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机械 原理 机构 分析 教具 设计

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S-机械原理机构分析教具设计,机械,原理,机构,分析,教具,设计

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表103 本科毕业设计任务书设计题目 机械原理机构分析教具设计 学 院 机械与电气工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 下发时间： 2014 年 12 月 21日毕业设计须知 1、认真学习广州大学普通本科生毕业论文（设计)工作管理规程； 2、努力学习、勤于实践、勇于创新，保质保量地完成任务书规定的任务； 3、遵守纪律，保证出勤，因事、因病离岗，应事先向指导教师请假，否则作为缺席处理。凡随机抽查三次不到，总分降低10分。累计缺席时间达到全过程l4者，取消答辩资格，成绩按不及格处理； 4、独立完成规定的工作任务，不弄虚作假，不抄袭和拷贝别人的工作内容。否则毕业设计成绩按不及格处理； 5、毕业设计必须符合广州大学普通本科生毕业论文（设计）规范化要求，否则不能取得参加答辩的资格； 6、实验时，爱护仪器设备，节约材料，严格遵守操作规程及实验室有关制度。 7、妥善保存广州大学本科毕业设计任务书。8、定期打扫卫生，保持良好的学习和工作环境。9、毕业设计成果、资料按规定要求装订好后交指导教师。凡涉及到国家机密、知识产权、技术专利、商业利益的成果，学生不得擅自带离学校。如需发表，必须在保守国家秘密的前提下，经指导教师推荐和院领导批准。课题名称机械原理机构分析教具设计完成日期： 2015 年 6 月 1 日一、 题目来源及原始数据资料：题目来源： 实际。原始数据资料：（1） 技术要求：因为是基于矢量方程图解法的平面机构运动分析，故在这里是用杆件表示速度与加速度，用矩形板表示展示平面，矩形板长2米，宽1米。为了演示清楚流畅，用不同颜色的带箭头的杆件表示速度和加速度矢量，速度矢量图与加速度矢量图切换时动作准确，无卡死现象。而且，要选定适当的比例尺，以防作出矢量方程图时超出矩形展板的面积范围。（2） 相关专利说明书及参考文献。二、毕业设计要求：毕业设计要求：要求设计机械原理运动学与力学分析教具，主要是铰链连杆机构的设计。主要是基于矢量方程图解法的平面机构分析，设计出用连杆机构表示这图解法的教具，以供参考。主要内容包括：1、 熟悉矢量方程图解法，计算速度、加速度和力的大小。2、 选定适当的比例尺，确定连杆的尺寸大小。3、 教具整体设计，整体尺寸的计算。4、 整体机构的运动分析，并完善设计。5、 整体受力分析与校验，进行结构尺寸优化。6、 最终提交：（1）不少于15000字的设计说明书；（2）给出三维实体装配及零件文档；（3）工程图3张，其中1张装配图（A1以上）、2张零件图；(4) 装配体虚拟运动仿真及装配爆炸动画。三、进度安排、应完成的工作量：第1-2周： 根据设计要求查阅相关资料，查找已有的类似产品，分析研究产品特点制定改进方案。拟定多个方案并进行比较，选择一个设计方案作为工作任务；第3-5周： 根据设计方案查阅相关知识，如结构设计、有限元分析等，并设计、建立三维模型；第6-7周： 对方案进行运动分析与结构分析，改进并完善设计，绘制工程图、零件图；第8-10周：校核设计，撰写论文。第11周：交论文初稿，准备学校毕业设计抽查。第12周：评阅老师检查评阅论文，将发现的问题反馈给学生，指导学生修改论文直到符合要求。第13周：学校毕业论文抄袭行为的检测。学生在规定时间内上传已定稿的毕业论文（设计）。第14周：在答辩前3天按照学校要求的统一格式完成论文的整理、修订和打印。准备10分钟PPT，做好毕业答辩准备（学校公开答辩或学院答辩）。第15周：参加答辩，答辩之后针对答辩中发现的问题完善毕业设计，最终提交论文等资料。四、主要参考文献1江帆. 机械原理M. 北京：机械工业出版社，2013.2濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计（第9版）M.高等教育出版社，2013.3金德闻，杨义勇.机械系统动力学M.北京:清华大学出版社,2009.4孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理M.北京:高等教育出版社，2006.5时代印象.中文版3ds Max2012基础培训教程M.人民邮电出版社,2012.6冯开平,左宗义.画法几何与机械制图(第二版)M.华南理工大学出版社,2007.7理论力学教研室编. 理论力学（I）M. 高等教育出版社，2010.8朱孝录 齿轮传动设计手册 M. 化学工业出版社，2005.9 杨黎明，黄凯等. 机械零件设计手册M.国防工业出版社，1990.10 单祖辉.材料力学M. 高等教育出版社，2004.