便攜背包式嬰兒車的優(yōu)化設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、SW三維】
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便攜背包式嬰兒車設(shè)計(jì)
學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化
姓 名
班 級：
指導(dǎo)老師：
完成日期：
教 務(wù) 處
二〇一七年十月
摘要
嬰兒車是指給嬰幼兒使用的車。現(xiàn)在的嬰兒車款式多種多樣，功能和價(jià)格也是相差也很大，選擇時(shí)要注意安全和實(shí)用相結(jié)合的原則。嬰兒車在使用中也存在一些安全 隱患，父母應(yīng)給予重視，及時(shí)排除隱患。檢查嬰兒車油漆安全性，最直接辦法是聞聞是否有味道。但這不是證明油漆安全性唯一標(biāo)準(zhǔn)。嬰兒車油漆是否符合安全標(biāo) 準(zhǔn)，關(guān)鍵要看是否含有重金屬和甲醛等有害成分。嬰兒車可分為：實(shí)木嬰兒車（有漆無漆兩種）、竹嬰兒車、藤制嬰兒車、多種材料混合嬰兒車
實(shí)木嬰兒車目前國內(nèi)有兩種松木做原料，新西蘭松和樟子松，新西蘭松木材較軟易刨光，而樟子松較硬，光潔度要差一些。
新型的是以竹制的嬰兒車，其優(yōu)點(diǎn)就是：竹材比木材更堅(jiān)硬密實(shí)，抗壓抗彎強(qiáng) 度更高；紋清晰、板面美觀、色澤自然、竹香怡人，質(zhì)感高雅氣派；竹材不積塵、不結(jié)露、易清潔，避免了螨類細(xì)菌的繁殖，免去蟲蛀之?dāng)_；能自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度并 抗?jié)瘢瑢?dǎo)熱系數(shù)低，具冬暖夏涼的特性；竹材具有吸收紫外線的功能，使人在室內(nèi)起居時(shí)眼睛有舒適感，可預(yù)防近視等眼疾的發(fā)生和發(fā)展；吸音隔聲、除低音、壓殘響，有效擯除雜聲，還你寧靜心境。其缺點(diǎn)就是竹的涼性較重，所以竹做的嬰兒車車板最好還是用木條或木板的，其他部分用竹的較好。
藤制嬰兒車目前國內(nèi)生產(chǎn)的很少，這種成本很高，特別是野生藤。
本文設(shè)計(jì)一種自動(dòng)搖擺的嬰兒搖車，重點(diǎn)研究傳動(dòng)系統(tǒng)，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)等。
關(guān)鍵詞：嬰兒，搖車，傳動(dòng)，擺動(dòng)，曲柄
Abstract
The crib refers to use infant bed. Now the baby bed and a variety of styles, and the price is very big also, should choose Caution! And practical combination principle. The baby bed, there are some security risks in use, parents should be given attention, promptly eliminate hidden dangers. Check the infant bed paint safety, the most direct way is to smell any flavor. But this is not the only standard to prove the safety of paint. The crib paint meets the safety standards, the key depends on whether to contain harmful ingredients such as formaldehyde and heavy metals. Baby bed can be divided into: Wood Baby Bed (paint paint), bamboo baby bed, rattan baby bed, many kinds of material mixed baby bed
With characteristics of low interference, higher than the novel is a bamboo cot, its advantage is: bamboo wood is more hard and close grained, compressive flexural strength; texture is clear, surface appearance, natural color, bamboo incense pleasant texture, elegant style; bamboo does not accumulate the dust, not dew, easy to clean, avoid the mites bacteria breeding, replacing a moth; can automatically adjust the environment humidity and moisture resistance, heat conduction coefficient, wintry warm summer is cool; bamboo ultraviolet absorption function, so that people in the living room when the eyes have a comfortable feeling, can prevent myopia and other eye diseases occurrence and development; sound absorption and sound insulation, in addition to the bass, residual pressure ring, effectively discards the noises, you peace of mind. The disadvantage is that bamboo cold heavy, so do bamboo baby bed is best to use wood or wood, other parts with bamboo is better.
Key words: baby, cradle, drive, swing, crank
目錄
第一章 本課題研究的內(nèi)容 4
1.1嬰兒車簡介 4
1.2本課題研究方法 5
1.3 平面連桿機(jī)構(gòu)組成原理 6
1.4 平面連桿機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 7
1.5 本文研究內(nèi)容和意義 8
1.5.1 本文研究內(nèi)容 8
1.5.2 本文研究意義 9
第二章 平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和設(shè)計(jì) 10
2.1 平面連桿機(jī)構(gòu)類型 10
2.1.1 機(jī)構(gòu)概述及類型 10
2.1.2 機(jī)構(gòu)演化 12
2.2 平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 16
2.2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)副與周轉(zhuǎn)副關(guān)系 16
2.2.2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)急回運(yùn)動(dòng)和行程速度變化系數(shù) 16
2.2.3 壓力角和傳動(dòng)角 18
2.2.4 死點(diǎn) 20
2.3 平面四桿機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型 21
第三章 傳動(dòng)元件的選擇 28
3.1按靜功率初選電動(dòng)機(jī) 28
3.2起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)過載能力校驗(yàn) 28
3.3選擇減速器 29
3.3.1減速器的傳動(dòng)比 29
3.3.2減速器的功率 29
3.4靜力矩計(jì)算 30
