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長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院
目錄
第一章、 緒論 - 5 -
1.1 選題的目的和意義 - 6 -
1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 - 6 -
1.2.1、解析法 - 7 -
1.2.2、圖解法 - 7 -
1.2.3、復(fù)數(shù)向量法 - 8 -
1.3 設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容 - 9 -
1.3.1、 - 9 -
1.3.2、 - 9 -
1.3.3、 - 9 -
1.3.4、 - 9 -
第二章、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)概念 - 10 -
2.1設(shè)計(jì)機(jī)械整體時(shí)應(yīng)滿足的要求： - 10 -
2.2、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化： - 10 -
2.3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： - 10 -
第三章、 曲柄連桿機(jī)構(gòu)基本知識(shí) - 11 -
3.1 曲柄連桿中部分名詞 - 11 -
3.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的自由度與約束 - 12 -
3.2.1、機(jī)構(gòu)自由度與約束 - 12 -
3.2.2、平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算 - 12 -
3.2.3、 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件 - 13 -
3.2.4、曲柄連桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件 - 13 -
3.2.5、曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征 - 15 -
3.3、 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 - 17 -
3.3.1、動(dòng)力特性 - 17 -
3.3.2、 速度瞬心及其應(yīng)用 - 18 -
第四章、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 - 19 -
4.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) - 19 -
4.1.1、設(shè)計(jì)的基本問題 - 19 -
4.1.2 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用 - 22 -
4.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算 - 23 -
4.2.1 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 - 24 -
4.2.2 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 - 27 -
4.2.3 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 - 31 -
4.2.3.1連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要尺寸 - 31 -
4.2.3.2、連桿大頭的強(qiáng)度校核 - 32 -
4.3 連桿螺栓的設(shè)計(jì) - 34 -
4.3.1 連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 - 34 -
4.3.2 連桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算 - 35 -
第五章、 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 - 36 -
第六章 - 38 -
6.1 機(jī)構(gòu) - 38 -
6.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī) - 38 -
6.1.2減速器 - 38 -
6.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu) - 38 -
6.2維護(hù)與保養(yǎng) - 39 -
6.3 注意事項(xiàng) - 39 -
結(jié)論 - 40 -
參 考 文 獻(xiàn) - 41 -
致謝 - 42 -
附 錄 - 43 -
- 41 -
倒柱設(shè)計(jì)——曲柄連桿機(jī)構(gòu)
第一章、 緒論
機(jī)械是人類進(jìn)行物質(zhì)生產(chǎn)的重要工具，是現(xiàn)代生產(chǎn)的基礎(chǔ)，機(jī)械是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展水平的重要標(biāo)志。先進(jìn)生產(chǎn)力離不開先進(jìn)的機(jī)電設(shè)備。今天機(jī)械設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們的生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。
隨著工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的種類越來越多，大到生產(chǎn)用的產(chǎn)品生產(chǎn)線，數(shù)控機(jī)床、小到我們的生活用品、都離不開機(jī)械產(chǎn)品。機(jī)構(gòu)是具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的組合。而不是無條件的任意組合。所以構(gòu)件組合后是否成為機(jī)構(gòu)，就要看它能否實(shí)現(xiàn)卻定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為此，需要討論機(jī)構(gòu)的自由度和它具有的相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件。
曲柄連桿機(jī)構(gòu)是若干構(gòu)件用低副連接而成的機(jī)構(gòu)，是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本形式之一。如果組成機(jī)構(gòu)的所有構(gòu)件都在同一平面或相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)構(gòu)稱為平面機(jī)構(gòu)；如果各構(gòu)件不在同一平面或相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，則稱為空間機(jī)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)通過對(duì)平面曲柄連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)組成、傳動(dòng)特性、工作特點(diǎn)、故障診斷與排除以及受力分析等方面的討論和研究，從而得到曲柄連桿機(jī)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，并通過對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)的分析，使之廣泛用于不同領(lǐng)域。由于低副是圓柱面或平面接觸，使得連桿機(jī)構(gòu)具有制造容易、運(yùn)動(dòng)副中壓強(qiáng)和磨損較小、便于潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械及儀器中。但是，這種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副磨損后會(huì)形成間隙，當(dāng)構(gòu)件數(shù)目較多時(shí)，會(huì)使從動(dòng)件產(chǎn)生較大的運(yùn)動(dòng)累積誤差，不容易精確地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
1.1 選題的目的和意義
曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)構(gòu)，通過它把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而輸出動(dòng)力。因此，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)中主要的受力部件，其工作可靠性就決定了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，機(jī)構(gòu)的工作條件更加復(fù)雜。在多種周期性變化載荷的作用下，如何在設(shè)計(jì)過程中保證機(jī)構(gòu)具有足夠的疲勞強(qiáng)度和剛度及良好的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)特性成為曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題。
通過設(shè)計(jì)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和零部件結(jié)構(gòu)，包括必要的結(jié)構(gòu)尺寸確定、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、材料的選取等，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。