指导教师（签名）： 系（教研室）主任（签名）： 主管院长（签名）：（学院章） 机械工程学院本科毕业设计(论文)题 目： 机构分析教具设计 论文 院 （系）： 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2013年 6月 摘 要 机构，指由两个或两个以上构件通过活动联接形成的构件系统。按组成的各构件间相对运动的不同，机构可分为平面机构（如平面连杆机构、圆柱齿轮机构等）和空间机构（如空间连杆机构、蜗轮蜗杆机构等）；按运动副类别可分为低副机构（如连杆机构等）和高副机构（如凸轮机构等）；按结构特征可分为连杆机构、齿轮机构、斜面机构、棘轮机构等；按所转换的运动或力的特征可分为匀速和非匀速转动机构、直线运动机构、换向机构、间歇运动机构等 ；按功用可分为安全保险机构、联锁机构、擒纵机构等。在运动链中，如果将其中某一构件加以固定而成为机架，则该运动链便成为机构。机构：是具有确定相对运动的构件组合，它是用来传递运动和力的构件系统，构的用途很普遍，不同的机构有不同的用途，按组成的各构件间相对运动的不同 ，可分为平面机构（如平面连杆机构、圆柱齿轮构等）和空间机构（如空间连杆机构、蜗轮蜗杆机构等）；按运动副类别可分为低副机构（如连杆机构等）和高副机构（如凸轮机构等）；按结构特征可分为连杆机构、齿轮机构、斜面机构、棘轮机构等；按所转换的运动或力的特征可分为匀速和非匀速转动机构、直线运动机构、换向机构、间歇运动机构等 ；按功用可分为安全保险机构、联锁机构、擒纵机构等。而且表现形式很多。关键词：机构 支架 传动Abstract Common rail fuel electric controlled high-pressure injection system is the development direction of modern diesel fuel injection system, in order to study the reliability, this study gives the design scheme of a high pressure common rail system of reliability test platform. The platform can also platform and components performance test combination, reliability testing of component. Under the premise of ensuring other parts under the first reliable, long time running on the platform components to be measured, then go to the component performance test bench for performance testing to judge the reliability. To set the reliability criterion system according to the common faults of the system components. High pressure common rail system was measured by a high pressure oil pump, high pressure oil pipe, common rail pipe, an oil atomizer. The fuel to the high-pressure pump, through the pump after compression by high-pressure tubing into the common rail pipe, and finally from the injectors to spray. The common faults of high pressure oil pump plunger pair has bad sealing and seizure, bad sealing lead to fuel leakage, will cause the pump plunger pair killed no oil supply, so the rail pressure decreased rapidly, at the same time, the driving torque of the motor will increase rapidly. Rupture of the high-pressure oil pipe will lead directly to a fuel leak, and rail pressure will also decrease rapidly. The fault injector are common injector blockage or leakage, electromagnetic coil aging, these faults will cause the fuel injection quantity is not normal, by comparing the