1、平面连杆机构的运动分析和动力分析1.1 机构运动分析的任务、目的和方法曲柄摇杆机构是平面连杆机构中最基本的由转动副组成的四杆机构， 它可以用来实现转动和摆动之间运动形式的转换或传递动力。对四杆机构进行运动分析的意义是： 在机构尺寸参数已知的情况下， 假定主动件 （曲柄）做匀速转动，撇开力的作用，仅从运动几何关系上分析从动件（连杆、摇杆）的角位移、角速度、 角加速度等运动参数的变化情况。 还可以根据机构闭环矢量方程计算从动件的位移偏差。上述这些内容， 无论是设计新的机械，还是为了了解现有机械的运动性能，都是十分必要的，而且它还是研究机械运动性能和动力性能提供必要的依据。机构运动分析的方法很多，主
2、要有图解法和解析法。当需要简捷直观地了解机构的某个或某几个位置的运动特性时， 采用图解法比较方便， 而且精度也能满足实际问题的要求。 而当需要精确地知道或要了解机构在整个运动循环过程中的运动特性时， 采用解析法并借助计算机， 不仅可获得很高的计算精度及一系列位置的分析结果， 并能绘制机构相应的运动线图，同时还可以把机构分析和机构综合问题联系起来，以便于机构的优化设计。1.2 机构的工作原理在平面四杆机构中，其具有曲柄的条件为：a.各杆的长度应满足杆长条件，即：最短杆长度+最长杆长度 ”余两杆长度之和。b.组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆，且其最短杆为连架杆或机架（当最短杆为连架杆时，四杆机
3、构为曲柄摇杆机构；当最短杆为机架时，则为双曲柄机构） 。第一组 （2 代一套 ）四杆机构 L1=125.36mm,L2=73.4mm,L3=103.4mm,L4=103.52mm最短杆长度+最长杆长度（125.36+73.4） w其余两杆长度之和（103.4+103.52）最短杆为连架杆，四杆机构为曲柄摇杆机构第二组 （2 代二套 ）四杆机构 L1=125.36mm,L2=50.1mm,L3=109.8mm,L4=72.85mm最短杆长度+最长杆长度（125.36+50.1） w淇余两杆长度之和（109.8+72.85）最短杆为连架杆，四杆机构为曲柄摇杆机构第三组 （3 代）四杆机构 L1=1
4、63.2mm,L2=61.6mm,L3=150mm,L4=90mm最短杆长度+最长杆长度（163.2+61.6）%余两杆长度之和（150+90）最短杆为连架杆，四杆机构为曲柄摇杆机构在如下图 1 所示的曲柄摇杆机构中，构件AB 为曲柄，则B 点应能通过曲柄与连杆两次共线的位置。1.3 机构的数学模型的建立图1机构结构简图1.3.1 建立机构的闭环矢量位置方程在用矢量法建立机构的位置方程时，需将构件用矢量来表示，并作出机构的封闭矢量多边形。如图1所示，先建立一直角坐标系。设各构件的长度分别为L1、L2、L3、L4 ,其方位角为 名、口、区、4。以各杆矢量组成一个封闭矢量多边形，即 ABCDA。
5、其个矢量之和必等于零。即：4 + 4 = 4+工4式 1I式1为图1所示四杆机构的封闭矢量位置方程式。对于一个特定的四杆机构，其各构件的长度和原动件2的运动规律，即名为已知，而司=0,故由此矢量方程可求得未知方位 角区、吊角位移方程的分量形式为：+ 4 cosg = Z1cos4 + 4 cosqsin = sin sin闭环矢量方程分量形式对时间求一阶导数（角速度方程）为:一&啊sin g+Lsin =叼2sin 8飞4电 cos - 4叫 cowg = 一4 COGj其矩阵形式为： Lsin83 L4sin4 丫%m2L2sinB2II =L3cos93 -L4co既4 AoM -02L2
6、co现J联立式3两公式可求得：吗=-6与 sin - Q） / & 34）式5GL 的式 6闭环矢量方程分量形式对时间求二阶导数（角加速度方程）矩阵形式为：一 L3sin -3、L3cos83L4sin 日 4 Ya 3 ；L 4 cos 6 4 )严 4 222- L4 4 cos -4L3 - 3 cos TI3 L2 2 cos 22.2.2.L2 - 2 sin 12 L3 3 sin 飞一 L4 4 sin 3由式7可求得加速度:一封& CO式名 -COS - 84)+6；&kin - 昆)封上85(另一鸟)一 G；4 COS -&)+*&乙si MW 一同)注：式1式9中,Li(i
7、=1,2,3,4 )分别表示机架1、曲柄2、连杆3、摇杆4的长度； 月(i=1,2,3,4)是各杆与x轴的正向夹角，逆时针为正，顺时针为负，单位为rad; %是各杆的角速度,噂=蛆at,单位为rad/s;次 彘 为各杆的角加速度，单位为1.3.2求解方法(1)求导中应用了下列公式：ae COS = SCQS 9dtas 一门 -八一- sm 日二-Gsin 3 dtd sin gdtd cos 8 dt(好)=vu式10(2)在角位移方程分量形式(式 2)中，由于假定机架为参考系，矢量1与x轴重合,=0,则有非线性超越方程组：工*B4) cos S, + Lj cos g - L cos 旦=
