0258-平面四桿機(jī)構(gòu) 畢業(yè)設(shè)計(jì)【含VB仿真程序】
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第7屆ICFDM2006
設(shè)計(jì)制造業(yè)前沿國際會議議項(xiàng)
2006年6月19-22日，中國，廣州
第25-30頁
ICE關(guān)于低環(huán)境壓力對軸承的影響的研究
馮凱 、張岫云 和 郝欣
潤滑和軸承理論學(xué)院 西安交通大學(xué) 西安710049, 中國
摘要：低環(huán)境壓力對主要軸承和 I.C發(fā)動機(jī)大端軸承的影響是基于單缸柴油發(fā)動機(jī)調(diào)查的。 首先，通過使用來自AVL公司名為“EXCITE Designer”的商業(yè)軟件，單缸發(fā)動機(jī)模型建立了起來 。之后, 做一系列的實(shí)驗(yàn)來得到在不同的環(huán)境壓力之下的氣缸氣壓。 當(dāng)發(fā)動機(jī)模型視氣壓為加載的載荷時,主軸承和大端軸承的偏心率和摩擦損失利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果計(jì)算出來。 計(jì)算結(jié)果表明, 隨著環(huán)境壓力的下降，主軸承和大端軸承的加載變化, 在它們的摩擦損失略微減少的時候，偏心率有規(guī)律地變化。
關(guān)鍵詞: I.C發(fā)動機(jī); 低環(huán)境壓力 ; 軸承載荷 ; 偏心率 ; 摩擦損失
1.介紹
中國西部大部分是高海拔高原。 隨海拔高度增加，氣壓和空氣密度下降, 吸進(jìn)發(fā)動機(jī)的空氣減少以及可燃混合氣體變得過于密集，以致燃燒過程變得糟糕，發(fā)動機(jī)的動態(tài)行為劇烈地惡化[1] 。在這種工作條件下,主要軸承和軸瓦性能都將會為下降的氣壓所影響。因此，對發(fā)動機(jī)主要軸承和大端軸承在西部低壓力環(huán)境的工作狀況的研究對設(shè)計(jì)、產(chǎn)品和該類發(fā)動機(jī)維護(hù)有重要的指導(dǎo)意義。
目前,雖然不同海拔高度下的發(fā)動機(jī)燃燒過程和動力學(xué)影響的研究文件是在國內(nèi)和國外很常見的[2][3] ， 但是還沒有低氣壓對發(fā)動機(jī)軸承影響的系統(tǒng)的研究作品出現(xiàn)。在本論文中, 考慮氣壓影響的單缸發(fā)動機(jī)模型建立了起來。不同環(huán)境壓力和不同轉(zhuǎn)速作為模型的輸入載荷條件，利用在此情況下實(shí)驗(yàn)測得的燃燒氣壓，借助于AVL公司出品的商務(wù)軟件“EXCITE Designer”，可以算出主要軸承和軸瓦隨不同環(huán)境壓力和不同轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)的變化，而結(jié)果可以通過慣性中心實(shí)驗(yàn)場加以比較和校核。
2. 低氣壓的處理方法
高原低氣壓力對發(fā)動機(jī)軸承性能的影響主要來自發(fā)動機(jī)動力學(xué)性能的惡化。 在本文中, 一個西部環(huán)境模擬發(fā)動機(jī)測試裝置用來模擬高原低氣壓并且測量低氣壓對發(fā)動機(jī)的影響。 模擬低氣壓環(huán)境的核心技術(shù)是如何模擬并且校正壓力發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力[4]. 這個測試系統(tǒng)不對排氣壓力和曲柄室中的壓力進(jìn)行模擬, 但這些工作將會稍后完成。 在實(shí)驗(yàn)中, 測量了不同進(jìn)氣壓力對氣缸內(nèi)壓力的影響，壓力值也加載于以下建立的模型，并且低壓對發(fā)動機(jī)軸承性能的影響也計(jì)算出來了
測試裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
透過控制發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力, 模擬容器能模擬在不同的環(huán)境氣壓下發(fā)動機(jī)的工作情況。 然后，通過安裝在氣缸里的高壓和高溫壓力傳感器，測量在發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的壓力。 由于實(shí)驗(yàn)條件限制,主要軸承的偏心率不能直接地測量, 飛輪的軸心軌跡用渦流感應(yīng)器測量, 并且它的偏心率計(jì)算出來取代主要軸承的偏心率以使計(jì)算模型有效。
各種各樣的因素影響到氣缸里的燃?xì)鈮毫?，其中環(huán)境氣壓，轉(zhuǎn)速和載荷是特別重要的。視發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不加載（發(fā)動機(jī)主要運(yùn)行克服摩擦）來測量在不同轉(zhuǎn)速和不同環(huán)境壓力下的氣缸內(nèi)壓力。
圖2顯示了以1000R/M轉(zhuǎn)速不同環(huán)境下的氣缸內(nèi)壓力
3. 低氣壓對發(fā)動機(jī)軸承受力影響
3.1 活塞桿系統(tǒng)得受力分析
為簡化模型，假設(shè)活塞針和曲柄旋轉(zhuǎn)軸總是處于活塞的中心線上。以下發(fā)動機(jī)活塞桿的受力分析如圖3所示。氣缸內(nèi)壓力Fz分解到軸承上.
