四连杆机构的振动特性分析与研究——刘俊勇-数控0705

目 录

第一章.绪论????????? ?????????? ????2 第二章.曲柄摇杆机构

2.1铰链四连杆机构有整转副的条件???????? ????3 2.2急回特性?????????????????? ????5 2.3传动角与压力角??????????????? ????7 2.4死点位置?????????????????? ?? ?8 第三章.铰链四连杆的类型??????????????? ? 9 3.1曲柄摇杆机构?????????????????? ??9 3.2双曲柄结构??????????????????? ??10 3.3双摇杆机构???????????????????? ?11 第四章.机械加工振动????????????? ???? ??12

4.1振动对机械加工过程的影响??????? ???????12 4.2机械加工中的自激振动????????? ???????13 4.2.1自激振动的特点???????????????? 15 4.2.2控制自激振动的途径??? ???????????15 4.3机械加工中的受迫振动????????????? ???19 4.3.1自激振动的特点?????? ??????????19 4.3.2减少受迫振动的途径?????????? ????20 第五章.小结????????????????????????22 参考文献???????????????????? ?????23

第一章．绪论

连杆机构的最基本形式是平面四杆机构，它是其它连杆机构的基础。所以，对平面四杆机构进行研究可以概括连杆机构内在的基本原理，从而用以连杆机构的设计。

在各种机构型式中，连杆机构的特点表现为具有多种多样的结构和多种多样的特性。仅就平面连杆机构而言，即使其连杆件数被限制在很少的情况下，大量的各种可能的结构型式在今天仍难以估计。它们的特性在每一方面是多种多样的，以致只能将其视为最一般形式的机械系统。

在古代和中世纪许多实际应用方面的发明中就有连杆机构，例如我国东汉时期张衡发明的地震仪、列奥纳多?达?芬奇所描述的椭圆车削装置等，在这些发明中，都巧妙地应用了平面连杆机构。在近代，随着工业越来越高度自动化，在大量的自动化生产线上，许许多多的连杆机构得到了应用。特别是机器人学成为目前一个前沿学科，连杆机构又有了新的应用，例如日本等国家开发的类人型机器人等。在仿生学上，连杆机构巧妙地实现了人类关节的功能，例如国外研制的六杆假肢膝关节机构。

当今，工业生产自动化程度越来越高，连杆机构以及它与其它类型的机构组成的组合机构将得到更加广泛的应用，特别是形状丰富多样的连杆曲线将应用在更多的场合中

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第二章．曲柄摇杆机构

2.1铰链四连杆机构有整转副的条件

图示曲柄摇杆机构中，设各杆长度依次为l1、l2、l3、l4，且l1

程中，必有两次与连杆BC处于共线。据三角形两边之和大于第三边的定理，由△AC2D有

l3+l4>l1+l2 由△AC1D有 l2-l1+l4>l3

l2-l1+l3>l4

将上列三式整理，并考虑到四个杆件同时共线的情况，可得 l1+l2≤l3+l4

l1+l3≤l2+l4

l1+l4≤l2+l3将上三式两两相加，化简得

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l1≤l2

l1≤l3 l1≤l

在铰链四杆机构中，能作整周回转的连架杆称为曲柄。而曲柄是否存在。则取决于机构中各杆的长度关系，即要使连架杆能作整周转动而成为曲柄，各杆长度必须满足一定的条件，这就是所谓的曲柄存在的条件。

可将铰链四杆机构曲柄存在的条件概括为： 连架杆与机架中必有一个是最短杆；

最短杆与最长杆长度之和必小于或等于其余两杆长度之和。

上述两条件必须同时满足，否则机构中无曲柄存在。根据曲柄条件，还可作如下推论：

（1）若铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和必小于或等于其余两杆长度之和，则可能有以下几种情况：

a．以最短杆的相邻杆作机架时，为曲柄摇杆机构；

b．以最短杆为机架时，为双曲柄机构； c．以最短杆的相对杆为机架时，为双摇杆机构。

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(2)若铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则不论以哪一杆为机架，均为双摇杆机构。 2.2急回特性