在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式中，為了滿足設(shè)計(jì)的需要須進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，同時(shí)為了滿足產(chǎn)品的使用性能，須進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及可靠性等方面的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，同時(shí)要滿足校核計(jì)算，還需要對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。
為了真實(shí)全面地了解機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行工況下的力學(xué)特性，本文采用了多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，針對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)時(shí)的，高精度的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析與計(jì)算，因此本研究所采用的高效、實(shí)時(shí)分析技術(shù)對(duì)提高分析精度，提高設(shè)計(jì)水平具有重要意義，而且可以更直觀清晰地了解曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中的受力狀態(tài)，便于進(jìn)行精確計(jì)算，對(duì)進(jìn)一步研究發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡與振動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的改造等均有較為實(shí)用的應(yīng)用價(jià)值。
1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
多剛體動(dòng)力學(xué)模擬是近十年發(fā)展起來的機(jī)械計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，提供了在設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和優(yōu)化的有效手段，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。它是利用計(jì)算機(jī)建造的模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將分析的方法用于模擬實(shí)驗(yàn)，充分利用已有的基本物理原理，采用與實(shí)際物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相似的研究方法，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)。目前多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件主要有CATIA ,Pro/Mechanics，Working model 3D，ADAMS等。多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件的最大優(yōu)點(diǎn)在于分析過程中無需編寫復(fù)雜仿真程序，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析時(shí)無需進(jìn)行樣機(jī)的生產(chǎn)和試驗(yàn)。對(duì)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的部件裝配進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，可校核部件運(yùn)動(dòng)軌跡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉；對(duì)部件裝配進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，可校核機(jī)構(gòu)受力情況；根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)約束及保證性能最優(yōu)的目標(biāo)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可最大限度地滿足性能要求，對(duì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和修正[2]。目前國(guó)內(nèi)大學(xué)和企業(yè)已經(jīng)已進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真方面的研究和局部應(yīng)用，能在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)干涉，校核配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)性能等，為設(shè)計(jì)人員提供了基本的設(shè)計(jì)依據(jù)[3-4]。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析的方法很多，而且已經(jīng)完善和成熟。其中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是研究?jī)蓚€(gè)或兩個(gè)以上物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即位移、速度和加速度的變化關(guān)系：動(dòng)力學(xué)則是研究產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力。發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析主要包括氣體力、慣性力、軸承力和曲軸轉(zhuǎn)矩等的分析，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法主要有圖解法和解析法。
1.2.1、解析法
解析法是對(duì)構(gòu)件逐個(gè)列出方程，通過各個(gè)構(gòu)件之間的聯(lián)立線性方程組來求解運(yùn)動(dòng)副約束反力和平衡力矩，解析法又包括單位向量法、直角坐標(biāo)法等。
1.2.2、圖解法
圖解法形象比較直觀，機(jī)構(gòu)各組成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改變趨勢(shì)均能通過圖解一目了然。圖解法作為解析法的輔助手段，可用于對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)果的判斷和選擇。解析法取點(diǎn)數(shù)值較少，繪制曲線精度不高。不經(jīng)任何計(jì)算，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)直接圖解其速度和加速度的方法最早由克萊茵提出，但方法十分復(fù)雜[6]。
1.2.3、復(fù)數(shù)向量法
復(fù)數(shù)向量法是以各個(gè)桿件作為向量，把在復(fù)平面上的連接過程用復(fù)數(shù)形式加以表達(dá)，對(duì)于包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和時(shí)間參數(shù)的解析式就時(shí)間求導(dǎo)后，可以得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能。該方法是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的較好方法。
通過對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的分析，我們可以清楚了解內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，從而可以更好地對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但是過去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)盡管能夠給出解析表達(dá)式，卻難以計(jì)算出供工程設(shè)計(jì)使用的結(jié)果，不得不用粗糙近似的圖解法求得數(shù)據(jù)。近年來隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可以利用復(fù)雜的計(jì)算表達(dá)式來精確求解各種運(yùn)動(dòng)過程和動(dòng)態(tài)過程，從而形成了機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)代理論和方法。
通過對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，我們可以清楚了解內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，從而可以更好地對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但是過去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)盡管能夠給出解析式，卻難以計(jì)算出供工程使用的計(jì)算結(jié)果，不得不用粗糙的圖解法求得數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可以利用復(fù)雜的計(jì)算表達(dá)式來精確求解各種運(yùn)動(dòng)過程和動(dòng)態(tài)過程，從而形成機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)代理論和方法。