3.4.1起升時(shí)作用在電動(dòng)機(jī)軸上的靜力矩 30
3.4.2下降時(shí)作用在電動(dòng)機(jī)軸上的靜力矩 30
結(jié) 論 30
致 謝 31
參 考 文 獻(xiàn) 32
第一章 本課題研究的內(nèi)容
1.1嬰兒車簡介
嬰兒車是指給嬰幼兒使用的車?，F(xiàn)在的嬰兒車款式多種多樣，功能和價(jià)格也是相差也很大，選擇時(shí)要注意安全和實(shí)用相結(jié)合的原則。嬰兒車在使用中也存在一些安全 隱患，父母應(yīng)給予重視，及時(shí)排除隱患。檢查嬰兒車油漆安全性，最直接辦法是聞聞是否有味道。但這不是證明油漆安全性唯一標(biāo)準(zhǔn)。嬰兒車油漆是否符合安全標(biāo) 準(zhǔn)，關(guān)鍵要看是否含有重金屬和甲醛等有害成分。嬰兒車可分為：實(shí)木嬰兒車（有漆無漆兩種）、竹嬰兒車、藤制嬰兒車、多種材料混合嬰兒車
實(shí)木嬰兒車目前國內(nèi)有兩種松木做原料，新西蘭松和樟子松，新西蘭松木材較軟易刨光，而樟子松較硬，光潔度要差一些。
新型的是以竹制的嬰兒車，其優(yōu)點(diǎn)就是：竹材比木材更堅(jiān)硬密實(shí)，抗壓抗彎強(qiáng) 度更高；紋清晰、板面美觀、色澤自然、竹香怡人，質(zhì)感高雅氣派；竹材不積塵、不結(jié)露、易清潔，避免了螨類細(xì)菌的繁殖，免去蟲蛀之?dāng)_；能自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度并 抗?jié)?，?dǎo)熱系數(shù)低，具冬暖夏涼的特性；竹材具有吸收紫外線的功能，使人在室內(nèi)起居時(shí)眼睛有舒適感，可預(yù)防近視等眼疾的發(fā)生和發(fā)展；吸音隔聲、除低音、壓殘響，有效擯除雜聲，還你寧靜心境。其缺點(diǎn)就是竹的涼性較重，所以竹做的嬰兒車車板最好還是用木條或木板的，其他部分用竹的較好。
藤制嬰兒車目前國內(nèi)生產(chǎn)的很少，這種成本很高，特別是野生藤。
本文設(shè)計(jì)一種自動(dòng)搖擺的嬰兒搖車，重點(diǎn)研究傳動(dòng)系統(tǒng)，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)等。
1.2本課題研究方法
18世紀(jì)60年代的第一次工業(yè)革命促進(jìn)了機(jī)械工程學(xué)科的迅速發(fā)展，機(jī)構(gòu)學(xué)在原來的機(jī)械力學(xué)的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科。早在13世紀(jì)，連桿機(jī)構(gòu)就已經(jīng)得到了應(yīng)用，最簡單的連桿機(jī)構(gòu)則是四桿機(jī)構(gòu)，同時(shí)它也是出現(xiàn)最早的一種連桿機(jī)構(gòu)。對連桿機(jī)構(gòu)的研究起始于18世紀(jì)，著名發(fā)明家瓦特在他所發(fā)明的蒸汽機(jī)中曾應(yīng)用四桿機(jī)構(gòu)連桿點(diǎn)的近似直線運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)中的另一個(gè)桿運(yùn)動(dòng)。瓦特在蒸汽機(jī)中應(yīng)用連桿點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)直到多年以后，人們才開始認(rèn)識到連桿運(yùn)動(dòng)的作用。但由于當(dāng)時(shí)缺少連桿運(yùn)動(dòng)特性方面的理論基礎(chǔ)，因此限制了其應(yīng)用的發(fā)展。一直到19世紀(jì)80年代以后，才相繼出現(xiàn)了一些有關(guān)連桿方面的文獻(xiàn)。近百年來，世界各國學(xué)者對連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的分析研究，其論文、專著和評述很多。對連桿機(jī)構(gòu)的不斷深入分析研究，主要就在于連桿機(jī)構(gòu)無論是在過去還是在現(xiàn)在，都對機(jī)械工業(yè)乃至整個(gè)生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義和作用。 19世紀(jì)以來，以幾何圖解法為主的德國機(jī)構(gòu)學(xué)學(xué)派曾對連桿機(jī)構(gòu)的研究做出了巨大的貢獻(xiàn)，其研究成果長期處于世界領(lǐng)先地位。在第二次世界大戰(zhàn)以后，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得連桿機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用又有了新的突破，開辟了許多新的分支。在平面連桿機(jī)構(gòu)中最基本的形式則為四桿機(jī)構(gòu)，對于四桿機(jī)構(gòu)的分析已經(jīng)進(jìn)行了不少研究工作，但是不論在運(yùn)動(dòng)學(xué)還是在動(dòng)力學(xué)方面，四桿機(jī)構(gòu)仍有進(jìn)一步研究的必要。至于五桿以上的多桿機(jī)構(gòu)，特別是多桿多自由度的機(jī)構(gòu)，目前的工作還很不完善。四桿機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)形式簡單，而且應(yīng)用十分廣泛，但其所能實(shí)現(xiàn)的功能也比較簡單。隨著機(jī)械自動(dòng)化的不斷發(fā)展，人們對機(jī)構(gòu)所需要滿足的運(yùn)動(dòng)特性及動(dòng)力特性有了更高的要求，同時(shí)在國際上也十分注重這方面的工作。連桿機(jī)構(gòu)是工程實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的機(jī)構(gòu)，是組成各種機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此連桿機(jī)構(gòu)的研究一直是機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)。
1.3 平面連桿機(jī)構(gòu)組成原理
任何機(jī)構(gòu)都包含原動(dòng)件、機(jī)架和從動(dòng)件三個(gè)部分。機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是原動(dòng)件的數(shù)目等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目。因此，如果把機(jī)構(gòu)的機(jī)架以及與機(jī)架相連的原動(dòng)件與從動(dòng)件系統(tǒng)分開，那么剩下的從動(dòng)件系統(tǒng)的自由度應(yīng)該為零。有時(shí)候這種從動(dòng)件的系統(tǒng)還可以分成若干個(gè)更簡單的、自由度為零的的構(gòu)件組。這種最簡單的、不可以再拆分的、
自由度為零的構(gòu)件組稱為基本桿組。任何機(jī)構(gòu)都可以看作是有若干個(gè)基本桿組依次聯(lián)接于原動(dòng)件和機(jī)架上所組成的系統(tǒng)，這就是機(jī)構(gòu)的組成原理。
當(dāng)有兩個(gè)活動(dòng)構(gòu)件（機(jī)架不是活動(dòng)構(gòu)件），三個(gè)低副時(shí)，就構(gòu)成了最簡單的平面基本桿組，稱之為Ⅱ級桿組。由四個(gè)活動(dòng)構(gòu)件和六個(gè)低副組成的桿組，稱之為Ⅲ級桿組。而在基本桿組中又以Ⅱ級和Ⅲ級基本桿組最為常見。根據(jù)Ⅱ級桿組和Ⅱ級桿組中低副的不同形式和它們所在的不同位置又可以分成成不同的類型，如圖1.1應(yīng)用最多的有A型、B型、C型、D型四種類型。
a b
c d
圖1.1 常見的Ⅱ級桿組
a.A型 b.B型 c.C型 d.D型
平面連桿機(jī)構(gòu)的級別是根據(jù)其中最高級的基本桿組的級別來確定的。當(dāng)組成機(jī)構(gòu)的各基本桿組的最高級別是n級時(shí)，則稱該機(jī)構(gòu)為n級機(jī)構(gòu)。在我們的日常生活中，用的最多的仍然是由Ⅱ級桿組組成的平面連桿機(jī)構(gòu)。
1.4 平面連桿機(jī)構(gòu)特點(diǎn)