cylinder fuel injection quantity can determine whether the normal work of the fuel injector. The rail pressure stable, each cylinder injection quantity equality, torque is not overrun, no leakage that the system is reliable.Keywords: Hydraulic pressure finite element analysisa目 录摘 要1目 录3第一章 绪论51.1 机械原理机构介绍51.2机构运用举例61.3 平面连杆机构111.3.1平面连杆机构简介111.3.2平面连杆机构基本问题121.3.3平面连杆机构存在条件121.3.4平面连杆机构基本形式191.3.5平面连杆机构尺寸综合19第二章 连杆机构的设计222.1 明确技术要求222.2 执行元件的配置确定及动作顺序222.3 杆件设计计算232.3.1 杆件受力分析232.3.2杆件速度计算232.3.3 机构校核232.6 前景展望29第三章 设计中的不足及要注意的问题303.1 设计中的不足之处303.2 使用要注意的问题30参考文献31设计总结32第一章 绪论1.1 机械原理机构介绍机构，指由两个或两个以上构件通过活动联接形成的构件系统。按组成的各构件间相对运动的不同，机构可分为平面机构（如平面连杆机构、圆柱齿轮机构等）和空间机构（如空间连杆机构、蜗轮蜗杆机构等）；按运动副类别可分为低副机构（如连杆机构等）和高副机构（如凸轮机构等）；按结构特征可分为连杆机构、齿轮机构、斜面机构、棘轮机构等；按所转换的运动或力的特征可分为匀速和非匀速转动机构、直线运动机构、换向机构、间歇运动机构等 ；按功用可分为安全保险机构、联锁机构、擒纵机构等。在运动链中，如果将其中某一构件加以固定而成为机架，则该运动链便成为机构。机构：是具有确定相对运动的构件组合，它是用来传递运动和力的构件系统，构的用途很普遍，不同的机构有不同的用途，按组成的各构件间相对运动的不同 ，可分为平面机构（如平面连杆机构、圆柱齿轮构等）和空间机构（如空间连杆机构、蜗轮蜗杆机构等）；按运动副类别可分为低副机构（如连杆机构等）和高副机构（如凸轮机构等）；按结构特征可分为连杆机构、齿轮机构、斜面机构、棘轮机构等；按所转换的运动或力的特征可分为匀速和非匀速转动机构、直线运动机构、换向机构、间歇运动机构等 ；按功用可分为安全保险机构、联锁机构、擒纵机构等。而且表现形式很多，优点：1）由于运动副都为低副，并且运动副元素之间便于润滑，故可以传递较大的载荷；2）运动副元素几何形状简单，便于加工制造；3）当原动件规律不变时，若改变各构件的相对长度关系，可以改变从动件的运动规律；4）连杆上的各点轨迹（简称连杆曲线）形状各异，可以利用这些曲线以满足不同的轨迹要求；5）能实现增力、扩大行程和实现远距离传动的目的。缺点：1）连杆机构运动链较长，构件尺寸误差和运动副间隙将产生较大积累误差，同时会使机械效率降低；2）连杆机构的总质心作变速运动，用一般方法难以平衡消除其产生的惯性力，故不宜用于精密及高速运动；3）要准确实现运动规律或轨迹，其设计十分繁难，一般只能近似满足。在有些机构中，运动中回出现=00的情况，这时，无论我们在原动件上施加多大的力都不能使机构运动，这种位置我们称为死点。如图213所示的曲柄摇杆机构，设CD杆为原动件，当摇杆处于两个极限位置（C1D和C2D）时，连杆与从动件曲柄共线，就出现=00的情况，这时CD通过连杆作用于AB上的力恰好通过其回转中心A，所以无论这时施加多大的力也不能推动从动件曲柄回转。死点是曲柄摇杆机构的固有特性，构件在运动中通过死点时还可能产生运动位置不确定的现象。可以证明在曲柄滑块机构中，当滑块为原动件时存在两个死点位置。双曲柄机构无死点位置，如图214所示。在工程上，为了使机构能够顺利通过死点而正常运转，必须采用适当的措施，如发动机上安装飞轮加大惯性力，或利用机构的组合错开死点位置，例如机车车轮的联动装置。但是，也应注意到，在工程上也长有利用死点来实现一定工作要求的，例如飞机起落架、各类夹具中，如图215所示。四、急回运动和行程速比系数有不少的平面机构，当主动曲柄做等速转动时，做往复运动的从动件摇杆，在前进行程（即工作行程）运行速度较慢，而回程运动速度要快，机构的这种性质就是所谓的的机构的“急回运动”特性。例如生产中使用牛头刨床进行刨削工作时，就是把慢速行程作为机器的工作行程，而将快速行程作为回程以提高机器的生产率。所以急回运动在机构设计中具有十分重要的意义。下面我们就以曲柄摇杆机构为例来分析机构的急回特性。在图216所示的曲柄摇杆机构中，设曲柄AB为原动件，曲柄每转一周，有两个位置与连杆共线，这时摇杆CD分别位于两个极限位置C1D和C2D，其夹角为。曲柄摇杆机构的这两个位置称为极位。机构处在两个极位时，原动件AB的两个位置AB1和AB2所夹的锐角称为极位夹角。此时摇杆两位置的夹角称作摇杆最大摆角。当曲柄以等加速度顺时针转过qa+=o1801时，摇杆由位置C1D运动到C2D，称为工作行程。