機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的核心是利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，進(jìn)而確定系統(tǒng)及其及其各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的作用力[5]。目前，在對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，大多采用的是專業(yè)的虛擬樣機(jī)商業(yè)軟件，如ADAMS等。這些軟件的功能重點(diǎn)是在力學(xué)分析上，在建模方面還是有很多不足，尤其是對(duì)這些復(fù)雜的曲柄連桿機(jī)構(gòu)零部件的三維建模很難實(shí)現(xiàn)。因而在其仿真分析過程中對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型就要借助CAD軟件來完成，如CATIA,Pro/E,UG等[4]。當(dāng)考慮到對(duì)多柔體系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，有時(shí)還需要結(jié)合Ansys等專業(yè)的有限元分析軟件來進(jìn)行[7]。這一過程十分復(fù)雜，不僅需要對(duì)這些軟件有一定了解，還需要處理好軟件接口之間的數(shù)據(jù)傳輸問題，而且軟件使用成本也很高。
1.3 設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容
對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過程中曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析進(jìn)行深入研究，其主要的研究?jī)?nèi)容有：
1.3.1、對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等方面的計(jì)算和校核，以便達(dá)到設(shè)計(jì)要求；
1.3.2、分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中主要零部件如活塞，曲軸，連桿等的工作條件和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行合理選材，確定出主要的結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)的尺寸檢驗(yàn)校核，以符合零件實(shí)際加工的要求；
1.3.3、應(yīng)用CATIA軟件對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的零件分別建立實(shí)體模型，并將其分別組裝成活塞組件，連桿組件，然后定義相應(yīng)的連接關(guān)系，最后裝配成完整的機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)干涉，獲取分析結(jié)果；
1.3.4、應(yīng)用CATIA軟件將零件模型圖轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的工程圖，并結(jié)合使用AutoCAD軟件，系統(tǒng)地反應(yīng)工程圖上的各類信息，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步精確設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。
第二章、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)概念
2.1設(shè)計(jì)機(jī)械整體時(shí)應(yīng)滿足的要求：
設(shè)計(jì)的機(jī)械零件既要工作可靠，又要成本低。要解決前一個(gè)問題，需要根據(jù)可能發(fā)生的失效，確定要件在強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)穩(wěn)定性、耐磨性、溫升等方面必須滿足的條件，這些條件是判斷要件工作能力的準(zhǔn)則，在設(shè)計(jì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，根據(jù)機(jī)構(gòu)的具體運(yùn)轉(zhuǎn)情況和的計(jì)算后，確定后來設(shè)計(jì)方案。
2.2、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化：
在不同類型、不同規(guī)格的各種機(jī)器中，有相當(dāng)多的零部件是相同的（本設(shè)計(jì)中就有3個(gè)螺釘），將這些零部件加以標(biāo)準(zhǔn)化，并按尺寸加以系列化，則設(shè)計(jì)時(shí)就毋須重設(shè)計(jì)，可直接從有關(guān)手冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)中選用。通用化是指系列系列之內(nèi)的或跨系列的產(chǎn)品之間盡量采用同一結(jié)構(gòu)和尺寸的零部件，以減少設(shè)計(jì)時(shí)零部件的種類，從而簡(jiǎn)化生產(chǎn)管理和縮短制造時(shí)間（如本設(shè)計(jì)中的機(jī)架）。
2.3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是設(shè)計(jì)工作中的重要內(nèi)容，兩者同等重要。有必要指出，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)千萬不可輕視，何況計(jì)算也往往要在初步結(jié)構(gòu)構(gòu)思的基礎(chǔ)上將其抽象為數(shù)學(xué)模型后才能進(jìn)行（以曲柄為例，只有先確定軸的支承和受載零件的位置和尺寸后才能計(jì)算）。在設(shè)計(jì)過程中，借鑒前人成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，注意歸納、分析、總結(jié)，掌握設(shè)計(jì)中的規(guī)律，對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量幫助很大。
在設(shè)計(jì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)過程中，以上的三個(gè)方面都是要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。經(jīng)過認(rèn)真的計(jì)算和畫圖，并參考了很多的設(shè)計(jì)實(shí)例，才完成此次設(shè)計(jì)。
第三章、 曲柄連桿機(jī)構(gòu)基本知識(shí)
3.1 曲柄連桿中部分名詞
曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：一個(gè)連架桿為曲柄，另一個(gè)連架桿為搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。
鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)：在平面機(jī)構(gòu)中如果全部運(yùn)動(dòng)副都是轉(zhuǎn)動(dòng)副，則稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。
連架桿：與機(jī)架相連的桿稱為連架桿。
曲柄：連架桿中能作360轉(zhuǎn)動(dòng)稱為曲柄。
搖桿：在運(yùn)動(dòng)中該桿的轉(zhuǎn)動(dòng)在小于360擺動(dòng)則稱為搖桿。
機(jī)械：機(jī)械是機(jī)構(gòu)和機(jī)器的總稱。
機(jī)構(gòu)：只有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而不能代替人做有用的機(jī)械的構(gòu)件組合。例如摩托車是機(jī)器，而自行車是機(jī)構(gòu)。
構(gòu)件的自由度：一個(gè)作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件有三個(gè)獨(dú)立運(yùn)。在ＸＯＹ坐標(biāo)系中，構(gòu)件Ｓ可隨其任一點(diǎn)Ａ沿Ｘ，Ｙ軸方向移動(dòng)和該點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，這種獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)稱為構(gòu)件的自由度。
高副：高副是指兩構(gòu)件通過點(diǎn)或線接觸組成的運(yùn)動(dòng)副。
低副：兩構(gòu)件通過面接觸組成的運(yùn)動(dòng)副稱為低副
固定件：機(jī)架又稱固定件，用來支撐活動(dòng)構(gòu)件，比如氣缸體就是機(jī)架。
原動(dòng)件：運(yùn)動(dòng)規(guī)律已知的活動(dòng)構(gòu)件。比如內(nèi)燃機(jī)的活塞就是原動(dòng)件。
從動(dòng)件：機(jī)構(gòu)中隨著原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的其余活動(dòng)構(gòu)件稱為從動(dòng)件，比如內(nèi)燃機(jī)的連桿和曲軸都是從動(dòng)件。
運(yùn)動(dòng)鏈：若干構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接起來所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為運(yùn)動(dòng)鏈.。
平面機(jī)構(gòu)：所有構(gòu)件都在同一平面或相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱為平面機(jī)構(gòu)；否則稱為空間機(jī)構(gòu)。
3.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的自由度與約束
3.2.1、機(jī)構(gòu)自由度與約束