8、0ja (g T ) iZjj s iti &2 +i名sill - 0可以借助牛顿-辛普森数值解法或 Matlab自带的fsolve函数求出连杆3的角位移和摇杆 4的角位移。(3)求解具有n个未知量 (i=1,2,n的线性方程组：如应+的电+4% %=瓦值久为+口 口可+,. + &/ =瓦式12式中，系列矩阵是一个阶方阵：回A=:的逆矩阵为；常数项b是一个n维矢量：A =也,，耳）F因此，线性方程组解的矢量为：式13式14式15式11是求解连杆3和摇杆4角速度和角加速度的依据。2平面连杆机构的动力学分析机构的动力分析，主要是在运动学分析的基础上，由已知工作阻力，求出运动副的约束反力和驱动力
9、（或力矩），为选择和设计轴承、零部件强度的计算及选择原动机提供理论依据。 本章以机构的组成原理为出发点，主要以应用最为广泛的平面连杆II级机构为分析对象，用复数向量推导出曲柄原动件、RRR杆组、RRP杆组、RPR杆组、PRP杆组和RPP杆组的动力学矩阵数学模型，并编制相应仿真M函数。在Matlab /simulink仿真平台，可以搭建所有平 面连杆II级机构的动力学仿真模型并进行动力学仿真。2.1曲柄的动力学矩阵表达式曲柄AB复向量的模ri为常数，幅角0 i为变量。质心到转动副 A的距离为rci,质量为 mi,绕质心的转动惯量为 Ji,作用于质心上的外力为 Fxi和Fyi,外力矩为Mi,曲柄与
10、机架联 接，转动副A的约束反力为 Rxa和Rya,驱动力矩为M1.由理论力学可得：国一展在十%=川,小 -我评十时一/度=町1m Mi + M+Z sin 旦理工$ cos +（o -匚）iu g一居占住一心）8号卑二总3.1曲柄的受力模型由运动学知识可推得：= Re A +c。乳可 + R2) + *哥 cos (仪 + 工)Iin = ItiiN + 吃 sin(g + R2) + %纪 sin (g + k)合并整理得叫 Re A + 网噎自 cos（ + k21 + 叫%，8s（ 4 + 疗）一心+ 亢sm, Im A +叫心&蚯口（4+句2）+叫中啦II （4+ #） %+贝他+ m
11、tgJA- %葭蚯口 4 + 鼻亡必4 储一 人也 4 + % ”； 一。）cos-F2.2 RRR II级杆组动力学矩阵表达式如图所示，RRR II级杆组，分别以2个构件BC（长度为）和CD（长度为）为受力分析对象进行受力分析，其受力情况同曲柄，只是不受驱动力矩，则转动副B, C, D的约束反力推导如下。a FtRR 杆姐（b） DC构件变力模型号7P向方直垂角位移线图主动件转角鲫角位移线图主动件转角向度）图4-22连杆3和摇杆4角位移曲线图4-23工作区间内连杆3和摇杆4角位移曲线曲柄两极限点的转角范围012 =201 - 26.4=174.6摇杆两极限点转角范围0 31=162.9068
12、-75.5916=87.31525角速度线图43) 2sa 1窗f4角力X: 11Y: 2.423落f3X:Y:角速度2301.7553)r度0速角件-1动从-2i-3-4-50X: 0Y: -2.2541Y:X: 335 -3.057 r50100150200250300350主动伸角2度）图4-24连杆3和摇杆4角速度曲线图4-25工作区间内连杆3和摇杆4角速度曲线I作区间内摇杆角速度最大值：曲柄转角116度，摇卞f转角122.1706,摇杆角速度2.4237工作区间内摇杆角速度最小值：曲柄转角26度，摇杆转角 75.5927,摇杆角速度-0.0147角速度变化量：2.4237 +0.01
13、47=2.4384角加速蛛图20406080 100 120 140 160 180 200件角加速度角加速度线图2010-5-10-15X: 180Y: -10.09X: 15Y: 17.59)2sd a度 速 加 角 件 动 从100150200250主动件转角般）摇木!锦加速X: 325Y: -11.62_ 300350X:180 -Y: 6.459-3JH加速度&sd ar 度速 加 角 件 动 从图4-26连杆3和摇杆4角加速度曲线图4-27工作区间内连杆3和摇杆4角加速度曲线工作区间内摇杆角加速度最大值：曲柄转角26度，摇杆转角 75.5927,摇杆角加速度15.1795工作区间内
14、摇杆角加速度最小值：曲柄转角181度，摇杆转角160.3728,摇杆角速度-10.0923角加速度变化量：15.1795+10.0923 =25.27184.3 3代机构尺寸参数各构件的尺寸为 r1=61.6mm,r2=150mm,r3=90mm,r4=163.2mm ;质心为 rc1= mm, rc2= mm. rc3= mm质量为 m1 = kg, m2= kg. m3= kg;转动惯量为 J1= kg?m2, J2= kg?m2, J3= kg?m2,构件3的工作阻力矩 M3= N?m.顺时针方向，其他构件所受外力和外力矩（弹簧拉力大小及位置）构件1曲柄以等角速度逆时针方向回转3代型运动