设所需时间为t1，C点平均速度为V1；当曲柄继续转过qa-=o1802时，摇杆又从C2D转回到C1D，称空回行1.2机构运用举例连杆机构构件运动形式多样，如可实现转动、摆动、移动和平面或空间复杂运动，从而可用于实现已知运动规律和已知轨迹。此外，低副面接触的结构使连杆机构具有以下一些优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小；制造方便，易获得较高的精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不象凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。因此，平面连杆机构广泛应用于各种机械、仪表和机电产品中。平面连杆机构的缺点是：一般情况下，只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中作复杂运动和作往复运动的构件所产生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。近年来，随着连杆机构设计方法的发展，电子计算机的普及应用以及有关设计软件的开发，连杆机构的设计速度和设计精度有了较大的提高，而且在满足运动学要求的同时，还可考虑到动力学特性。尤其是微电子技术及自动控制技术的引入，多自由度连杆机构的采用，使连杆机构的结构和设计大为简化，使用范围更为广泛。根据构件之间的相对运动为平面运动或空间运动，连杆机构可分为平面连杆机构和空间连杆机构。根据机构中构件数目的多少分为四杆机构、五杆机构、六杆机构等，一般将五杆及五杆以上的连杆机构称为多杆机构。当连杆机构的自由度为1时，称为单自由度连杆机构；当自由度大于1时，称为多自由度连杆机构。根据形成连杆机构的运动链是开链还是闭链，亦可将相应的连杆机构分为开链连杆机构（机械手通常是运动副为转动副或移动副的空间开链连杆机构）和闭链连杆机构。单闭环的平面连杆机构的构件数至少为4，因而最简单的平面闭链连杆机构是四杆机构，其他多杆闭链机构无非是在其基础上扩充杆组而成；单闭环的空间连杆机构机构的构件数至少为3，因而可由三个构件组成空间三杆机构。下面着重介绍平面四杆机构的基本型式和应用。1. 铰链四杆机构所有运动副均为转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构，它是平面四杆机构的最基本的型式，其他型式的平面四杆机构都可看作是在它的基础上通过演化而成的。在此机构中，构件4为机架，与机架构成运动副的构件1、3称为连架杆，不与机架组成运动副的构件2称为连杆。若组成转动副的两构件能作整周相对转动，则该转动副称为整转副，否则称为摆动副。与机架组成整转副的连架杆称为曲柄，与机架组成摆动副的连架杆称为摇杆。因此，根据两连架杆为曲柄或摇杆的不同，铰链四杆机构可分为三种基本型式：1)曲柄摇杆机构：其中两连架杆一为曲柄另一为摇杆；2)双曲柄机构：其中两连架杆均为曲柄；3)双摇杆机构：其中两连架杆均为摇杆。对于曲柄摇杆机构，由下一节整转副存在条件可知，曲柄所联接的两个转动副均为整转副，而摇杆所联接的两个转动副均为摆动副。由于机构中任意两构件之间的相对运动关系不因其中哪个构件是固定件而改变，所以当将该机构的机架由4改换为构件1时，则构件2、4均变为曲柄，从而成为双曲柄机构；当取构件3为机架时，则成为双摇杆机构；当取构件2为机架时，则仍为曲柄摇杆机构。这种通过更换机架而得到的机构称为原机构的倒置机构。曲柄摇杆机构的三种倒置机构见表7.1第1列。需注意的是双摇杆机构有两种类型：一种为上图曲柄摇杆机构取构件3为机架的倒置机构，电扇摇头机构，即采用这种含两个整转副的双摇杆机构，其中电机安装在摇杆4上，转动副A处装有一与连杆1固结成一体的蜗轮，蜗轮与电机轴上的蜗杆相啮合。电机转动时，通过蜗杆和蜗轮使连杆1和摇杆4作整周相对转动，从而使连架杆2和4作往复摆动，达到风扇摇头的目的；对于机构中四个转动副均为摆动副的铰链四杆机构，则属另一种双摇杆机构，其三种倒置机构均为双摇杆机构。电扇摇头机构表7.1 平面四杆机构主要类型列表2. 含一个移动副的四杆机构移动副可看作是由转动副演化而来的。在图示曲柄摇杆机构中，1为曲柄，3为摇杆，C点的轨迹为以D为圆心、杆长CD为半径的圆弧kc。今在机架4上制作一同样轨迹的圆弧槽kc，并将摇杆3做成弧形滑块置于槽中滑动，如图b所示。这时，弧形滑块在圆弧槽中的运动完全等同于转动副D的作用，圆弧槽kc的圆心即相当于摇杆3的摆动中心D，其半径相当于摇杆3的长度CD。又若再将圆弧槽kc的半径增加至无穷大，其圆心D移至无穷远处，则圆弧槽变成了直槽，置于其中的滑块3作往复直线运动，从而转动副D演化为移动副，曲柄摇杆机构演化为含一个移动副的四杆机构，称为曲柄滑块机构，如图c所示。图中e为曲柄回转中心A至经过C点直槽中心线的距离，称为偏距。当e0时称为偏置曲柄滑块机构；当e=0时称为对心曲柄滑块机构，如图d所示。内燃机、蒸汽机、往复式抽水机、空气压缩机及冲床等的主机构都是曲柄滑块机构。对于图d所示曲柄滑块机构，A是整转副，经分析可知B也是整转副，其三种倒置机构见表7.1第2列。