專利名稱：一種高速?zèng)_床曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力平衡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種鍛壓設(shè)備慣性力平衡方法，特別涉及一種高速?zèng)_床曲柄連桿 滑塊機(jī)構(gòu)慣性力的平衡方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，電子、通訊、計(jì)算機(jī)、家電及汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)尺寸與 形狀均趨于標(biāo)準(zhǔn)化和系列化的功能性沖壓零件的需求量迅猛增長(zhǎng)。這類零件 很適合在高速?zèng)_床上進(jìn)行大批量生產(chǎn)，所以為降低成本和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率， 高速?zèng)_床在工業(yè)實(shí)際中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但由于我國(guó)從事高速?zèng)_床理論研 究水平和制造水平上與國(guó)外還存在較大差距，造成國(guó)產(chǎn)高速?zèng)_床在工業(yè)實(shí)際 中使用的滑塊每分鐘的行程次數(shù)不高，且工作極不穩(wěn)定，沖擊振動(dòng)和噪聲大， 幾乎無(wú)法用于生產(chǎn)實(shí)踐中，所以工業(yè)中主要靠大量進(jìn)口國(guó)外高速?zèng)_床。由于 技術(shù)保密，國(guó)外對(duì)高速?zèng)_床的設(shè)計(jì)理論及方法幾乎沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)高 精尖的一流高速?zèng)_床也限制向中國(guó)出口 。國(guó)內(nèi)開(kāi)展這方面理論研究的人很少， 尚未建立高速?zèng)_床合理傳動(dòng)方式、電動(dòng)機(jī)及飛輪設(shè)計(jì)理論，慣性力平衡方法， 也沒(méi)解決合理隔振方式及裝模高度調(diào)節(jié)方式等問(wèn)題，從而嚴(yán)重影響了我國(guó)高 速?zèng)_床工業(yè)的發(fā)展，阻礙了我國(guó)高速?zèng)_床趕超國(guó)外先進(jìn)水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種高速?zèng)_床曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力的平衡 方法，在分析高速?zèng)_床工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)其曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性 進(jìn)行分析，以獲得曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力的平衡機(jī)理，進(jìn)而建立曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力平衡所需的相關(guān)計(jì)算公式；根據(jù)這些公式來(lái)設(shè)計(jì)高速?zèng)_床曲 柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)的平衡裝置，以便實(shí)現(xiàn)高速?zèng)_床慣性力的平衡。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)解決方案予以實(shí)現(xiàn)的
一種高速?zèng)_床曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力平衡方法，其特征在于，包括下
述步驟
步驟1、在對(duì)曲柄旋轉(zhuǎn)角速度"為常量的對(duì)心正置曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)動(dòng) 力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，建立該機(jī)構(gòu)滑塊的位移S、速度7分別為
<formula>formula see original document page 7</formula>
然后根據(jù)式(1) (2)得到滑塊的加速度^、連桿的角速度"AB及其擺動(dòng) 角加速度f(wàn) AB的表達(dá)式分別為
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中入為連桿系數(shù)；i 為曲柄半徑；"為曲柄轉(zhuǎn)角；
通過(guò)曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和式(6)式(7)，從而可進(jìn)一步推導(dǎo)獲
得曲柄質(zhì)心D的向心加速度f(wàn)l"、連桿質(zhì)心C的平移、向心、切向三個(gè)加速
度"、*"、 a^的表達(dá)式
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中W為曲柄角速度；i^為曲柄質(zhì)心半徑；丄c為連桿質(zhì)心C到滑塊質(zhì)心
B的距離；其中連桿質(zhì)心C的平移加速度"3也即滑塊的加速度式(3);
