外的研究现状多刚体动力学模拟是近十年发展起来的机械计算机模拟技术,提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段,在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究,将分析的方法用于模拟实验,充分利用已有的基本物理原理,采用与实际物理系统实验相似的研究方法,在计算机上运行仿真实验。目前多刚体动力学模拟软件主要有CATIA ,Pro/Mechanics,Working model 3D,ADAMS等。多刚体动力学模拟软件的最大优点在于分析过程中无需编写复杂仿真程序,在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。对内燃机产品的部件装配进行机构运动仿真,可校核部件运动轨迹,及时发现运动干涉;对部件装配进行动力学仿真,可校核机构受力情况;根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化,可最大限度地满足性能要求,对设计提供指导和修正2。目前国内大学和企业已经已进行了机构运动、动力学仿真方面的研究和局部应用,能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构干涉,校核配气机构运动、动力学性能等,为设计人员提供了基本的设计依据3-4。目前国内外对发动机曲柄连杆机构的动力学分析的方法很多,而且已经完善和成熟。其中机构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动,即位移、速度和加速度的变化关系:动力学则是研究产生运动的力。发动机曲柄连杆机构的动力学分析主要包括气体力、惯性力、轴承力和曲轴转矩等的分析,传统的内燃机工作机构动力学、运动学分析方法主要有图解法和解析法。1.2.1、解析法 解析法是对构件逐个列出方程,通过各个构件之间的联立线性方程组来求解运动副约束反力和平衡力矩,解析法又包括单位向量法、直角坐标法等。1.2.2、图解法图解法形象比较直观,机构各组成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改变趋势均能通过图解一目了然。图解法作为解析法的辅助手段,可用于对计算机结果的判断和选择。解析法取点数值较少,绘制曲线精度不高。不经任何计算,对曲柄连杆机构直接图解其速度和加速度的方法最早由克莱茵提出,但方法十分复杂6。 1.2.3、复数向量法复数向量法是以各个杆件作为向量,把在复平面上的连接过程用复数形式加以表达,对于包括结构参数和时间参数的解析式就时间求导后,可以得到机构的运动性能。该方法是机构运动分析的较好方法。通过对机构运动学、动力学的分析,我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规律等,从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是过去由于手段的原因,大部分复杂的机械运动尽管能够给出解析表达式,却难以计算出供工程设计使用的结果,不得不用粗糙近似的图解法求得数据。近年来随着计算机的发展,可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程,从而形成了机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。通过对机构运动学和动力学分析,我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规律等,从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是过去由于手段的原因,大部分复杂的机构运动尽管能够给出解析式,却难以计算出供工程使用的计算结果,不得不用粗糙的图解法求得数据。随着计算机的发展,可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程,从而形成机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。机械系统动态仿真技术的核心是利用计算机辅助技术进行机械系统的运动学和动力学分析,以确定系统各构件在任意时刻的位置、速度和加速度,进而确定系统及其及其各构件运动所需的作用力5。目前,在对内燃机曲柄连杆机构进行动力学分析时,大多采用的是专业的虚拟样机商业软件,如ADAMS等。