若将表7.1第2列所示曲柄滑块机构中的构件3做成导杆，构件4做成滑块，机构的外形虽变，但各构件的相对运动不变，这种机构称为摆动导杆机构。3. 含两个移动副的四杆机构在曲柄滑块机构中，若再将其中转动副C或B演化为移动副，则得含两个移动副的四杆机构。图为转动副C演化为移动副的过程，所得机构（图b）称为曲柄移动导杆机构，其中移动导杆3的位移s与主动件曲柄1的转角f的正弦成正比，即s=asinf，故此机构又称为正弦机构。正弦机构的三种倒置机构见表7.1第3列，其中取构件2为机架和取构件4为机架所得机构相同。正弦机构及其倒置机构的应用实例：刺布机构十字沟槽联轴节椭圆规若将曲柄滑块机构中的转动副B演化为移动副，则得正切机构，此时构件1仅能在一定角度范围内摆动，并有关系y=ltgf。正切机构的三种倒置机构见表7.1第4列。4. 偏心轮机构在曲柄滑块机构或其他含有曲柄的四杆机构中，如果曲柄长度很短，则在杆状曲柄两端装设两个转动副将存在结构设计上的困难。而如果曲柄需安装在直轴的两支承之间，则将导致连杆与曲柄轴的运动干涉。为此，工程中常将曲柄设计成偏心距为曲柄长的偏心圆盘，此偏心圆盘称为偏心轮。曲柄为偏心轮结构的连杆机构称为偏心轮机构。偏此外，在要求曲柄长度和从动件行程可调节的场合，常采用双偏心轮机构。如图所示曲柄滑块机构，曲柄由偏心距分别为e1=AO和e2=O1O2的两个偏心轮1、2组成，通过改变两偏心轮相对周向位置（即改变A、 O1、O2三点相对位置）可实现曲柄长度AB在(e2-e1+O2B)至(e2+e1+O2B)之间的连续调节，从而使滑块4具有不同的行程。综上所述，各种名目繁多、具有不同运动特点或结构迥异的平面四杆机构都是通过改换机架、转动副转化为移动副及改变转动副结构等手段演化而成的。3 连杆机构设计的基本问题和方法连杆机构设计通常包括选型、运动设计、承载能力计算、结构设计和绘制机构装配图与零件工作图等内容，其中选型是确定连杆机构的结构组成，包括构件数目以及运动副的类型和数目；运动设计是确定机构运动简图的参数，包括各运动副之间的相对位置尺寸以及描绘连杆曲线的点的位置尺寸等等；承载能力计算是基于强度理论，确定关键零件的主要结构参数；结构设计是在综合考虑安装、调整、加工工艺性等因素情况下对各零件结构参数的全面1) 实现构件给定位置（亦称刚体导引），即要求连杆机构能引导某构件按规定顺序精确或近似地经过给定的若干位置。2) 实现已知运动规律（亦称函数生成），即要求主、从动件满足已知的若干组对应位置关系，包括满足一定的急回特性要求，或者在主动件运动规律一定时，从动件能精确或近似地按给定规律运动。3) 实现已知运动轨迹（亦称轨迹生成），即要求连杆机构中作平面运动的构件上某一点精确或近似地沿着给定的轨迹运动。平面连杆机构运动设计的方法主要是几何法和解析法，此外还有图谱法和模型实验法。几何法是利用机构运动过程中各运动副位置之间的几何关系，通过作图获得有关运动尺寸，所以几何法直观形象，几何关系清晰，对于一些简单设计问题的处理是有效而快捷的，但由于作图误差的存在，所以设计精度较低。解析法是将运动设计问题用数学方程加以描述，通过方程的求解获得有关运动尺寸，故其直观性差，但设计精度高。随着数值计算方法的发展和计算机的普及应用，解析法已成为各类平面连杆机构运动设计的一种有效方法。优点：1）由于运动副都为低副，并且运动副元素之间便于润滑，故可以传递较大的载荷；2）运动副元素几何形状简单，便于加工制造；3）当原动件规律不变时，若改变各构件的相对长度关系，可以改变从动件的运动规律；4）连杆上的各点轨迹（简称连杆曲线）形状各异，可以利用这些曲线以满足不同的轨迹要求；5）能实现增力、扩大行程和实现远距离传动的目的。缺点：1）连杆机构运动链较长，构件尺寸误差和运动副间隙将产生较大积累误差，同时会使机械效率降低；2）连杆机构的总质心作变速运动，用一般方法难以平衡消除其产生的惯性力，故不宜用于精密及高速运动；3）要准确实现运动规律或轨迹，其设计十分繁难，一般只能近似满足。在有些机构中，运动中回出现=00的情况，这时，无论我们在原动件上施加多大的力都不能使机构运动，这种位置我们称为死点。如图213所示的曲柄摇杆机构，设CD杆为原动件，当摇杆处于两个极限位置（C1D和C2D）时，连杆与从动件曲柄共线，就出现=00的情况，这时CD通过连杆作用于AB上的力恰好通过其回转中心A，所以无论这时施加多大的力也不能推动从动件曲柄回转。死点是曲柄摇杆机构的固有特性，构件在运动中通过死点时还可能产生运动位置不确定的现象。可以证明在曲柄滑块机构中，当滑块为原动件时存在两个死点位置。双曲柄机构无死点位置，如图214所示。在工程上，为了使机构能够顺利通过死点而正常运转，必须采用适当的措施，如发动机上安装飞轮加大惯性力，或利用机构的组合错开死点位置，例如机车车轮的联动装置。但是，也应注意到，在工程上也长有利用死点来实现一定工作要求的，例如飞机起落架、各类夹具中，如图215所示。四、急回运动和行程速比系数有不少的平面机构，当主动曲柄做等速转动时，做往复运动的从动件摇杆，在前进行程（即工作行程）运行速度较慢，而回程运动速度要快，机构的这种性质就是所谓的的机构的“急回运动”特性。