步驟2、通過(guò)對(duì)曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)的受力分析，分別建立曲柄、連桿、
滑塊構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力表達(dá)式；
曲柄定軸等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，只存在沿徑向的向心慣性力Fm-m,^，而慣性力 矩等于0;滑塊因?yàn)樽髌絼?dòng)，故其慣性力F3大小為巧-^(g + ^);連桿平面 運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力可分解為三個(gè)分量F2g=m2(g + 3)、 F2 =m2"2 、 &=m2&，所產(chǎn)生的慣性力偶矩M^厶^， Mc的轉(zhuǎn)向與角加速度^的方向 相反；式中；mp m2、 m3、分別為曲軸、連桿、滑塊的質(zhì)量；g為重力加速
度；/2e為連桿相對(duì)于C點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
如果在忽略摩擦的情況下，曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)在空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)僅承受來(lái)自 于外界機(jī)身及轉(zhuǎn)軸四個(gè)力的作用即曲柄支承對(duì)曲軸所作用的水平和垂直方 向的力/^和F。2、曲柄上受到的外加轉(zhuǎn)矩Mo、導(dǎo)軌對(duì)滑塊的水平作用力g， 當(dāng)以上假設(shè)成立，則可得出這四個(gè)力對(duì)機(jī)身所產(chǎn)生的慣性作用力的計(jì)算表達(dá) 式
尸01 =巧 cosa +《+ F2g + F3 - F2T sin / - F2 cosy9
Mc + F3Zsin/ + F2g、 sin々-F2r、 + F2rZcos2 / - F2 Zsin/ cos/
&=Fi"sin"---
M。 =sin a + (F2g + F3 - F2r sin ^ - F2 cos y9)i sin a (16)
Zcos "
Mc + F3￡ sin - + F2gi^ sin - F2rZ^ g =-
丄cos 〃
然后分別將《=柳《、《"WV^、 F2g=W2(g + fl3)、尸2 =附2"2 、 F2r=m2fl2r、 尸3 =附3 (g + fl3 )、 ^c:^2cS^， "3 2 (COS" +義COS 2")、 S朋=—A"2 sill 、
a2 = =會(huì)Zc義2fiJ2(1+ cos2ar) 、 a2r =丄j朋=—A<y2ic sin" 、 fl^-i ,2 、
sin/ = ;isina、 cos/ = 1 —丄義2 sin2"代入式(16)可得<formula>formula see original document page 9</formula>式中Z為連桿長(zhǎng)度；^為連桿質(zhì)心C到連桿與曲柄鉸接點(diǎn)A的距離；^為 連桿與垂直方向的夾角。
步驟3、采用曲柄旋轉(zhuǎn)方向相反的兩套曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)，包括兩根曲 軸及等半徑的兩個(gè)曲柄、4根結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的連桿帶動(dòng)同一滑塊運(yùn)動(dòng)， 使兩套曲柄連桿水平慣性力F。2、 g及旋轉(zhuǎn)慣性力i^。均相互抵消為0，僅存 在垂直方向上的慣性力i^未被平衡，通過(guò)兩塊分別布置在主、從動(dòng)齒輪輪緣 上的扇形平衡塊，并通過(guò)平衡塊質(zhì)量的計(jì)算來(lái)平衡掉上述垂直方向的慣性力<formula>formula see original document page 10</formula>上述方案中，所述平衡塊質(zhì)量的計(jì)算包括以下步驟
(1) 由于4個(gè)曲柄連桿滑塊的垂直慣性力i^方向相同而迭加，總的垂
直方向的慣性力為&=4&，由式(17)式并忽略義4項(xiàng)可得
]、丄i 乂
(2) 將上式對(duì)ci求導(dǎo)，并令^5l-0，可以得到Fy的最大值/^^和最小
值Fyn^分別為
+ (m2十m3)及flj2/l-m2yl2(y2Lc] 從而可得Fy的均值為
_ 尸 + f
巧=少"^ 2 ymax = 4[(附! +附2+w3)g+(w2+w3)/ 2;i-m2;iVlc] (25 )
則垂直方向慣性力的振幅為
afv = = 4(wiad +附2及+附3及)"2 (26 )
(3) 設(shè)平衡塊的等效旋轉(zhuǎn)半徑為p，四個(gè)平衡塊的總質(zhì)量為4m，則平 衡塊所產(chǎn)生的離心力的振幅
(27)
當(dāng)^= 時(shí)，即可達(dá)到良好的平衡，由此可求得平衡塊的總質(zhì)量m為
5
附=■
，^2^^ (28)。
按照本發(fā)明的方法，高速?zèng)_床水平方向的慣性力得到完全平衡，而垂直