圖3 活塞桿受力分析和慣性力分析
Fz是氣缸內(nèi)燃?xì)鈿鈮?，模型的輸入載荷; FT和 FR是作用于副大端軸承的力，F(xiàn)z ,Fs 是作用于主要軸承的力.
3.2 活塞桿的慣性力分析慮在內(nèi)：
1）沿曲柄半徑方向的旋轉(zhuǎn)慣性力
在本文中，如圖3所示兩種慣性力考
2）沿活塞中心軸方向的第一和第二相互作用力
以坐標(biāo)軸分解：
通過發(fā)動機(jī)活塞桿的受力分析，氣缸內(nèi)燃?xì)鈮毫Ψ纸鉃橹饕S承和一致大端軸承，同時由活塞桿系統(tǒng)引起的慣性力。主要軸承和一致大端軸承上的加載力可以由這兩種力的組合推得。
3.3 軸承載荷計(jì)算結(jié)果和分析
（a）1000r/m轉(zhuǎn)速下主要軸承載荷（以下類推）
(b) 1800r/m Main Bearing Load
(c)2200r/m Main Bearing Load
(d)1000r/m Concord Big End Bearing Load
(e) 1800r/m Concord Big End Bearing Load
圖5所示隨著環(huán)境壓力下降，主要軸承和一致大端軸承的載荷在爆炸沖程時期急劇減少，而在其他沖程輕微變化。讀入并分析主要軸承和一致大端軸承在爆炸沖程時期的載荷，結(jié)果如表1所示。
表1 主要軸承和一致大端軸承在不同環(huán)境壓力和轉(zhuǎn)速下，在爆炸沖程時期的載荷分析
Main Bearing(主要軸承)
Environment Pressure (kPa)（環(huán)境壓力）
97
80
60
1000
r/m
Bearing Load (kN) （軸承載荷）
16000
13500
11000
Decrease Percent（下降百分比）
(relative to 97kPa) （相比97 kPa）
15.6
31.3
1800
r/m
Bearing Load (kN)
14000
10000
4500
Decrease Percent
28.6
67.8
2200
r/m
Bearing Load (kN)
9000
5000
3000
Decrease Percent
44.4
66.7
Concord Big End Bearing（一致大端軸承）
Environment Pressure (kPa)
97
80
60
1000
r/m
Bearing Load (kN)
32500
27500
22500
Decrease Percent
15.4
30.8
1800
r/m
Bearing Load (kN)
28000
20000
10000
Decrease Percent
28.6
64.3
2200
r/m
Bearing Load (kN)
20000
11500
8000
Decrease Percent
42.5
60.0
表1顯示，主要軸承和一致大端軸承的載荷將會在任何轉(zhuǎn)速下隨著環(huán)境壓力下降而下降。氣壓越低，載荷下降得越多。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，主要軸承和一致大端軸承的爆炸載荷增加量下降得更加劇烈。換言之，轉(zhuǎn)速越高，主要軸承和一致大端軸承的爆炸載荷對環(huán)境壓力越敏感。這種情況的原因是，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升，氣缸內(nèi)氣壓下降量增加，然后軸承載荷急劇下降。進(jìn)一步得說，隨著轉(zhuǎn)速上升，慣性力增加，但軸承載荷受牽連影響而減少。
然而，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到1800r/m ，氣壓下降到60kPa ，主要軸承和一致大端軸承的爆炸載荷下降量并不隨轉(zhuǎn)速上升而變化。意味著轉(zhuǎn)速上升到某個程度，環(huán)境壓力足夠低，環(huán)境壓力對爆炸過程中的軸承載荷的影響在任何轉(zhuǎn)速下，幾乎是一樣的。這是因?yàn)楫?dāng)環(huán)境壓力下降到某個程度時，轉(zhuǎn)速上升，氣壓對氣缸內(nèi)燃燒影響下降，同時氣缸內(nèi)壓力相當(dāng)?shù)馗?，慣性力的影響很小，所以相當(dāng)程度上軸承載荷保持不變。
圖5 (c) (f) 顯示，在轉(zhuǎn)速2200r/m下，主要軸承和一致大端軸承與曲柄角度相關(guān)的載荷變化。圖中顯示，這兩個軸承載荷的升降，在發(fā)動機(jī)整個工作過程中，并不與環(huán)境氣壓的減少一致，但是因沖程而異。這種現(xiàn)象可解釋如下：在發(fā)動機(jī)整個工作過程中，氣缸內(nèi)氣壓（公式（1）—（4）中Fz）特別是燃燒過程中的燃?xì)鈮毫﹄S著環(huán)境壓力下降而下降，所以主要軸承和一致大端軸承的載荷整個來看下降。在曲柄角度在300～360和 -360～-300 之間是的增加是因?yàn)?，活塞此時處于排氣沖程的后半部分，以及吸氣沖程的前半部分，氣缸與環(huán)境交換空氣；在此，沿Z軸負(fù)方向慣性力Fz比沿Z軸正方向慣性力小，意味著合力是沿Z軸正方向的，隨Fz減小，合力反而增加，所以軸承載荷將會增加。
4. 低氣壓對發(fā)動機(jī)軸承偏心率的影響
4.1 Reynolds'方程的建立及偏心率的解決
發(fā)動機(jī)Reynolds’方程可以表述為：
在此， D是軸承軸瓦的參數(shù)，BR是軸瓦的寬度，ε是偏心率， η 是發(fā)動機(jī)汽油的動力粘度，δ是最小角速度，ω是軸心轉(zhuǎn)速。π是汽油薄膜壓力，t是時間坐標(biāo)，φ 和 z是尺寸坐標(biāo)。
分別分析軸承偏心率的增減過程，不同偏心率協(xié)同因素和恒定轉(zhuǎn)速的關(guān)系可以如下所示：
（公式略）
式中：B=δS－γS 0≤︱B︱≤90°
在計(jì)算中應(yīng)用了Butenschoen 方法，數(shù)字 SOD 和SOV 可以在參考[5]中找到，Runge-Kutta方法用來解決重復(fù)循環(huán)的偏心率。
4.2 軸承偏心率的計(jì)算機(jī)運(yùn)算結(jié)果及分析
圖6 主要軸承和一致大端軸承在不同環(huán)境壓力下的偏心率