機(jī)構(gòu)是具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件組合。。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)也屬于平面機(jī)構(gòu)，既然是平面機(jī)構(gòu)也就無條件的遵從平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性．所以，一個(gè)作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件有三個(gè)自由度。機(jī)構(gòu)是由許多構(gòu)件組合而成的，機(jī)構(gòu)的每個(gè)構(gòu)件都以一定的方式與其它構(gòu)件相互聯(lián)接。這種聯(lián)接都不是固定聯(lián)接，而是能產(chǎn)生一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接。這種使兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接稱為運(yùn)動(dòng)副。例如在內(nèi)燃機(jī)中，活塞與連桿的聯(lián)接、活塞與氣缸的聯(lián)接等都構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)副。顯然，構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副后，它們的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)就受到約束，自由度便隨之減少。又根據(jù)它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是轉(zhuǎn)動(dòng)或是移動(dòng)，又可分為回轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副。
當(dāng)兩個(gè)構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副之后，它們的運(yùn)動(dòng)受約束，因而其自由度隨之減少。不同類型的運(yùn)動(dòng)副，由于其運(yùn)動(dòng)副元素的不同，引入的約束數(shù)目不同，因此使構(gòu)件保留的自由度也不同。例如低副為面接觸，引入兩個(gè)約束，保留一個(gè)自由度。其中轉(zhuǎn)動(dòng)幅限制了沿Ｘ軸、Ｙ軸方向的兩個(gè)移動(dòng)，使構(gòu)件保留了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度；而移動(dòng)副約束了垂直于移動(dòng)副中心線方向的一個(gè)移動(dòng)和在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)這兩個(gè)自由度。高副為點(diǎn)或線接觸，只能引入一個(gè)約束，保留兩個(gè)自由度，即只約束了接觸處（點(diǎn)或線）公法線放向移動(dòng)的自由度，使構(gòu)件保留接觸處轉(zhuǎn)動(dòng)和接觸處公切線方向移動(dòng)兩個(gè)自由度。在平面機(jī)構(gòu)中，每個(gè)低副引入兩個(gè)約束，每個(gè)高副引入一個(gè)約束。
3.2.2、平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算
設(shè)某平面機(jī)構(gòu)共有Ｎ個(gè)構(gòu)件，除去一個(gè)機(jī)架是固定件外，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=N-1個(gè)。在用運(yùn)動(dòng)副將構(gòu)件聯(lián)接起來之前，這些構(gòu)件自由度總和為3n個(gè)。當(dāng)用P各低副和M個(gè)高副聯(lián)接成運(yùn)動(dòng)鏈以后，這些運(yùn)動(dòng)副所帶來的總約束數(shù)為（2P+M）個(gè)。那么，整個(gè)機(jī)構(gòu)相對(duì)機(jī)架的自由度，即機(jī)構(gòu)的自由度，應(yīng)為運(yùn)動(dòng)構(gòu)件自由度總和與運(yùn)動(dòng)副引入的約束綜合之差，所以以F表示機(jī)構(gòu)的自由度，則有
F=3n-2P+M (1-1)
式(1-1)給出了平面機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)構(gòu)件數(shù)目、低副數(shù)目、高副數(shù)目與機(jī)構(gòu)自由度的關(guān)系，此式即為平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式。
3.2.3、 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件
要是機(jī)構(gòu)能有確定運(yùn)動(dòng)，必須使主動(dòng)件數(shù)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)，即因此機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件的數(shù)目必須等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)。
如果主動(dòng)件數(shù)大于自由度數(shù)，若迫使兩個(gè)主動(dòng)件數(shù)按各自規(guī)律運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)中最薄弱的構(gòu)件或運(yùn)動(dòng)將會(huì)遭到破壞。
3.2.4、曲柄連桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件
在圖（一）中在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，設(shè)分別以a 、b、 c、 d 表示機(jī)構(gòu)中個(gè)構(gòu)件長(zhǎng)度。
設(shè)a
c時(shí))
或 c-b≤Fmin=d-a(c>b時(shí))
將上式整理得：
a≤c, a≤b, a≤d
設(shè)a>d
d+a≤b+c
d+b≤a+c
d+c≤a+b
將上式兩兩相加可得
d≤a, d≤b, d≤c
3設(shè)a=d
此時(shí)Fmin=0，
a=d
b=c
a≤b
由此可綜合歸納出曲柄搖桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件為：
連架桿和機(jī)架中必有一桿為最短桿；
最短桿和最長(zhǎng)桿之和應(yīng)小于或等于其它兩桿長(zhǎng)度之和。
推論：
當(dāng)機(jī)構(gòu)尺寸滿足桿長(zhǎng)條件時(shí)，最短桿兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)副均為周轉(zhuǎn)副；其余轉(zhuǎn)動(dòng)副為擺動(dòng)副。
上述兩個(gè)條件必須同時(shí)滿足，否則機(jī)構(gòu)中無曲柄存在。
根據(jù)曲柄存在的條件，還可做如下推論：
1） 若鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中最短桿和最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和，則可能有以下三種情況：
a 以最短桿的相鄰桿做機(jī)架時(shí)，為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。
b 以最短桿為機(jī)架時(shí)，為雙曲柄機(jī)構(gòu)。
c 以最短桿的相對(duì)桿為機(jī)架時(shí)，為雙搖桿機(jī)構(gòu)。
2） 若鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和大于其余兩桿長(zhǎng)度之和，則不論哪一桿為機(jī)架均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。
3.2.5、曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征
1）、連架桿轉(zhuǎn)角曲線
兩連架桿轉(zhuǎn)角間的變化關(guān)系曲線稱為連架桿轉(zhuǎn)角曲線用ψ(φ)表示。
2）、連桿曲線：
四桿機(jī)構(gòu)的連桿平面上任一點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的軌跡曲線稱為連桿曲線。連桿曲線的
形狀與機(jī)構(gòu)尺寸和該點(diǎn)的位置有關(guān)。
連桿轉(zhuǎn)角曲線：
四桿機(jī)構(gòu)連桿平面上任一條標(biāo)線（如BC）與x軸正向夾角β，隨原動(dòng)件AB轉(zhuǎn)角φ的變化曲線。
3）、急回特性
（1）. 機(jī)構(gòu)極位：曲柄回轉(zhuǎn)一周，與連桿兩次共線，此時(shí)搖桿分別處于兩極限位置，稱為機(jī)構(gòu)極位。
（2） 極位夾角：機(jī)構(gòu)在兩個(gè)極位時(shí)，原動(dòng)件所處兩個(gè)位置之間所夾的銳角θ稱為極位夾角。
（3） 急回運(yùn)動(dòng)：曲柄等速轉(zhuǎn)動(dòng)情況下，搖桿往復(fù)擺動(dòng)的平均速度一快一慢，機(jī)構(gòu)的這種運(yùn)動(dòng)性質(zhì)稱為急回運(yùn)動(dòng)。
a
b
圖2-2
3.2.6 行程速比系數(shù)K
為表明急回運(yùn)動(dòng)程度，用反正行程速比系數(shù)K來衡量
q角愈大，K值愈大，急回運(yùn)動(dòng)性質(zhì)愈顯著
對(duì)于（二）圖a：對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)θ=0，沒有急回運(yùn)動(dòng)。
對(duì)于（二）圖b：偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)θ≠0，有急回運(yùn)動(dòng)。
機(jī)構(gòu)急回的作用： 節(jié)省空回時(shí)間，提高工作效率。
3.3、 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析
3.3.1、動(dòng)力特性
壓力角、傳動(dòng)角
壓力角a:在不計(jì)摩擦的情況下,從動(dòng)件受力方向與力作用點(diǎn)速度方向所夾的銳角。
傳動(dòng)角g:壓力角之余角。衡量機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)質(zhì)量。
傳動(dòng)角g越大，對(duì)機(jī)構(gòu)工作越有利。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使g3 gmin
鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，曲柄與機(jī)架拉直共線和重疊共線的兩位置處出現(xiàn)的傳動(dòng)角中，必有一出為最小傳動(dòng)角
死點(diǎn)
a 在分從動(dòng)件在傳動(dòng)角為零的位置為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn).