方向的慣性力可采用曲柄旋轉(zhuǎn)方向相反的兩套曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)加平衡塊的方法，分析建立平衡塊的質(zhì)量計(jì)算公式(28)即可解決。優(yōu)點(diǎn)是，本發(fā)明所 建立的慣性力平衡質(zhì)量?jī)H與曲軸、連桿、滑塊的質(zhì)量tm、 m2、 m3和曲柄尺 寸及d、 i 以及偏心塊等效旋轉(zhuǎn)半徑P有關(guān)，而與連桿長(zhǎng)度及曲軸轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)， 這在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中意義很大。因?yàn)楣I(yè)實(shí)際中的沖床常需要通過(guò)調(diào)整連桿 長(zhǎng)度來(lái)改變裝模高度，曲柄旋轉(zhuǎn)速度常設(shè)定為不同值，采用這種平衡方法時(shí)， 平衡效果不會(huì)隨連桿長(zhǎng)度L及曲柄角速度"變化而改變，即一旦設(shè)備制作好 后，只要按照式(28)進(jìn)行設(shè)計(jì)就能達(dá)到良好的平衡效果。


圖1為曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)分析圖解。 圖2為曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)的受力分析圖解。 圖3為曲柄、連桿、滑塊分拆受力圖解。
圖1至圖3中O為曲軸旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)；A為連桿與曲柄鉸接點(diǎn)；B為連 桿與滑塊鉸接點(diǎn)；C為連桿質(zhì)心；D為曲柄質(zhì)心；Bo為滑塊下死點(diǎn)；i =OA 為曲柄半徑；丄-AB為連桿長(zhǎng)度；i D=OD為曲柄質(zhì)心半徑；Zc-BC為連桿質(zhì) 心C到連桿與滑塊鉸接點(diǎn)B的距離;丄,AC為連桿質(zhì)心C到連桿與曲柄鉸接 點(diǎn)A的距離；"為曲柄轉(zhuǎn)角；"為連桿與垂直方向的夾角；S-BBo為滑塊位 移；F為滑塊速度；w為曲柄旋轉(zhuǎn)角速度；為連桿相對(duì)于B點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角速 度；"3為滑塊的加速度；fAB為連桿擺動(dòng)角加速度；fl"為曲柄質(zhì)心D的向心 加速度；A、 & 、 "^分別為連桿質(zhì)心C的平移、向心、切向三個(gè)加速度；M。 為曲柄受到的外加轉(zhuǎn)矩；《。尸。2分別為曲軸支承在O點(diǎn)對(duì)曲柄所作用的水 平和垂直方向的力；i^為曲柄沿徑向的向心慣性力；G,為曲柄重力；M。為連 桿平面運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力偶矩；巧 、 F2f、 F&分別為連桿平面運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生 的慣性力沿連桿方向、垂直連桿方向和垂直方向的分量巧為滑塊慣性力；。為導(dǎo)軌對(duì)滑塊的水平作用力；&=2、」 =尸3分別為3^桿和滑塊在8點(diǎn)的相 互作用力沿水平與垂直方向上的分量；i^和&y分別為曲柄和連桿在A點(diǎn)的
相互作用力沿水平與垂直方向上的分量。
圖4為本發(fā)明對(duì)稱布置偏心塊式高速?zèng)_床平衡結(jié)構(gòu)原理圖。圖中1.
主動(dòng)側(cè)平衡塊；2.主動(dòng)側(cè)曲軸；3.主動(dòng)齒輪；4.主動(dòng)側(cè)連桿；5.滑塊；6.從
動(dòng)側(cè)平衡塊；7.從動(dòng)側(cè)曲軸；8.從動(dòng)齒輪；9.從動(dòng)側(cè)連桿。 圖5為圖4中的偏心塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。
圖6為高速?zèng)_床在加平衡塊前后系統(tǒng)在豎直方向上慣性力曲線的對(duì)比。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
一、在對(duì)曲柄旋轉(zhuǎn)角速度為常量的對(duì)心正置曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 基礎(chǔ)上，建立了該機(jī)構(gòu)滑塊的位移、速度及加速度和連桿擺動(dòng)角速度準(zhǔn)確的 以及簡(jiǎn)化后的表達(dá)式；進(jìn)一步獲得了曲柄質(zhì)心向心加速度、連桿質(zhì)心平移、 向心與切向3個(gè)加速度和連桿擺動(dòng)的角加速度的表達(dá)式。如圖1所示，圖中 的C和D點(diǎn)分別是連桿AB和曲柄OA的質(zhì)心；且有OA=A、 OD=i D、 AB=1、 AO^、BC=Zc，曲柄質(zhì)量m"滑塊質(zhì)量m2，連桿質(zhì)量m3。連桿系數(shù);i = i /丄， 曲柄旋轉(zhuǎn)角速度w，曲柄轉(zhuǎn)角為"?？紤]到將曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)作為工作機(jī) 構(gòu)的沖床等設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)中往往帶有飛輪，由于作為主動(dòng)部分的飛輪的轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量比從動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大得多，故可近似認(rèn)為處于從動(dòng)系統(tǒng)中的曲柄 角速度近似為常數(shù)，即"sC，這樣可知"=^，而^ ="。下面的分析均是
在此近似條件WEC下進(jìn)行。