15、时间抬杆运动时间（S）曲柄运动角速度（rad/s）0.65.235990.93.490661.32.41661曲柄角速度i12 /1 8 0 *二t0 12为曲柄两极限点的转角范围012 =203.6 23.6=1800 31为摇杆两极限点转角范围9 31=156.4020-70.0143=86.3877连杆3的几个位置点-0.06-0.08-0.0500.050.10.15水平方向(m)0.1图4-31连杆3的空间位置点图4-32连杆与摇杆的角位移曲线（0.6s）角位移线图主动件转角图4-33工作区间内连杆与摇杆的角位移曲线（0.6s）角位移线图主动件转角g度）)曲柄两极限点的转角范围812
16、 =205 25=18。摇杆两极限点转角范围0 31=156.3986-70.0381=86.36055角速度线图431)2一 sd 1a 1度速0角件-1动从-2-3-4-5 0摇*f 4角(&1X: 110Y: 3,636连*F角速度（嘀.X: 230Y: 2.37X: 355Y: -3.231Y:X: 335-4.73450100150200250300350主动件转角出度）角速度线图Y: 3,636F4角速度速角件动X： 24X： 203.3从Y: 0 05327-2X： 21.6100X: 210Y: 2,254主动件转角器）)1s-3 Y: -2.252040IX: 108,2d-
17、 2 a逗更序.Y： 0.0377320图4-34连杆与摇杆的角速度曲线 工作区间内摇杆角速度最大值 曲柄转角109度，摇杆转角 工作区间内摇杆角速度最小值 曲柄转角205度，摇杆转角(0.6s)113,0777,156.3986,图4-35工作区间内连杆与摇杆的角速度曲线（0.6s）摇杆角速度3.6366摇杆角速度-0.0313角速度变化量：3.6366 +0.0469=3.683540X: 10Y: 42.37从-1(3020葡d10-2(X: 180Y: -19.44X: 20Y: 15.44X: 175Y: 10.83度 速 加 角 件 动2一sX: 320Y:3008350-3001
18、00150200250身ftWi覆)X: 26.2Y: 34.48角力38廛溷从动（牛制口速图4-36连杆与摇杆的角加速度曲线（0.6s）图4-37工作区间内连杆与摇杆的角加速度曲线（0.6s）工作区间内摇杆角加速度最大值：曲柄转角25度，摇杆转角 70.0381,摇杆角加速度 35.4232工作区间内摇杆角加速度最小值：曲柄转角182度，摇杆转角153.7688,摇杆角速度-19.4765角力口速度变化量：35.4232 +19.4765 =54.8997s do一度速角件动从-3摇手二4角速度想X: 208X: 108Y: 1.482X: 24Y: 0.0 _X: 21-Y: -1.523
19、551车杆3i1 速 ,(&3)角速度线图20406080100120140160180200主动件转角印度)图4-38工作区间内连杆与摇杆的角速度曲线（0.9s）工作区间内摇杆角速度最大值：曲柄转角109度，摇杆转角113.0777,摇杆角速度 2.4244工作区间内摇杆角速度最小值：曲柄转角205度，摇杆转角156.3986,摇杆角速度-0.0313角速度变化量：2.4244 +0.0313=2.4557图4-39工作区间内连杆与摇杆的角加速度曲线 （0.9s）工作区间内摇杆角加速度最大值：曲柄转角25度，摇杆转角 70.0381,摇杆角加速度 15.7436工作区间内摇杆角加速度最小值：
20、曲柄转角182度，摇杆转角153.7688,摇杆角速度-8.6562角力口速度变化量：15.7436+8.6562 =24.3998下表为3代栏杆机曲柄转动 20-210度,各参数变化量，角度间隔1度（运动时间0.9s）3代型栏杆机（运动时间1.3S）运动分析图4-40工作区间内连杆与摇杆的角速度曲线（1.3s）角速度线图主动件转角e（度）工作区间内摇杆角速度最大值：1.6784曲柄转角109度，摇杆转角113.0777,摇杆角速度工作区间内摇杆角速度最小值：曲柄转角205度，摇杆转角156.3986,摇杆角速度-0.0216角速度变化量：1.6784 +0.0216=1.7.dp度速加角件动从图4-41工作区间内连杆与摇杆的角加速度曲线（1.3s）工作区间内摇杆角加速度最大值：曲柄转角25度，摇杆转角 70.0381,摇杆角加速度 7.5458工作区间内摇杆角加速度最小值：曲柄转角182度，摇杆转角153.7688,摇杆角速度-4.1488角加速度变化量：7.5458+4.1488=11.6946下表为3代栏杆机曲柄转动 20-210度,各参数变化量，角度间隔1度（运动时间0.9s）
