畢業(yè)設(shè)計(jì)---大功率偏心擺振試驗(yàn)機(jī)偏心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、<p>　　****大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　大功率偏心擺振試驗(yàn)機(jī)偏心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　學(xué) 生：</b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p&

2、gt;<p>　　專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化</p><p>　　******機(jī)械工程學(xué)院</p><p><b>　　2OO9年6月</b></p><p>　　Graduation Design (Thesis) of Chongqing University</p><p>　　Design

3、of the Eccentric Mechanism of High-power Shimmy eccentric testing machine</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　大功率偏心擺振試驗(yàn)機(jī)是為驗(yàn)證大型彈性聯(lián)軸器性能而設(shè)計(jì)的。該試驗(yàn)機(jī)的模型主要有三種，一種是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，一種是滾珠絲桿機(jī)構(gòu)，另一種是齒輪齒條機(jī)構(gòu)[1]。本

4、論文選擇的是第一種，主要設(shè)計(jì)任務(wù)是確定機(jī)構(gòu)各構(gòu)件詳細(xì)尺寸，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　試驗(yàn)機(jī)偏心機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中承受的最大扭矩是25 KN.m，搖桿擺角范圍為±10度，在范圍內(nèi)無(wú)極可調(diào)，曲柄為有級(jí)可調(diào)的幾組偏心量不同的偏心軸，連桿在一定尺寸范圍內(nèi)可以無(wú)級(jí)調(diào)定桿長(zhǎng)。機(jī)構(gòu)的尺寸包括長(zhǎng)度尺寸和截面尺寸。長(zhǎng)度尺寸主要有機(jī)構(gòu)搖桿擺角范圍來(lái)確定，截面尺寸由機(jī)構(gòu)承受的最大扭矩來(lái)確定。</p>

5、<p>　　本論文從搖桿擺角范圍出發(fā)，利用Matlab軟件中的優(yōu)化工具箱進(jìn)行尺寸優(yōu)化，得到各個(gè)構(gòu)件的長(zhǎng)度，再通過(guò)Matlab中的Sumulink工具進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真[2]，驗(yàn)證尺寸是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)多次驗(yàn)證修改，得到最優(yōu)長(zhǎng)度尺寸。再根據(jù)機(jī)構(gòu)承受的最大扭矩，利用機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)模型和零件的的強(qiáng)度條件，選定各構(gòu)件的截面尺寸。尺寸定下來(lái)后，用ProE[3]為各個(gè)構(gòu)件建立實(shí)體模型，并進(jìn)行裝配，再利用ProE仿真功能，獲得機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)。最

6、后，用Ansys軟件[4]對(duì)搖桿和連桿應(yīng)力應(yīng)變分析，驗(yàn)證構(gòu)件的強(qiáng)度。通過(guò)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)度要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 大功率偏心擺振試驗(yàn)機(jī)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，Matlab,ProE,Ansys</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　High-power Shimmy eccentric te

7、sting machine is specifically designed for verifying the performance of flexible coupling. There are two models of the testing machine, the one is the crank-rocker mechanism, and the other is ball screw mechanism. In thi

8、s paper, the author chooses the former, and the main task is to determine the detailed size of crank-rocker mechanism l to meet the design requirements.</p><p>　　During the working Process, the maximum torqu

9、e rolling in the testing machine is 25 KN.m. The angle range of rocker is ±10 degrees with no limit to change the degree. The crank is the one of eccentric shafts with different amounts of eccentricity. In the range

10、 of a certain size, we could select the size of the link at discretion. The size of the testing machine includes the length and section size. The length is mainly determined by the scope of the rocker, and the section i

11、s mainly determined </p><p>　　In this paper, with the range of the rocker, using the Matlab Optimization Toolbox, the lengths of various components are obtained, then using the Matlab Sumulink Toolbox, to ve

12、rify whether the sizes are meeting the design requirements. Through a number of validation modifications, the optimal lengths are obtained. Under the maximum torque，using the static model agencies and the strength condit

13、ion of the component parts, to obtain the section size of component parts. Then using ProE to establis</p><p>　　Key word: High-power Shimmy eccentric testing machine, crank and rocker mechanism, Matlab, Pro

14、E, Ansys</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　中文摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.

15、1本文背景1</b></p><p>　　1.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特性3</p><p>　　1.2.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的條件3</p><p>　　1.2.2 行程速比系數(shù)3</p><p>　　1.2.2 壓力角和傳動(dòng)角4</p><p>　　1.3 論文主要工作和內(nèi)容安排4</p>

16、;<p>　　2 基于Matlab的優(yōu)化和仿真6</p><p><b>　　2.1 概述6</b></p><p>　　2.2 Matlab簡(jiǎn)介6</p><p>　　2.3 機(jī)構(gòu)尺寸的優(yōu)化7</p><p>　　2.3.1 目標(biāo)函數(shù)7</p><p>　　2.3.2

17、 約束條件8</p><p>　　2.3.3 優(yōu)化主函數(shù)8</p><p>　　2.3.4 Matlab 編程求解8</p><p>　　2.4 Matlab/Simulink動(dòng)態(tài)仿真9</p><p>　　2.4.1 利用 Simulink 進(jìn)行系統(tǒng)仿真[9]的步驟：9</p><p>　　2.4.2

18、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立9</p><p>　　2.4.2 計(jì)算函數(shù)的編制10</p><p>　　2.4.3 仿真模型初值的確定10</p><p>　　2.4.4 仿真模型的構(gòu)建11</p><p>　　2.4.5 動(dòng)態(tài)仿真12</p><p>　　2.5 本章小結(jié)19</p><

19、p>　　3 基于靜力學(xué)的截面選取20</p><p><b>　　3.1概述20</b></p><p>　　3.2機(jī)構(gòu)的靜力分析20</p><p>　　3.2.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)靜力學(xué)[10]模型20</p><p>　　3.2.2 利用Matlab求解21</p><p>　

20、　3.2.3 構(gòu)件模型的轉(zhuǎn)化23</p><p>　　3.3 構(gòu)件截面選取23</p><p>　　3.3.1 連桿的截面選取23</p><p>　　3.3.2連桿螺紋管截面的選取24</p><p>　　3.3.3搖桿的截面選取24</p><p>　　3.3.4圓柱銷(xiāo)截面選取27</p>

21、<p>　　3.3.5偏心軸的截面選取[12]28</p><p>　　3.3.6 偏心軸軸承的選取30</p><p>　　3.4 本章總結(jié)31</p><p>　　4 機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體建模32</p><p><b>　　4.1 概述32</b></p><p>　　4.2

22、 Pro/Engineer簡(jiǎn)介32</p><p>　　4.2.1 相關(guān)性 (FullAssoeiativity)32</p><p>　　4.2.2 基于特征的參數(shù)化建模(Feature一based parametrie Modeling)33</p><p>　　4.2.3 數(shù)據(jù)管理 (Data Management)33</p><

23、;p>　　4.2.4 裝配管理 (Assembly Management)33</p><p>　　4.2.5工程數(shù)據(jù)庫(kù)重用 (Engineering ate Reuse EDR)33</p><p>　　4.2.6 易用性 (Ease fuse)33</p><p>　　4.2.7 硬件獨(dú)立性 (Hardware Independence)34&l