結(jié)合工業(yè)實(shí)際，由圖1中幾何關(guān)系和麥克勞林(Maclaurin)展開(kāi)式可求 得滑塊位移、速度及加速度(正方向如圖l所示朝上)的簡(jiǎn)化公式分別為-<formula>formula see original document page 13</formula>( 2 )
a3 =i 6>2(cos" + Acos2cir) (3) 由于連桿AB為平面運(yùn)動(dòng)，故連桿AB繞絞鏈B旋轉(zhuǎn)的角速度(正方向 如圖1所示為順時(shí)針?lè)较?^B = "，而 為連桿B點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)的速度， 而由平面運(yùn)動(dòng)的合成原理可知圖1中B點(diǎn)的該絕對(duì)速度7應(yīng)該是A點(diǎn)的牽連 速度^與B點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)的相對(duì)速度i^的矢量和，這樣經(jīng)推導(dǎo)可得連桿AB 的角速度為
<formula>formula see original document page 13</formula>
連桿擺動(dòng)的角加速度s^ (正方向如圖l所示為順時(shí)針?lè)较?為<formula>formula see original document page 13</formula>
式中的負(fù)號(hào)表明，^和圖1所示的順時(shí)針?lè)较蛳喾?即為逆時(shí)針?lè)较?，這 就意味著當(dāng)0。S"S90。范圍內(nèi)時(shí)，隨著《角的增大，連桿繞著滑塊上的絞鏈B 點(diǎn)逆時(shí)針擺動(dòng)的角加速度越來(lái)越大，這樣就使得連桿會(huì)從"=0° 90°范圍內(nèi)的 順時(shí)針擺動(dòng)逐漸地轉(zhuǎn)變?yōu)樵?=90° 180。范圍內(nèi)繞絞鏈B點(diǎn)的逆時(shí)針擺動(dòng)。 因?yàn)楣I(yè)實(shí)際中^很小，故可以認(rèn)為siny9s/ ， C0S^ = 1。這樣式(4)和 (5)可近似地簡(jiǎn)化為
<formula>formula see original document page 13</formula>(7) 由于連桿既隨著滑塊作平動(dòng)，又繞滑塊上的鉸鏈B點(diǎn)作擺動(dòng)，所以，連 桿質(zhì)心C的加速度分量有三如下項(xiàng)質(zhì)心C平移加速度即等于滑塊的加速度 3、質(zhì)心C相對(duì)于B點(diǎn)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的向心加速度^和切向加速度^，這樣由圖l和式(6)和(7)可得"2 和"27的大小分別為
fl2 =Z^fi 〗s =|icA2<y2(l + cos2") (8) <32r =丄c^朋=—A^2Z/C sin" (9) 曲柄以等角速度"旋轉(zhuǎn)，故曲柄質(zhì)心D僅存在向心加速度，其大小為
a!"-i^ey2 (10)
二、通過(guò)對(duì)曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析，分別建立了曲柄、連桿、 滑塊等構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力的計(jì)算公式；明確指出在忽略摩擦的情況下，曲柄 連桿滑塊機(jī)構(gòu)在空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)僅承受來(lái)自于外界(機(jī)身及轉(zhuǎn)軸)下列四個(gè)力的 作用曲柄支承對(duì)曲軸所作用的水平及垂直方向的力i^和F。2、曲柄上受到 的外加轉(zhuǎn)矩M。、導(dǎo)軌對(duì)滑塊的水平作用力g。并進(jìn)一步建立了這4個(gè)力對(duì)機(jī) 身所產(chǎn)生的慣性作用力的準(zhǔn)確計(jì)算公式。
1、曲柄、連桿、滑塊三構(gòu)件所產(chǎn)生的慣性力計(jì)算
如圖2所示，下面來(lái)分別分析曲柄、連桿、滑塊三個(gè)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)過(guò)程所產(chǎn) 生的慣性力。
由于曲柄作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)"定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體慣性力系的簡(jiǎn)化"的法則， 對(duì)于本發(fā)明所述的曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)而言，由于曲柄轉(zhuǎn)速是一恒定不變的值， 所以曲柄定軸等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，只存在沿徑向的向心慣性力^-m, ，而慣性力 矩等于0，方向如圖2所示。
因?yàn)榛瑝K作平動(dòng)，故其慣性力F3大小為《二^(g + ^)，方向與圖1中的 加速度A相反。