平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式多樣，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)、移動(dòng)和平面或空間復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，從而可用于實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律和已知軌跡。此外，連桿機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副一般均為低副，其運(yùn)動(dòng)副元素為面接觸，壓力較小，承載能力較大，潤滑好，磨損小，加工制造容易。連桿機(jī)構(gòu)中的低副一般是幾何封閉，對保證工作的可靠性有利。在連桿機(jī)構(gòu)中，在原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變的條件下，可用改變各構(gòu)件的相對長度來使從動(dòng)件得到不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。并且在連桿機(jī)構(gòu)中，連桿上各點(diǎn)的軌跡是各種不同形狀的曲線（稱為連桿曲線），其形狀隨著各構(gòu)件的相對長度的改變而改變，故連桿曲線的形式多樣，可以用來滿足一些特定工作的需要。利用連桿機(jī)構(gòu)還可以很方便的達(dá)到改變運(yùn)動(dòng)的傳遞方向、擴(kuò)大行程、實(shí)現(xiàn)增力和遠(yuǎn)距離傳動(dòng)等目的。
近年來，隨著連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的不斷發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用以及有關(guān)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)，連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)精度有了很大的提高，而且在滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)要求的同時(shí)，還可以考慮到動(dòng)力學(xué)特性。尤其是微電子技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的引入，以及多自由度連桿機(jī)構(gòu)的采用，使連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)大為簡化，使用范圍更為廣泛。
1.5 本文研究內(nèi)容和意義
1.5.1 本文研究內(nèi)容
在各種各樣的機(jī)構(gòu)中，連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)表現(xiàn)為具有多種多樣的結(jié)構(gòu)和特性。僅就平面連桿機(jī)構(gòu)而言，即使其構(gòu)件數(shù)目在很少的情況下，大量的各種可能的機(jī)構(gòu)形式在今天仍難以估計(jì)。而以平面四桿機(jī)構(gòu)為代表的平面連桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械工程的中的應(yīng)用非常廣泛。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，機(jī)構(gòu)的載荷與速度不斷提高，對連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、運(yùn) 動(dòng)和動(dòng)力性能的要求越來越高。同時(shí)，人們對連桿機(jī)構(gòu)的性能及其設(shè)計(jì)方法的研究也日漸深入。
平面連桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是必不可少的。傳統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)采用復(fù)雜的計(jì)算和作圖。本文在基于基本桿組理論的基礎(chǔ)上，說明了平面連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)成，分析了設(shè)計(jì)流程，確定了程序結(jié)構(gòu)，建立了數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用VB6.0開發(fā)了平面四桿機(jī)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)和仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、速度和加速度分析。本課題具有設(shè)計(jì)和教學(xué)雙重價(jià)值，面向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)者及學(xué)生。具有實(shí)用性，交互性，總體上要求先進(jìn)、易用、實(shí)用。具有良好的用戶界面和適時(shí)交互能力，操作方便，對用戶的專業(yè)要求較低。具有擴(kuò)展性、開放性、高度的容錯(cuò)性和可靠性。系統(tǒng)完全使用模塊化的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)，充分利用了當(dāng)今的編程技術(shù)，使軟件具有流行的風(fēng)格，便于使用。
1.5.2 本文研究意義
平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析雖然經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，其理論水平已接近完善。但遺憾的是雖然目前已經(jīng)有不少相關(guān)的分析仿真軟件，但在人機(jī)交互、可視化程度、智能化等方面還做得不夠理想。本課題的目的是開發(fā)一個(gè)自動(dòng)化程度高、可視化程度好、人機(jī)交互能力強(qiáng)、通用性強(qiáng)、并能讓一般工程技術(shù)人員方便使用的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和運(yùn)動(dòng)仿真的可視化軟件。本人制作的平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析軟件，形象直觀，使用者只需要輸入各桿的長度或擺角和行程速比系數(shù)，即可計(jì)算出平面四桿機(jī)構(gòu)的速度、加速度、位移、最小傳動(dòng)角等一系列運(yùn)動(dòng)參數(shù)，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)平面四桿機(jī)構(gòu)的仿真，以及繪制出位移、速度、加速度曲線。軟件的設(shè)計(jì)智能化，對使用者的專業(yè)技術(shù)要求較低。通過對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析可以了解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，便于更合理有效的使用各種機(jī)械。在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)，又可以通過機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析來檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性是否滿足要求。把計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)運(yùn)用到機(jī)構(gòu)的原理分析中，通過動(dòng)態(tài)仿真顯示，可以使我們對機(jī)構(gòu)的原理有比較直觀和深入的認(rèn)識。在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析中采用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)具有很多的優(yōu)點(diǎn)：