24、t;/p><p>　　4.3三維實(shí)體建模[14]34</p><p>　　4.3.1機(jī)構(gòu)重要構(gòu)件三維實(shí)體圖35</p><p>　　4.4 三維實(shí)體裝配39</p><p>　　4.4.1 三維實(shí)體裝配簡(jiǎn)介39</p><p>　　4.4.2 裝配過(guò)程40</p><p>　　4.4.3

25、 機(jī)構(gòu)三維實(shí)體裝配圖41</p><p>　　4.5機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和分析42</p><p>　　4.5.1 Mechanism/Pro 簡(jiǎn)述42</p><p>　　4.5.2 Mechanism/Pro仿真過(guò)程42</p><p>　　4.6 本章小結(jié)45</p><p>　　5 基于A(yíng)nsys的應(yīng)力應(yīng)

26、變分析46</p><p>　　5.1 本章概述46</p><p>　　5.2 ansys軟件簡(jiǎn)介46</p><p>　　5.2.1 Ansys的主要技術(shù)特點(diǎn)46</p><p>　　5.2.2 Ansys有限元分析的流程47</p><p>　　5.3機(jī)構(gòu)重要構(gòu)件Ansys分析47</p>

27、<p>　　5.3.1搖桿的Ansys分析48</p><p>　　5.3.2 偏心軸的Ansys分析52</p><p>　　5.3.3 連桿的Ansys分析54</p><p>　　5.4本章小結(jié)56</p><p>　　6 結(jié)論與展望57</p><p>　　6.1 全文工作總結(jié)57&l

28、t;/p><p>　　6.2 后續(xù)工作展望57</p><p><b>　　致謝58</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)59</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1本文背景<

29、/b></p><p>　　近年來(lái)，重慶市船舶企業(yè)利用地理優(yōu)勢(shì)，一直在積極搶占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，并逐步向國(guó)際市場(chǎng)延伸。去年，川東造船廠(chǎng)特種船舶產(chǎn)業(yè)化建設(shè)、東風(fēng)船舶工業(yè)公司擴(kuò)能技改、帝力游艇制造有限公司高檔游艇制造等重點(diǎn)項(xiàng)目陸續(xù)推進(jìn)，重慶市船舶工業(yè)不僅實(shí)現(xiàn)了從建造內(nèi)河船舶到海洋船舶、出口船舶的歷史性跨越，還成功研發(fā)生產(chǎn)出一批高技術(shù)含量、高附加值船舶產(chǎn)品。 2008年重慶市船舶工業(yè)總產(chǎn)值首次突破百億大關(guān)，達(dá)到1

30、01。19億元。為了進(jìn)一步加速重慶船舶裝備制造業(yè)的發(fā)展，關(guān)鍵還是掌握關(guān)鍵核心技術(shù)，這些技術(shù)中，高彈性聯(lián)軸器的性能研究是一項(xiàng)重要內(nèi)容。</p><p>　　高彈性聯(lián)軸器被廣泛地應(yīng)用在船用柴油機(jī)動(dòng)力裝置中[5]。它設(shè)置在柴油機(jī)的輸出端,其功能在于：傳遞扭矩；調(diào)整傳動(dòng)裝置軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性；補(bǔ)償因振動(dòng)、沖擊引起的主、從動(dòng)軸的中心位移；緩沖和吸振。因此，起到了減振降噪的目的，從而起到保護(hù)主、從動(dòng)機(jī)和整個(gè)傳動(dòng)裝置運(yùn)行可靠性的

31、目的。高彈性聯(lián)軸器的性能主要包括如下幾個(gè)方面[6]。</p><p>　?、?額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、許用變動(dòng)轉(zhuǎn)矩：額定轉(zhuǎn)矩是指聯(lián)軸器允許持續(xù)傳遞的轉(zhuǎn)矩,它應(yīng)滿(mǎn)足動(dòng)力裝置在持續(xù)工況下的平均轉(zhuǎn)矩。最大轉(zhuǎn)矩是指聯(lián)軸器能夠滿(mǎn)足動(dòng)力裝置在瞬態(tài)工況下(如:啟動(dòng)、沖擊、通過(guò)臨界點(diǎn)等)的工作轉(zhuǎn)矩。許用變動(dòng)轉(zhuǎn)矩是指高彈性聯(lián)軸器滿(mǎn)足在動(dòng)力裝置持續(xù)工況下周期性扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的允許扭轉(zhuǎn)振動(dòng)轉(zhuǎn)矩幅值。該特性反映了高彈性聯(lián)軸器承受振動(dòng)的能力,也是高

32、彈性聯(lián)軸器的特征技術(shù)性能之一。</p><p>　?、?動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼系數(shù)：動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度C以產(chǎn)生單位扭轉(zhuǎn)變形所需的扭矩表示,動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度可以調(diào)節(jié)軸系的自振頻率以實(shí)現(xiàn)避開(kāi)共振的目的。而阻尼系數(shù)反映聯(lián)軸器衰減振動(dòng)的能力。動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼系數(shù)是動(dòng)力裝置軸系扭振計(jì)算不可缺少的高彈性聯(lián)軸器的重要特征技術(shù)性能參數(shù)。</p><p>　　③ 許用軸向位移、許用徑向位移、許用角向位移：許用軸向、徑向

33、、角向位移分別是允許高彈性聯(lián)軸器主、從動(dòng)端相對(duì)端面軸向、徑向和角向(兩軸線(xiàn)成一定角度)的偏移量。</p><p>　　彈性聯(lián)軸器的性能要求提了出來(lái)，但如何驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)出來(lái)的彈性聯(lián)軸器動(dòng)態(tài)減振特性是否合格，是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，一直困擾著眾多設(shè)計(jì)人員，目前的試驗(yàn)機(jī)基本上處于理論狀態(tài)，都是各自實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的，功能具有針對(duì)性，不夠全面，功能完善、被工程人員一致認(rèn)可的試驗(yàn)機(jī)在市場(chǎng)上還未出現(xiàn)。本論文的主要任務(wù)就是在理論的指導(dǎo)下，設(shè)

34、計(jì)一臺(tái)滿(mǎn)足功能要求的大功率偏心擺振試驗(yàn)機(jī)。</p><p>　　彈性聯(lián)軸器大功率偏心擺振試驗(yàn)機(jī)，其功能的實(shí)現(xiàn)的方式基本上是通過(guò)各種機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生一個(gè)偏振，通過(guò)該偏振的過(guò)程，將一個(gè)力矩傳遞到彈性聯(lián)軸器上。簡(jiǎn)而言之，就是將一種運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)化為擺動(dòng)。另外，由于彈性聯(lián)軸器實(shí)際工作過(guò)程中，其承受的力矩是一個(gè)動(dòng)態(tài)、不斷變化的過(guò)程，所以要求該實(shí)驗(yàn)機(jī)能動(dòng)態(tài)的施加不同的初始力矩。目前，針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)該大功率偏心擺振試驗(yàn)機(jī)功能的理論，被大家