圖形6 (a) (d)顯示，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1000r/m以下時，兩個軸承的偏心形狀都發(fā)生收縮；圖形6 (b) (e) 顯示，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1800r/m時，兩個軸承的偏心形狀都發(fā)生膨脹，主要軸承的偏向方向改變；圖形6(c) (f) 顯示，當(dāng)轉(zhuǎn)速為 時，兩個軸承的偏心形狀都發(fā)生膨脹。我們可以從以上數(shù)據(jù)下結(jié)論，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時，兩個軸承的偏心形狀隨著環(huán)境氣壓的下降都發(fā)生收縮，軸承的輪滑條件得以改善，軸承工作更加穩(wěn)定；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，這兩個軸承的偏心形狀反而膨脹，輪滑條件惡化，軸承工作不穩(wěn)定。以特定轉(zhuǎn)速，偏心率的偏差方向可能也隨環(huán)境氣壓下降而變化。燃?xì)鈮毫蛽u桿的往復(fù)運(yùn)動慣性力的合力決定軸承承載。當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速較低時，往復(fù)運(yùn)動慣性力較小，發(fā)動機(jī)軸承的主要承載是由氣缸內(nèi)燃?xì)鈮毫σ鸬模ㄟ@也是軸承偏心偏向軸心一邊 的原因）。正因如此，環(huán)境壓力的下降導(dǎo)致了氣缸內(nèi)壓力的下降，于是軸承偏心收縮。但是當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，搖桿的往復(fù)運(yùn)動慣性力增加，并且可能在轉(zhuǎn)速足夠高時在特殊的曲柄角度超過氣缸內(nèi)燃?xì)鈮毫?。此時，當(dāng)環(huán)境壓力的下降導(dǎo)致氣缸內(nèi)壓力的下降，軸承偏心的偏斜也會改變。 隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，搖桿的往復(fù)運(yùn)動慣性力在一個較大的曲柄角度超過氣缸內(nèi)壓力。 結(jié)果，軸承承載是往復(fù)運(yùn)動慣性力減去氣缸內(nèi)燃?xì)鈮毫Φ慕Y(jié)果。當(dāng)環(huán)境空氣壓力導(dǎo)致氣缸內(nèi)壓力下降時，軸承承載增加，偏心率增加。
5. 低氣壓對發(fā)動機(jī)軸承摩擦功率損失的影響
5.1 摩擦功率損失的計(jì)算[5]
如果軸承軸和軸瓦沒有直接的關(guān)系，摩擦功率損失大部分是由發(fā)動機(jī)汽油粘性的剪切力引起的。本文中，只考慮到部分摩擦功率損失。
The friction coefficient μ (α ) is: （摩擦因素μ (α )為：）
5.2 軸承摩擦功率損失的計(jì)算結(jié)果及分析
圖7 主要軸承和一致大端軸承在不同環(huán)境空氣壓力下的摩擦功率損失
圖形7指出，發(fā)動機(jī)汽油粘性引起的主要軸承和一致大端軸承的功率損失隨著還擊空氣壓力的下降而略微減少。這是因?yàn)楫?dāng)環(huán)境空氣壓力下降，汽油粘度隨氣壓上升減少時，軸承承載整體下降，因此汽油粘性引起的剪切力也略微減少，這樣摩擦功率損失減少。進(jìn)一步地說，圖形中顯示，環(huán)境壓力在爆炸沖程間對摩擦功率損失相當(dāng)?shù)刂匾?。這也是因?yàn)樵谀菚r軸承承載的下降更加的嚴(yán)重。
6. 實(shí)驗(yàn)證明
在“西部環(huán)境實(shí)驗(yàn)發(fā)動機(jī)測試裝置” 頂上，裝有位移傳感器，可以用來測試飛輪慣性中心及計(jì)算其偏心，并且可以用這來取代主要軸承的偏心率以驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模型。
圖8 主要軸承偏心率
因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的限制，主要軸承的偏心率不能直接測得，所以試驗(yàn)測得是飛輪的偏心率。因?yàn)榍B桿是彈性的，將會在發(fā)動機(jī)箱體內(nèi)，主要軸承和飛輪的偏心的壓力下彎曲和扭曲，這些因素是在活塞桿的不同段，是明顯不同的。但是在它們之間應(yīng)該有一些共同特征；運(yùn)動狀態(tài)應(yīng)該一樣，且慣性中心軌跡應(yīng)該類似。這主要是因?yàn)橹饕S承和飛輪都是在曲柄連桿上，它們之間的距離不長，所以曲柄桿的彎曲和扭曲是有限的，偏心形狀在某種程度上相似。進(jìn)一步地說，因?yàn)樗鼈兌际窃谇鷹U上，都有相同的承載，偏心的變化趨勢應(yīng)該是相同的。本文中，對通過實(shí)驗(yàn)測得的飛輪上的偏心率和主要軸承的計(jì)算偏心率加以比較來驗(yàn)證計(jì)算模型。
如圖8 所示，從兩幅圖片的形狀和注明的點(diǎn)的順序來看，它們以圖形9所示的方向從A，B，C…H的方向輪流運(yùn)動。比較圖8(a) ,圖8 (b)中的點(diǎn)A，G和H有一點(diǎn)向右偏移，而點(diǎn)F微向上偏。這主要是曲柄桿的扭曲所引起的。通過以上兩幅圖形的分析比較，我們可以看到，兩種偏心的運(yùn)動規(guī)律是連續(xù)的，并且它們的形狀某種程度上相似。所以我們可以下結(jié)論說，計(jì)算結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)證明是正確的，可信的。
7. 結(jié)論
本文中，建立了單缸發(fā)動機(jī)模型，其考慮了低氣壓對主要軸承和一致大端軸承的影響，并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證?？傊l(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，主要軸承和一致大端軸承的爆炸承載受環(huán)境空氣壓力的影響越敏感。但是當(dāng)環(huán)境空氣壓力下降到某一個程度，它對高轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)的主要軸承和一致大端軸承的爆炸承載的影響不再存在；環(huán)境空氣壓力對發(fā)動機(jī)主要軸承和一致大端軸承的爆炸承載的影響是同樣程度的。隨著環(huán)境空氣壓力的下降，主要軸承和一致大端軸承的偏心有規(guī)律地變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，偏心的形狀收縮且軸承的工作更加穩(wěn)定；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，偏心的形狀反而膨脹，且軸承工作不穩(wěn)定。主要軸承和一致大端軸承的摩擦功率損失隨著空氣壓力的下降而略微減少。
鳴謝