(1)優(yōu)化性，對于比較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，通過計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真可以預(yù)測機(jī)構(gòu)的性能和參數(shù)，并使得所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)性能達(dá)到最優(yōu)。
(2)經(jīng)濟(jì)性，對于大型和復(fù)雜的機(jī)構(gòu)來說，直接實(shí)驗(yàn)的成本會(huì)很高，而計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的成本比較低，它和真實(shí)的原型試驗(yàn)的不同之處是，它是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不會(huì)破壞原型，需要的只是軟件的開發(fā)和應(yīng)用費(fèi)用，而且，只要軟件投入到使用中，它就能夠進(jìn)行多個(gè)方案的計(jì)算，并且具有極高的重復(fù)使用率，能夠及時(shí)修改設(shè)計(jì)中的偏差，總體成本比較低。
(3)安全性，對于某些有潛在性危險(xiǎn)的機(jī)構(gòu)，采用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)沒有任何危險(xiǎn)。
(4)可視性，通過先期的模擬、顯示、驗(yàn)證，可以使得機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加直觀。
第二章 平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和設(shè)計(jì)
2.1 平面連桿機(jī)構(gòu)類型
2.1.1 機(jī)構(gòu)概述及類型
平面連桿機(jī)構(gòu)是將各構(gòu)件用移動(dòng)副或轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接而成的平面機(jī)構(gòu)。最簡單的平面連桿機(jī)構(gòu)由四個(gè)構(gòu)件組成，簡稱為平面四桿機(jī)構(gòu)。平面四桿機(jī)構(gòu)的用途十分廣泛，并且是組成多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。
運(yùn)動(dòng)副均為轉(zhuǎn)動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，如圖2.1所示，它是平面四桿機(jī)構(gòu)的基本形式，其他四桿機(jī)構(gòu)都可以看成是在它的基礎(chǔ)上演化而來的。機(jī)構(gòu)的固定件4稱為機(jī)架，直接與機(jī)架聯(lián)接的桿1和桿3稱為連架桿，不直接與機(jī)架連接的桿2稱為連桿.能夠做整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件被稱作曲柄，只能在某一角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)的構(gòu)件稱為搖桿。如果以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的兩個(gè)構(gòu)件可以做整周相對轉(zhuǎn)動(dòng)，則稱之為整轉(zhuǎn)副，反之稱之為擺轉(zhuǎn)副。
圖2.1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)
對于鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)來說，機(jī)架和連桿總是存在的，因此可以按照連架桿是曲柄還是搖桿，將鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)分為三種基本形式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。
(1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)連架桿中，若一個(gè)為曲柄，另一個(gè)為搖桿，則稱其為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。如圖2.2所示，在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，若以曲柄為原動(dòng)件，可將曲柄的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；若以搖桿為原動(dòng)件時(shí)，可將搖桿的擺動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍恼苻D(zhuǎn)動(dòng)，前者應(yīng)用甚廣。
(2)雙曲柄機(jī)構(gòu)
在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個(gè)連架桿均為曲柄，此連桿機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。在此機(jī)構(gòu)中，當(dāng)主動(dòng)曲柄作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)曲柄則作變速運(yùn)動(dòng)。在某些沖車機(jī)構(gòu)中，就利用了雙曲柄搖桿的這種特性，可使沖頭在沖壓行程時(shí)慢速前進(jìn)，在空回行程快速返回，以利于沖壓工作的進(jìn)行。
在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，若相對兩桿平行且長度相等，則稱其為平行四邊形機(jī)構(gòu)。它有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：一是兩曲柄以相同速度同向轉(zhuǎn)動(dòng)；二是連桿作平動(dòng)。若兩相對桿的長度分別相等，但不平行，則稱其為反平行四邊形機(jī)構(gòu)。當(dāng)以其長邊為機(jī)架時(shí)，兩曲柄沿相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)以其短邊為機(jī)架時(shí)，其性能和一般雙曲柄機(jī)構(gòu)相似。平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩個(gè)特性在機(jī)械工程上的應(yīng)用很多。例如，機(jī)車車輪的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)就利用了其第一個(gè)特性；可調(diào)臂長臺燈和播種機(jī)料斗機(jī)構(gòu)就利用了其第二個(gè)特性；而車門開閉機(jī)構(gòu)和四輪拖車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)則利用了反平行四邊形機(jī)構(gòu)兩曲柄反向轉(zhuǎn)動(dòng)的特性。
(3)雙搖桿機(jī)構(gòu)
若鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)連架桿都是搖桿，則稱其為雙搖桿機(jī)構(gòu)。在雙搖桿機(jī)構(gòu)中，若兩搖桿長度相等并且最短，則構(gòu)成等腰梯形機(jī)構(gòu)。
圖2.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
2.1.2 機(jī)構(gòu)演化
在實(shí)際機(jī)械中，平面連桿機(jī)構(gòu)的形式是多種多樣的，但絕大多數(shù)都是在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展和演化而成的。機(jī)構(gòu)的演化，不僅是為了滿足運(yùn)動(dòng)方面的要求，還是為了改善受力狀況以及滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的需要。各種演化機(jī)構(gòu)的外形雖然各不相同，但它們的性質(zhì)以及分析和設(shè)計(jì)方法卻常常是類似的甚至是相同的，這就為連桿機(jī)構(gòu)的研究提供了方便。具體有以下幾種演化方法：