曲柄摇杯机构中，当曲柄A B沿顺时针方向以等角速度转过φ1时，摇杆CD自左极限位置C1D摆至右极位置C2D，设所需时间为 t1，C点的明朗瞪为 V1；而当曲柄AB再继续转过φ2时，摇杆CD自C2D摆回至C1D，设所需的时间为 t2，C点的平均速度为 V2。由于φ1＞φ2，所以 t1＞t2 ,V2＞Vl。由此说明：曲柄AB虽作等速转动，而摇杆CD空回行程的平均速度却大于工作行程的平均速度，这种性质称为机构的急回特性。

摇杆CD的两个极限位置间的夹角ψ称为摇秆的最大摆角，主动曲柄在摇杆处于两个极限位置时所夹的锐角θ称为极位夹角。

在某些机械中(如牛头刨床、插床或惯性筛等)，常利用机械的急回特性来缩短空回行程的时间，以提高生产率。

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行程速比系数K：从动件空回行程平均速度V2与从动件工作行程平均速度V1的比值。K值的大小反映了机构的急回特性，K值愈大，回程速度愈快。

K＝V2／V1

＝(C2C1／t2) ／ (C1C2／t1) ＝（180°十θ）／ (180°一θ)

由上式可知，K与θ有关，当θ＝0时，K＝1，说明该机构无急回特性；当θ＞0时，K＞l，则机构具有急回特性。 2.3压力角和传动角

在工程应用中连杆机构除了要满足运动要求外，还应具有良好的传力性能，以减小结构尺寸和提高机械效率。下面在不计重力、惯性力和摩擦作用的前提下，分析曲柄摇杆机构的传力特性。如图2-18所示，主动曲柄的动力通过连杆作用于摇杆上的C点，驱动力F必然沿BC方向，将F分解为切线方向和径向方向两个分力Ft和Fr ，切向分力Ft与C点的运动方向vc同向。由图知

Ft = F 或 Ft = F Fr = F 或 Fr = F

α角是Ft与F的夹角，称为机构的压力角，即驱动力F与C点的运动方向的夹角。α随机构的不同位置有不同的值。它表明了在驱动力F不变时，推动摇杆摆动的有效分力Ft的变化规律，α越小Ft就越大。

压力角α的余角γ是连杆与摇杆所夹锐角，称为传动角。由于γ更便于观察，所以通常用来检验机构的传力性能。传动角γ随机构的不断运动而相应变化，为保证机构有较好的传力性能，应控制机构的最小传动角γmin。

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一般可取γmin≥40°，重载高速场合取γmin≥50°。曲柄摇杆机构的最小传动角出现在曲柄与机架共线的

两个位置之一，如图所示的B1点或B2点位置。

偏置曲柄滑块机构，以曲柄为主动件，滑块为工作件，传动角γ为连杆与导路垂线所夹锐角，如图所示。最小传动角γmin出现在曲柄垂直于导路时的位置，并且位于与偏距方向相反一侧。对于对心曲柄滑块机构，即偏距e = 0 的情况，显然其最小传动角γmin出现在曲柄垂直于导路时的位置。

对以曲柄为主动件的摆动导杆机构，因为滑块对导杆的作用力始终垂直于导杆，其传动角γ恒为90°，即γ = γmin = γmax =90°,表明导杆机构具有最好的传力性能。

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2.4死点位置

以摇杆作为主动件的曲柄摇杆机构。在从动曲柄与连杆共线的两个位置时，出现了机构的传动角γ＝0，压力角α＝90°的情况。此时连杆对从动曲柄的作用力恰好通过其回转中心不能推动曲柄转动，机构的这种位置称为