b 析死點(diǎn)位置時(shí),要首先搞清楚哪個(gè)是主動(dòng)件.
c 死點(diǎn)是機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中所處的特殊位置,它與自由度為0不同,與機(jī)構(gòu)的自鎖也不同.
死點(diǎn)的避免
a 機(jī)構(gòu)錯(cuò)位排列
b 加飛輪,利用慣性通過死點(diǎn)
死點(diǎn)的利用
a 飛機(jī)起落架
b 夾具
3.3.2、 速度瞬心及其應(yīng)用
1.速度瞬心的概念：兩個(gè)剛體上相對(duì)速度為零的重合點(diǎn)。
如果兩剛體之一是靜止的，其瞬心為絕對(duì)速度瞬心。（如圖三左）
如果兩剛體都是運(yùn)動(dòng)的，其瞬心為相對(duì)速度瞬心。（如圖三右）
2.速度瞬心數(shù)目：如果一個(gè)機(jī)構(gòu)由k個(gè)構(gòu)件所組成，則它的瞬心
總數(shù)為：N=k(k-1)/2
3.速度瞬心的位置：直接構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副
間接構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副
三心定理：作平面運(yùn)動(dòng)的三個(gè)構(gòu)件共有三個(gè)瞬心，它們位于同一直
上。
圖2-3
4.應(yīng)用：常用在構(gòu)件較少的機(jī)構(gòu)中，不適用多桿機(jī)構(gòu)。
? 找瞬心時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況找所用的瞬心。
? 只適用于速度分析，不適用加速度分析。
? 只適用一個(gè)或幾個(gè)位置的求解，不適于多位置或一個(gè)周期內(nèi)
速度、加速度分析。
第四章、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
4.1.1、設(shè)計(jì)的基本問題
1）. 設(shè)計(jì)任務(wù)：
? 根據(jù)給定的運(yùn)動(dòng)要求，選定機(jī)構(gòu)的類型；
? 確定各構(gòu)件的尺度參數(shù)；
? 檢件；驗(yàn)是否滿足結(jié)構(gòu)．運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力條
如：運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)．曲柄存在條件．最小傳動(dòng)角．運(yùn)動(dòng)連續(xù)性等
2）．曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本問題
（1）現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律（函數(shù)生成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)）
例.實(shí)如：連架桿的對(duì)應(yīng)位置
從動(dòng)件的急回運(yùn)動(dòng)特性
（2）.實(shí)現(xiàn)連桿給定位置（剛體導(dǎo)引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)）
（3）.實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡（軌跡生成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)）
方法：解析法、作圖法、實(shí)驗(yàn)法
3）．使四桿機(jī)構(gòu)兩連架桿間實(shí)現(xiàn)給定的傳動(dòng)比關(guān)系的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)要求，稱為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（函數(shù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)）。
如：車門開閉機(jī)構(gòu)，要求兩連架桿轉(zhuǎn)角相同，轉(zhuǎn)向相反。
汽車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，要求兩連架桿滿足某種函數(shù)關(guān)系，保證順利轉(zhuǎn)彎。
牛頭刨床要求滿足一定的急回等性。
4）．實(shí)現(xiàn)預(yù)定的連桿位置要求——?jiǎng)傮w導(dǎo)引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-1飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)圖 圖3-1 鑄造翻砂
要求實(shí)現(xiàn)機(jī)輪放下和收起兩個(gè)位置
5）．實(shí)現(xiàn)預(yù)定的軌跡要求——軌跡生成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
使四桿機(jī)構(gòu)連桿上某一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)給定的一段曲線軌跡或某一封閉曲線軌跡的設(shè)計(jì)。
6）．曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)公式
如圖，主動(dòng)機(jī)是曲柄OA，從動(dòng)件是連桿AP與滑塊P，機(jī)架、導(dǎo)軌l（不動(dòng)件）如圖組合而成，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)，通過連桿帶動(dòng)滑塊在導(dǎo)軌上做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)．
圖3-3
設(shè)旋轉(zhuǎn)中心O到導(dǎo)軌的距離為e，滑塊的最大行程為H，滑塊兩極限位置 在O點(diǎn)所張的角為 （叫做極位夾角）．當(dāng)連桿 與曲柄 重疊時(shí)，滑塊到達(dá)位置 ；連桿 與曲柄 成一直線時(shí)，滑塊到達(dá)位置
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，常常需從已知數(shù)據(jù)e，H， 出發(fā)，求出曲柄OA之長(zhǎng)r，連桿AP之長(zhǎng)x．下面我們來解決這一問題．
在 中，
根據(jù)余弦定理，有
即??
所以
又因?yàn)?
所以
即??