改變構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)尺寸
如圖所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉸鏈C將沿圓弧作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。將搖桿3做成滑塊形式，使其沿圓弧導(dǎo)軌作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，顯然其運(yùn)動(dòng)性質(zhì)不會(huì)發(fā)生變化，但此時(shí)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)已經(jīng)演化成為具有曲線導(dǎo)軌的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
圖2.3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
圖2.4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
又若將圖2.4中搖桿3的長度增至無窮大，則曲線導(dǎo)軌將變成直線導(dǎo)軌，于是機(jī)構(gòu)就演化成為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在沖車、內(nèi)燃機(jī)、空壓機(jī)等中得到了廣泛的應(yīng)用。
(2)改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸
在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄AB的尺寸較小時(shí)，由于機(jī)構(gòu)的需要，常將曲柄改為如圖2.5所示的偏心盤，其回轉(zhuǎn)中心至幾何中心的偏心距等于曲柄的長度，這種機(jī)構(gòu)稱為偏心輪機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)特性與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完全相同。偏心輪機(jī)構(gòu)可認(rèn)為是將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動(dòng)副B的半徑擴(kuò)大，使之超過曲柄長度演化而成。偏心輪機(jī)構(gòu)在鍛壓設(shè)備和柱塞泵等中應(yīng)用較廣。
圖2.5 偏心輪機(jī)構(gòu)
(3)選用不同的構(gòu)件為機(jī)架
圖2.6a所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若改選構(gòu)件AB為機(jī)架，如圖2.6b所示，此時(shí)構(gòu)件4繞軸A轉(zhuǎn)動(dòng)，而構(gòu)件3則沿構(gòu)件4相對移動(dòng)，構(gòu)件4稱為導(dǎo)桿，此機(jī)構(gòu)稱為導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。
在導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中，如果導(dǎo)桿能夠作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，則稱為回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。如果導(dǎo)桿僅能擺動(dòng)，則稱為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。
a
b
圖2.6 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的演化
a.曲柄滑塊機(jī)構(gòu) b.導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)
若在上圖a中改選構(gòu)件BC為機(jī)架時(shí)，則演化成為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其中，構(gòu)件3僅能繞C點(diǎn)擺動(dòng)。若在上圖a中改選滑塊3為機(jī)架，則演化成為直動(dòng)滑桿機(jī)構(gòu)。
選運(yùn)動(dòng)鏈中不同構(gòu)件作為機(jī)架以獲得不同機(jī)構(gòu)的演化方法稱為機(jī)構(gòu)的倒置。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，雙滑塊四桿機(jī)構(gòu)同樣可以經(jīng)過機(jī)構(gòu)的倒置獲得不同形式的四桿機(jī)構(gòu)。
(4)運(yùn)動(dòng)副元素的逆換
對于移動(dòng)副來說，將移動(dòng)副兩元素的包容關(guān)系進(jìn)行逆換，并不影響兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動(dòng)，但卻能演化成不同的機(jī)構(gòu)。
由上述可見，四桿機(jī)構(gòu)的形式雖然多種多樣，但根據(jù)演化的概念可為歸類研究這些四桿機(jī)構(gòu)提供方便；反之，也可根據(jù)演化的概念設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)形式各異的四桿機(jī)構(gòu)。
2.2 平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析
2.2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)副與周轉(zhuǎn)副關(guān)系
連桿機(jī)構(gòu)中某個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副是否為周轉(zhuǎn)副取決于各構(gòu)件之間的相對長度關(guān)系?？紤]到機(jī)構(gòu)中任意兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系與其中哪個(gè)構(gòu)件為機(jī)架無關(guān)，故可針對連桿運(yùn)動(dòng)鏈分析轉(zhuǎn)動(dòng)副為周轉(zhuǎn)副的充分必要條件。 ??
在鉸鏈四桿運(yùn)動(dòng)鏈中，設(shè)各構(gòu)件長度分別為a、b、c、d，轉(zhuǎn)動(dòng)副分別為A、B、C、D。各構(gòu)件之間能相對運(yùn)動(dòng)的幾何條件為任一構(gòu)件的長度必須小于其他三個(gè)構(gòu)件長度之和。若最短構(gòu)件與最長構(gòu)件長度之和小于或等于其他兩構(gòu)件長度之和，則此長度關(guān)系稱為桿長之和條件。由此可知，轉(zhuǎn)動(dòng)副為周轉(zhuǎn)副的條件是：
最短桿長度+最長桿長度≤其余兩桿長度之和。
組成該周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為最短桿。
2.2.2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)急回運(yùn)動(dòng)和行程速度變化系數(shù)
如圖2.7所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄AB為主動(dòng)件時(shí)，在其運(yùn)動(dòng)一周中，有兩次與連桿共線。這時(shí)搖桿CD處于最左和最右的位置：C1D和C2D，也就是搖桿的兩個(gè)極限位置。
圖2.7 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