35、普遍所接受的主要有三種方案，一是通過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，二是通過(guò)滾珠絲桿機(jī)構(gòu)，三是齒輪齒條機(jī)構(gòu)。各種方案各具特色，現(xiàn)對(duì)三種方案分析比較如下。</p><p>　　曲柄搖桿機(jī)構(gòu)有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：由于運(yùn)動(dòng)副元素為圓柱面和平面而易于加工、安裝并能保證精度要求，且因各構(gòu)件之間為面接觸而壓強(qiáng)小，便于潤(rùn)滑，故其磨損小且承載能力大，兩構(gòu)件之間的接觸是靠其本身的幾何封閉來(lái)維系的，它不象凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力來(lái)保持接觸；當(dāng)主動(dòng)件的運(yùn)

36、動(dòng)規(guī)律不變時(shí)，僅改變機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)度，則可使從動(dòng)件得到多種不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；另外，也可利用連桿曲線(xiàn)的多樣性來(lái)滿(mǎn)足工程上的各種軌跡要求。然而，連桿機(jī)構(gòu)也有其不足之處：連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)綜合較為繁難，一般情況下只能近似地實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與運(yùn)動(dòng)軌跡的要求；由于連桿機(jī)構(gòu)的慣性力不能得到完全平衡，因而不宜用于高速傳動(dòng)中；連桿機(jī)構(gòu)的性能受機(jī)構(gòu)上繁多的幾何參數(shù)的影響，呈復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系，無(wú)論從性能分析上還是性能綜合上都是一個(gè)比較困難的工作。</

37、p><p>　　滾珠絲桿機(jī)構(gòu)是由絲桿、螺母、滾珠等零件組成，其作用是將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或者將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為擺動(dòng)，主要優(yōu)點(diǎn)是高精度，高剛性，方便調(diào)節(jié)，低摩擦。缺點(diǎn)是使用的元件多，對(duì)元件性能要求高，尤其在潤(rùn)滑和摩擦和方面，控制不好，就會(huì)使能耗損失較大，容易造成性能穩(wěn)定性不好。另外，效率不高，成本較高，裝配比方案一要復(fù)雜。</p><p>　　齒輪齒條機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由一個(gè)齒輪和齒條構(gòu)成，給齒條一個(gè)往復(fù)

38、的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)齒輪的周期擺動(dòng)，該機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有：工作可靠、使用壽命長(zhǎng)；瞬間傳動(dòng)比為常數(shù)；傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；傳遞扭矩大。缺點(diǎn)是：齒輪制造需專(zhuān)用機(jī)床和設(shè)備，成本較高；精度低時(shí)，震動(dòng)和噪聲較大；傳動(dòng)平穩(wěn)性和準(zhǔn)確度較低。</p><p>　　擺振試驗(yàn)機(jī)最高頻率為12HZ，曲柄轉(zhuǎn)速低，再結(jié)合三種機(jī)構(gòu)的各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)綜合比較分析，方案一性?xún)r(jià)比最高，更具有實(shí)現(xiàn)意義，故試驗(yàn)機(jī)機(jī)構(gòu)模型選方案一。</p&g

39、t;<p>　　1.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特性</p><p>　　在具體討論曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能[7]之前，有必要就與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能有關(guān)的一些基本知識(shí)做一簡(jiǎn)單介紹。</p><p>　　1.2.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的條件</p><p>　　在鉸鏈四桿運(yùn)動(dòng)鏈中，某一轉(zhuǎn)動(dòng)副為整轉(zhuǎn)副的充分必要條件是組成該轉(zhuǎn)動(dòng)副的兩構(gòu)件中必有一個(gè)構(gòu)件為最短構(gòu)件，且四個(gè)構(gòu)件的長(zhǎng)度滿(mǎn)

40、足桿長(zhǎng)之和條件。如果四個(gè)構(gòu)件的長(zhǎng)度不滿(mǎn)足桿長(zhǎng)之和條件，則四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副均為擺動(dòng)副。從而無(wú)論取哪個(gè)構(gòu)件為機(jī)架，均得雙搖桿機(jī)構(gòu)。如果鉸鏈四桿運(yùn)動(dòng)鏈中四個(gè)構(gòu)件的長(zhǎng)度滿(mǎn)足桿長(zhǎng)之和條件，且其中一個(gè)構(gòu)件的長(zhǎng)度小于其他三個(gè)構(gòu)件中任一構(gòu)件的長(zhǎng)度，則該最短構(gòu)件所聯(lián)接的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副均為整轉(zhuǎn)副，另兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副均為擺動(dòng)副。此時(shí)，若取最短構(gòu)件為機(jī)架，則得雙曲柄機(jī)構(gòu)；而取最短構(gòu)件的任一相鄰構(gòu)件為機(jī)架，則得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；又若取最短構(gòu)件的對(duì)邊構(gòu)件為機(jī)架，則得雙搖桿機(jī)構(gòu)。<

41、;/p><p>　　1.2.2 行程速比系數(shù)</p><p>　　在圖1-1所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)主動(dòng)件曲柄等速回轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)件搖桿則往復(fù)變速擺動(dòng)。由圖可知，曲柄在回轉(zhuǎn)一周中有兩次與連桿共線(xiàn)，此時(shí)，搖桿分別位于極左和極右兩個(gè)極限位置。當(dāng)曲柄由位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)到達(dá)位置時(shí)，搖桿則由位置擺至位置，設(shè)其所需的時(shí)間為t1，而C點(diǎn)的平均速度為υ1；又當(dāng)曲柄再由位置繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)角到達(dá)位置時(shí)，搖桿則由位置變速

42、擺到位置，設(shè)其所需的時(shí)間為t2，而C點(diǎn)的平均速度為υ2。在以上兩個(gè)極限位置即曲柄與連桿兩次共線(xiàn)位置之間所夾銳角θ稱(chēng)為極位-夾角。由于>,所以t1>t2，而搖桿擺角ψ不變；可見(jiàn)當(dāng)曲柄等速回轉(zhuǎn)時(shí)，搖桿往復(fù)擺動(dòng)的平均速度是不同的，這種現(xiàn)象稱(chēng)為機(jī)構(gòu)的急回特性。為反映機(jī)構(gòu)急回特性的相對(duì)程度，引入從動(dòng)件行程速度變化系數(shù)，</p><p>　　圖1—1曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)分析</p><p

43、>　　用K表示，其值為 ………（1.1）</p><p>　　亦可由1.1 可得極位夾角為 ………… …… （1.2）</p><p>　　1.2.2 壓力角和傳動(dòng)角</p><p>　　在圖1-2所示的曲柄搖桿機(jī)中，若不考慮構(gòu)件的慣性力和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦力的影響，當(dāng)曲柄為主動(dòng)件時(shí)，則通過(guò)連桿作用于從動(dòng)件搖桿上的力P即沿方向。該力P的

44、作用線(xiàn)與其作用點(diǎn)C的絕對(duì)速度之間所夾的銳角稱(chēng)為壓力角。 </p><p>　　圖1—2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的壓力角分析</p><p>　　由圖可見(jiàn)，力可分解為沿點(diǎn)絕對(duì)速度方向的分力及沿構(gòu)件方向的分力。分力只能使鉸鏈及產(chǎn)生徑向壓力，而分力才是推動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的有效分力，其值。顯然，壓力角越小，其有效分力則越大，亦即機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效益越高。為了便于度量，引入壓力角的余角，該角稱(chēng)為傳動(dòng)角。顯然，角越大，