这些软件的功能重点是在力学分析上,在建模方面还是有很多不足,尤其是对这些复杂的曲柄连杆机构零部件的三维建模很难实现。因而在其仿真分析过程中对于结构复杂的模型就要借助CAD软件来完成,如CATIA,Pro/E,UG等4。当考虑到对多柔体系统进行动力学分析时,有时还需要结合Ansys等专业的有限元分析软件来进行7。这一过程十分复杂,不仅需要对这些软件有一定了解,还需要处理好软件接口之间的数据传输问题,而且软件使用成本也很高。1.3 设计研究的主要内容对内燃机运行过程中曲柄连杆机构受力分析进行深入研究,其主要的研究内容有:1.3.1、对曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析,分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况,并根据这些力对曲柄连杆机构的主要零部件进行强度、刚度等方面的计算和校核,以便达到设计要求;1.3.2、分析曲柄连杆机构中主要零部件如活塞,曲轴,连杆等的工作条件和设计要求,进行合理选材,确定出主要的结构尺寸,并进行相应的尺寸检验校核,以符合零件实际加工的要求;1.3.3、应用CATIA软件对曲柄连杆机构的零件分别建立实体模型,并将其分别组装成活塞组件,连杆组件,然后定义相应的连接关系,最后装配成完整的机构,并进行运动仿真分析,检测其运动干涉,获取分析结果;1.3.4、应用CATIA软件将零件模型图转化为相应的工程图,并结合使用AutoCAD软件,系统地反应工程图上的各类信息,以便实现对机构的进一步精确设计和检验。 第二章、曲柄连杆机构的整体设计概念2.1设计机械整体时应满足的要求:设计的机械零件既要工作可靠,又要成本低。要解决前一个问题,需要根据可能发生的失效,确定要件在强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温升等方面必须满足的条件,这些条件是判断要件工作能力的准则,在设计曲柄连杆机构中,根据机构的具体运转情况和的计算后,确定后来设计方案。2.2、标准化、系列化、通用化:在不同类型、不同规格的各种机器中,有相当多的零部件是相同的(本设计中就有3个螺钉),将这些零部件加以标准化,并按尺寸加以系列化,则设计时就毋须重设计,可直接从有关手册的标准中选用。通用化是指系列系列之内的或跨系列的产品之间尽量采用同一结构和尺寸的零部件,以减少设计时零部件的种类,从而简化生产管理和缩短制造时间(如本设计中的机架)。2.3、结构设计:计算和结构设计都是设计工作中的重要内容,两者同等重要。有必要指出,结构设计千万不可轻视,何况计算也往往要在初步结构构思的基础上将其抽象为数学模型后才能进行(以曲柄为例,只有先确定轴的支承和受载零件的位置和尺寸后才能计算)。在设计过程中,借鉴前人成功的设计经验,注意归纳、分析、总结,掌握设计中的规律,对提高设计质量帮助很大。在设计曲柄连杆机构过程中,以上的三个方面都是要重点考虑的内容。经过认真的计算和画图,并参考了很多的设计实例,才完成此次设计。第三章、 曲柄连杆机构基本知识3.1 曲柄连杆中部分名词曲柄摇杆机构:一个连架杆为曲柄,另一个连架杆为摇杆的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。铰链四杆机构:在平面机构中如果全部运动副都是转动副,则称为铰链四杆机构。连架杆:与机架相连的杆称为连架杆。曲柄:连架杆中能作360转动称为曲柄。摇杆:在运动中该杆的转动在小于360摆动则称为摇杆。机械:机械是机构和机器的总称。机构:只有确定的相对运动,而不能代替人做有用的机械的构件组合。例如摩托车是机器,而自行车是机构。构件的自由度:一个作平面运动的自由构件有三个独立运。在坐标系中,构件可随其任一点沿,轴方向移动和该点转动,这种独立的运动称为构件的自由度。高副:高副是指两构件通过点或线接触组成的运动副。低副:两构件通过面接触组成的运动副称为低副 固定件:机架又称固定件,用来支撑活动构件,比如气缸体就是机架。原动件:运动规律已知的活动构件。比如内燃机的活塞就是原动件。从动件:机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件称为从动件,比如内燃机的连杆和曲轴都是从动件。运动链:若干构件通过运动副联接起来所构成的系统称为运动链.。平面机构:所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构称为平面机构;否则称为空间机构。