曲柄與連桿兩次共線位置之間的夾角稱為極位夾角，用字母θ表示。而搖桿在兩個(gè)極限位置的夾角稱之為擺角，用字母ψ表示。當(dāng)曲柄由AB1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到AB2時(shí)，轉(zhuǎn)過的角度是ψ1 =180o +θ；所需時(shí)間為t1；此時(shí)搖桿由C1D擺動(dòng)到C2D,擺角為ψ，搖桿的平均速度v1= C1C2 /t1。當(dāng)曲柄由AB2順時(shí)針轉(zhuǎn)到AB1時(shí)，轉(zhuǎn)過的角度為ψ2 =180o - θ；所需時(shí)間為t2；此時(shí)搖桿由C2D擺動(dòng)到C1D,擺角為ψ，搖桿的平均速度v2= C1C2 /t2。由于ψ1>ψ2 ，并且曲柄勻速旋轉(zhuǎn)，所以：
t1== > t2== 式（2.1）
又因?yàn)椋簱u桿的擺角ψ是不會(huì)改變的，且t1 > t2
所以：v1= C1C2 /t1 < v2= C1C2/t2
即：搖桿返回速度較快,這里就稱它具有急回特性。
因此，當(dāng)從動(dòng)件作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平面連桿機(jī)構(gòu)中，若從動(dòng)件工作行程（慢行程）的平均速度小于空回行程（快行程）的平均速度，則稱該機(jī)構(gòu)具有急回特性。急回特性具有重要的意義，當(dāng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具備了急回運(yùn)動(dòng)特性后，就可以利用急回運(yùn)動(dòng)特性來縮短機(jī)械空回行程的時(shí)間，提高機(jī)械的工作效率。
為了能定量描述急回運(yùn)動(dòng)，將回程平均速度v2與工作行程平均速度v1之比定義為行程速度變化系數(shù)即急回特性系數(shù)，用字母K來表示。
K==== 式（2.2）
只要極位夾角θ1 0 ,就有 K>1，機(jī)構(gòu)就具有急回特性。而且q越大，K值越大，機(jī)構(gòu)的急回性質(zhì)越明顯。因此，可以通過分析機(jī)構(gòu)中是否存在θ及其大小，來判斷機(jī)構(gòu)是否具有急回運(yùn)動(dòng)，以及急回的程度。
2.2.3 壓力角和傳動(dòng)角
在圖2.8所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，若不考慮構(gòu)件的重力、慣性力以及轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦力等其它的影響，則當(dāng)曲柄1為原動(dòng)件時(shí)，通過連桿2作用于從動(dòng)件3上的力F將沿BC方向，此力的方向與力作用點(diǎn)C的速度Vc方向之間的夾角用α表示。將F分解為沿Vc方向的切向力Ft和垂直于Vc的法向力Fn，其中Ft=Fcosα為驅(qū)使從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)并作功的有效分力，而Fn=Fsinα不作功，僅增加轉(zhuǎn)動(dòng)副D中的徑向壓力。因此在F大小一定情況下，分力Ft愈大也即α愈小對機(jī)構(gòu)工作愈有利，故稱α為壓力角，它可反映力的有效利用程度。
圖2.8 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
? 壓力角α的余角γ稱為傳動(dòng)角，γ愈大對機(jī)構(gòu)工作愈有利。由于傳動(dòng)角γ有時(shí)可以從平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖上直接觀察其大小，故平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中常采用γ來衡量機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)質(zhì)量。當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其傳動(dòng)角的大小是變化的，為了保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)良好，設(shè)計(jì)時(shí)通常應(yīng)使γmin≥40°；對于高速和大功率的傳動(dòng)機(jī)械，應(yīng)使γmin≥50°。為此，需確定γ=γmin時(shí)的機(jī)構(gòu)位置，并檢驗(yàn)γmin的值是否不小于上述許用值。
對于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來說，γmin出現(xiàn)在主動(dòng)曲柄與機(jī)架共線的兩位置之一處。這時(shí)有:
γ1=∠B1C1D=arccos 式（2.3）
γ2=∠B2C2D=arccos或γ2=180°- arccos 式（2.4）
γ1和γ2中的小者即為γmin。
由以上各式可知，傳動(dòng)角的大小與機(jī)構(gòu)中各桿的長度有關(guān)，故可按照給定的許用傳動(dòng)角來設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)。在設(shè)計(jì)受力較大的四桿機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)使機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角具有最大值，但最小傳動(dòng)角與四桿機(jī)構(gòu)的其它性能參數(shù)，如搖桿的擺角和行程速度變化系數(shù)等，是彼此制約的。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，必須了解該種機(jī)構(gòu)的內(nèi)在性能關(guān)系，統(tǒng)籌兼顧各種性能指標(biāo)，才能獲得良好的設(shè)計(jì)。
2.2.4 死點(diǎn)
從Ft=Fcosα可知，當(dāng)壓力角α=90°時(shí)，對從動(dòng)件的作用力或力矩為零，此時(shí)連桿不能驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件工作。機(jī)構(gòu)處在這種位置成為死點(diǎn)，又稱止點(diǎn)。如圖2.9所示，在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，設(shè)以搖桿CD為主動(dòng)件，則當(dāng)連桿BC與從動(dòng)曲柄AB共線時(shí)，機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角γ=0°，這時(shí)主動(dòng)件CD通過連桿作用于從動(dòng)件AB上的力恰好通過其回轉(zhuǎn)中心，所以出現(xiàn)了不能使構(gòu)件AB轉(zhuǎn)動(dòng)的頂死現(xiàn)象，同樣，機(jī)構(gòu)的這種位置也稱為死點(diǎn)。
為了使機(jī)構(gòu)能夠順利的通過死點(diǎn)從而正常運(yùn)轉(zhuǎn)，就必須得采取一定的措施。比如可以采用兩組以上的相同機(jī)構(gòu)組合使用，而使各組機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)相互錯(cuò)開排列的方法。也可采用安裝飛輪加大慣性的方法，借慣性作用闖過死點(diǎn)等。而在另一方面，工程實(shí)踐中也常常利用了機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)特定的工作要求。比如飛機(jī)的起落架機(jī)構(gòu)，在機(jī)輪放下時(shí)，兩桿成一條直線，此時(shí)機(jī)輪上雖然受到很大的力，但由于機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，從而使起落架不會(huì)反轉(zhuǎn)，可使飛機(jī)的起落和停放更加安全可靠。