45、則有效分力則越大而就越小，因此在機(jī)構(gòu)中常用其傳動(dòng)角的大小及其變化情況來(lái)表示機(jī)構(gòu)的傳力性能。</p><p>　　傳動(dòng)角的大小是隨機(jī)構(gòu)位置的不同而變化的。為了保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳動(dòng)性能，綜合機(jī)構(gòu)時(shí)，通常應(yīng)使≥40°。尤其對(duì)于一些具有短暫高峰載荷的機(jī)構(gòu)，可利用其傳動(dòng)角接近最大值時(shí)進(jìn)行工作，從而節(jié)省動(dòng)力。</p><p>　　1.3 論文主要工作和內(nèi)容安排</p>&l

46、t;p>　　本論為在已有的研究成果的基礎(chǔ)上，從工程實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，利用各軟件進(jìn)行尺寸優(yōu)化，三維實(shí)體建模，動(dòng)態(tài)仿真，應(yīng)力應(yīng)變分析，設(shè)計(jì)出合理的機(jī)構(gòu)。各章節(jié)的主要內(nèi)容如下。</p><p>　　第二章：利用Matlab軟件對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并借助軟件的Sumulink工具動(dòng)態(tài)仿真，使曲柄搖桿機(jī)構(gòu)搖桿擺角滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，速度、加速度曲線(xiàn)盡量平滑。</p>

47、<p>　　第三章:利用材料力學(xué)和理論力學(xué)知識(shí)，選取曲柄搖桿機(jī)構(gòu)合理的截面尺寸，并進(jìn)行強(qiáng)度剛度驗(yàn)證。</p><p>　　第四章：用ProE軟件對(duì)機(jī)構(gòu)各個(gè)零件三維實(shí)體建模，建模后裝配為完整的機(jī)構(gòu)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。</p><p>　　第五章:用Ansys軟件對(duì)機(jī)構(gòu)受力較大的幾個(gè)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，驗(yàn)證構(gòu)件是否滿(mǎn)足強(qiáng)度剛度要求。</p><p>　　第六章:

48、結(jié)論與展望。對(duì)全文的工作進(jìn)行了概括總結(jié)，并對(duì)今后的工作中所需深入研究的問(wèn)題給予了展望。</p><p>　　2 基于Matlab的優(yōu)化和仿真</p><p><b>　　2.1 概述</b></p><p>　　本章主要任務(wù)就是確定曲柄搖桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度尺寸，初步確定曲柄為三組偏心量不同的偏心軸，偏心軸的偏心量即為曲柄的長(zhǎng)度，連桿長(zhǎng)度能夠在一定范圍

49、內(nèi)無(wú)級(jí)可調(diào)，最終的機(jī)構(gòu)的搖桿的擺角要在±10度范圍之內(nèi)。為了得到曲柄，連桿，搖桿，機(jī)架的最優(yōu)長(zhǎng)度值，首先根據(jù)實(shí)際情況，初步選定機(jī)架的長(zhǎng)度，結(jié)合目前的生產(chǎn)工藝水平，確定各組偏心軸偏心量的范圍，然后利用Matlab軟件的優(yōu)化工具，得到曲柄，連桿，搖桿的最有長(zhǎng)度，最后利用Matlab軟件Simulink工具，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行角度和角速度仿真，驗(yàn)證所得到的機(jī)構(gòu)尺寸是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　2.2 M

50、atlab簡(jiǎn)介</p><p>　　MATLAB 是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。</p><p>　　MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱(chēng)，和Mathematica、Maple并稱(chēng)為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟

51、件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶(hù)界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。</p><p>　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且mathwor

52、k也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接調(diào)用,用戶(hù)也可以將自己編寫(xiě)的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛(ài)好者都編寫(xiě)了一些經(jīng)典的程序，用戶(hù)可以直接進(jìn)行下載就可以用。以下是Matlab一些主要特性：</p><p>　　2.2.1 Matlab特點(diǎn)</p>

53、<p>　　●此高級(jí)語(yǔ)言可用于技術(shù)計(jì)算 </p><p>　　●此開(kāi)發(fā)環(huán)境可對(duì)代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理</p><p>　　●交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計(jì)及求解問(wèn)題 </p><p>　　●數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線(xiàn)性代數(shù)、統(tǒng)計(jì)、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等 </p><p>　　●二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù) <

54、/p><p>　　●各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶(hù)界面 </p><p>　　●各種函數(shù)可將基于MATLAB的算法與外部應(yīng)用程序和語(yǔ)言（如 C、C++、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成　　 </p><p>　　本章節(jié)所用到的MATLAB工具主要為優(yōu)化模塊和Simulink仿真模塊。</p><p>

55、;　　2.3 機(jī)構(gòu)尺寸的優(yōu)化</p><p>　　為確定尺寸的大致范圍，在用MATLAB進(jìn)行優(yōu)化[8]時(shí)，用作圖法，先試探性的選幾組數(shù)據(jù)，在CAD軟件中做出擺桿的規(guī)矩曲線(xiàn)，將尺寸的大致范圍確定一下。經(jīng)過(guò)試探，初步選定連桿的長(zhǎng)度的為750 mm，偏心量范圍分別為5—10mm,11—30 mm, 31—40 mm，選搖桿擺角的最大范圍20度進(jìn)行尺寸優(yōu)化，具體優(yōu)化過(guò)程如下。</p><p>　　

56、2.3.1 目標(biāo)函數(shù)</p><p>　　圖2—1為一普通曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖，搖桿擺角的左右極限位置的夾角，即為搖桿的擺角范圍，如圖所示，搖桿右極限</p><p>　　圖2—1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)搖桿的擺角</p><p><b>　　位置的擺角為：</b></p><p>　　………… (2.1)</p>&

57、lt;p>　　左極限位置的擺角為：</p><p>　　……… … .(2.2)</p><p>　　根據(jù)搖桿擺角范圍為±10度，則目標(biāo)函數(shù)可以可寫(xiě)成：</p><p>　　F(x)= — ….... ……… (2.3)</p><p>　　2.3.2 約束條件 </p><p>　　

58、根據(jù)平面曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，可以得到如下的約束條件：</p><p>　?、?每一個(gè)桿長(zhǎng), , , 均大于零；</p><p>　　② 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)存在的條件，表示如下：</p><p>　　…...……… (2.4)</p><p>　?、?曲柄的長(zhǎng)度取最大那組，即</p><p>　　…...……… (2.5)

59、</p><p>　　2.3.3 優(yōu)化主函數(shù)</p><p>　　Matlab優(yōu)化工具箱含有一系列的優(yōu)化算法函數(shù)，可以用于解決以下工程實(shí)際問(wèn)題:無(wú)約束條件非線(xiàn)性極小值;有約束條件非線(xiàn)性極小值;二次規(guī)劃和線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題;非線(xiàn)性最小二乘逼近和曲線(xiàn)擬合;非線(xiàn)性系統(tǒng)的方程求解;約束條件下的線(xiàn)性最小二乘優(yōu)化;復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大規(guī)模優(yōu)化問(wèn)題等。求解約束最優(yōu)化的極小值，一般采用Matlab優(yōu)化工具箱的fminc