死点。机构在死点位置时由于偶然外力的影响，也可能使曲柄转向不定。 死点对于转动机构是不利的，常利用惯性来通过死点，也可采用机构错排的方法避开死点。

但死点也有可利用的一面，当工件被夹紧后，BCD成一直线，机构处于死点位置，即使工件的反力很大，夹具也不会自动松脱。

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第三章 铰链四杆机构的类型

铰链四杆机构根据其两个连架杆的运动形式不同，可以分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本形式。

3.1曲柄摇杆机构

若铰链四杆机构中的两个连架杆，一个是曲柄而另一个是摇杆，则该机构称为曲柄摇杆机构。

用来调整雷达天线俯仰角度的曲柄摇杆机构。

汽车前窗的刮雨器。当主动曲柄AB回转时，从动摇杆作往复摆动，利用摇杆的延长部分实现刮雨动作。

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3.2 双曲柄机构

如果铰链四杆机构中的两个连架杆都能作360°整周回转，则这种机构称为双曲柄机构。

在双曲柄机构中，若两个曲柄的长度相等，机架与连架杆的长度相等（，这种双曲柄机构称为平行双曲柄机构。

蒸汽机车轮联动机构，是平行双曲柄机构的应用实例。平行双曲柄机构在双曲柄和机架共线时，可能由于某些偶然因素的影响而使两个曲柄反向回转。机车车轮联动机构采用三个曲柄的目的就是为了防止其反转。

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3.3.双摇杆机构

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铰链四杆机构的两个连架杆都在小于360°的角度内作摆动，这种机构称为双摇杆机构。

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第四章．机械加工振动

4.1、振动对机械加工过程的影响

机械加工过程中，工艺系统经常会发生振动，即在工件和刀具的切削刃之间，除了名义上的切削运动外，还会出现一种周期性的相对运动。产生振动时，工艺系统的正常切削过程便受到干扰和破坏，从而使零件加工表面出现振纹，降低了零件的加工精度和表面质量，频率低时产生波度，频率高时产生微观不平度。强烈的振动会使切削过程无法进行，甚至造成刀具 “崩刃 ”。为此，常被迫降低切削用量，致使机床、刀具的工作性能得不到充分的发挥，限制了生产率的提高。振动还影响刀具的耐用度和机床的寿命，发出噪声，恶化工作环境，影响工人健康。

振动按其产生的原因来分类有三种：自由振动、受迫振动和自激振动。据统计，受迫振动约占 30%，自激振动约占 65%，自由振动占比重则很小。自由振动往往是由于切削力的忽然变化或其它外界力的冲击等原因所引起的。这种振动一般可以迅速衰减，因此对机械加工过程的影响较小。而受迫振动和自激振动都是不能自然衰减而且危害较大的振动。下面就这两种振动形式进行简单的分析。

4.2、机械加工中的自激振动

当系统受到外界或本身某些偶然的瞬时的干扰力作用而触发自由振动时，由振动过程本身的某种原因使得切削力产生周期性的变化，并由这个周期性变化的动态力反过来加强和维持振动，使振动系统补充由阻尼作用所消

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耗的能量，这种类型的振动称为自激振动。切削过程中产生的自激振动是频率较高的强烈振动，通常又称为颤振。 4.2.1自激振动的特点

1 ．自激振动是一种不衰减的振动。振动过程本身能引起周期性变化的力，此力可从非交变特性的能源中周期性地获得能量的补充，以维持这个振动。

2 ．自激振动频率等于或接近系统的固有频率，即由系统本身的参数决定。

3 ．自激振动振幅大小取决于每一振动周期内系统获得的能量与消耗能量的比值。当获得的能量大于消耗的能量时，则振幅将不断增加，一直到两者能量相等为止。反之振幅将不断减小。当获得的能量小于消耗的能量时，自激振动也随之消失。

到目前为止尚无完全成熟的理论来解释各种情况下发生自激振动的原因。目前克服和消除机械加工中的自激振动的途径，仍是通过各种实验，在设备、工具和实际操作等方面解决。 4.2.2控制自激振动的途径 1．合理选择切削用量