3.2 曲柄连杆机构的自由度与约束3.2.1、机构自由度与约束机构是具有确定相对运动的构件组合。曲柄摇杆机构也属于平面机构,既然是平面机构也就无条件的遵从平面机构的运动特性所以,一个作平面运动的自由构件有三个自由度。机构是由许多构件组合而成的,机构的每个构件都以一定的方式与其它构件相互联接。这种联接都不是固定联接,而是能产生一定相对运动的联接。这种使两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接称为运动副。例如在内燃机中,活塞与连杆的联接、活塞与气缸的联接等都构成了运动副。显然,构件组成运动副后,它们的独立运动就受到约束,自由度便随之减少。又根据它们的相对运动是转动或是移动,又可分为回转副和移动副。当两个构件组成运动副之后,它们的运动受约束,因而其自由度随之减少。不同类型的运动副,由于其运动副元素的不同,引入的约束数目不同,因此使构件保留的自由度也不同。例如低副为面接触,引入两个约束,保留一个自由度。其中转动幅限制了沿轴、轴方向的两个移动,使构件保留了一个转动的自由度;而移动副约束了垂直于移动副中心线方向的一个移动和在平面内转动这两个自由度。高副为点或线接触,只能引入一个约束,保留两个自由度,即只约束了接触处(点或线)公法线放向移动的自由度,使构件保留接触处转动和接触处公切线方向移动两个自由度。在平面机构中,每个低副引入两个约束,每个高副引入一个约束。3.2.2、平面机构自由度计算设某平面机构共有个构件,除去一个机架是固定件外,活动构件数n=N-1个。在用运动副将构件联接起来之前,这些构件自由度总和为3n个。当用P各低副和M个高副联接成运动链以后,这些运动副所带来的总约束数为(2P+M)个。那么,整个机构相对机架的自由度,即机构的自由度,应为运动构件自由度总和与运动副引入的约束综合之差,所以以F表示机构的自由度,则有 F=3n-2P+M (1-1) 式(1-1)给出了平面机构中运动构件数目、低副数目、高副数目与机构自由度的关系,此式即为平面机构自由度计算公式。3.2.3、 机构具有确定运动的条件要是机构能有确定运动,必须使主动件数等于机构的自由度数,即因此机构具有确定运动的条件是:机构的原动件的数目必须等于机构的自由度数。如果主动件数大于自由度数,若迫使两个主动件数按各自规律运动,则机构中最薄弱的构件或运动将会遭到破坏。3.2.4、曲柄连杆机构存在曲柄的条件在图(一)中在铰链四杆机构中,设分别以a 、b、 c、 d 表示机构中个构件长度。设ac时) 或 c-bFmin=d-a(cb时) 将上式整理得: ac, ab, ad设ad d+ab+c d+ba+c d+ca+b将上式两两相加可得 da, db, dc3设a=d此时Fmin=0, a=d b=c ab由此可综合归纳出曲柄摇杆机构存在曲柄的条件为:连架杆和机架中必有一杆为最短杆;最短杆和最长杆之和应小于或等于其它两杆长度之和。推论: 当机构尺寸满足杆长条件时,最短杆两端的转动副均为周转副;其余转动副为摆动副。上述两个条件必须同时满足,否则机构中无曲柄存在。根据曲柄存在的条件,还可做如下推论:1) 若铰链四杆机构中最短杆和最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和,则可能有以下三种情况:a 以最短杆的相邻杆做机架时,为曲柄摇杆机构。b 以最短杆为机架时,为双曲柄机构。c 以最短杆的相对杆为机架时,为双摇杆机构。2) 若铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和,则不论哪一杆为机架均为双摇杆机构。3.2.5、曲柄连杆机构运动特征 1)、连架杆转角曲线 两连架杆转角间的变化关系曲线称为连架杆转角曲线用()表示。 2)、连杆曲线: 四杆机构的连杆平面上任一点所实现的轨迹曲线称为连杆曲线。连杆曲线的形状与机构尺寸和该点的位置有关。 连杆转角曲线: 四杆机构连杆平面上任一条标线(如BC)与x轴正向夹角,随原动件AB转角的变化曲线。3)、急回特性(1). 机构极位:曲柄回转一周,与连杆两次共线,此时摇杆分别处于两极限位置,称为机构极位。(2) 极位夹角:机构在两个极位时,原动件所处两个位置之间所夹的锐角称为极位夹角。(3) 急回运动:曲柄等速转动情况下,摇杆往复摆动的平均速度一快一慢,机构的这种运动性质称为急回运动。 ab图2-23.2.6 行程速比系数K为表明急回运动程度,用反正行程速比系数K来衡量 q角愈大,K值愈大,急回运动性质愈显著对于(二)图a:对心曲柄滑块机构=0,没有急回运动。