例如生产中使用牛头刨床进行刨削工作时，就是把慢速行程作为机器的工作行程，而将快速行程作为回程以提高机器的生产率。所以急回运动在机构设计中具有十分重要的意义。下面我们就以曲柄摇杆机构为例来分析机构的急回特性。在图216所示的曲柄摇杆机构中，设曲柄AB为原动件，曲柄每转一周，有两个位置与连杆共线，这时摇杆CD分别位于两个极限位置C1D和C2D，其夹角为。曲柄摇杆机构的这两个位置称为极位。机构处在两个极位时，原动件AB的两个位置AB1和AB2所夹的锐角称为极位夹角。此时摇杆两位置的夹角称作摇杆最大摆角。当曲柄以等加速度顺时针转过qa+=o1801时，摇杆由位置C1D运动到C2D，称为工作行程。设所需时间为t1，C点平均速度为V1；当曲柄继续转过qa-=o1802时，摇杆又从C2D转回到C1D，称空回行1.3 平面连杆机构1.3.1平面连杆机构简介低副是面接触，耐磨损；加上转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面，制造简便，易于获得较高的制造精度。因此，平面连杆机构在各种机械和仪器中获得广泛应用。连杆机构的缺点是：低副中存在间隙，数目较多的低副会引起运动累积误差；而且它的设计比较复杂，不易精确地实现复杂地运动规律。最简单地平面连杆机构是由四个构建组成地，称为平面四杆机构。它的应用非常广泛，而且是组成多杆机构的基础。由若干个刚性构件通过低副(转动副、移动副)联接，且各构件上各点的运动平面均相互平面连杆机构平行的机构（图1），又称平面低副机构。低副具有压强小、磨损轻、易于加工和几何形状能保证本身封闭等优点，故平面连杆机构广泛用于各种机械和仪器中。与高副机构相比，它难以准确实现预期运动，设计计算复杂。平面连杆机构中最常用的是四杆机构，它的构件数目最少，且能转换运动。多于四杆的平面连杆机构称多杆机构，它能实现一些复杂的运动，但杆多且稳定性差。1.3.2平面连杆机构基本问题平面连杆机构的运动设计一般可归纳为以下三类基本问题：1) 实现构件给定位置（亦称刚体导引），即要求连杆机构能引导某构件按规定顺序精确或近似地经过给定的若干位置。2) 实现已知运动规律（亦称函数生成），即要求主、从动件满足已知的若干组对应位置关系，包括满足一定的急回特性要求，或者在主动件运动规律一定时，从动件能精确或近似地按给定规律运动。3) 实现已知运动轨迹（亦称轨迹生成），即要求连杆机构中作平面运动的构件上某一点精确或近似地沿着给定的轨迹运动。在进行平面连杆机构运动设计时，往往是以上述运动要求为主要设计目标，同时还要兼顾一些运动特性和传力特性等方面的要求，如整转副要求、压力角或传动角要求、机构占据空间位置要求等。另外，设计结果还应满足运动连续性要求，即当主动件连续运动时，从动件也能连续地占据预定的各个位置，而不能出现错位或错序等现象。平面连杆机构运动设计的方法主要是几何法和解析法，此外还有图谱法和模型实验法。几何法是利用机构运动过程中各运动副位置之间的几何关系，通过作图获得有关运动尺寸，所以几何法直观形象，几何关系清晰，对于一些简单设计问题的处理是有效而快捷的，但由于作图误差的存在，所以设计精度较低。解析法是将运动设计问题用数学方程加以描述，通过方程的求解获得有关运动尺寸，故其直观性差，但设计精度高。随着数值计算方法的发展和计算机的普及应用，解析法已成为各类平面连杆机构运动设计的一种有效方法。1.3.3平面连杆机构存在条件动力机的驱动轴一般整周转动，因此机构中被驱动的主动件应是绕机架作整周转动的曲柄在形成铰链四杆机构的运动链中，a、b、c、d既代表各杆长度又是各杆的符号。当满足最短杆和最长杆之和小于或等于其他两杆长度之和时，若将最短杆或其邻杆固定其一，则另一杆即为曲柄。急回系数 在曲柄等速运动、从动件变速运动的连杆机构中，要求从动件能快速返回，以提高效率。k称为急回系数。压力角 如图2a中的曲柄摇杆机构，若不计运动副的摩擦力和构件的惯性力,则曲柄a通过连杆b作用于摇杆c上的力P，与其作用点B的速度vB之间的夹角称为摇杆的压力角。压力角越大，P在vB方向的有效分力就越小，传动也越困难,压力角的余角称为传动角。在机构设计时应限制其最大压力角或最小传动角。死点 在曲柄摇杆机构中，若以摇杆为主动件，则当曲柄和连杆处于一直线位置时，连杆传给曲柄的力不能产生使曲柄回转的力矩，以致机构不能起动，这个位置称为死点。机构在起动时应避开死点位置，而在运动过程中则常利用惯性来过渡死点1.3.4平面连杆机构基本形式四杆机构有两种基本类型。在满足曲柄存在的平面连杆机构前提下，铰链四杆机构取不同的构件作机架，可得到具有不同运动特性的铰链四杆机构：例如曲柄摇杆机构，双曲柄机构和由它们派生出来的平行四边形机构,曲柄滑块机构等。铰链四杆机构中，若a为最短杆，取杆d或杆b为机架，则a为曲柄，c为摇杆，即得曲柄摇杆机构(图2a)。如取a为机架，则b和d都是曲柄,即得双曲柄机构（图2b）。在不满足曲柄存在的前提下,铰链四杆机构的运动链不论哪个杆固定,因无曲柄存在,必为双摇杆机构。例如图2c，取c为机架,b和d都是摇杆。如将曲柄摇杆机构的摇杆长度增加至无穷大，则转动副OB转化为移动副，即得曲柄滑块机构（图2d）。此外四杆机构还带两个滑块型式的双滑块机构。