因連桿作平面運(yùn)動(dòng)，由平面運(yùn)動(dòng)剛體慣性力系的簡(jiǎn)化法則可知，其運(yùn)動(dòng) 時(shí)所產(chǎn)生的慣性力系可簡(jiǎn)化為對(duì)稱平面內(nèi)的一個(gè)力巧6和一個(gè)力偶矩Mc。由 前面的分析中可知，連桿質(zhì)心的加速度可以分解為33、 52 、 527三個(gè)分量，所以連桿平面運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力也可以分解為圖2示的三個(gè)分量 ^2g=^2(g + "3)、 F2 =m2a2 、 F27=w2 ，方向如圖2所示；而連桿平面運(yùn)動(dòng) 所產(chǎn)生的慣性力偶矩Mj;^，方向如圖2所示，Me的轉(zhuǎn)向與角加速度^ 的方向相反，為逆時(shí)針?lè)较颉?br> 2、曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)的慣性運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)身的作用力計(jì)算
由于曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生慣性力一方面為維持其正常 運(yùn)動(dòng)，外界必須給曲柄輸入一個(gè)驅(qū)動(dòng)力矩Mg-M。，另一方面，這三個(gè)構(gòu)件作
用于支撐著它本身的機(jī)身之上，會(huì)使機(jī)身產(chǎn)生振動(dòng)，特別在曲柄轉(zhuǎn)速較高時(shí) 該慣性力會(huì)使機(jī)身產(chǎn)生劇烈的沖擊振動(dòng)，噪聲嚴(yán)重，妨礙設(shè)備正常工作，為 了采取措施平衡掉這些慣性力，就應(yīng)正確計(jì)算曲柄連桿滑塊的運(yùn)動(dòng)慣性作用 于機(jī)身上的力的大小。圖2中曲柄上所受到的外力矩為M。。鑒于實(shí)際中的曲 柄連桿機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)部分的潤(rùn)滑很好，摩擦系數(shù)很低，如高速?zèng)_床常采用滾動(dòng) 軸承方式，其摩擦系數(shù)僅為0.0015 0.0025。因此可不考慮曲柄連桿滑塊機(jī) 構(gòu)中各處摩擦力對(duì)動(dòng)力學(xué)結(jié)果的影響。對(duì)圖1所示的曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)中的 三個(gè)構(gòu)件而言，其受到的來(lái)自于機(jī)身等外部的力及力矩僅在曲軸與其機(jī)身上 的支承和滑塊與導(dǎo)軌兩處，即僅受到圖2中的&，i^，M。和Q四個(gè)力的作用。 為便于分析計(jì)算，對(duì)圖2中的曲柄、連桿和滑塊每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行受力分析 可得到圖3所示的結(jié)果。其中圖3 (b)中的曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心O處，有垂直及水 平支撐力^，F(xiàn)。2和力矩M。，在3 (a)中有導(dǎo)軌對(duì)滑塊的約束力Q，這4個(gè)力
反作用于機(jī)身之上，會(huì)使機(jī)身產(chǎn)生有害的沖擊、振動(dòng)和噪聲。下面就這4個(gè) 來(lái)自外部的由曲柄連桿滑塊運(yùn)動(dòng)的慣性所產(chǎn)生需外界施加的力&、尸。2、 M。和
Q進(jìn)行分析計(jì)算。
2.1導(dǎo)軌處所受的力Q由圖3 (a)可以得到滑塊的力平衡方程組:
<formula>formula see original document page 16</formula>
(11)
式中^"」 分別為連桿對(duì)滑塊上的B點(diǎn)所作用的沿水平與垂直方向上的力。 2.2連桿兩端鉸鏈處的受力情況
由圖3 (c)中的連桿受力圖可獲得分別沿著x、 y及旋轉(zhuǎn)方向的力及力矩 平衡方程如下
<formula>formula see original document page 16</formula><formula>formula see original document page 16</formula>
2.3曲柄支撐處受力F。2，F(xiàn)。，M。
由圖3 (b)可得曲柄的力及力矩平衡方程為
<formula>formula see original document page 16</formula>
(14)
將式(14)整理之可得:
<formula>formula see original document page 16</formula>(15)
整理式(13)和(15)可得機(jī)身上所承受的外力分別為:'F0l = Fln cosa +《+ F2g +尸3 -F2r sin〃-F2 cos/
Mc + F3Z sin / + F2gi^ sin 〃 — F2t、 + F2rZ cos2 / — F2 Z sin / cos /
尸。2《sina-
￡cos々
M。 = sin a + (F2g + F3 - F2r sin / -尸2 cos sin a (16)
2 =
Mc +F3Zsin〃 + F2gi^ sin/9 —F2r、
Zcos/
然后分另U將G！ = 、 ^ = 、 F2g= m2(g + fl3) 、 F2 = w2a2 、 F2r = w2a2r 、 F3=m3(g + a3) 、^c-^^cS^fl ，fl3 i 2(cosa + /^cos2cir) 、 =—義o2 sina 、
a2" = ^c as =會(huì)丄c義2(y2(l + cos2a) 、"2r = Z<C￡^B = —/l< 2i<c sina 、fllM = i Dw2 ，
sin/ = ;isiim、 cos" = l —丄義2sin2ar等代入式(16)可得
2
Fol = mtRDC^cosQr+n^g+mjg+n^Rfi^cosQr+msRfi^cosZa+msg+msRa^cosor