60、on函數(shù),其基本應(yīng)用語(yǔ)法如下:</p><p>　　[x，fval]=fmineon(fun，xo，A，b，Aeq，beq，lb，ub)</p><p>　　式中:fval—目標(biāo)函數(shù)在最優(yōu)解x點(diǎn)的函數(shù)值;fun—目標(biāo)函數(shù);x0—初始值;A—線(xiàn)性不等式A*x感b的系數(shù)矩陣;b—常數(shù)向量;Aeq—線(xiàn)性等式約束Aeq*x=beq的系數(shù)矩陣，若無(wú)等式約束，Aeq=[];beq—線(xiàn)性等式約束常數(shù)矩陣

61、，若無(wú)等式約束，beq=[];lb—設(shè)計(jì)變量的下界向量，若不給定，lb=[];ub—設(shè)計(jì)變量的上界向量，若不給定，ub=[]。一般地，在應(yīng)用Matlab函數(shù)時(shí)應(yīng)把約束條件改寫(xiě)成符合Matlab的格式。</p><p>　　2.3.4 Matlab 編程求解</p><p>　　如前所述，將機(jī)架取定長(zhǎng)為=750 mm，令,把尺寸的約束條件轉(zhuǎn)化為符合Matlab的格式，將前面的過(guò)程中的目標(biāo)

62、函數(shù)、約束函數(shù)和主函數(shù)分別編為Matlab中的M文件。</p><p>　　運(yùn)行主文件后得到如下結(jié)果：</p><p>　　X= [37.0423, 1270.6087, 595.1230]</p><p>　　FVAL=0.0291</p><p>　　從所得到結(jié)果可以知道，當(dāng)機(jī)架的長(zhǎng)度=750 mm,曲柄的長(zhǎng)度mm,連桿長(zhǎng)度為 mm，搖桿

63、長(zhǎng)度為 mm時(shí)，機(jī)構(gòu)搖桿的最大擺角范圍為20度。</p><p>　　在得到搖桿的長(zhǎng)度后，即將搖桿的長(zhǎng)度確定下來(lái)，利用相同的方法，取搖桿的最小的擺角為參照基準(zhǔn)，曲柄選最小的一組5—15 mm，可以得到當(dāng)連取為460 mm，曲柄的長(zhǎng)度取為5 mm時(shí)，可以使搖桿的擺角達(dá)到1度范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。這樣機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度尺寸基本確定下來(lái)：</p><p>　　曲柄三組，偏心分別為 5 mm ,13.

64、58 mm , 37 mm;</p><p>　　連桿長(zhǎng)度最大值為1271.5 mm ，最小為460 mm ;</p><p>　　搖桿的長(zhǎng)度為595 mm ;</p><p>　　機(jī)架的長(zhǎng)度為750 mm 。</p><p>　　2.4 Matlab/Simulink動(dòng)態(tài)仿真</p><p>　　2.4.1 利用 S

65、imulink 進(jìn)行系統(tǒng)仿真[9]的步驟：</p><p>　?。?）啟動(dòng) Simulink，打開(kāi) Simulink模塊庫(kù)；</p><p>　?。?）打開(kāi)空白模型窗口；</p><p>　　(3) 建立 Simulink 仿真模型；</p><p>　?。?）設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真；</p><p>　?。?）輸出仿

66、真結(jié)果。</p><p>　　2.4.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立</p><p>　　（1）建立矢量方程和矩陣方程</p><p>　　圖2-2 四連桿機(jī)構(gòu)的閉環(huán)矢量圖</p><p>　　如圖2—2所示，機(jī)架、曲柄、連桿、搖桿的長(zhǎng)度分別為,曲柄、連桿、搖桿和軸正向夾角分別為。曲柄以等角速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在所建立的坐標(biāo)系Oxy中，把各桿

67、矢向坐標(biāo)軸投影，可得：</p><p>　　………… （2.6）</p><p>　　…………. （2.7）</p><p>　　由于三個(gè)矢量夾角均隨時(shí)間變化，所以必須考慮對(duì)其求時(shí)間導(dǎo)數(shù)。式（2.6）和式（2.7）對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)得：</p><p><b>　　…………（2.8）</b></p><

68、p><b>　　…………（2.9）</b></p><p>　　方程（2.8）和（2.9）可以寫(xiě)成以下矩陣形式：</p><p>　　…………（2.10）</p><p>　　將式（2.8）和（2.9）對(duì)時(shí)間t求2次導(dǎo)，得到有關(guān)角速度和角加速度的2個(gè)方程</p><p>　　…………（2.11）</p>

69、<p>　　…………（2.12）</p><p>　　方程（2.11）和（2.12）可以寫(xiě)成以下矩陣形式：</p><p>　　…………（2.13）</p><p>　　式中 ——曲柄角速度，</p><p><b>　　——連桿角速度，</b></p><p><b&

70、gt;　　——搖桿角速度，</b></p><p><b>　　——連桿角加速度，</b></p><p><b>　　——搖桿角加速度，</b></p><p>　　方程（2.10）用于已知各個(gè)桿件的長(zhǎng)度和曲柄輸入速度時(shí)，求解連桿和搖桿的角速度及實(shí)時(shí)擺角的大小，對(duì)搖桿的擺角仿真就利用那個(gè)該方程。</p&

71、gt;<p>　　2.4.2 計(jì)算函數(shù)的編制</p><p>　　為在Matlab/Simulink中進(jìn)行軌跡仿真，需要先編制一個(gè)M函數(shù)文件，這個(gè)函數(shù)將成為Simulink仿真模型的核心模塊。</p><p>　　根據(jù)方程（2.10）編制的qbyg函數(shù)，主要用于計(jì)算連桿及搖桿的角速度等。</p><p>　　2.4.3 仿真模型初值的確定</p&

72、gt;<p>　　為了計(jì)算方便，將初始位置去在曲柄轉(zhuǎn)至與軸正向重合時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到的初始值。對(duì)于曲柄的角速度，取為 60 。</p><p>　　2.4.4 仿真模型的構(gòu)建</p><p>　　進(jìn)入Matlab的Smulink界面，由由Simulink Library Browser</p><p>　　的模塊庫(kù)中拖放相應(yīng)的方框圖進(jìn)入模型構(gòu)建界面中

73、,建立如圖2—3所示的仿真模型。</p><p>　　圖2—3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)搖桿擺角仿真的Simulink模型</p><p>　　更改2個(gè)Matlab Function模塊的屬性,以使其調(diào)用前面編制的計(jì)算函（如圖所示），將各桿與水平正向夾角的初值添入相應(yīng)積分模塊中(如圖2—5所示)</p><p>　　圖2—4 Matlab Function模塊的屬性<