1.3.5平面连杆机构尺寸综合按给定的从动件运动来决定机构运动简图的尺寸。综合时尚应考虑最小传动角和曲柄存在等条件，以保证求得合理可靠的机构。对从动件的运动要求是多种多样的，要综合的问题也各不相同。一般可归结为：主动件运动规律一定时，要求从动件能实现给定的对应位置或近似实现给定函数的运动规律；要求连杆能实现给定的位置；要求连杆上某点能近似沿给定曲线运动。其中是研究运动几何学的基本问题，据此也可求解近似实现给定曲线的机构。尺寸综合的主要方法有解析法、图解法和实验法。解析法：以函数逼近论为基础的代数法。这种方法精度高,计算繁复,但随着电子计算机的应用和向量、复数与矩阵等数学手段的运用,60年代以来发展很快,常用的有插值法、平方逼近法、最佳逼近法等。图解法：以运动几何学为基础的几何方法。这种方法概念明确、简单，能以一定精度求解相当范围的问题，但精度不如解析法高，常用的有运动几何法和在其基础上提出的半角转动法等。实验法：用不同机构参数的模型通过反复实验求解机构的尺寸（见机构综合）。则在各自连杆上的点可画出同一条曲线，称为罗伯茨定理。在综合再现给定轨迹的铰链四杆机构时，当设计出的机构不能满足传动角大小和安装位置等其他条件时，用罗伯茨定理可得出另两个不同尺寸的机构，以利于选择。第二章 连杆机构的设计2.1 明确技术要求经过近半个世纪的发展，平面连杆机构分析理论水平已经接近完善，但是，虽然目前已经有不少优秀的教材清楚地阐述了平面机构分析的方法，但它仅仅局限于书本上，我们没有很清楚地认识和学习到这些方法。本课题的目的是开发一套较高自动化程度、人机交互能力强、界面友好、通用性强，并能让一般学生能够接受而且能提高学生的学习积极性。设计这个机构分析教具既可以为机构设计分析和创新提供良好的辅助工具又可以便于教学演示，同时，将计算机动态仿真这个先进的技术运用于机械行业来为机械设计与理论服务也具有重大意义。机构分析是研究机械性能的重要组成部分。通过对机构的运动和力的分析可以了解机构的特性，便于更合理有效地使用各种机械，而且还可以检验机构的特性是否满足设计要求。计算机仿真技术用于机械原理机构分析中，使我们比较直观深刻地认识到机构的原理和特点。2.2 执行元件的配置确定及动作顺序1砝码，2杆件，3吊钩，4，位移机构调整砝码的位置，杆件会有不同的受力状态。2.3 杆件设计计算连杆机构是最常用的机构，因此连杆机构设计在机构设计中十分重要，研究工作开展得也最为广泛。有大量的文献介绍有关平面四杆机构、平面五杆机构、柔性连杆机构、曲柄连杆机构、槽轮连杆机构、凸轮连杆组合机构和齿轮连杆等机构的。鉴于四连杆机构的典型性，本节结合四连杆机构的函数再现设计问题，阐述连杆机构问题的一般方法及流程。四连杆机构的设计就是对四连杆机构的参量进行调整，使得机构给定的运动和机构所实现的运动之间误差最小。因此四连杆机构的设计的过程，就是寻找使得四连杆机构运动误差最小的一组机构设计参量。四连杆机构设计参量确定后，就可认为实现了机构的设计。四连杆机构的设计包括四连杆机构模型建立和模型求解二个主要过程。通过对四连杆机构的分析确定方案，确定设计变量，给出目标函数，并将机构设计制约条件，如杆长条件、传动角条件等，写成相应的约束条件，即可建立机构设计模型。下面介绍四连杆机构函数再现设计模型的建立。连杆机构函数再现设计主要通过选取输人构件和输出构件相对应若干位置、采用机构图解法或分析法确定机构各参数。图1是典型的平面铰链四杆机构，、和分别表示于四个构件的长度，杆AB是输入构件。假设图1所示的平面铰链四杆机构再现给定函数为，即，则机构位置取决于、铰链A的位置、AD与机架x轴夹角以及输人构件转角等七个变量。图1 平面铰链四杆机构为简化问题，可令A的位置为，构件的长度为1(参考构件)，由此可将问题维数降为四维，并不影响构件输入、输出的函数关系。由此可以得到输出构件转角外与输入构件转角之间的函数关系式：（1）机构设计目标就是使得输出构件转角与给定值在，所有位置上的误差最小。因此机构设计的目标函数可用下式表示（2）当输入构件转角为时，输出构件转角外可由下式求得，（3）式中：所以（4）将上式代入式（3），并令代表设计变量、及，机构设计目标函数可写为：（5）机构设计的约束条件应根据机构设计的实际情况确定。例如曲柄摇杆式四连杆机构必须满足如下关系式：或（6）如果机构要求传动灵活可靠，则传动角应满足：或其中从上式可知，传动角随的变化而变化，当为最大值时，为最小，为最小值时，为最大。要满足上式条件，约束方程应为：曲柄摇杆机构有，因此，约束方程为（7）当所选定的设计变量为构件长度时，则构件长度必须是正数，即约束方程为式中是为了使构件长度不小于而设的。此外，由于具体结构尺寸的限制，往往对某些构件的长度限定在某一范围内选取，例如连杆BC的长度最短为的倍，最长为的倍，即则约束方程为（8）再现函数为的曲柄摇杆机构的设计。先变换给定函数为，并设输人构件初始角为，输出构件初始角为，选取输入构件的转角为,输出构件的转角为。当输入构件从转到时，输出构件从转到，输入构件从转到时，输出构件则从回到。显然有及，即及。代入函数式得：设将输入构件的转角均分成20等分，则，取权因子，再令代表设计变量、及，则由式（5）得曲柄连杆机构目标函数为曲柄摇杆机构设计约束条件如下：由式（6）得：要求传动角满足，由式（7）得：根据机构结构尺寸，要求各构件长度相对机架的尺寸在给定的范围内，由式(8)得因此曲柄摇杆机构设计模型如下：Min. s.t.