本課題的研究得到中國自然科學(xué)基金會的支持。ID50375115
參考：
[1] Liu Rui lin, Liu Hong wei, Qin De. An
Experimental Study on Performance of Turbocharged Diesel Engines at High Altitude (Low Air Pressure). Transactions of Csice, 2003
[2] Liu Yong-hong, Ren Gong-chang, Zhang You-yun. The Virtual Simulation Modeling and Analysis for I.C. Engine Based on WEC. Acta Simulata Systematica Sinica, 2004
[3] Liu Yong-hong. Influence of Environment Factors of Western China on Dynamics of Piston-Crankshaft System in Internal-Combustion Engine. Xi’an: Xi’an Jiaotong University, 2005
[4] SHEN Li zhong, Shen Ying gang, BI Yu hua. Combustion Process of Naturally Aspirated and Supercharged Diesel Engines at Regions with Different Altitude. Transactions of Csice，2000，11
[5] AVL, Excite Designer Version 6.0 Excite Designer Theory, 2003
[6] Wen Shizhu, Huang Ping. The Theory of Tribology. Beijing: Tsinghua University Press, 2002. 10~11
聯(lián)絡(luò)信息:
張岫云
教授
西安交通大學(xué)
潤滑和軸承理論學(xué)院, N0.28
陜西省西安市咸寧西部路
郵編：710049 中華人民共和國。
電話:029-82669159
傳真:029-82668552
電子郵箱:yyzhang1@mail.xjtu.edu.cn
馮凱
碩士研究生
西安交通大學(xué)
軸承和潤滑理論學(xué)院, N0.28
陜西省西安市咸寧西部路
郵編：710049 中華人民共和國。
電話:029-82678594
傳真:029-82668552
電子郵箱:fengkai@tlbi.xjtu.edu.cn
一、選題的依據(jù)及意義：
1．1選題目的
1．建立研究新機(jī)構(gòu)，新機(jī)器發(fā)明創(chuàng)造的普遍規(guī)律及實(shí)用方法的實(shí)用基礎(chǔ)理論。
2．加速吸收發(fā)達(dá)工業(yè)化國家的先進(jìn)技術(shù)，為本國新機(jī)構(gòu)，新機(jī)器的二次設(shè)計(jì)，二次開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
3．提出在技術(shù)革新和設(shè)備改造中提出的新機(jī)構(gòu)，新機(jī)器的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新構(gòu)思，是其成為成熟的先進(jìn)技術(shù)。
4．簡介一些新機(jī)構(gòu)，新機(jī)器實(shí)用性結(jié)構(gòu)及技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，說明理論對實(shí)踐的指導(dǎo)作用。
5．為從事機(jī)械設(shè)計(jì)，制造的工程技術(shù)人員的知識，技術(shù)更新開闊視野提供參考資料。
6．探索平面連桿機(jī)構(gòu)研究的新方法，新思路。
連桿機(jī)構(gòu)的最基本形式是平面四桿機(jī)構(gòu)，它是其它連桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。 平面四桿機(jī)構(gòu)是由四個剛性構(gòu)件用低副鏈接組成的，各個運(yùn)動構(gòu)件均在同一平面內(nèi)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。所以，對平面四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究可以概括連桿機(jī)構(gòu)內(nèi)在的基本原理，從而用以連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
所有運(yùn)動副均為轉(zhuǎn)動副的四桿機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，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。選定其中一個構(gòu)件作為機(jī)架之後，直接與機(jī)架鏈接的構(gòu)件稱為連架桿，不直接與機(jī)架連接的構(gòu)件稱為連桿，能夠做整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件被稱作曲柄，只能在某一角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動的構(gòu)件稱為搖桿。如果以轉(zhuǎn)動副連接的兩個構(gòu)件可以做整周相對轉(zhuǎn)動，則稱之為整轉(zhuǎn)副，反之稱之為擺轉(zhuǎn)副。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，按照連架桿是否可以做整周轉(zhuǎn)動，可以將其分為三種基本機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)綜合是按照給定的運(yùn)動特性對機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的過程，包括型綜合和尺度綜合兩大主要內(nèi)容，主要綜合方法有解析法、作圖法和實(shí)驗(yàn)法。作圖法和實(shí)驗(yàn)法工作量大，設(shè)計(jì)精度低，僅適用于對機(jī)構(gòu)精度要求不高的場合。近幾十年來，隨著工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，人們對機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度和精度要求越來越高，作圖法和實(shí)驗(yàn)法已不能滿足要求，而基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）的解析法得到了廣泛的應(yīng)用。
