1、实验 14 平面机构惯性力平衡14.1 实验目的1. 掌握用调整机构质心位置法进行平面机构在机架上平衡的基本方法；2. 了解平面机构在机架上惯性力的完全平衡及近似平衡法的基本特点。14.2 实验设备和工具1. 平面机构平衡实验台（曲柄滑块机构） ；2. 加速度传感器；3. 信号采集与分析系统；4. 平衡质量。14.3 实验原理和方法图 14.1 平面机构平衡实验台平面机构在机架上的平衡实验以曲柄滑块机构作为基本机构，如图 14.1 所示。电机 5 驱动曲柄盘 1，使曲柄滑块机构运动。A 为曲柄盘转轴中心，连杆 2 为矩形等截面金属杆，B 为曲柄销中心，C 为连杆 2 与滑块 3 的连接销中心，
2、 D 为连杆上平衡质量 的安装孔中心。在曲柄盘上，Em为平衡质量 的安装孔中心。在机架 4 与基础 7 之间垫有一层耐油橡胶板 6，使曲柄滑块机构运m动时，其机架在运动平面的 、 两个方向能呈现出振动。通过加速度传感器便可观察到机构惯性xy力的影响和变化。图 14.2 曲柄滑块机构质心位置的调整曲柄滑块机构的曲柄盘和连杆的质心位置分别设为 和 ；滑块质心在 处。相互间的尺寸1S2C如图 14.2 所示。1. 调整机构质心位置的基本原理由图 14.2 可知，首先用平衡质量 使其与连杆和滑块质量 、 的总质心调整至点 ，故m 2m3B(14.1)23rlh在点 可看成有一集中质量为B3B然后在曲柄
3、盘上用平衡质量 使其与 和 的总质心调整至点 ，故1A(14.2)1rhml此时点 便成为该机构活动构件（包括平衡质量）的总质心位置。此处集中质量为A3211mBA 由于 为固定点，故不受机构位置变化的影响，即总惯性力等于零。此时机构达到惯性力完全平衡。2. 近似平衡法由于上述平衡法将平衡质量装在连杆上，使构件质量增加，对结构很不利。故很多产品设计中采用近似平衡法。常用的有只用装在曲柄盘上的平衡质量 （即取消 ）来部分地平衡机构的惯m性力。其基本原理如下。首先将连杆 2 上的质量代换到点 和 ，得BC(14.3) /)(22lhm其次用 的一部分质量 来平衡集中于点 的 和曲柄盘质量m1 B1
4、(14.4) 2212 )(mlhlrlhB如果曲柄盘已经平衡，即 ，则01212)(lrm然后对集中在点 作往复运动的质量 进行平衡。因CC(14.5)2而根据运动分析可知点 的加速度大小为cos2112llaC由于括号内第二项远小于第一项，故略去不计。因此， 所产生的惯性力的大小为Cm(14.6)12lFi根据力分析可知， 在图示机构位置方向应为自左至右，将在 处轴承和滑块与机架间引起动压iC A力 和 ，使机架上受到一个逆时针方向力偶矩 和一个作用在 处轴承上的水平动压力14R3 ClR34，且x(14.7)ix14为了消除 ，可以利用 的另一部分质量 ，使xR14m212lrC这样，
5、的离心惯性力将在 处轴承上产生一个水平动压力 和一个铅垂动压力 ，它们的大2mAxFyF小为(14.8)sinsincoco1212lmrFCyx由式(14.6)、(14.7) 、(14.8)可知， 和 大小相等，但方向相反（ 在图示机构位置应为自xR4 x右至左） ，故 抵消了水平动压力 。这样，平衡结果在水平方向达到了目的，但在铅垂方向又xF14多出了一个动压力 ，对机械的工作不利。为了使水平和铅垂两个方向都不要产生过大的动压力，y故长采用较小的平衡质量，即令(14.9)12rlpmC式中 为平衡系数，通常取 。此时除了力偶矩 没有消除外，水平方向也还有p3/1pAClR34的动压力没有消
6、除。3/12综合以上有关公式，)()( 2312312 mlhrlprlC故总平衡质量为(14.10) 23122121 )(lrlhmlrm14.4 实验步骤和要求1. 在实验台基础上安放带有加速度传感器的支架，并调整传感器的测量方向使分别沿着水平 和)(x铅垂 两个方向。)(y2. 测量和记录曲柄滑块机构各构件有关尺寸和质量（ 、 的位置可事先由实验室测定后作出标1S2记） 。3. 接通电源，逐步升高电机转速，使传感器读数增大到适当值，并分别记下两测量点的最大读数：水平方向读数 和铅垂方向读数 。xaya4. 停机。计算达到完全平衡所需的平衡质量 和 的理论值。然后在图 14.1 中 和
7、两处加上m DE相应的平衡质量 和 。m5. 开机（电机转速同前） 。观察机架的振动情况，并重新记录两测量点最大值 和 。xay6. 停机。去掉所加平衡质量 和 ，然后按近似平衡法计算 时的 值，并在图 14.1 中 1pm处加上相应的平衡质量 。E7. 开机（电机转速同前） 。观察机架的振动情况，并重新记录最大值 和 。xy8. 逐步减小 值，计算并加相应的平衡质量 。观察并记录机架的振动情况。pm9. 停机。分析有关数据。14.5 思考题与实验报告1. 思考题(1) 平面机构在机架上的平衡达到什么目的？是否经平衡校正后，机架上就完全没有振动？(2) 在机架上惯性力的完全平衡与近似平衡后机架的振动情况有何变化？(3) 在实验中平衡系数 的变化对机架的振动影响如何？p(4) 平面机构在机架上的平衡除了上述方法外，还有什么方法可供设计者参考？2. 实验报告基本内容(1) 填写完成下表内容实验 14：平面机构惯性力平衡实验报告学生姓名 学 号 组 别实验日期 成 绩 指导教师测量和计算数据（单位：长度 mm；质量g）1r21l2l1h21m23m平衡质量读数 0m 0p065.p05.pxay(2) 思考题讨论(3) 实验心得和建议