图 5— 5所示是车削时切削速度 与振幅 A的关系曲线。 在 20～ 60m/min范围内时， A增大很快，而 高于或低于此范围时，振动逐渐减弱。

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图5— 6所示是进给量 f与振幅 A的关系曲线， f较小时 A较大，随着 f的增大 A反而减小。

图 5— 7所示是背吃刀量 与振幅 A的关系曲线， 越大 A也越大。

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轴承间隙，对滚动轴承施加一定的预紧力，提高顶尖孔的研磨质量等。加工细长轴时，使用中心架或跟刀架，尽量缩短镗杆和刀具的悬伸量，用死顶尖代替活顶尖，采用弹性刀杆等都能收到较好的减振效果。

2．采用减振装置当采用上述措施仍然达不到消振的目的时，可考虑使用减振装置。减振装置通常都是附加在工艺系统中，用来吸收或消耗振动时的能量，达到减振的目的。它对抑制强迫振动和颤振同样有效，是提高工艺系统抗振性的一个重要途径，但它并不能提高工艺系统的刚度。减振装置主要有阻尼器和吸振器两种类型。

（ 1）阻尼器的原理及应用 阻尼器是利用固体或液体的阻尼来消耗振动的能量，实现减振。图 5— 9所示为利用多层弹簧片相互摩擦，消除振动能量的干摩擦阻尼器。阻尼器的减振效果与其运动速度的快慢、行程的大小有关。运动越快、行程越长，则减振效果越好。故阻尼器应装在振动体相对运动最大的地方。

（ 2）吸振器的原理及应用 吸振器又分为动力式吸振器和冲击式吸振器两种。

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①动力式吸振器 它是利用弹性元件把一个附加质量块连接到系统上，利用附加质量的动力作用，是弹性元件加在系统的力与系统的激振力相互抵消，以此来减弱振动。

图 5— 10所示为用于镗刀杆的动力吸振器。这种吸振器用微孔橡皮衬垫做弹性元件，并有附加阻尼作用，因而能得到较好的消振作用。 ②冲击式吸振器 它是由一个与振动系统刚性连接的壳体和一个在壳体内自由冲击的质量块组成。当系统振动时，由于自由质量的往复运动而冲击壳体，消耗了振动的能量，故可减小振动。

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图 5— 11所示为螺栓式冲击吸振器。 当刀具振动时自由质量 1也振动，但由于自由质量与刀具是弹性连接，振动相位相差 180 0 。当刀具向下挠曲时，自由质量却克服弹簧 2的弹力向上移动。这时自由质量与刀杆之间形成间隙。当刀具向上运动时，自由质量以一定速度向下运动，产生冲击而消耗能量。

3．合理调整振型的刚度比 根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比以及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激振动。

图 5— 12a所示为削扁镗杆，刀头 2用螺钉 3固定在镗杆的任意角度位置上。镗杆 1削扁部分的厚度 a=（ 0.6～ 0.8） d,其中 d为镗杆直径。镗杆削扁后，两个互相垂直的主振型模态具有不同的刚度 k 1、 k 2,再通过刀头 2在镗杆上的转位调整，即可找到稳定性较高的方位角α（α为加工表面法向与镗杆削边垂线的夹角）。

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取镗杆 a =0.8d，550mm。由图 5— 12b可知，当

，镗杆悬伸长度为

时，不产生自激振动。图 5— 12c

所示的“ 8”字形区域可知，最适宜的方位角在

之间。

4.3、机械加工中的受迫振动 4.3.1受迫振动产生的原因

机械加工中的受迫振功，是一种由工艺系统内部或外部周期交变的激振力 （即振源 ）作用下引起的振动。机械加工中引起工艺系统受迫振动的激振力，主要来自以下几方面

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1 ．机床上高速回转零件的不平衡 机床上高速回转的零件较多，如电动机转子、带轮、主轴、卡盘和工件、磨床的砂轮等，由于不平衡而产生激振力 F（即离心惯性力 ）。