+m3R 2/lcos2a+m2A2<y2Lcsin2 -^m2Lc^2(y2+|m2Lc^4(y2sin2Qf (17)
-im7LrA2CJ2cos2a+im7LrA4 2cos2cirsin2ar 2 2 e 4 2 e
Fo2 =會(huì)sina(-4m!RD(y2L+2m!RD(y2L義2sin2Q:-4/lJ2cfij2+4義m3gL+4/lm3LRw2cos"
+4m3LRw2/l2cos2 +4^LAm2g+4/lRcosaLAm2 2+4LAm2Rw2/l2cos2a (18)
+4/lLAm2<a2Lc-4m2A( 2LcL+4m2^3<y2LcLsin2a-m2/;l5 2LcLsin4a-2m2Lc^3(a2L
+m2Lc^5<y2Lsin2a-2m2Lc^3o2Lcos2Qr+m2Lc^56>2Lcos2"sin2")/(-2+^2sin2")/L
Q = -2Asina(-J2C 2+m3gL+m3LRc;2cosQr+m3LR(y2^cos2a+LAm2g+LAm2R(y2cosa (19) +LAm2R6)2Acos2a+LAm2<y2Lc)/(-2+^2sin2Q0/LM。 =-■^sino^SARcosan^gL-ARLn^gA sin "+8R Lm2cy /lcos2"-8>lReos"J2C(S
+8R2Lm2(y2cos"+8RLm2g+8RLm3g+8m1gRDL-4m1gRDLA2sin2cr -4R2Lm26 2cosor/l2sin2"-4R2Lm2^2>l3cos2cirsin2a>4RLm3g^2sin2a +8R2Lm3ty2cosa-4R2Lm36>2cos">l2sin2"+8R2Lm3fi)2^cos2Gr 4R2Lm36 2A3cos2asin2a+8RLm2A2^2LcSin2"-4RLm2義4必2LcSin4" ■4RLm2LcA2<y2 +4RLm2LcA46 2sin2"-RLtn2Lc>i66)2sin4"-4RLm2LcA26;2cos2" ( 20 ) +4RLm2LcJl4￡y2cos2c^sin2a-RLm2Lc^6ft)2cos2cirsin4"+8AR2 cos2 "m3L6>2 +8^2R2cos"m3L6y2cos2"+8ARcosc rLAm2g+8^R2 cos2 aLAm26>2 +8A2R2cos"LAm2ft)2cos2"+8>lRcosQrLAm2a;2Lc:-8>lRcos"m2i5;2LeL +8義3&0)3"012必21^1^1112<^-2義5&(:05"1112021^1^^4""4義3尺0)30:11121^021^ 十2/l5RcosQrm2Le必2Lsin2Qr-4義3Rcos"m2Le02Lcos2Qr +2A5Rcos"m2Lc<y2Ixos2flrsin2")/(-2+A2sin2")/L
三、為獲得良好的慣性力平衡效果，采用曲柄旋轉(zhuǎn)方向相反的兩套曲柄 連桿滑塊機(jī)構(gòu)，這樣連桿僅有垂直方向的慣性力未被平衡。并進(jìn)一步分析獲 得了曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)垂直慣性力的平衡機(jī)理，分析建立了垂直慣性力平衡
時(shí)平衡塊的質(zhì)量及其質(zhì)心處半徑的計(jì)算公式，并將其成功應(yīng)用于1000kN 1250s.p.m的高速?zèng)_床的慣性力平衡之中，經(jīng)在該高速?zèng)_床在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中取得 了良好的動(dòng)平衡效果，論證了采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的的傳動(dòng)系統(tǒng)的可行性。 1、曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力平衡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖4所示為本發(fā)明設(shè)計(jì)的雙曲柄反向旋轉(zhuǎn)的并帶有平衡塊的結(jié)構(gòu)，包 括兩根旋轉(zhuǎn)方向相反但旋轉(zhuǎn)角速度完全一致的主動(dòng)側(cè)曲軸2、從動(dòng)側(cè)曲軸7， 每根曲軸上設(shè)有兩個(gè)曲柄半徑均為2.5咖的曲柄，由其驅(qū)動(dòng)4個(gè)連桿帶動(dòng)同 一滑塊5進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。由于兩根曲軸等速度旋轉(zhuǎn)方向相反，加之4根連桿結(jié)構(gòu) 尺寸完全相同，所以兩副曲柄連桿水平慣性力F。2、 Q及旋轉(zhuǎn)慣性力M。均相 互抵消為O,但4個(gè)曲柄連桿滑塊的垂直慣性力F。i方向相同而迭加，總的垂 直方向的慣性力為每個(gè)曲柄連桿滑塊所產(chǎn)生的慣性力的4倍，即垂直方向上 的總體慣性力^ "《1 。由于安裝于主動(dòng)曲軸2上的齒輪3與從動(dòng)曲軸7上的齒輪8結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致，因此在這兩個(gè)主、從動(dòng)齒輪輪緣上與曲柄反方向 上安裝了扇形平衡塊1、 6，用來(lái)平衡曲柄連桿滑塊部件所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力， 很顯然平衡塊配重偏心方向和曲柄方向相反，處于反對(duì)稱位置。通過(guò)這兩塊 分別布置在主、從動(dòng)齒輪輪緣上的偏心平衡塊，來(lái)達(dá)到完全平衡掉上述垂直
