Методика кинематического расчета кривошипно-ползунного механизма при заданном графике скорости ползуна

N V Zakharenkov; I N Drozdov; A Yu Popov

doi:10.22213/2413-1172-2025-3-28-41

Authors

N. V. Zakharenkov Omsk State Technical University
I. N. Drozdov LLC “Omskelektrotech”
A. Y. Popov Omsk State Technical University

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2025-3-28-41

Keywords:

kinematic analysis, graphical differentiation method, Notch method, law of motion, slider-crank mechanism

Abstract

Known methods of analysis and design of slider-crank mechanisms allow solving the problem of their kinematic analysis in different statements, but almost always with a uniformly moving crank. With the advent of stepper motors, linear movements are most often implemented by ball screw transmissions. The use of a slider-crank mechanism allows for high linear movement speeds. In this regard, solving the problem of kinematic analysis of a slider-crank mechanism for a given slider speed graph is relevant. The developed technique for determining the kinematic characteristics of the crank is presented. An example is used to consider the procedure for calculating a slider-crank mechanism for a given slider speed graph operating according to the non-uniform law of crank motion. This law is implemented by means of a stepper motor. The proposed method for determining the kinematic characteristics of a slider-crank mechanism is carried out in several stages in the following order. 1. The positions of the links are found using the notch method and the required law of crank motion is determined, taking the slider as the input link with a given law of motion for the speed of movement. 2. The speeds are determined using the plan method for all positions of the mechanism. 3. The angular acceleration of the crank is calculated using the graphical differentiation method. 4. The accelerations of all characteristic points of the mechanism are determined using the plan method. A study of the kinematic characteristics of the slider-crank mechanism for a given slider’sgraph of the speed is carried out using an example. The specified method allows determining the kinematic characteristics of the mechanism for a given graph of the speed of the slider and uniformly motion of the crank, the law of motion of which will be provided by the motor control system. Based on the obtained dependence, it is possible to design an motor control system to provide a given law of motion of the output link.

Author Biographies

N. V. Zakharenkov, Omsk State Technical University

PhD in Engineering

I. N. Drozdov, LLC “Omskelektrotech”

chief technologist

A. Y. Popov, Omsk State Technical University

DSc in Engineering, Professor

References

Devyaterikov S., Krylov E., Gubert A., Nazarov A. (2023) Kinematical Analysis and Dimensional Synthesis of RRPR-Type Four-Bar Mechanism in MMS Study Course. Trends in Educational Activity in the Field of Mechanism and Machine Theory (2018-2022). ISEMMS 2022. Mechanisms and Machine Science, vol. 128, pp. 35-43. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-25730-8_4

Мухтаров А. Т., Мурзагалиев А. Ж., Нуралин Б. Н. Исследование кривошипно-кулисного механизма оппозитного типа // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 3 (71). С. 131-134. EDN XRTRMD

Дроздов И. Н., Попов А. Ю. Эффективность применения кривошипно-ползунного привода для фрезерования вафельного фона // Архитектура, строительство, транспорт. 2024. № 2 (108). С. 96-104. DOI: 10.31660/2782-232X-2024-2-96-104

Попов А. Ю., Дроздов И. Н., Попова Е. Е. Повышение точности микрофрезерования на станках с ЧПУ на основе разработки устройства с применением кривошипно-шатунного механизма // Вестник МГТУ «Станкин». 2024. № 3 (70). С. 31-37.

Девятов Д. А., Чернова А. А. Оценка возможности автоматизации формирования технологических процессов в мелкосерийном производстве // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2023. Т. 26, № 3. С. 67-74. DOI: 10.22213/2413-1172-2023-3-67-74

Волков Г. Ю., Алексеева Ю. В. Структурно-кинематические особенности трехзвенных центроидных механизмов и синтез некруглых зубчатых колес планетарно-роторной гидромашины // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2024. Т. 27, № 4. С. 22-30. DOI: 10.22213/2413-1172-2024-4-22-30

Prikhodko A.A., Smelyagin A.I. (2025) The concept of spaces in the structural analysis and synthesis of mechanisms and machines. Mechanism and Machine Theory, vol. 205:105889. DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2024.105889

Prikhod’ko A.A., Novitskiy A.V. (2024) Structural analysis of gear-lever cyclic mechanisms with noncircular gears.Russian Engineering Research, vol. 44, no. 12, pp. 1781-1783. DOI: 10.3103/S1068798X24702964

Ha J.-L., Fung R.-F., Chen K.-Yu., Hsien Sh.-Ch. (2006) Dynamic modeling and identification of a slider-crank mechanism. Journal of Sound and Vibration, vol. 289, no. 4, pp. 1019-1044. DOI: 10.1016/j.jsv.2005.03.011

Prikhodko A.A., Novitskiy A.V. (2024) Dynamic analysis of piston air compressor: 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). IEEE, 2024, pp. 1048-1052.

Волков Г. Ю., Алексеева Ю. В. Особенности задачи синтеза некруглых зубчатых колес планетарных механизмов с плавающими сателлитами // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2024, № 9 (774). С. 10-18.

Гебель Е. С., Попов А. Ю., Дроздов И. Н. Привод подачи режущего инструмента фрезерного станка для обработки вафельного фона // Омский научный вестник. 2024. № 2 (190). С. 21-28. DOI: 10.25206/1813-8225-2024-190-21-28

Andrzej Urbaś, Jacek Stadnicki (2025) Applications of dynamics metamodels of an eccentric crank-slider mechanism in the initial phase of their design. Mechanism and Machine Theory, vol. 205, p. 105886. ISSN 0094-114X https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2024.105886

Дворников Л. Т., Большаков Н. С. Теория кривошипно-ползунных механизмов : монография. Новокузнецк : [б. и.], 2008. 138 с. ISBN 978-5-8441-0282-0

Бейер Р. Кинематический синтез механизмов. Основы теории метрического синтеза механизмов / пер. с нем. Я. Л. Геронимуса. М. : Машгиз, 1959. 318 с.

Артоболевский И. И., Левитский Н. И., Черкудинов С. А. Синтез плоских механизмов. М. : Физматгиз, 1959. 1084 с.

Артоболевский И. И., Блох З. Ш., Добровольский В. В. Синтез механизмов. Москва ; Ленинград : Гостехиздат, 1944. 387 с.

Chen Yu., Sun Yu., Yang D. (2017) Investigations on the dynamic characteristics of a planar slider-crank mechanism for a high-speed press system that considers joint clearance. Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 31, no. 1, pp. 75-85. DOI: 10.1007/s12206-016-1209-z

Koser K. (2004) A slider crank mechanism based robot arm performance and dynamic analysis. Mechanism and Machine Theory, vol. 39, no. 2, pp. 169-182. DOI: 10.1016/S0094-114X(03)00112-5

Фаизов М. Р., Мудров А. П. Исследование движения сферического тренажера // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26, № 1. С. 182-191.

Бычков И. В., Дворников Л. Т., Жуков И. А. К исследованию кинематики металлургических ножниц с параллельными ножами // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2019. № 62 (4). С. 308-314. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-4-308-314