2 ．机床传动系统中的误差 机床传动系统中的齿轮，由于制造和装配误差而产生周期性的激振力。此外，皮带接缝、轴承滚动体尺寸差和液压传动中油液脉动等各种因素均可能引起工艺系统 受 迫振动。

3 ．切削过程本身的不均匀性 切削过程的间歇特性，如铣削、拉削及车削带有键槽的断续表面等，由于间歇切削而引起切削力的周期性变化，从而激起振动。

4 ．外部振源 由邻近设备 （如冲压设备、龙门刨等 ）工作时的强烈振动通过地基传来，使工艺系统产生相同 （或整倍数 ）频率的受迫振动。 4.3.2减少受迫振动的途径

受迫振动是由于外界周期性干扰力引起的，因此为了消除受迫振动，应先找出振源，然后采取适应的措施加以控制。 1 ．减小或消除振源的激振力

对转速在 600r/min以上的零件必须经过平衡 ,非凡是高速旋转的零件 ,如砂轮 ,因其本身砂粒的分布不均匀和工作时表面磨损不均匀等原因 ,轻易造成主轴的振动 ,因此对于新换的砂轮必须进行修整前和修整后的两次平衡。

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提高齿轮的制造精度和装配精度，非凡是提高齿轮的工作平稳性精度，从而减少因周期性的冲击而引起的振动，并可减少噪声；提高滚动轴承的制造和装配精度，以减少因滚动轴承的缺陷而引起的振动；选用长短一致、厚薄均匀的传动带等。

2 ．避免激振力的频率与系统的固有频率接近，以防止共振。 如采取更换电动机的转速或改变主轴的转速来避开共振区；用提高接触面精度、降低结合面的粗糙度；消除间隙、提高接触刚度等方法，来提高系统的刚度和固有频率。 3 ．采用隔振措施

如使机床的电机与床身采用柔性联接以隔离电机本身的振动；把液压部分与机床分开；采用液压缓冲装置以减少部件换向时的冲击；采用厚橡皮、木材将机床与地基隔离，用防振沟隔开设备的基础和地面的联系，以防止四周的振源通过地面和基础传给机床等。

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第五章．小结

通过这次课程设计，我进一步理解了所学过的理论知识及具体运用了这些知识。通过这次课程设计，自己对于设计人员所从事的工作有了亲身的体验 ， 学会了查表资料 手册等工具书。

总之，通过这次课程设计使我受益匪浅，为我今后的学习和工作打下了一个坚实而良好的基础，本研究论文在邱海飞导师的亲切关怀感和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深的感染了激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，邱海飞老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想 生活上给我以无微不至的关怀，在此向邱海飞老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意.

在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文完成。

感谢审阅过我毕业设计的老师们，没有你们的指正与修改，我的题目不会完成的如此顺利。他们分别是蔡红砖老师，赵虎成老师和吴松林老师。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始如题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长 同学 朋友给我了无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！

最后还要感谢机电工程系和我的母校西京学院三年来对我的栽培！

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参考文献

[1] 杨可帧.陈光蕴.机械设计基础.北京：高等教育出版社，2006. [2] 郑文伟.吴克坚.机械原理.北京： 高等教育出版社，2006. [3] 西北工业大学机械原理及机械零件教研室编，濮良贵，纪名刚主编.机械设计.第8版.北京：高等教育出版社，2006

[4] 吴宗泽，罗圣国主编.机械设计课程设计手册. 第2版.北京：高等教育出版社，2004

[5] 周元康，林昌华，张海兵主编.机械设计课程设计.重庆：重庆大学出版社，2001

[6] 王宁侠，魏引焕主编.机械设计基础. 北京：机械工业出版社 [7] 陆天炜，吴鹿鸣主编.机械设计实验教程. 西安：西南交大出版社，2007

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