本課題的主要內(nèi)容是平面四桿機(jī)構(gòu)的連桿曲線及軌跡綜合，其意義在于：一、深入研究計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)和仿真連桿機(jī)構(gòu)連桿曲線方面的應(yīng)用，從而指導(dǎo)實(shí)踐；二、總結(jié)出四桿機(jī)構(gòu)軌跡綜合的理論基礎(chǔ)，從而指導(dǎo)多桿或復(fù)雜的低副平面機(jī)構(gòu)的綜合。
此課題的主要目標(biāo)是系統(tǒng)地對平面四桿機(jī)構(gòu)連桿曲線進(jìn)行研究，從而來獲得連桿機(jī)構(gòu)基本的原理和綜合方法，以便在實(shí)際中得到應(yīng)用；主要特色是在各個設(shè)計(jì)進(jìn)度中將會大量應(yīng)用計(jì)算機(jī)高級語言編程來輔助設(shè)計(jì)和仿真平面四桿機(jī)構(gòu)。
受控連桿機(jī)構(gòu)是指一個或若干個原動件受計(jì)算機(jī)控制，從而使機(jī)構(gòu)可以精確實(shí)現(xiàn)任意給定運(yùn)動并具有智能化的一類機(jī)構(gòu)，如具有一個受控原動件的平面五桿機(jī)構(gòu)；受控機(jī)構(gòu)學(xué)研究受控連桿機(jī)構(gòu)的分析與綜合理論、控制方法與控制系統(tǒng)和應(yīng)用。
1．2課題主要內(nèi)容及選題意義
四桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械自動化，機(jī)械手，機(jī)器人中都有很廣泛的應(yīng)用，近幾十年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，人們對機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度和精度要求越來越高，作圖法和實(shí)驗(yàn)法已經(jīng)不能滿足要求，而解析法則成為日益廣泛應(yīng)用的分析方法。
本課題的主要內(nèi)容是平面四桿機(jī)構(gòu)的連桿曲線與運(yùn)動領(lǐng)域識別，要求研究者用解析法先進(jìn)行平面四桿機(jī)構(gòu)連桿軌跡的生成，再利用隨機(jī)函數(shù)建立軌跡曲線數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫中的曲線進(jìn)行分類及運(yùn)動領(lǐng)域識別，最后用軟件（Visual Basic）實(shí)現(xiàn)運(yùn)動仿真。
意義在于：深入研究計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)和仿真連桿機(jī)構(gòu)連桿曲線方面的應(yīng)用，從而指導(dǎo)實(shí)踐；二，總結(jié)出四桿機(jī)構(gòu)軌跡綜合的理論基礎(chǔ)，從而指導(dǎo)多桿（如六桿）或復(fù)雜的低副平面機(jī)構(gòu)的綜合。
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）：
連桿機(jī)構(gòu)綜合的重中之重就是尺度綜合。六十年代以后，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及輔助制造（CAD/CAM）蓬勃發(fā)展，隨著CAD技術(shù)和新算法的出現(xiàn)，人們已開發(fā)出許多實(shí)用化的軟件來進(jìn)行尺度綜合。
目前，通過采用計(jì)算機(jī)高級語言編程來實(shí)現(xiàn)某種算法而精確求解的解析法得到了廣
泛的應(yīng)用，例如連續(xù)算法（即同倫算法）、遺傳算法（GA）等，這些算法能夠綜合出精
度很高的機(jī)構(gòu)。另外，近十年來還出現(xiàn)了“數(shù)值圖譜”進(jìn)行機(jī)構(gòu)的尺度綜合，其思路為
將連桿曲線機(jī)構(gòu)的輸出參數(shù)用一組特征參數(shù)存入計(jì)算機(jī)，通過特征參數(shù)的比較，決定所
設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的近似精度，以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的尺度綜合?，F(xiàn)在國內(nèi)外學(xué)者已有不少研究成果，并
引入了多種數(shù)學(xué)工具，如頻譜分析、模糊數(shù)學(xué)、小波特征等參數(shù)。最后，應(yīng)用計(jì)算機(jī)來
對機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真已成了目前機(jī)構(gòu)綜合的一個重要內(nèi)容，通過仿真來獲得機(jī)構(gòu)的各個特征
參數(shù)，然后再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)也決定了機(jī)構(gòu)的精確。
1.受控機(jī)構(gòu)學(xué)發(fā)展展望
作為受控機(jī)構(gòu)學(xué)目前研究的重點(diǎn)受控五桿機(jī)構(gòu)，雖然有一定進(jìn)展，形成了一定的體系，但作為一個新興研究領(lǐng)域還有待更深入的研究。
1.1進(jìn)一步加強(qiáng)研究，完善方法和理論體系
具有一個受控原動件的五桿機(jī)構(gòu)是一種最簡單，但功能優(yōu)越的，能精確實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動的機(jī)電一體化的連桿機(jī)構(gòu)。下一步的研究，將進(jìn)一步開拓新的研究領(lǐng)域，如精確實(shí)現(xiàn)給定的剛體位置的理論和綜合方法；精確實(shí)現(xiàn)給定的組合運(yùn)動（如實(shí)現(xiàn)連桿軌跡的同時滿足主從動件之間的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)連桿軌跡的同時滿足剛體位置的要求等）的理論和綜合方法；機(jī)構(gòu)動力學(xué)方面的研究，如機(jī)構(gòu)所傳遞的動力對精確實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的影響和平衡問題等；從而形成較完善的受控機(jī)構(gòu)學(xué)理論體系。