74、/p><p>　　圖2—5 積分模塊的屬性</p><p>　　為了使輸出在示波器上顯示的更加逼真，還需在參數(shù)中設(shè)置一下輸出的細(xì)化選項(xiàng)（如圖2—6所示），在默認(rèn)的兩個(gè)輸出點(diǎn)之間插入若干點(diǎn)，使得示波器輸出曲線(xiàn)平滑。</p><p>　　圖2—6 仿真模塊中細(xì)化參數(shù)設(shè)置</p><p>　　2.4.5 動(dòng)態(tài)仿真</p><p

75、>　　構(gòu)造Simulink模型并作好所有初始化工作后,點(diǎn)擊Start Simulink按鈕開(kāi)始搖桿擺角的仿真。對(duì)于每組不同的桿長(zhǎng)，只要在計(jì)算函數(shù)中更改初始桿長(zhǎng)，并在積分模塊中更改初始角的大小，即可得到不同的搖桿擺角曲線(xiàn)和角速度。下面是對(duì)前面得到的6組數(shù)據(jù)分別仿真所得到的曲線(xiàn)。</p><p>　?、?機(jī)架L0=751，曲柄L1=37，連桿L2=1271.5，搖桿L3=595時(shí)，得到的仿真圖形，θ3的范圍20

76、.03度。</p><p>　　圖2—7 第一組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的搖桿擺角曲線(xiàn)</p><p><b>　　ω3</b></p><p>　　圖2—8 第一組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的搖桿角速度曲線(xiàn)</p><p>　　機(jī)架L0=751，曲柄L1=37，連桿L2=460，搖桿L3=595時(shí)，得到的仿真圖</p><p>

77、　　θ3的范圍為7.16度。</p><p>　　圖2—9 第二組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的搖桿擺角曲線(xiàn)</p><p><b>　　ω3</b></p><p>　　圖2—10 第二組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的搖桿角速度曲線(xiàn)</p><p>　?、?機(jī)架L0=751，曲柄L1=13.58，連桿L2=1271.5，搖桿L3=595時(shí)，得到的仿真圖形，θ

78、3的范圍為7.28度。</p><p>　　圖2—11 第三組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的搖桿擺角曲線(xiàn)</p><p><b>　　ω3</b></p><p>　　圖2—12 第三組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的搖桿角速度曲線(xiàn)</p><p>　　機(jī)架L0=751，曲柄L1=13.58，連桿L2=460，搖桿L3=595時(shí)，得到的</p>&

79、lt;p>　　仿真圖形，θ3的范圍為2.69度。</p><p>　　圖2—13 第四組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的搖桿擺角曲線(xiàn)</p><p><b>　　ω3</b></p><p>　　圖2—14 第四組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的搖桿角速度曲線(xiàn)</p><p>　?、?機(jī)架L0=751，曲柄L1=5，連桿L2=1271.5，搖桿L3=595時(shí)

80、，得到的仿真圖形，θ3的范圍為2.75度。</p><p>　　圖2—15 第五組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的搖桿擺角曲線(xiàn)</p><p><b>　　ω3</b></p><p>　　圖2—16 第五組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的搖桿角速度曲線(xiàn)</p><p>　　⑥ 機(jī)架L0=751，曲柄L1=5，連桿L2=460，搖桿L3=595時(shí)，得到的仿<

81、/p><p>　　真圖形，θ3的范圍為1.15度。</p><p>　　圖2—17 第六組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的搖桿擺角曲線(xiàn)</p><p><b>　　ω3</b></p><p>　　圖2—18 第六組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的搖桿角速度曲線(xiàn)</p><p>　　由上面六組圖片曲線(xiàn)可以得到，當(dāng)桿長(zhǎng)為優(yōu)化所得的六組數(shù)據(jù)時(shí)，搖桿

82、的擺角可以為1.15—20.03度中的任意一個(gè)角度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，六組搖桿的角速度曲線(xiàn)都為標(biāo)準(zhǔn)余弦曲線(xiàn)，同曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)際情況相符，證明所得數(shù)據(jù)的合理性。另外，動(dòng)態(tài)仿真所得到曲線(xiàn)也充分的驗(yàn)證了前面優(yōu)化所得數(shù)據(jù)的正確性。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章從搖桿擺角范圍出發(fā)，經(jīng)過(guò)Matlab優(yōu)化和仿真，得到了擺振試驗(yàn)機(jī)模

83、型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度尺寸：</p><p>　　曲柄三組，偏心分別為 5 mm ,13.58 mm , 37 mm;</p><p>　　連桿長(zhǎng)度最大值為1271.5 mm ，最小為460 mm ;</p><p>　　搖桿的長(zhǎng)度為595 mm ;</p><p>　　機(jī)架的長(zhǎng)度為750 mm 。</p><p>　　

84、該長(zhǎng)度能很好地滿(mǎn)足，當(dāng)扭振頻率小于12HZ，輸出扭振轉(zhuǎn)角在±10度之內(nèi)。</p><p>　　3 基于靜力學(xué)的截面選取</p><p><b>　　3.1概述</b></p><p>　　通過(guò)第2章的優(yōu)化和仿真，獲到了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的大致模型，結(jié)合設(shè)計(jì)要求的桿受的最大力矩為25 KN.m，利用靜力學(xué)知識(shí)，可以求出機(jī)構(gòu)各構(gòu)件在鉸結(jié)點(diǎn)的支點(diǎn)

85、力。求出受力狀況后，利用材料力學(xué)強(qiáng)度和剛度理論，選取合理的構(gòu)件尺寸。</p><p>　　3.2機(jī)構(gòu)的靜力分析 </p><p>　　3.2.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)靜力學(xué)[10]模型</p><p>　　搖桿上承受為一個(gè)非常大扭矩25 KN.m，雖然搖桿的尺寸也比較長(zhǎng)，重量較大，但重力相對(duì)于構(gòu)件支點(diǎn)力相比，相差2個(gè)數(shù)量級(jí)左右，故在靜力分析時(shí)，構(gòu)件的重力不予考慮。<

86、/p><p>　　由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的受力特性可知，當(dāng)搖桿位于左右極限位置時(shí)，其承受的力矩和支點(diǎn)力最大，所以在對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力分析時(shí)，選取極限位置，建立數(shù)學(xué)模型。機(jī)構(gòu)的受力分析圖如圖3—1所示。</p><p>　　圖3—1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)靜力學(xué)模型</p><p>　　對(duì)其進(jìn)行受力分析可得：</p><p>　　…….............（3.1

87、）</p><p>　　…….......... (3.2)</p><p>　　…….......... (3.3)</p><p>　　…….......... (3.4)</p><p>　　…….......... (3.5)</p><p>　　為方便表達(dá)，令 ，</p><p

88、>　　3.2.2 利用Matlab求解</p><p>　　得到機(jī)構(gòu)受力表達(dá)式后，為簡(jiǎn)化求解過(guò)程，可用Matlab編程進(jìn)行快速求解。</p><p>　　在運(yùn)行程序之前，求出在不同的曲柄和連桿長(zhǎng)度下，當(dāng)搖桿位于左右極限位置時(shí)，曲柄、連桿和搖桿同水平正方向的夾角，加上每組不同的桿長(zhǎng)條件，作為M文件的輸入，輸入數(shù)據(jù)如下表所示：</p><p><b>　