通過比較可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)的極位和死點(diǎn)實(shí)際上是機(jī)構(gòu)的同一位置，所不同的僅僅是機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件不同。當(dāng)原動(dòng)件與連桿共線時(shí)為極位。在極位的附近，由于從動(dòng)件的速度接近于零，因此可以獲得很大的增力效果。當(dāng)從動(dòng)件與連桿共線時(shí)為死點(diǎn)。機(jī)構(gòu)在死點(diǎn)時(shí)本來是不能運(yùn)動(dòng)的，但如果因沖擊振動(dòng)等原因使機(jī)構(gòu)離開死點(diǎn)而繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這時(shí)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方向是不確定的，即可能正轉(zhuǎn)也可能反轉(zhuǎn)，故機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置也是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
圖2.9 死點(diǎn)現(xiàn)象
2.3 平面四桿機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型
連桿機(jī)構(gòu)的分析著重在于連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、及動(dòng)力學(xué)特性的研究，并揭示連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)規(guī)律及其相互關(guān)系，用于現(xiàn)有機(jī)械系統(tǒng)的性能分析與改進(jìn)。連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析包括三個(gè)方面的內(nèi)容:位移分析、速度分析和加速度分析。連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)是理論力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)，它的研究歷史較早，經(jīng)過了幾代學(xué)者們的不斷努力，現(xiàn)己形成了較為成熟的連桿機(jī)構(gòu)分析的理論與方法。 早期的機(jī)構(gòu)學(xué)研究者就己經(jīng)建立了連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的方法，比如實(shí)驗(yàn)法、圖解法和解析法等。實(shí)驗(yàn)法需要專門的實(shí)驗(yàn)儀器，并且實(shí)驗(yàn)的精度受到很多因素的影響，在機(jī)構(gòu)分析中己經(jīng)不大常用。圖解法又可分為速度瞬心法、速度和加速度多邊形法等。圖解法直觀、簡單，但精度卻很低。解析法公式非常復(fù)雜，如果沒有先進(jìn)的計(jì)算工具，則只能用于簡單機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，但其計(jì)算精度卻非常高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，解析法已經(jīng)成為了機(jī)構(gòu)分析的主要手段。到目前為止，計(jì)算輔助機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的方法可分為三類:復(fù)數(shù)矢量法，桿組法和約束法。復(fù)數(shù)矢量法:一個(gè)平面機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡圖總可以劃分為若干個(gè)三角形，基于這種思想，將平面連桿機(jī)構(gòu)的位置分析問題歸納為求解一系列三角形的問題，并采用復(fù)數(shù)矢量方法來描述三角形。此法由M.A.Ch ase創(chuàng)建，牧野洋對此法做了一些改進(jìn)，所以此方法又稱為擎斯-牧野洋法。D.W.Cooper等人于1964年基于此理論，開發(fā)了第一部平面連桿構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析軟件 KAMKinematic AnalysisMethod 。桿組法:將機(jī)構(gòu)中不可再分的，自由度為零的運(yùn)動(dòng)鏈作為機(jī)構(gòu)的基本單元，此單元稱為基本桿組或者阿蘇ACCYP/ASSUR桿組。阿蘇爾提出基本桿組概念后，阿爾托包列夫斯基又提出了機(jī)構(gòu)分類的方法，涉及到了II級桿組五種形式的運(yùn)動(dòng)分析?；緱U組法是以機(jī)構(gòu)中的“阿蘇爾桿組”為基本單元，按各基本單元編制通用的運(yùn)動(dòng)分析子程序。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，先將機(jī)構(gòu)劃分成基本桿組，然后對每一個(gè)基本桿組進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，最終完成整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析。根據(jù)基本桿組內(nèi)部封閉的運(yùn)動(dòng)副個(gè)數(shù)的不同，可以分為若干級，而每一級又因?yàn)橐苿?dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副的不同組合分為若干種。由于基本桿組具有運(yùn)動(dòng)的確定性和力的穩(wěn)定性，可事先對各種基本桿組編制成相應(yīng)的算法模塊。約束法:把平面連桿機(jī)構(gòu)看成是由一些相互之間受到一定約束的基點(diǎn)構(gòu)成的系統(tǒng)，從而建立起這些約束條件的數(shù)學(xué)模型，并編制相應(yīng)的分析程序以完成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析。這種方法稱為約束法。約束法本身也是多種多樣的，不同作者的定義也不用。P.N ShethJ.J. Ui ker.Jr 等人于20世紀(jì)60年代期間在美國University of Wisconsin大學(xué)開發(fā)的IMP就是基于這種理論。80年代以后，隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像顯示技術(shù)的實(shí)用化，一些歐美國家已經(jīng)可以將所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中以三維實(shí)體來描述，從而可以顯示出它在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期循環(huán)中的各個(gè)側(cè)面，以觀察機(jī)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的空間運(yùn)動(dòng)情況。
本文對平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析主要采用的是復(fù)數(shù)矢量法。
圖2.10 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖
如圖2.10所示，為曲柄搖桿的機(jī)構(gòu)簡圖。采用復(fù)數(shù)矢量法，根據(jù)其幾何關(guān)系，可以建立下面的矢量方程：
+ =+ 式（2.5）
將上式分別向坐標(biāo)軸OX，OY投影，，得到下列對應(yīng)的代數(shù)組方程
L1cosθ1+L2cosθ2=L4+L3cosθ3
L1sinθ1+L2sinθ2=L3sinθ3 式(2.6)
緊接著，構(gòu)造兩個(gè)輔助三角形△ABD和△BCD，從圖中可以看出：
θ2=β-α
tanα=,則α=arctan
cosβ=,則β=arccos,
其中BD=
綜上所述，
θ2=β-α= arccos- arctan 式(2.7)
設(shè)C點(diǎn)坐標(biāo)為(XC,YC)
XC=XB+L2cosθ2=L1cosθ1+L2cosθ2
YC=YB+L2sinθ2=L1sinθ1+L2sinθ2
tan(180°-θ3)= tanθ3=- ==
θ3=arctan 式(2.8)
角速度分析：
分別對(2.6)式時(shí)間t求導(dǎo)可得：