1.2編制具有良好“魯棒性”的應(yīng)用軟件
為了能使這種新型機(jī)構(gòu)理論得到推廣，不但要有完善的理論研究，而且還要開發(fā)具有良好“魯棒性”的應(yīng)用軟件，因此結(jié)合最新的計(jì)算機(jī)窗口和圖形技術(shù)，面向用戶編制具有良好“魯棒性”的計(jì)算機(jī)仿真程序和應(yīng)用軟件，讓用戶不需要學(xué)習(xí)或只經(jīng)過短時的訓(xùn)練就能使用該軟件設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，而且得到全套的機(jī)構(gòu)圖、機(jī)構(gòu)尺寸、運(yùn)動學(xué)參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)和控制參數(shù)。將研究結(jié)果以軟件形式推廣，也是一個研究重點(diǎn)。
1.3加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究，推廣工程應(yīng)用
科學(xué)研究的目的是為了推動工業(yè)進(jìn)步。下一步的研究將側(cè)重于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室條件下建立通用實(shí)驗(yàn)臺，該通用實(shí)驗(yàn)臺要能夠調(diào)整機(jī)構(gòu)尺寸和動力學(xué)參數(shù)，并能適應(yīng)各種單一運(yùn)動、多個運(yùn)動和組合運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)需要，以驗(yàn)證理論，探討控制系統(tǒng)的組成和優(yōu)化，為工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
三、研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案：
用解析法計(jì)算平面四桿機(jī)構(gòu)連桿各點(diǎn)軌跡，建立連桿軌跡曲線數(shù)據(jù)庫，用軟件編程實(shí)現(xiàn)運(yùn)動分析。這需要做到：1、建立平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動方程 2、編寫運(yùn)動分析程序 3、機(jī)構(gòu)運(yùn)動模擬
平面連桿機(jī)構(gòu)原理，包括鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)（曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)）、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化（曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、搖塊機(jī)構(gòu)、定塊機(jī)構(gòu)、雙滑塊機(jī)構(gòu)）。
研究內(nèi)容：
1.平面四桿機(jī)構(gòu)連桿點(diǎn)的軌跡坐標(biāo)
2.連桿軌跡曲線分類基準(zhǔn)的確定
3.軌跡曲線的分類及運(yùn)動領(lǐng)域識別
4．運(yùn)動學(xué)仿真軟件編制
實(shí)驗(yàn)方案：
所以， （1）
（2）
（1）（2）聯(lián)立消去，再將，，
代入，解方程可得： （3）
式中，，
，
當(dāng)連桿初始位置是時，（2）式中取“+”號；當(dāng)連桿初始位置是時（2）式中取“-”號；當(dāng)時，連桿機(jī)構(gòu)相應(yīng)位置無法實(shí)現(xiàn)。
所以，，
所以，
所以，連桿上任一點(diǎn)（K點(diǎn)）的坐標(biāo)（x,y）就可以表示為
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度：
目標(biāo)：系統(tǒng)地對平面四桿機(jī)構(gòu)和四桿機(jī)構(gòu)連桿曲線進(jìn)行研究，從而來獲得連桿機(jī)構(gòu)基本的原理和綜合方法，以便在實(shí)際中得到應(yīng)用。
主要特色：在各個設(shè)計(jì)進(jìn)度中將會大量應(yīng)用計(jì)算機(jī)高級語言編程（VB）來輔助設(shè)計(jì)和仿真平面四桿機(jī)構(gòu)，主要體現(xiàn)在三個方面：一、繪制連桿曲線；二、綜合機(jī)構(gòu)尺度；三、機(jī)構(gòu)的優(yōu)化和VB運(yùn)動模擬。
工作進(jìn)度：
1、開題報告、外文資料翻譯 兩周 3月1日-——3月11日
2、平面四連桿機(jī)構(gòu)的類型 三周 3月14日——4月2日
3、連桿曲線的生成與分類準(zhǔn)則的確定 三周 4月6日——4月26日
4、曲線分類 兩周 4月27日——5月10日
5、曲線分類的運(yùn)動領(lǐng)域識別 兩周 5月11日——5月25日
6、畢業(yè)論文整理及答辯準(zhǔn)備 一周 5月26日——6月1日
五、參考文獻(xiàn)：
1、張紀(jì)元主編.機(jī)械學(xué)的數(shù)學(xué)方法.上海：上海交通大學(xué)出版社，2003
2、孫桓等主編.機(jī)械原理（第六版）.北京：高等教育出版社，2001
3、濮良貴主編.機(jī)械設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社.2001
4、曹惟慶編著.平面連桿機(jī)構(gòu)分析與綜合. 北京：科學(xué)出版社，1989
5、孟彩芳主編.機(jī)械原理電算分析與設(shè)計(jì). 天津：天津大學(xué)出版社，2000
6、曹清林等編著.對稱軌跡機(jī)構(gòu) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003
7、楊廷力編著.機(jī)械系統(tǒng)基本理論——結(jié)構(gòu)學(xué) 運(yùn)動學(xué) 動力學(xué). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996