对于(二)图b:偏置曲柄滑块机构0,有急回运动。机构急回的作用: 节省空回时间,提高工作效率。3.3、 曲柄连杆机构的运动分析3.3.1、动力特性压力角、传动角压力角a:在不计摩擦的情况下,从动件受力方向与力作用点速度方向所夹的锐角。传动角g:压力角之余角。衡量机构的传动质量。传动角g越大,对机构工作越有利。设计时,应使g gmin铰链四杆机构中,曲柄与机架拉直共线和重叠共线的两位置处出现的传动角中,必有一出为最小传动角死点 a 在分从动件在传动角为零的位置为机构的死点.b 析死点位置时,要首先搞清楚哪个是主动件.c 死点是机构在运动过程中所处的特殊位置,它与自由度为0不同,与机构的自锁也不同.死点的避免a 机构错位排列b 加飞轮,利用惯性通过死点死点的利用a 飞机起落架b 夹具3.3.2、 速度瞬心及其应用 1.速度瞬心的概念:两个刚体上相对速度为零的重合点。如果两刚体之一是静止的,其瞬心为绝对速度瞬心。(如图三左)如果两刚体都是运动的,其瞬心为相对速度瞬心。(如图三右) 2.速度瞬心数目:如果一个机构由k个构件所组成,则它的瞬心 总数为:N=k(k-1)/2 3.速度瞬心的位置:直接构成运动副间接构成运动副三心定理:作平面运动的三个构件共有三个瞬心,它们位于同一直上。 图2-3 4.应用:常用在构件较少的机构中,不适用多杆机构。 找瞬心时可根据实际情况找所用的瞬心。 只适用于速度分析,不适用加速度分析。 只适用一个或几个位置的求解,不适于多位置或一个周期内速度、加速度分析。第四章、曲柄连杆机构的设计与计算4.1 曲柄连杆机构的设计4.1.1、设计的基本问题 1). 设计任务: 根据给定的运动要求,选定机构的类型; 确定各构件的尺度参数; 检件;验是否满足结构运动和动力条如:运动副结构曲柄存在条件最小传动角运动连续性等2)曲柄连杆机构设计的基本问题(1)现预定运动规律(函数生成机构的设计)例.实如:连架杆的对应位置 从动件的急回运动特性(2).实现连杆给定位置(刚体导引机构的设计)(3).实现预定运动轨迹(轨迹生成机构的设计) 方法:解析法、作图法、实验法3)使四杆机构两连架杆间实现给定的传动比关系的设计,实现预定的运动要求,称为传动机构设计(函数机构设计)。如:车门开闭机构,要求两连架杆转角相同,转向相反。汽车前轮转向机构,要求两连架杆满足某种函数关系,保证顺利转弯。牛头刨床要求满足一定的急回等性。4)实现预定的连杆位置要求刚体导引机构设计图3-1飞机起落架机构图 图3-1 铸造翻砂 要求实现机轮放下和收起两个位置 5)实现预定的轨迹要求轨迹生成机构设计使四杆机构连杆上某一点实现给定的一段曲线轨迹或某一封闭曲线轨迹的设计。6)曲柄摇杆机构的设计公式如图,主动机是曲柄OA,从动件是连杆AP与滑块P,机架、导轨l(不动件)如图组合而成,电动机带动曲柄旋转,通过连杆带动滑块在导轨上做往复直线运动 图3-3设旋转中心O到导轨的距离为e,滑块的最大行程为H,滑块两极限位置 在O点所张的角为 (叫做极位夹角)当连杆 与曲柄 重叠时,滑块到达位置 ;连杆 与曲柄 成一直线时,滑块到达位置 在实际设计中,常常需从已知数据e,H, 出发,求出曲柄OA之长r,连杆AP之长x下面我们来解决这一问题在 中, 根据余弦定理,有 即 所以 又因为 所以 即 解由,构成的方程组,得 因为 所以 4.1.2 连杆的工作情况、设计要求和材料选用1、工作情况连杆小头与活塞销相连接,与活塞一起做往复运动,连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起做旋转运动。因此,连杆体除有上下运动外,还左右摆动,做复杂的平面运动。2、设计要求 连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷,因此,在设计时应首先保证连杆具有在足够的疲劳强度和结构钢度。如果强度不足,就会发生连杆螺栓、大头盖或杆身的断裂,造成严重事故,同样,如果连杆组刚度不足,也会对曲柄连杆机构的工作带来不好的影响。所以设计连杆的一个主要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的刚度和强度。为此,必须选用高强度的材料;合理的结构形状和尺寸。3、材料的选择 为了保证连杆在结构轻巧的条件下有足够的刚度和强度,采用精选含碳量的优质中碳结构钢45模锻,表面喷丸强化处理,提高强度。 