-L1ω1sinω1t-L2ω2sinω2t=-L3ω3sinω3t
L1ω1cosω1t+ L2ω2cosω2t= L3ω3cosω3t
所以：
-L1ω1sinθ1-L2ω2sinθ2=-L3ω3sinθ3
L1ω1cosθ1+ L2ω2cosθ2= L3ω3cosθ3
所以：
L1ω1sinθ1+L2ω2sinθ2=L3ω3sinθ3
L1ω1cosθ1+ L2ω2cosθ2= L3ω3cosθ3 式 (2.9)
求解可得：
ω2= 式(2.10)
ω3= 式(2.11)
其中，當(dāng)其為正數(shù)時(shí)，表示順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)其為負(fù)數(shù)時(shí)，表示逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
角加速度分析：
分別對（2.9）式時(shí)間t求導(dǎo)可得：
L1ω12cosθ1+L2（a2sinθ2+ω22cosθ2）=L3(a3sinθ3+ω32cosθ3)
-L1ω12sinθ1+L2（a2cosθ2-ω22sinθ2）=L3(a3cosθ3-ω32sinθ3)
求解可得：
a2= 式(2.12)
a3= 式(2.13)已知搖桿長度L3，擺角ψ，行程速比系數(shù)k,求其余三桿的長度建模：
如圖2.11所示，以D點(diǎn)為圓心，建立直角坐標(biāo)系，令X軸與C1C2平行，令Y軸平分∠C1DC2，△PC1C2外接圓的圓心在Y軸上。
因?yàn)镈為圓心，所以根據(jù)擺角ψ可分別求出C1，C2的坐標(biāo)，
C1點(diǎn)的坐標(biāo)C1(-L3sin,L3cos)
C2點(diǎn)的坐標(biāo)C2(L3sin,L3cos)
所以:
C1C2=2L3sin
設(shè)外接圓的半徑為R，則R=
圓心在PC2與Y軸的交點(diǎn)處，設(shè)圓心坐標(biāo)為（X0，Y0）
Y0=L3cos-sin(90°-θ)R= L3cos-cosθR
所以圓心坐標(biāo)為（0，L3cos-cosθR）
令C= L3cos-cosθR,A= L3sin，B= L3cos
所以圓的方程為X2+（Y-C）2=R2
圖2.11 按K設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
固定鉸鏈中心 A 點(diǎn)可以在圓弧CPE1或在圓弧C2F上任取，但并不是每個(gè)選取點(diǎn)都能夠滿足機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角的設(shè)計(jì)要求，故需要利用最小傳動(dòng)角來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)A 點(diǎn)在圓弧 CPE1上，在程序設(shè)計(jì)中第一次取 A 點(diǎn) Y 軸坐標(biāo)的初值為 Y=B/16，則：
X=-
n1=AC1=
n2=
當(dāng)曲柄與連桿共線時(shí)的兩個(gè)位置分別為AC1和AC2
所以：
n1=L2-L1
n2= L2-L1
故連桿機(jī)構(gòu)的四桿長度分別為：
L1= 式（2.14）
L2= 式（2.15）
L4= 式（2.16）
最小傳動(dòng)角：
γ1=∠B1C1D=arccos 式（2.17）
γ2=∠B2C2D=arccos或γ2=180°- arccos 式（2.18）
γ1和γ2中的小者即為γmin。
行程速比系數(shù)：
K==== 式（2.19）
cosλ=
Cosμ=
θ=λ-μ
K= 式（2.20）
第三章 傳動(dòng)元件的選擇
3.1按靜功率初選電動(dòng)機(jī)
起升靜功率： P=QqV/1000η≈1.6kw；
。
電動(dòng)機(jī)的額定功率：
查文獻(xiàn)[1]選擇MF10M-106N164P85003E-IP55電機(jī)，功率1.8/0.25KW，轉(zhuǎn)速2780/420r/min，轉(zhuǎn)矩106N,
3.2起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)過載能力校驗(yàn)
故電動(dòng)機(jī)過載能力可靠。
3.3選擇減速器
3.3.1減速器的傳動(dòng)比
根據(jù)齒輪齒數(shù)計(jì)算卷筒與減速器之間傳動(dòng)比i：
減速器末級速度：；
根據(jù)速度比值計(jì)算減速器傳動(dòng)比：
；
式中：n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
3.3.2減速器的功率
；
查文獻(xiàn)[1]選擇QYJH平行軸減速器，該減速器傳動(dòng)比45，額定功率50KW,額定輸出扭矩14.5。
3.4靜力矩計(jì)算
3.4.1起升時(shí)作用在電動(dòng)機(jī)軸上的靜力矩
；
3.4.2下降時(shí)作用在電動(dòng)機(jī)軸上的靜力矩
結(jié) 論
本課題通過將平面連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和利用桿組法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，實(shí)現(xiàn)了對平面連桿機(jī)構(gòu)的速度、加速度、位移分析。運(yùn)用本設(shè)計(jì)分析軟件，能夠準(zhǔn)確迅速計(jì)算出曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，避免了復(fù)雜的公式推導(dǎo)和計(jì)算過程。
借助與軟件Visual Basic 6.0進(jìn)行可視化編程實(shí)現(xiàn)可視化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真。在平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，雖然把設(shè)計(jì)結(jié)果以數(shù)值和文字形式輸出給用戶，但這個(gè)結(jié)論對用戶來說依然是陌生的，因?yàn)樵谟脩舻念^腦中并沒有形成設(shè)計(jì)者所希望的平面連桿機(jī)構(gòu)圖形,況且用戶對設(shè)計(jì)結(jié)果的可用性也表示有一定的疑慮。如果在給出設(shè)計(jì)結(jié)果以后，再能在計(jì)算機(jī)上模擬一下所設(shè)計(jì)平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，可是與戶對該機(jī)構(gòu)有一個(gè)直觀的了解。
總體來說，在本課題的設(shè)計(jì)過程中，我學(xué)到了很多知識，受益匪淺。了解了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法，對平面四桿機(jī)構(gòu)有了更深入的了解和掌握。這對我今后的學(xué)習(xí)和工作都有很大的幫助。
致 謝
通過這一階段的不斷努力，我的畢業(yè)論文《平面連桿機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》終于完成了，這也意味著我的大學(xué)生活即將結(jié)束。在大學(xué)階段，我在學(xué)習(xí)上和思想上都獲益匪淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開的。 在本論文的寫作過程中，我的導(dǎo)師李雪老師傾注了大量的心血，從選題到開題報(bào)告，從寫作提綱，到一遍又一遍地指出每稿中的具體問題，嚴(yán)格把關(guān)，循循善誘，在此我表示衷心感謝。同時(shí)我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及關(guān)心我的同學(xué)和朋友。畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新的學(xué)習(xí)生活的開始。我將銘記我曾是一名交大學(xué)子，在今后的工作中把交大的優(yōu)良傳統(tǒng)發(fā)揚(yáng)光大。最后，衷心感謝各位專家的批評指導(dǎo)。
參 考 文 獻(xiàn)
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