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平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能研究
摘要：平面四桿機(jī)構(gòu)是主要的常用基本機(jī)構(gòu)之一,應(yīng)用十分廣泛,也是其他多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。由于連桿機(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)雜的非線性關(guān)系,無論從性能分析上還是性能綜合上都是一個比較困難的工作,尚需作進(jìn)一步深入研究。本文基于平面四桿機(jī)構(gòu)的空間模型,將機(jī)構(gòu)實(shí)際尺寸轉(zhuǎn)化為相對尺寸,在有限的空間內(nèi)表示出無限多的機(jī)構(gòu)尺寸類型,從而建立起全部機(jī)構(gòu)尺寸類型和空間點(diǎn)位的一一對應(yīng)關(guān)系,為深入研究平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能與構(gòu)件尺寸之間的關(guān)系提供了基礎(chǔ)。根據(jù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)、單滑塊四桿機(jī)構(gòu)的不同特點(diǎn),詳細(xì)分析各類機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能參數(shù)與構(gòu)件尺寸之間的關(guān)系,指出構(gòu)件尺寸的變化對機(jī)構(gòu)運(yùn)動性能的影響,并繪制相關(guān)的運(yùn)動性能圖譜。針對具有急回特性的Ⅰ、Ⅱ型曲柄搖桿機(jī)構(gòu),通過深入分析極位夾角與構(gòu)件尺寸之間的內(nèi)在關(guān)系,獲得了Ⅰ型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)極位夾角分別小于、等于或大于90°的幾何條件以及Ⅱ型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)極位夾角一定小于90°的結(jié)論,揭示了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時作為已知條件的極位夾角和搖桿擺角之間應(yīng)滿足的要求。本文得出的圖譜和相關(guān)結(jié)論,為工程應(yīng)用中機(jī)構(gòu)性能分析和機(jī)構(gòu)綜合提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞： 平面四桿機(jī)構(gòu) 空間模型 運(yùn)動性能
Plane four clubs institutions of Sports performance research
Abstract:The planar four-bar linkages are one type of basic mechanisms, and they are applied very extensively. The performances of the linkages depend on their geometrical parameters and present the complicated non-linear relations. It is necessary to make the further research on them for analysis, synthesis and application of linkages.By using of the three-dimensional models of the planar four-bar mechanisms, the actual sizes of mechanisms are transformed relative ones, and all size types of mechanisms can be figured by spatial coordinates. It is the foundation for research on the relations between the link dimensions and kinematic capability parameters.Aimed at the different characteristics of crank-rocker mechanism, double-crank mechanism, double-rocker mechanism and single-slider mechanism, some inherent relations between the link dimensions and the kinematic capability parameters are deeply analyzed, then the relative kinematic capability diagrams are obtained.Based on deeply analysis of inherent relations between the extreme position angle and the link dimensions of typeⅠand typeⅡcrank-rocker mechanisms with quick return characteristics, the geometrical conditions are put forward in this paper, by which we can judge whether the extreme position angle of typeⅠcrank-rocker mechanisms is less than, equal to or lager than 90°. It is proved that the extreme position angle of typeⅡcrank-rocker mechanism is certainly less than 90°. The relations between the extreme position angle and the angular stroke of the rocker are brought to light, which should be satisfied during the kinematic design of crank-rocker mechanisms.The diagrams and conclusions obtained in this paper provide theoretic foundation for the capability analysis and synthesis of mechanisms.