采用内点惩罚函数法和POWELL法求解曲柄摇杆机构设计模型。选择初始惩罚参数，递减函数e = 0.01，初始点，取惩罚函数法收敛精度，POWELL法目标函数值收敛精度，一维搜索精度，解得最优解为2.6 前景展望机构，指由两个或两个以上构件通过活动联接形成的构件系统。按组成的各构件间相对运动的不同，机构可分为平面机构（如平面连杆机构、圆柱齿轮机构等）和空间机构（如空间连杆机构、蜗轮蜗杆机构等）；按运动副类别可分为低副机构（如连杆机构等）和高副机构（如凸轮机构等）；按结构特征可分为连杆机构、齿轮机构、斜面机构、棘轮机构等；按所转换的运动或力的特征可分为匀速和非匀速转动机构、直线运动机构、换向机构、间歇运动机构等 ；按功用可分为安全保险机构、联锁机构、擒纵机构等。在运动链中，如果将其中某一构件加以固定而成为机架，则该运动链便成为机构。机构：是具有确定相对运动的构件组合，它是用来传递运动和力的构件系统，构的用途很普遍，不同的机构有不同的用途，按组成的各构件间相对运动的不同 ，可分为平面机构（如平面连杆机构、圆柱齿轮构等）和空间机构（如空间连杆机构、蜗轮蜗杆机构等）；按运动副类别可分为低副机构（如连杆机构等）和高副机构（如凸轮机构等）；按结构特征可分为连杆机构、齿轮机构、斜面机构、棘轮机构等；按所转换的运动或力的特征可分为匀速和非匀速转动机构、直线运动机构、换向机构、间歇运动机构等 ；按功用可分为安全保险机构、联锁机构、擒纵机构等。而且表现形式很多。第三章 设计中的不足及要注意的问题3.1 设计中的不足之处（1）鉴于相关条件以及个人能力的限制，没有设计出高压共轨燃油的装置。（2）由于作者的能力及相关知识的不足，未能将理论计算的数据与国内先进的高压共轨燃油进行实验所得数据进行对比。优点：1）由于运动副都为低副，并且运动副元素之间便于润滑，故可以传递较大的载荷；2）运动副元素几何形状简单，便于加工制造；3）当原动件规律不变时，若改变各构件的相对长度关系，可以改变从动件的运动规律；4）连杆上的各点轨迹（简称连杆曲线）形状各异，可以利用这些曲线以满足不同的轨迹要求；5）能实现增力、扩大行程和实现远距离传动的目的。缺点：1）连杆机构运动链较长，构件尺寸误差和运动副间隙将产生较大积累误差，同时会使机械效率降低；2）连杆机构的总质心作变速运动，用一般方法难以平衡消除其产生的惯性力，故不宜用于精密及高速运动；3）要准确实现运动规律或轨迹，其设计十分繁难，一般只能近似满足。在有些机构中，运动中回出现=00的情况，这时，无论我们在原动件上施加多大的力都不能使机构运动，这种位置我们称为死点。如图213所示的曲柄摇杆机构，设CD杆为原动件，当摇杆处于两个极限位置（C1D和C2D）时，连杆与从动件曲柄共线，就出现=00的情况，这时CD通过连杆作用于AB上的力恰好通过其回转中心A，所以无论这时施加多大的力也不能推动从动件曲柄回转。死点是曲柄摇杆机构的固有特性，构件在运动中通过死点时还可能产生运动位置不确定的现象。可以证明在曲柄滑块机构中，当滑块为原动件时存在两个死点位置。双曲柄机构无死点位置，如图214所示。在工程上，为了使机构能够顺利通过死点而正常运转，必须采用适当的措施，如发动机上安装飞轮加大惯性力，或利用机构的组合错开死点位置，例如机车车轮的联动装置。但是，也应注意到，在工程上也长有利用死点来实现一定工作要求的，例如飞机起落架、各类夹具中，如图215所示。四、急回运动和行程速比系数有不少的平面机构，当主动曲柄做等速转动时，做往复运动的从动件摇杆，在前进行程（即工作行程）运行速度较慢，而回程运动速度要快，机构的这种性质就是所谓的的机构的“急回运动”特性。例如生产中使用牛头刨床进行刨削工作时，就是把慢速行程作为机器的工作行程，而将快速行程作为回程以提高机器的生产率。所以急回运动在机构设计中具有十分重要的意义。下面我们就以曲柄摇杆机构为例来分析机构的急回特性。在图216所示的曲柄摇杆机构中，设曲柄AB为原动件，曲柄每转一周，有两个位置与连杆共线，这时摇杆CD分别位于两个极限位置C1D和C2D，其夹角为。曲柄摇杆机构的这两个位置称为极位。机构处在两个极位时，原动件AB的两个位置AB1和AB2所夹的锐角称为极位夹角。此时摇杆两位置的夹角称作摇杆最大摆角。当曲柄以等加速度顺时针转过qa+=o1801时，摇杆由位置C1D运动到C2D，称为工作行程。设所需时间为t1，C点平均速度为V1；当曲柄继续转过qa-=o1802时，摇杆又从C2D转回到C1D，称空回行（3）时间有限，难以继续对该高压共轨燃油装置进行深入的试验研究。3.2 使用要注意的问题优点：1）由于运动副都为低副，并且运动副元素之间便于润滑，故可以传递较大的载荷；2）运动副元素几何形状简单，便于加工制造；3）当原动件规律不变时，若改变各构件的相对长度关系，可以改变从动件的运动规律；4）连杆上的各点轨迹（简称连杆曲线）形状各异，可以利用这些曲线以满足不同的轨迹要求；5）能实现增力、扩大行程和实现远距离传动的目的。缺点：1）连杆机构运动链较长，构件尺寸误差和运动副间隙将产生较大积累误差，同