4.2 曲柄连杆机构的计算DCBA728700588 图3-4 1曲柄摇杆机构:AB为最短杆 2双曲柄机构:AD为最短杆3 双摇杆机构:因不是最短杆的对边,故考虑不满足杆长和条件下的双摇杆机构 或 4.2.1 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算1、连杆小头的结构设计连杆小头主要结构尺寸如图4.1所示,小头衬套内径和小头宽度已在活塞组设计中确定,。为了改善磨损,小头孔中以一定过盈量压入耐磨衬套,衬套大多用耐磨锡青铜铸造,这种衬套的厚度一般为,取,则小头孔直径,小头外径,取。2、连杆小头的强度校核以过盈压入连杆小头的衬套,使小头断面承受拉伸压力。若衬套材料的膨胀系数比连杆材料的大,则随工作时温度升高,过盈增大,小头断面中的应力也增大。此外,连杆小头在工作中还承受活塞组惯性力的拉伸和扣除惯性力后气压力的压缩,可见工作载荷具有交变性。上述载荷的联合作用可能使连杆小头及其杆身过渡处产生疲劳破坏,故必须进行疲劳强度计算9。 图4.1 连杆小头主要结果尺寸(1)衬套过盈配合的预紧力及温度升高引起的应力计算时把连杆小头和衬套当作两个过盈配合的圆筒,则在两零件的配合表面,由于压入过盈及受热膨胀,小头所受的径向压力为: (4.1)式中:衬套压入时的过盈,; 一般青铜衬套,取,其中:工作后小头温升,约;连杆材料的线膨胀系数,对于钢 ;衬套材料的线膨胀系数,对于青铜;、连杆材料与衬套材料的伯桑系数,可取;连杆材料的弹性模数,钢10;衬套材料的弹性模数,青铜;计算小头承受的径向压力为:由径向均布力引起小头外侧及内侧纤维上的应力,可按厚壁筒公式计算,外表面应力 (4.2)内表面应力 (4.3)的允许值一般为,校核合格。(2)连杆小头的疲劳安全系数连杆小头的应力变化为非对称循环,最小安全系数在杆身到连杆小头的过渡处的外表面上为: (4.4)式中:材料在对称循环下的拉压疲劳极限,(合金钢),取; 材料对应力循环不对称的敏感系数,取=0.2; 应力幅, ; 平均应力,;工艺系数,取0.5;则 连杆小头的疲劳强度的安全系数,一般约在范围之内4。3、连杆小头的刚度计算当采用浮动式活塞销时,必须计算连杆小头在水平方向由于往复惯性力而引起的直径变形,其经验公式为: (4.5)式中:连杆小头直径变形量,;连杆小头的平均直径,; 连杆小头断面积的惯性矩,则 对于一般发动机,此变形量的许可值应小于直径方向间隙的一半,标准间隙一般为,则校核合格。4.2.2 连杆杆身的结构设计与强度计算1、连杆杆身结构的设计连杆杆身从弯曲刚度和锻造工艺性考虑,采用工字形断面,杆身截面宽度约等于(为气缸直径),取,截面高度,取。为使连杆从小头到大头传力比较均匀,在杆身到小头和大头的过渡处用足够大的圆角半径。2、连杆杆身的强度校核连杆杆身在不对称的交变循环载荷下工作,它受到位于计算断面以上做往复运动的质量的惯性力的拉伸,在爆发行程,则受燃气压力和惯性力差值的压缩,为了计算疲劳强度安全系数,必须现求出计算断面的最大拉伸、压缩应力。(1)最大拉伸应力由最大拉伸力引起的拉伸应力为: (4.6)式中:连杆杆身的断面面积,汽油机,为活塞投影面积,取。则最大拉伸应力为: (2)杆身的压缩与纵向弯曲应力杆身承受的压缩力最大值发生在做功行程中最大燃气作用力时,并可认为是在上止点,最大压缩力为: (4.7)连杆承受最大压缩力时,杆身中间断面产生纵向弯曲。此时连杆在摆动平面内的弯曲,可认为连杆两端为铰支,长度为;在垂直摆动平面内的弯曲可认为杆身两端为固定支点,长度为,因此在摆动平面内的合成应力为: (4.8)式中:系数,对于常用钢材,取;计算断面对垂直于摆动平面的轴线的惯性矩,。 ;将式(4.8)改为: (4.9)式中 连杆系数,;则摆动平面内的合成应力为:同理,在垂直于摆动平面内的合成应力为: (4.10) 将式(4.10)改成 (4.11)式中:连杆系数,。则在垂直于摆动平面内的合成应力为: 和的许用值为 ,所以校核合格。(3)连杆杆身的安全系数连杆杆身所受的是非对称的交变循环载荷,把或看作循环中的最大应力,看作是循环中的最小应力,即可求得杆身的疲劳安全系数。循环的应力幅和平均应力,在连杆摆动平面为: (4.12) (4.13)在垂直摆动平面内为: (4.13) (4.14)连杆杆身的安全系数为: (4.15)式中:材料在对称循环下的拉压疲劳极限,(合金钢),取;材料对应力循环不对称的敏感系数,取=0.2;工艺系数,取0.45。则在连杆摆动平面内连杆杆身的安全系数为:在垂直摆动平面内连杆杆身的安全系数为:杆身安全系数许用值在的范围内,则校核合格。