解由①，②構(gòu)成的方程組，得
因?yàn)? 所以
4.1.2 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用
1、工作情況
連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，連桿體除有上下運(yùn)動(dòng)外，還左右擺動(dòng)，做復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。
2、設(shè)計(jì)要求
連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先保證連桿具有在足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)鋼度。如果強(qiáng)度不足，就會(huì)發(fā)生連桿螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴(yán)重事故，同樣，如果連桿組剛度不足，也會(huì)對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作帶來不好的影響。
所以設(shè)計(jì)連桿的一個(gè)主要要求是在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強(qiáng)度。為此，必須選用高強(qiáng)度的材料；合理的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。
3、材料的選擇
為了保證連桿在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強(qiáng)度，采用精選含碳量的優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼45模鍛，表面噴丸強(qiáng)化處理，提高強(qiáng)度。
4.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算
D
C
B
A
728
700
588
圖3-4
1曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：AB為最短桿
2雙曲柄機(jī)構(gòu)：AD為最短桿
3 雙搖桿機(jī)構(gòu)：因不是最短桿的對(duì)邊，故考慮不滿足桿長(zhǎng)和條件下的雙搖桿機(jī)構(gòu)
或
4.2.1 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算
1、連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
連桿小頭主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖4.1所示，小頭襯套內(nèi)徑和小頭寬度已在活塞組設(shè)計(jì)中確定，，。
為了改善磨損，小頭孔中以一定過盈量壓入耐磨襯套，襯套大多用耐磨錫青銅鑄造，這種襯套的厚度一般為，取，則小頭孔直徑，小頭外徑，取。
2、連桿小頭的強(qiáng)度校核
以過盈壓入連桿小頭的襯套，使小頭斷面承受拉伸壓力。若襯套材料的膨脹系數(shù)比連桿材料的大，則隨工作時(shí)溫度升高，過盈增大，小頭斷面中的應(yīng)力也增大。此外，連桿小頭在工作中還承受活塞組慣性力的拉伸和扣除慣性力后氣壓力的壓縮，可見工作載荷具有交變性。上述載荷的聯(lián)合作用可能使連桿小頭及其桿身過渡處產(chǎn)生疲勞破壞，故必須進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算[9]。
圖4.1 連桿小頭主要結(jié)果尺寸
（1）襯套過盈配合的預(yù)緊力及溫度升高引起的應(yīng)力
計(jì)算時(shí)把連桿小頭和襯套當(dāng)作兩個(gè)過盈配合的圓筒，則在兩零件的配合表面，由于壓入過盈及受熱膨脹，小頭所受的徑向壓力為：
（4.1）
式中：—襯套壓入時(shí)的過盈，；
一般青銅襯套，取，
其中：—工作后小頭溫升,約；
—連桿材料的線膨脹系數(shù)，對(duì)于鋼 ；
—襯套材料的線膨脹系數(shù)，對(duì)于青銅；
、—連桿材料與襯套材料的伯桑系數(shù)，可?。?
—連桿材料的彈性模數(shù)，鋼[10]；
—襯套材料的彈性模數(shù)，青銅；
計(jì)算小頭承受的徑向壓力為：
由徑向均布力引起小頭外側(cè)及內(nèi)側(cè)纖維上的應(yīng)力，可按厚壁筒公式計(jì)算，
外表面應(yīng)力 （4.2）
內(nèi)表面應(yīng)力 （4.3）
的允許值一般為，校核合格。
（2）連桿小頭的疲勞安全系數(shù)
連桿小頭的應(yīng)力變化為非對(duì)稱循環(huán)，最小安全系數(shù)在桿身到連桿小頭的過渡處的外表面上為：
（4.4）式中：—材料在對(duì)稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，
（合金鋼），?。?
—材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱的敏感系數(shù)，取=0.2；
—應(yīng)力幅， ；
—平均應(yīng)力，；
—工藝系數(shù)，，取0.5；
則
連桿小頭的疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)，一般約在范圍之內(nèi)[4]。
3、連桿小頭的剛度計(jì)算
當(dāng)采用浮動(dòng)式活塞銷時(shí)，必須計(jì)算連桿小頭在水平方向由于往復(fù)慣性力而引起的直徑變形，其經(jīng)驗(yàn)公式為:
（4.5）
式中：—連桿小頭直徑變形量，；
—連桿小頭的平均直徑，；
—連桿小頭斷面積的慣性矩，
則
對(duì)于一般發(fā)動(dòng)機(jī)，此變形量的許可值應(yīng)小于直徑方向間隙的一半，標(biāo)準(zhǔn)間隙一般為，則校核合格。
4.2.2 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算
1、連桿桿身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
連桿桿身從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，采用工字形斷面，桿身截面寬度約等于(為氣缸直徑)，取，截面高度，取。
為使連桿從小頭到大頭傳力比較均勻，在桿身到小頭和大頭的過渡處用足夠大的圓角半徑。
2、連桿桿身的強(qiáng)度校核
連桿桿身在不對(duì)稱的交變循環(huán)載荷下工作，它受到位于計(jì)算斷面以上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量的慣性力的拉伸，在爆發(fā)行程，則受燃?xì)鈮毫蛻T性力差值的壓縮，為了計(jì)算疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，必須現(xiàn)求出計(jì)算斷面的最大拉伸、壓縮應(yīng)力。
（1）最大拉伸應(yīng)力
由最大拉伸力引起的拉伸應(yīng)力為：
（4.6）
式中：—連桿桿身的斷面面積，汽油機(jī)，為活塞投影面積，取。
則最大拉伸應(yīng)力為：
（2）桿身的壓縮與縱向彎曲應(yīng)力
桿身承受的壓縮力最大值發(fā)生在做功行程中最大燃?xì)庾饔昧r(shí)，并可認(rèn)為是在上止點(diǎn)，最大壓縮力為：
（4.7）
連桿承受最大壓縮力時(shí)，桿身中間斷面產(chǎn)生縱向彎曲。此時(shí)連桿在擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲，可認(rèn)為連桿兩端為鉸支，長(zhǎng)度為；在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲可認(rèn)為桿身兩端為固定支點(diǎn)，長(zhǎng)度為，因此在擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為：
（4.8）
式中：—系數(shù)，對(duì)于常用鋼材，，?。?