89、　續(xù)上表</b></p><p>　　圖3-2 六組輸入數(shù)據(jù)表 </p><p>　　運(yùn)行M文件之后，一次輸入上表中對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)，得到的個(gè)點(diǎn)的力如下圖3—3所示。</p><p>　　圖3—3 靜力學(xué)各支點(diǎn)力及驅(qū)動(dòng)矩的大小</p><p>　　由上面兩表可以得到如下結(jié)論：</p><p>　

90、?、?在左右極限位置處，曲柄轉(zhuǎn)角相差的角度來(lái)看，隨著連桿的長(zhǎng)度減小，逐漸接近pi，此時(shí)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)無(wú)急回特性；</p><p>　?、?如果機(jī)構(gòu)有急回特性，在左極限位置處，各構(gòu)件上的支點(diǎn)力比在右極限處稍小，但相差不大；</p><p>　?、?如果機(jī)構(gòu)無(wú)急回特性，在左右極限位置處，構(gòu)件上的支點(diǎn)力大小相等。</p><p>　　綜合在極限位置時(shí)各個(gè)構(gòu)件轉(zhuǎn)角的大小，驗(yàn)證

91、第二組數(shù)據(jù)時(shí)，作用在搖桿上的兩個(gè)方向上力最大，此時(shí)作用在連桿上的拉力最大，故后面選取構(gòu)件截面時(shí)，選取Fx=73152 N，F(xiàn)y=15592 N。</p><p>　　3.2.3 構(gòu)件模型的轉(zhuǎn)化</p><p>　　搖桿在極限位置處，輸出軸傳遞給它的是一個(gè)相當(dāng)大的阻力矩，阻力矩的平衡依靠連桿作用在其上的支點(diǎn)力產(chǎn)生的矩來(lái)平衡，所以，在極限位置處，搖桿可以簡(jiǎn)化為一段固定的懸臂梁[11]。<

92、/p><p>　　連桿在整個(gè)作用過(guò)程中，只承受支點(diǎn)力，沒(méi)有矩作用，由受力平衡分析可知，相當(dāng)于一個(gè)二力桿，只需驗(yàn)證擠壓強(qiáng)度即可。</p><p>　　曲柄（偏心軸）是機(jī)構(gòu)動(dòng)力的輸入裝置，電機(jī)傳過(guò)來(lái)一個(gè)輸入扭矩，連桿反作用有支點(diǎn)力，根據(jù)一般軸的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.3 構(gòu)件截面選取</p><p>　　3.3.1 連桿的截面選取

93、</p><p>　　連桿看作一個(gè)二力桿，其受力模型如下圖所示：</p><p>　　圖 3—4 連桿的受力圖</p><p>　　由上面的結(jié)果可知， KN KN </p><p>　　則在桿方向上的力F為 KN</p><p>　?、?拉壓強(qiáng)度計(jì)算公式為 </p><

94、;p>　　連桿材料選為45鋼 Mpa，取，連桿的截面為空心圓，空心率。帶入到擠壓強(qiáng)度計(jì)算公式中有：</p><p><b>　　Mpa</b></p><p>　　計(jì)算可得 mm，取 mm。</p><p><b>　?、?剛度驗(yàn)證 </b></p><p>　　在拉應(yīng)力的作用下，

95、 </p><p>　　經(jīng)驗(yàn)證，剛度在安全范圍之內(nèi)。</p><p>　　3.3.2連桿螺紋管截面的選取</p><p>　　螺紋管的受力同連桿的一樣，其內(nèi)徑即為連桿的外徑 mm。</p><p>　　由 </p><p>　　取 =116.7 Mpa 解出 mm 取 m

96、m。</p><p>　　剛度條件 ，剛度在安全范圍之內(nèi)。</p><p>　　3.3.3搖桿的截面選取</p><p>　　搖桿的受力模型如下圖3—5所示。</p><p>　　圖 3—5 搖桿的受力圖</p><p>　　當(dāng)在左右極限位置時(shí)，可以簡(jiǎn)化為下面的受力模型，如圖3—6所示。</p>&l

97、t;p>　　圖 3—6 搖桿的簡(jiǎn)化受力圖</p><p>　　由圖3—5可得 ……................... （3.6）</p><p>　　……................（3.7）</p><p>　　其中為連桿作用在搖桿垂直方向的力，產(chǎn)生一個(gè)力矩，平衡阻力矩；為作用在搖桿上、平行搖桿方向的力，對(duì)搖桿產(chǎn)生拉

98、壓應(yīng)變。對(duì)上面兩式求解得：KN , KN。</p><p><b>　?、?剛度驗(yàn)證</b></p><p>　　由圖3—6可知，作用下產(chǎn)生的應(yīng)力為 </p><p>　　…….................（3.8）</p><p>　　……................. (3.9)</p>

99、<p>　　……................. (3.10)</p><p>　　選取搖桿的形式如下圖3—7所示。</p><p>　　圖 3—7 搖桿結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　設(shè)搖桿兩邊板厚度 mm，兩偏心板偏中心線(xiàn)為30 mm,則上面三式可以寫(xiě)為：.......... (3.11)</p><p>　　……......

100、........... (3.12)</p><p>　　……................. (3.13)</p><p>　　將 KN.m，KN，mm，mm，mm，解得mm，取mm。</p><p><b>　?、?搖桿的剛度驗(yàn)證</b></p><p>　　在作用下，搖桿的受力變形如圖3—8所示。</p&

101、gt;<p>　　圖3—8 搖桿受力變形圖</p><p>　　查材料力學(xué)相關(guān)資料有： …….................（3.14）</p><p>　　……...............（3.15）</p><p><b>　　一般桿件的許用撓度</b></p><p><

102、b>　　，取為mm。</b></p><p><b>　　桿件的許用轉(zhuǎn)角</b></p><p><b>　　，取</b></p><p>　　將 GPa，mm，代入到方程（3.14）和（3.15）中，求得：</p><p><b>　　mm</b></

103、p><p>　　驗(yàn)證結(jié)果表明，搖桿的剛度在安全范圍之內(nèi)。</p><p>　　3.3.4圓柱銷(xiāo)截面選取</p><p>　　連桿和搖桿的連接采用圓柱銷(xiāo)連接，銷(xiāo)的受力如圖3—9</p><p>　　圖3—9 圓柱銷(xiāo)受力圖</p><p>　　根據(jù)剪應(yīng)力強(qiáng)度校核公式：</p><p>　　…….....