4.2.3 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算4.2.3.1连杆大头的结构设计与主要尺寸连杆大头的结构与尺寸基本上决定于曲柄销直径、长度、连杆轴瓦厚度和连杆螺栓直径。其中在、在曲轴设计中确定,则大头宽度,轴瓦厚度,取,大头孔直径。连杆大头与连杆盖的分开面采用平切口,大头凸台高度,取,取,为了提高连杆大头结构刚度和紧凑性,连杆螺栓孔间距离,取,一般螺栓孔外侧壁厚不小于2毫米,取3毫米,螺栓头支承面到杆身或大头盖的过渡采用尽可能大的圆角。4.2.3.2、连杆大头的强度校核假设通过螺栓的紧固连接,把大头与大头盖近似视为一个整体,弹性的大头盖支承在刚性的连杆体上,固定角为,通常取,作用力通过曲柄销作用在大头盖上按余弦规律分布,大头盖的断面假定是不变的,且其大小与中间断面一致,大头的曲率半径为。 连杆盖的最大载荷是在进气冲程开始的,计算得:作用在危险断面上的弯矩和法向力由经验公式求得: (4.16)由此求得作用于大头盖中间断面的弯矩为: (4.17)作用于大头盖中间断面的法向力为: (4.18)式中:,大头盖及轴瓦的惯性矩, , ,大头盖及轴瓦的断面面积, ,在中间断面的应力为: (4.18)式中:大头盖断面的抗弯断面系数, 计算连杆大头盖的应力为:一般发动机连杆大头盖的应力许用值为,则校核合格。4.3 连杆螺栓的设计4.3.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力根据气缸直径初选连杆螺纹直径,根据统计,取。发动机工作时连杆螺栓受到两种力的作用:预紧力和最大拉伸载荷,预紧力由两部分组成:一是保证连杆轴瓦过盈度所必须具有的预紧力;二是保证发动机工作时,连杆大头与大头盖之间的结合面不致因惯性力而分开所必须具有的预紧力15。连杆上的螺栓数目为2,则每个螺栓承受的最大拉伸载荷为往复惯性力和旋转惯性力在气缸中心线上的分力之和,即 (4.19)轴瓦过盈量所必须具有的预紧力由轴瓦最小应力,由实测统计可得一般为,取30,由于发动机可能超速,也可能发生活塞拉缸,应较理论计算值大些,一般取,取。4.3.2 连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算连杆螺栓预紧力不足不能保证连接的可靠性,但预紧力过大则可能引起材料超出屈服极限,则应校核屈服强度,满足 (4.20)式中:螺栓最小截面积,;螺栓的总预紧力,;安全系数,取1.7;材料的屈服极限,一般在800以上16。那么连杆螺栓的屈服强度为: 则校核合格。第五章、曲柄连杆机构的应用1. 现实生活中曲柄连杆机构的应用非常多下面是我在现实生活中发现的一些例子1曲柄摇杆机构 图5-1牛头刨床横向自动进给机构 图5-2 脚踏砂轮机构 2. 双摇杆机构图5-3鄂式起重机 图5-4 夹紧机构3. 双曲柄机构A、D均为整转副图5-5双曲柄机构 图5-6平行四边形机构第六章6.1 机构6.1.1 驱动电机 型号:Y801-4-X3 三相交流电机供电电压:380VAC额定电流:1.5A额定转速:1390r/min额定功率:550w6.1.2减速器安装方式:直联(组成BWD0.55-15-59减速电机)结构形式:摆线针轮减速器减速比:1:59输出转矩:240Nm6.1.3执行机构结构形式:祛病摇杆机构倾斜幅度:406.2维护与保养经常检查注模的运动状态是否正常,必要时调整与行程开关的相对位置,检查是否有松脱现象,必要时拧紧螺纹紧固件,注模型主轴承为双到向心球面球轴承。装配时已注满润滑脂,无需专门的保养。减速器憷场时已注满润滑脂,无需专门的保养。减速器出厂时已注满润滑脂,一般也无需专门的保养。若发现减速器过热()85),则应补充润滑脂,若发现润滑脂变质,应立即清洗并更换润滑脂。定期维护时全面拧紧螺纹固件。大修时减速器、轴承及清洗连杆两端的球销并注油。6.3 注意事项柱模型长度大,柔度大,有很大的冲击惯量。基础钢板与地基的联结情况不清,请注意观察基础钢板是否有松动趋势。发现问题时做加固处理。执行机构连杆长度可调,维修拆卸后需重新调节。保持曲柄长度不变,曲柄处于水平位置且与连杆轴线重合时调节连杆长度使柱模型直立或完全倒下。运动部件附近不得存放杂物,以免阻碍机构运动造成机构损坏。特别要注意电缆线不得与运动部件有接触的可能。以免造成磨损短路。结论本次设计所涉及的知识面主要是机械结构设计的内容、机械结构、机械传动、材料选择辅助的有机械专业外的传感器、处理器以及模糊控制。所以通过本次设计不及可以更好的掌握机械设计的原理与应用以及本设计在生活中的应用,而且还对本专业之外相关专业知识的应用也有了大概的了解。