Keyword: Planar four-bar linkage Space model Sports Performance
目 錄
1 序言
1.1 連桿機(jī)構(gòu)……………………………………………………………………(1)
1.2 平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析…………………………………………………(2)
1.3 本論文所作的主要工作……………………………………………………(3)
2 平面四連桿機(jī)構(gòu)的類型
2.1 分類概念 ……………………………………………………………………(3)
2.2 分類……………… …………………………………………………………(4)
3 平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析
3.1.1 連桿上任意點(diǎn)的軌跡分析…………………………………………………(6)
3.1.2 Non-grashof機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析……………………………………………(8)
3.2 速度分析………………………………………………………………… (9)
3.3 加速度分析……………………………………………………………… (10)
4 平面連桿機(jī)構(gòu)曲線分類基準(zhǔn)及分類
4.1 曲率…………………………………………………………………………(11)
4.2 弧長…………………………………………………………………………(12)
4.3 回轉(zhuǎn)數(shù)………………………………………………………………………(12)
4.4 結(jié)點(diǎn)…………………………………………………………………………(13)
4.5 變曲點(diǎn)、曲率極大點(diǎn)與極小點(diǎn)……………………………………………(19)
4.6 機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的建立…………………………………………………………(20)
4.7 連桿曲線的分類結(jié)果………………………………………………………(20)
5 平面連桿機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)
5.1 初始運(yùn)行界面及程序………………………………………………………(23)
5.2 部分仿真結(jié)果…………………………………………………………… (42)
結(jié)論………………………………………………………………(49)
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………(51)
致謝………………………………………………………………(52)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：
平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析
II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
用解析法計(jì)算平面四桿連桿各點(diǎn)軌跡，在VB軟件中建立平面四桿運(yùn)動的運(yùn)
動仿真，用軟件編程實(shí)現(xiàn)運(yùn)動分析。
要求：1 建立平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動方程
2 編寫運(yùn)動分析程序
3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動的仿真
4.用軟件編程實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真
III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時間：
1、開題報告、外文資料翻譯 兩 3月1日-——3月11日
2、平面四連桿機(jī)構(gòu)的類型 三 3月14日——4月2日
3、平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析 三 4月6日——4月26日
4、平面連桿機(jī)構(gòu)曲線分類基準(zhǔn)及分類 兩 4月27日——5月10日
5、平面連桿機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì) 兩 5月11日——5月25日
6、畢業(yè)論文整理及答辯準(zhǔn)備 一 5月26日——6月1日
Ⅳ 、主 要參考資料：
【1】孫桓等主編.機(jī)械原理（第六版）.高等教育出版社，2001
【2】馬香峰主編.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì).冶金工業(yè)出版社，1996
【3】宗光華 張慧慧譯.機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制. 科學(xué)出版社，2004
【4】李志尊. UG NX CAD基礎(chǔ)應(yīng)用與范例解析[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2004，
【5】Y.Fujimoto and A.Kawamura．Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation
Walking Robot Including Environmental Force Interaction．IEEE Robotics and Automation
Magzine，1998，5(2):33~42
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