—計(jì)算斷面對(duì)垂直于擺動(dòng)平面的軸線的慣性矩，。
；
將式（4.8）改為：
?。?.9）
式中 —連桿系數(shù)，；
則擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為：
同理，在垂直于擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為：
（4.10）
將式（4.10）改成
（4.11）
式中：—連桿系數(shù)，。
則在垂直于擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為：
和的許用值為 ，所以校核合格。
（3）連桿桿身的安全系數(shù)
連桿桿身所受的是非對(duì)稱的交變循環(huán)載荷，把或看作循環(huán)中的最大應(yīng)力，看作是循環(huán)中的最小應(yīng)力，即可求得桿身的疲勞安全系數(shù)。
循環(huán)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，在連桿擺動(dòng)平面為：
（4.12）
（4.13）
在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)為：
（4.13）
（4.14）
連桿桿身的安全系數(shù)為：
（4.15）
式中：—材料在對(duì)稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，（合金鋼），??；
—材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱的敏感系數(shù)，取=0.2；
—工藝系數(shù)，，取0.45。
則在連桿擺動(dòng)平面內(nèi)連桿桿身的安全系數(shù)為：
在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)連桿桿身的安全系數(shù)為：
桿身安全系數(shù)許用值在的范圍內(nèi)，則校核合格。
4.2.3 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算
4.2.3.1連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要尺寸
連桿大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定于曲柄銷直徑、長(zhǎng)度、連桿軸瓦厚度和連桿螺栓直徑。其中在、在曲軸設(shè)計(jì)中確定，，，則大頭寬度，軸瓦厚度，取，大頭孔直徑。
連桿大頭與連桿蓋的分開面采用平切口，大頭凸臺(tái)高度，取，取，為了提高連桿大頭結(jié)構(gòu)剛度和緊湊性，連桿螺栓孔間距離，取，一般螺栓孔外側(cè)壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓頭支承面到桿身或大頭蓋的過渡采用盡可能大的圓角。
4.2.3.2、連桿大頭的強(qiáng)度校核
假設(shè)通過螺栓的緊固連接，把大頭與大頭蓋近似視為一個(gè)整體，彈性的大頭蓋支承在剛性的連桿體上，固定角為，通常取，作用力通過曲柄銷作用在大頭蓋上按余弦規(guī)律分布，大頭蓋的斷面假定是不變的，且其大小與中間斷面一致，大頭的曲率半徑為。
連桿蓋的最大載荷是在進(jìn)氣沖程開始的，計(jì)算得：
作用在危險(xiǎn)斷面上的彎矩和法向力由經(jīng)驗(yàn)公式求得：
（4.16）
由此求得作用于大頭蓋中間斷面的彎矩為：
（4.17）
作用于大頭蓋中間斷面的法向力為：
（4.18）
式中：，—大頭蓋及軸瓦的慣性矩，，
，
，—大頭蓋及軸瓦的斷面面積，，
，
，
在中間斷面的應(yīng)力為：
（4.18）
式中：—大頭蓋斷面的抗彎斷面系數(shù)，
計(jì)算連桿大頭蓋的應(yīng)力為：
一般發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭蓋的應(yīng)力許用值為，則校核合格。
4.3 連桿螺栓的設(shè)計(jì)
4.3.1 連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力
根據(jù)氣缸直徑初選連桿螺紋直徑，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，取。
發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)連桿螺栓受到兩種力的作用：預(yù)緊力和最大拉伸載荷，預(yù)緊力由兩部分組成：一是保證連桿軸瓦過盈度所必須具有的預(yù)緊力；二是保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，連桿大頭與大頭蓋之間的結(jié)合面不致因慣性力而分開所必須具有的預(yù)緊力[15]。
連桿上的螺栓數(shù)目為2，則每個(gè)螺栓承受的最大拉伸載荷為往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力在氣缸中心線上的分力之和，
即 （4.19）
軸瓦過盈量所必須具有的預(yù)緊力由軸瓦最小應(yīng)力，由實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)可得一般為，取30，由于發(fā)動(dòng)機(jī)可能超速，也可能發(fā)生活塞拉缸，應(yīng)較理論計(jì)算值大些，一般取，取。
4.3.2 連桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算
連桿螺栓預(yù)緊力不足不能保證連接的可靠性，但預(yù)緊力過大則可能引起材料超出屈服極限，則應(yīng)校核屈服強(qiáng)度，滿足
（4.20）
式中：—螺栓最小截面積，；
—螺栓的總預(yù)緊力，；
—安全系數(shù)，，取1.7；
—材料的屈服極限，一般在800以上[16]。
那么連桿螺栓的屈服強(qiáng)度為：
則校核合格。
第五章、 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用
1. 現(xiàn)實(shí)生活中曲柄連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用非常多下面是我在現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)現(xiàn)的一些例子
1曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
圖5-1牛頭刨床橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu) 圖5-2 腳踏砂輪機(jī)構(gòu)
2. 雙搖桿機(jī)構(gòu)
圖5-3鄂式起重機(jī) 圖5-4 夾緊機(jī)構(gòu)
3. 雙曲柄機(jī)構(gòu)
A、D均為整轉(zhuǎn)副
圖5-5雙曲柄機(jī)構(gòu) 圖5-6平行四邊形機(jī)構(gòu)
第六章
6.1 機(jī)構(gòu)
6.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)
型號(hào)：Y801-4-X3 三相交流電機(jī)
供電電壓：380VAC
額定電流：1.5A
額定轉(zhuǎn)速：1390r/min
額定功率：550w
6.1.2減速器
安裝方式：直聯(lián)（組成BWD0.55-15-59減速電機(jī)）