104、............（3.16）</p><p><b>　　式中 N</b></p><p>　　對(duì)塑性材料：，取 Mpa</p><p>　　將、代入方程（3.15），解得：</p><p><b>　　mm</b></p><p>　　考慮到搖桿的尺寸比較大，

105、為保證整體的協(xié)調(diào)性，將銷(xiāo)的截面選得稍大一點(diǎn)，取mm。</p><p>　　3.3.5偏心軸的截面選取[12]</p><p>　　在選定連桿后，為了能夠很好的同連桿進(jìn)行連接，偏心軸的偏心部分長(zhǎng)度可以確定為70mm，兩邊的軸肩長(zhǎng)度定為12mm,初選軸承為NU 1009，軸承寬度為20mm,此時(shí)，偏心軸的示意圖如圖3—10所示。</p><p>　　圖 3—10 偏心

106、軸示意圖</p><p>　　根據(jù)軸的受力圖，可以作出下面的扭矩圖和彎矩圖，如圖3—11所示。</p><p>　　圖3—11 偏心軸的扭矩圖和彎矩圖</p><p>　　選偏心軸的角速度恒定為60 ，依據(jù)一個(gè)周期內(nèi)輸入輸出能量守恒，對(duì)機(jī)構(gòu)仿真可以得到扭矩N.m。</p><p>　?、?偏心部分截面的選取</p><p&

107、gt;　　在Y方向上的最大彎矩 N.m</p><p>　　在X方向上的最大彎矩 N.m</p><p>　　在軸上的總的彎矩 N.m</p><p>　　根據(jù)第四強(qiáng)度理論可以知道：</p><p>　　……...........（3.17）</p><p>　　式中的滿(mǎn)足

108、 …….................（3.18）</p><p>　　聯(lián)立方程進(jìn)行求解得 mm，選 mm。</p><p><b>　?、?軸頸截面的選取</b></p><p>　　在軸頸同軸肩連接處，X和Y方向上的彎矩分別為：</p><p><b>　　N.m</b>

109、</p><p><b>　　N.m</b></p><p>　　軸上總的彎矩 N.m</p><p>　　扭矩沒(méi)變，仍然為 N.m</p><p><b>　　根據(jù)第四強(qiáng)度理論，</b></p><p>　　式中的滿(mǎn)足 </p>

110、;<p>　　可以解出 mm，取 mm。</p><p>　　3.3.6 偏心軸軸承的選取[13]</p><p><b>　?、?軸承類(lèi)型的選取</b></p><p>　　選用那一種類(lèi)型的軸承，主要依據(jù)是軸承的工作條件。機(jī)構(gòu)中的偏心軸工作轉(zhuǎn)速為600，速度不高，電機(jī)傳過(guò)來(lái)的扭矩不大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，徑向支點(diǎn)力較大，摩擦力作用較

111、明顯。鑒于這些工作條件，選用圓柱滾子軸承?？紤]到徑向的力較大，一共選用4個(gè)軸承，一邊兩個(gè)。</p><p><b>　?、?計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷</b></p><p>　　初選軸承型號(hào)為圓柱滾子軸承 NU 1009，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)有： KN， KN。</p><p>　　由題可知： KN </p><p>　　當(dāng)量

112、動(dòng)載荷 KN</p><p>　　③ 計(jì)算軸承應(yīng)具有的基本額定動(dòng)載荷</p><p>　　額定動(dòng)載荷 …….................（3.19）</p><p>　　試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 ，試驗(yàn)機(jī)為間斷使用的機(jī)器，查設(shè)計(jì)手冊(cè)取 ，，，。</p><p>　　將數(shù)據(jù)代入方程（3.19）可得：</p>&

113、lt;p><b>　　KN</b></p><p><b>　　故所選軸承合適。</b></p><p><b>　　3.4 本章總結(jié)</b></p><p>　　本章在材料力學(xué)的基礎(chǔ)上，在構(gòu)件滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度條件下，通過(guò)詳細(xì)的理論計(jì)算，選定了連桿、搖桿、偏心軸、圓柱銷(xiāo)的截面大小，支撐偏心軸的軸承

114、的種類(lèi)和型號(hào)也確定了下來(lái)。這些主要構(gòu)件確定了下來(lái)后，從機(jī)構(gòu)整體協(xié)調(diào)性和美觀(guān)的角度可一次確定其它構(gòu)件的長(zhǎng)度和截面。</p><p>　　4 機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體建模</p><p><b>　　4.1 概述</b></p><p>　　第二章確定了機(jī)構(gòu)構(gòu)件的長(zhǎng)度尺寸，第三章確定了機(jī)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸，在這兩章的基礎(chǔ)上，利用Proe軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建

115、模，建模好后，可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)畫(huà)仿真，也為下一章的Ansys 做好準(zhǔn)備。</p><p>　　4.2 Pro/Engineer簡(jiǎn)介</p><p>　　Pro/Engine軟件系統(tǒng)是美國(guó)參數(shù)化技術(shù)公司 PTe(ParametrieTeehnologyCorporation)的優(yōu)秀產(chǎn)品，提供了集成產(chǎn)品的三維造型設(shè)計(jì)、加工、分析及繪圖等功能完整的 CAD/CAE/CAM解決方案。該軟件以使用方

116、便、參數(shù)化造型和系統(tǒng)的全相關(guān)性而著稱(chēng)。目前Pro/Enginee:軟件在我國(guó)的機(jī)械、電子、家電、塑料模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車(chē)、自行車(chē).、航天、家電、玩具等行業(yè)取得了廣泛的應(yīng)用，該軟件在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用數(shù)量大大超過(guò)了同類(lèi)型的其它國(guó)外產(chǎn)品。Pro/Engineer可謂是全方位的3D產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件，集合了零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品組合、模具開(kāi)發(fā)、NC加工、飯金件設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測(cè)量、機(jī)構(gòu)仿真、應(yīng)力分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理于一體，其模塊眾多。主要由

117、以下六大主模塊組成:工業(yè)設(shè)計(jì)、 (CAID)模塊、機(jī)械設(shè)計(jì)(CAD)模塊、功能仿真(CAE)模塊、制造(CAM)模塊、數(shù)據(jù)管理（PDM)模塊和數(shù)據(jù)交換(geometry介anslator)模塊。這里將介紹一下Pro/Engineer的主要特性。</p><p>　　4.2.1 相關(guān)性 (Full Assoeiativity)</p><p>　　相關(guān)性是指所有的Pro/Engineer的功

118、能都相互關(guān)聯(lián)。這就意味著在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，用戶(hù)任何時(shí)候所作的變更，都會(huì)擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有工程文檔如部件、加工以及產(chǎn)品信息管理等。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開(kāi)發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改卻沒(méi)有任何損失，使并行工程成為可能，所以能夠使開(kāi)發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮作用。Pro/Engineer系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境最突出的特點(diǎn)就在于它能夠支持并行工程，通過(guò)一系列足以表現(xiàn)外形、裝配性能的全相關(guān)性的解決方案，可以讓用戶(hù)同時(shí)在幾個(gè)技術(shù)領(lǐng)域處理一個(gè)產(chǎn)品模型。這些功

119、能包括造型設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、加工以及產(chǎn)品信息管理等。Pro/Engineer提供的參數(shù)化設(shè)計(jì)的最大的特點(diǎn)就是單一數(shù)據(jù)庫(kù) (Single Database)。Pro/Engineer配合單一數(shù)據(jù)庫(kù)，所有設(shè)計(jì)過(guò)程所使用的尺寸(參數(shù))都存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，修改CAD模型及工程圖將不再是一件難事，設(shè)計(jì)者只需更改3D零件的尺寸，則ZD工程圖就會(huì)依照尺寸的修改作幾何形狀的變化，同樣修改ZD工程圖的尺寸其相關(guān)的3D實(shí)體模型也會(huì)自動(dòng)修改，同時(shí)裝配、制