因此本次设计对今后自己在机械行业的进一步学习和发展起到了很好的带动作用,有很大的帮助。参 考 文 献1于骏一,邹青. 机械制造技术基础M. 北京:机械工业出版社, 2004.2余跃庆. 现代机械动力学M. 北京:北京工业大学出版社,2001. 3濮良贵,纪名刚. 机械设计M. 北京:高等教育出版社, 2001.4谢黎明. 机械工程与技术创新M. 北京:化学工业出版社, 2005.5詹启贤. 自动机械设计M. 北京:中国轻工业出版社, 1994.6王步瀛. 机械零件强度计算的理论和方法M. 北京:高等教育出版社, 1988.7扎布隆斯基KE. 机械零件M. 北京:高等教育出版社, 1990.8卜炎. 螺纹连接设计与计算M. 北京:高等教育出版社, 1993.9Hindhede I,Uffe. Machine Design Fundamentals:A Practical Approach. New York:Wiley, 1983. 10Kollmann F .G . Rotating Elasto-plastic Interference Fits. Trans.ASME,80-C2/DET-1111patton W .J .Mechanical Power Transmission. New Jersey: Printice-Hall . 1980.12Mechanical Drive(Reference Issue). Machine Design. 52(14), 1980. 13王东华曲轴强度计算若干问题的探讨J天津大学学报,20023致谢光阴似箭,自从进入长春理工大学光电信息学院的那一天至今已经有近三年的时间了,许多快乐的事好象就是昨天发生的,老师们的谆谆教导仿佛还在耳边,感谢老师们几年来的栽培。经过了三个多月的时间,我的毕业设计在自己的努力与坚持中完成了。很欣慰自己通过查阅国内外的大量资料与文献,深入的认识了机械这个学科所涉及到得知识。不仅增加自己的认知能力,同时也增强了自己的综合运用能力,自己受益良多。在此我要衷心感谢我的导师张广杰老师。在整个大学学习期间,张老师的谆谆教诲和无微不至的关怀使我获益终身。张老师渊博的知识,严谨的治学态度,真诚宽厚的待人品德,专业的业务能力都给我留下了深刻的印象,也将是我今后人生道路上学习的榜样。在此,向张老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。到了现在已经是做完毕业设计,准备告别母校的时候了,在这次毕业设计中,使自己独立思考问题,分析问题,解决问题的能力有了很大的提高,并且,我还得到了更宝贵的东西,那就是三年来学到的许多知识,如机械设计、机械制图、CAD软件绘图等都获得了进行实际演练的机会,进而提高了我的实际动手能力,使我获得了更加宝贵的专业经验,为我走向社会起到了良好的作用。在写论文的过程中,老师严谨治学的态度和一丝不苟的精神更加值得我学习,这将是我在今后的工作岗位上学习的榜样。由于我的经验有限,在设计过程中,出现纰漏和疏忽是不可避免的,恳请老师们批评、指正。再次感谢所有母校的老师们对我的培养,我永远都不会忘记你们这些辛勤的园丁。师恩最难忘!2010年06月01日附录Crane Work Needs More TechniqueCrane work needs more technology. Construction of tower cranes are the main vertical transportation equipment and also a measure of construction companies and equipment strength of the important logo, in todays increasingly competitive construction market, to meet the construction needs of many construction companies have bought the tower crane. With the tower crane at the construction site of the widely used by the tower crane accident also caused more and more to peoples lives and property brought about great losses. According to national statistics, the