結(jié)構(gòu)形式：擺線針輪減速器
減速比：1：59
輸出轉(zhuǎn)矩：240Nm
6.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)
結(jié)構(gòu)形式：祛病搖桿機(jī)構(gòu)
傾斜幅度：40°
6.2維護(hù)與保養(yǎng)
經(jīng)常檢查注模的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否正常，必要時(shí)調(diào)整與行程開關(guān)的相對(duì)位置，檢查是否有松脫現(xiàn)象，必要時(shí)擰緊螺紋緊固件，注模型主軸承為雙到向心球面球軸承。裝配時(shí)已注滿潤(rùn)滑脂，無需專門的保養(yǎng)。減速器憷場(chǎng)時(shí)已注滿潤(rùn)滑脂，無需專門的保養(yǎng)。減速器出廠時(shí)已注滿潤(rùn)滑脂，一般也無需專門的保養(yǎng)。若發(fā)現(xiàn)減速器過熱（）85℃），則應(yīng)補(bǔ)充潤(rùn)滑脂，若發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑脂變質(zhì)，應(yīng)立即清洗并更換潤(rùn)滑脂。定期維護(hù)時(shí)全面擰緊螺紋固件。大修時(shí)減速器、軸承及清洗連桿兩端的球銷并注油。
6.3 注意事項(xiàng)
柱模型長(zhǎng)度大，柔度大，有很大的沖擊慣量?；A(chǔ)鋼板與地基的聯(lián)結(jié)情況不清，請(qǐng)注意觀察基礎(chǔ)鋼板是否有松動(dòng)趨勢(shì)。發(fā)現(xiàn)問題時(shí)做加固處理。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)連桿長(zhǎng)度可調(diào)，維修拆卸后需重新調(diào)節(jié)。保持曲柄長(zhǎng)度不變，曲柄處于水平位置且與連桿軸線重合時(shí)調(diào)節(jié)連桿長(zhǎng)度使柱模型直立或完全倒下。
運(yùn)動(dòng)部件附近不得存放雜物，以免阻礙機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)造成機(jī)構(gòu)損壞。特別要注意電纜線不得與運(yùn)動(dòng)部件有接觸的可能。以免造成磨損短路。
結(jié)論
本次設(shè)計(jì)所涉及的知識(shí)面主要是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)、材料選擇輔助的有機(jī)械專業(yè)外的傳感器、處理器以及模糊控制。所以通過本次設(shè)計(jì)不及可以更好的掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的原理與應(yīng)用以及本設(shè)計(jì)在生活中的應(yīng)用，而且還對(duì)本專業(yè)之外相關(guān)專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用也有了大概的了解。因此本次設(shè)計(jì)對(duì)今后自己在機(jī)械行業(yè)的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和發(fā)展起到了很好的帶動(dòng)作用，有很大的幫助。
參 考 文 獻(xiàn)
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[13]王東華．曲軸強(qiáng)度計(jì)算若干問題的探討[J]．
天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2002．3．
致謝
光陰似箭，自從進(jìn)入長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院的那一天至今已經(jīng)有近三年的時(shí)間了，許多快樂的事好象就是昨天發(fā)生的，老師們的諄諄教導(dǎo)仿佛還在耳邊，感謝老師們幾年來的栽培。經(jīng)過了三個(gè)多月的時(shí)間，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)在自己的努力與堅(jiān)持中完成了。很欣慰自己通過查閱國(guó)內(nèi)外的大量資料與文獻(xiàn)，深入的認(rèn)識(shí)了機(jī)械這個(gè)學(xué)科所涉及到得知識(shí)。不僅增加自己的認(rèn)知能力，同時(shí)也增強(qiáng)了自己的綜合運(yùn)用能力，自己受益良多。在此我要衷心感謝我的導(dǎo)師張廣杰老師。在整個(gè)大學(xué)學(xué)習(xí)期間，張老師的諄諄教誨和無微不至的關(guān)懷使我獲益終身。張老師淵博的知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，真誠(chéng)寬厚的待人品德，專業(yè)的業(yè)務(wù)能力都給我留下了深刻的印象，也將是我今后人生道路上學(xué)習(xí)的榜樣。在此，向張老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。
到了現(xiàn)在已經(jīng)是做完畢業(yè)設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備告別母校的時(shí)候了，在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，使自己獨(dú)立思考問題，分析問題，解決問題的能力有了很大的提高，并且，我還得到了更寶貴的東西，那就是三年來學(xué)到的許多知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、CAD軟件繪圖等都獲得了進(jìn)行實(shí)際演練的機(jī)會(huì)，進(jìn)而提高了我的實(shí)際動(dòng)手能力，使我獲得了更加寶貴的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，為我走向社會(huì)起到了良好的作用。
在寫論文的過程中，老師嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度和一絲不茍的精神更加值得我學(xué)習(xí)，這將是我在今后的工作崗位上學(xué)習(xí)的榜樣。
由于我的經(jīng)驗(yàn)有限，在設(shè)計(jì)過程中，出現(xiàn)紕漏和疏忽是不可避免的，懇請(qǐng)老師們批評(píng)、指正。
再次感謝所有母校的老師們對(duì)我的培養(yǎng)，我永遠(yuǎn)都不會(huì)忘記你們這些辛勤的園丁。師恩最難忘！
2010年06月01日
附 錄
Crane Work Needs More Technique
Crane 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 today's 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 people's 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 York
City 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 today's 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