方向的慣性力& = 4&的目的。因此在工業(yè)實(shí)際中建議盡可能采用圖4所示的 旋轉(zhuǎn)方向相反的等速兩套或4套相同的曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)。
圖4所示的高速?zèng)_床曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)的平衡裝置是一種最簡(jiǎn)單的不完 全動(dòng)平衡裝置。采用雙曲軸四點(diǎn)傳動(dòng)方式，因此，水平慣性力已被很好的平 衡，所施加的平衡塊主要是用來(lái)進(jìn)行垂直慣性力的平衡。由于曲柄轉(zhuǎn)速不同， 需要圖4中的偏心塊1、 6所能提供的離心力是不同的，因此采用這種動(dòng)平衡 裝置的高速?zèng)_床在上模重量發(fā)生變化或者滑塊行程發(fā)生改變的時(shí)候，平衡效 果會(huì)變差。為此，可將圖4中安裝于兩齒輪上的扇環(huán)形平衡塊設(shè)計(jì)成多片組 裝式，不同轉(zhuǎn)速使用不同數(shù)量的扇環(huán)形平衡塊片。
對(duì)公稱壓力為1000kN滑塊行程次數(shù)為1250s.p.m的高速?zèng)_床進(jìn)行實(shí)際計(jì) 算所采用的齒輪偏心塊如圖5所示，偏心塊的材料為銅(密度8.9g/mm3)和 鉛(11.37)，其中鉛片厚度為21mm，共4片；銅片厚度為10.5mm，共4片。
2、平衡塊質(zhì)量的計(jì)算
由于本發(fā)明高速?zèng)_床采用了圖4結(jié)構(gòu)的平衡裝置，所以水平方向的慣性
力F。2、 Q在系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)平衡了，僅需要對(duì)垂直方向的慣性力F。!進(jìn)行平衡。
由于它是四點(diǎn)壓力機(jī)，由式(17)式并忽略A4項(xiàng)可得
<formula>formula see original document page 19</formula>令！ = 0，分析可得工業(yè)實(shí)際中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的Fy極值點(diǎn)出現(xiàn)在
dor
(23)
(24)
(25)
(26)
"=1^(*=1,2，...)處，由此可以得到Fy的最大值Fy鵬和最小值Fymin，艮P
&隨=^ L=0= 4[(w + w2 + w3)g ++附2及+加3i )o;2 + (w2+w3)i fi)2^-m2^2 2Lc]
尸戸in = g Lt = 4 +附2 +附》g - (W^d +附2及+ W3i ) 2
而Fy的均值巧為
_ , +尸
^ =ymin^少max = 4 +附2 + ^)g + (附2 +附3 ^wU-mJ ]
垂直方向慣性力A^的振幅
=戶狀;，in = 4("4 +化i +附3/ ) 2 平衡時(shí)，采用在兩根曲軸上的傳動(dòng)用的每個(gè)齒輪上加兩個(gè)偏心塊的方式，
當(dāng)設(shè)平衡塊的等效旋轉(zhuǎn)半徑為P，四個(gè)平衡塊的總質(zhì)量為4m，這樣平衡塊所
產(chǎn)生的離心力的振幅
AF=4w/9(W2 (27) 當(dāng)Af =AF即可達(dá)到良好的平衡，由此可求得平衡塊的總質(zhì)量m為
m = _^±M±M (28)
從式(28)可看出，本發(fā)明所建立的慣性力平衡質(zhì)量?jī)H與曲軸、連桿、 滑塊的質(zhì)量ml 、 m2、 m3和曲柄尺寸RD、 R以及偏心塊等效旋轉(zhuǎn)半徑P有關(guān)， 而與連桿長(zhǎng)度及曲軸轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，這在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中意義很大。因?yàn)楣I(yè)實(shí) 際中的沖床常需要通過(guò)調(diào)整連桿長(zhǎng)度來(lái)改變裝模高度，曲柄旋轉(zhuǎn)速度常設(shè)定 為不同值，采用這種平衡方法時(shí)，平衡效果不會(huì)隨連桿長(zhǎng)度L及曲柄角速度 "變化而改變，即一旦設(shè)備制作好后，平衡效果只要按照式(28)進(jìn)行設(shè)計(jì)就一定好。從而實(shí)現(xiàn)了依據(jù)模具不同質(zhì)量來(lái)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)偏心塊質(zhì)量使慣性力達(dá)
到完全平衡的目的，將其應(yīng)用于1000kN 1250s.p.m的高速?zèng)_床的慣性力平衡 之中，經(jīng)在該高速?zèng)_床在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中取得了良好的動(dòng)平衡效果。 3、慣性力的平衡要點(diǎn)
根據(jù)前述慣性力平衡計(jì)算過(guò)程，慣性力的平衡要點(diǎn)為
3.1彈簧鋼板的彈力相對(duì)很小，忽略不計(jì)，考慮的是兩方面的力①曲 柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)在曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心的等效慣性力；②齒輪偏心塊的離心力。
3.2由于高速?zèng)_床采用了四連桿機(jī)構(gòu)，所以水平方向上的等效慣性力 Fx相互抵消，不會(huì)引起機(jī)器水平方向的搖擺。