departments concerned, the tower crane accident rate reached 2.77 percent. Its security problem is still the urgency of the construction Loose training, testing and oversight requirements for the people who work around construction cranes have fostered a false sense of security in our industry. The recent deadly tower-crane collapse at a congested New YorkCity building site should be a wake-up call for us to question and step up our current safety practices.Training and testing is king when it comes to safety. But the construction industry is putting unqualified personnel in the seats of construction cranes, even with todays testing. In many places, no experience is necessary after passing a standardized test. One week of study will give some people enough knowledge to pass a certification examination, and then they can jump into the cab of a crane.Imagine that a commercial airline pilot had the same training as a certified crane operator. How would you feel the next time you decided to fly? In California, it takes more hours of training to wield a pair of scissors in a hair salon than to operate potentially dangerous lifting machinery. How does this make sense?Riggers and signal persons also need standard training and testing to ensure safety under the hook. Employers usually allow any craft to signal a crane on a jobsite, despite best practices that require only qualified people do so. How is it then that uncertified and untrained people are allowed to signal and rig under the hook of a licensed or certified operator?Tower cranes are particularly risky as urban sites become more congested, and the risk of a catastrophic event is very high during climbing operations. Yet most tower-crane climbing crews are trained in a non-traditional manner, via secondhand knowledge that has been passed down over time. The problem with this type of hand-me-down kno
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