3.3相嚙合的兩個(gè)帶偏心平衡塊的齒輪分別安裝在高速?zèng)_床的兩個(gè)曲軸 上，它們偏心塊的離心力的水平方向(即X方向)分力在系統(tǒng)內(nèi)部相互平衡， 不需要考慮。
3.4能引起機(jī)身震動(dòng)的力就是曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心的等 效慣性力的垂直分量Fy，齒輪偏心塊離心力的垂直分量。他們二者的綜合效 果得好壞，就是高速?zèng)_床系統(tǒng)震動(dòng)平衡效果的好壞的直接反映。
高速?zèng)_床工作時(shí)，由于機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性，在水平方向上的各種力在系統(tǒng)內(nèi) 部相互抵消，不會(huì)引起機(jī)器水平方向的搖擺。經(jīng)過(guò)計(jì)算，系統(tǒng)在垂直方向上 平衡前后的慣性力曲線如圖6所示，平衡后系統(tǒng)的慣性力的振蕩范圍由未平 衡前接近54. 2kN振幅減小到不到0. 45kN，因此，垂直方向的慣性力得到了 很好的平衡。平衡后平均向上方向的垂直力6.3185kN，可被機(jī)器總重40kN 向下力抵消而得到平衡。而變化的力幅0. 45kN則經(jīng)過(guò)減震基座的阻尼作用下 使其振動(dòng)極小?？梢?jiàn)，對(duì)于雙曲軸雙點(diǎn)或四點(diǎn)傳動(dòng)方式，在傳動(dòng)齒輪上設(shè)置 反對(duì)稱平衡塊的方式可使水平及垂直方向的慣性力均得到很好的平衡。本發(fā)明方法在lOOOkN的高速?zèng)_床實(shí)際進(jìn)行滑塊行程次數(shù)為1250s.p,m的 定轉(zhuǎn)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果表明動(dòng)平衡效果相當(dāng)好，完全滿足了實(shí)際要求。從而 驗(yàn)證了本發(fā)明所設(shè)計(jì)的慣性力平衡方法及公式的創(chuàng)新性，該方法很值得在高 速?zèng)_床的設(shè)計(jì)中大量推廣應(yīng)用。
權(quán)利要求
1. 一種高速?zèng)_床曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力平衡方法，其特征在于，包括下述步驟步驟1、在對(duì)曲柄旋轉(zhuǎn)角速度ω為常量的對(duì)心正置曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，建立該機(jī)構(gòu)滑塊的位移S、速度V分別為
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速?zèng)_床曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力平衡方法， 其特征在于，所述平衡塊質(zhì)量的計(jì)算包括以下步驟(1) 由于4個(gè)曲柄連桿滑塊的垂直慣性力F。t方向相同而迭加，總的垂直方向的慣性力為& = 4&,由式(17)式并忽略;14項(xiàng)可得]、丄1 乂(2) 將上式對(duì)CI求導(dǎo)，并令^ = 0，可以得到Fy的最大值Fymax和最小 值Fymin分別為尸少min =尸> Lw = 4 +附2 +附3)g — 0^i^ +加2^ +附3^ >+ (附2 +w3)i <y2^l-m2^2<y2Lc]從而可得Fy的均值為(23)(24)_ +尸^ = — ^『=4[(w! + m2 + w3)g + (附2 + m3)i w2;i-m2;iVLC] 則垂直方向慣性力的振幅為(25)(26)(3)設(shè)平衡塊的等效旋轉(zhuǎn)半徑為p，四個(gè)平衡塊的總質(zhì)量為4m，則平 衡塊所產(chǎn)生的離心力的振幅(27)當(dāng)A^A,時(shí)，即可達(dá)到良好的平衡，由此可求得平衡塊的總質(zhì)量m為附=
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高速?zèng)_床曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力平衡方法，其特征在于，揭示了曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生慣性力的機(jī)理，以慣性力全平衡為設(shè)計(jì)思想，以雙點(diǎn)或四點(diǎn)雙曲柄的完全對(duì)稱曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了慣性力全平衡時(shí)曲軸上大齒輪偏心塊平衡質(zhì)量準(zhǔn)確的計(jì)算公式，從而實(shí)現(xiàn)了依據(jù)模具不同質(zhì)量來(lái)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)偏心塊質(zhì)量使垂直方向慣性力達(dá)到平衡的目的，在1000kN的高速?zèng)_床工業(yè)實(shí)際應(yīng)用，獲得了良好動(dòng)平衡效果。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101303061SQ200810018388
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日
發(fā)明者軍 王, 趙升噸, 郝永江 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)