牛头刨床机械原理课程设计方案一位置和位置.pdf

课程设计说明书 学院:_xxxxxxxxxxxxxxx_ 班 级:xxxxxxxxxxxxx 学生姓名:xxx 学 号:xxxxxxxxxxx 设计地点（单位）_xxxxxxxxxxxxxxxxxx _ 设计题目:_牛头刨床_ 完成日期：2015年 7 月 10日 成绩(五级记分制):_ _ 教师签名:_ 年 月 日 设计数据.2 1、概 述 1.1 牛头刨床简介.3 1.2 运动方案分析与选择4 2、导杆机构的运动分析 2.1 位置 4 的速度分析6 2.4 位置 4 的加速度分析7 2.3 位置 9 的速度分析11 2.4 位置 9 的加速度分析12 3、导杆机构的动态静力分析 3.1 位置 4 的惯性力计算15 3.2 杆组5,6 的动态静力分析15 3.3 杆组3.4 的动态静力分析16 3.4 平衡力矩的计算.17 4、飞轮机构设计 4.1 驱动力矩19 4.2 等效转动惯量.19 4.3 飞轮转动惯量20 5、凸轮机构设计22 6、齿轮机构设计26 1.概 述 一、机构机械原理课程设计的目的：机械原理课程设计是高等工业学校机械类专业学生第一次较全面的机械运动学和动力学分析与设计的训练，是本课程的一个重要实践环节。其基本目的在于：（）进一步加深学生所学的理论知识，培养学生独立解决有关本课程实际问题的能力。（）使学生对于机械运动学和动力学的分析设计有一较完整的概念。（）使学生得到拟定运动方案的训练，并具有初步设计选型与组合以及确定传动方案的能力。（）通过课程设计，进一步提高学生运算、绘图、表达、运用计算机和查阅技术资料的能力。二、机械原理课程设计的任务：机械原理课程设计的任务是对机械的主体机构（连杆机构、凸轮机构、齿轮机构以及其他机构）进行设计和运动分析、动态静力分析，并根据给定机器的工作要求，在此基础上设计凸轮、齿轮；或对各机构进行运动分析。要求学生根据设计任务，绘制必要的图纸，编写说明书。三、械原理课程设计的方法：机械原理课程设计的方法大致可分为图解法和解析法两种。图解法几何概念较清晰、直观；解析法精度较高。根据教学大纲的要求，本设计主要应用图解法进行设计。1.1牛头刨床的简介 一 机构简介：机构简图如下所示：牛头刨床机构简图工件O11O2O48ADE9O9电动机工作台棘轮n0on2oZ1Z1Z2d0Z0d0 牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如上图所示。电动机经皮带和齿轮传动，带动曲柄 2 和固结在其上的凸轮 8。刨床工作时，由导杆机构 1-2-3-4-5-6带动刨头6 和刨刀 7 作往复运动。刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程，此时要求速度较低并且均匀，以减少电动机容量和提高切削质量；刨头左行时，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产效率。因此，刨床采用具有急回特性的导杆机构。刨刀每切削完成一次，利用空回行程的时间，凸轮 8 通过四杆机构 1-9-10-11与棘轮带动螺旋机构（图中未画），使工作台连同工件作一次进给运动，以便刨刀继续切削。1.2 运动方案分析与选择 运动机构简图 方案分析:1.机构具有确定运动.自由度为 F=3n-(2Pl+Ph)=35-(27+0)=1;2.通过曲柄带动摆杆导杆机构和滑块使刨刀往复运动,实现切削功能,能满足功能要求.3.工作性能,工作行程中刨刀速度较慢,变化平缓,符合切削要求,摆动导杆机构使其有急回作用,可满足任意行程速比系数k 的要求;4.传递性能,机构传动转角为 90,传动性能好,能承受较大的载荷,机构运动链较长,传动间隙较大;5.动力性能,传动平稳,冲击震动较小 6.结构和理性,结构简单合理,尺寸和质量也较小,制造和维修也较容易 7.经济性,无特殊工艺和设备要求,成本较低.综上所述,选该方案.2 导杆机构的运动分析（位置 4 号和 9 号）（选择方案一）设 计 内 容 导 杆 机 构 的 运 动 分 析 导杆机构的动态静力分析 符号 n2 L0204 L02A L04B LBC L04S4 XS6 YS6 G4 G6 P YP JS4 单位 r/min mm N mm kgm2 方 案 60 380 110 540 0.25 L04B 0.5 L04B 240 50 200 700 7000 80 1.1 64 350 90 580 0.3 L04B 0.5 L04B 200 50 220 800 9000 80 1.2 72 430 110 810 0.36 L04B 0.5 L04B 180 40 220 620 8000 100 1.2 2.1 位置 4 的速度分析 数据：n2=60r/min,LO2O4=380mm,LO2A=110mm,LO4B=540mm,LBC=0.25LO4B,LO4S4=0.5LO4B 对位置 2：选取尺寸比例尺l=2m/mm，作机构运动简图。Lo4A=0.485783m 速度分析：取构件 3 和 4 的重合点（A2，A3，A4）进行速度分析。对构件 2：VA2=2LO2A=（60X2）/60 x0.11=0.6908 m/s 对构件 3：构件 3 和构件 2 在 A处构成转动副，VA3=VA2=0.6908 m/s 对构件 4：VA4=VA3+VA4A3 大小：？0.6908？方向：AO4 AO2 /AO4 取速度极点 P，速度比例尺v=0.01（m/s）/mm。作速度多边形如下图所示。得：VA44=V VB4=4 X LO4B=1.38428*0.54=0.747508 m/s VB5=VB4=0.747508m/s 对构件 4：VC5=VB5+VC5B5 大小：？0.747508?计算结果 Lo4A=0.485783m VA2=0.6908 m/s VA4 4=1.38428 rad/s V VB4=0.747508 m/s VC5=0.7497054m/s aA2=4.338224 m/s2 aA3=4.338224 m/s2 a A4A3k=0.43671 m/s2=0.93087 m/s 方向：/XX o4B CB 取速度极点 P，速度比例尺v=0.01（m/s）/mm。作速度多边形如上图所示。得：VC5=0.7497054 m/s 2.2 位置 4 的加速度分析 对构件 2：aA2=w2 2LO2A=6.28*6.28*0.11=4.338224 m/s2 对构件3：构件3 和构件2 在A处构成转动副，aA3=aA2=4.338224 m/s2 对构件 4：aA4=a A4n +a A4=aA3+a A4A3k +a A4A3r 大小：?42lO4A?方向：?B A O4B A O2 O4B /O4B 取加速度极点 p，加速度比例尺a=0.04（m/s2）/mm。2 =1.083698m/s2 4=a A4t/lO4A=1.14222 aB5=m/s2 2,a A4A3k=24A4 A3=2=424AOl=1.38428*1.38428*0.485783=0.93087m/s2 作加速度多边形如上图所示。得：=2 ，=1.083698m/s2 用加速度影象法求得 4=a A4t/lO4A=aB5=aB4=aA4LO4B/LO4A=m/s2 对构件 5：:aC5=aB5 +aC5B5n+aC5B5 大小:？方向：xx C B CB 取加速度极点 p，加速度比例尺a=0.04（m/s2）/mm。作加速度多边形如上图所示。得：2,=2 运动线图 2.3 位置 9 的速度分析 数据：n2=60r/min,LO2O4=380mm,LO2A=110mm,LO4B=540mm,LBC=0.25LO4B,LO4S4=0.5LO4B 对位置 4：选取尺寸比例尺l=2m/mm，作机构运动简图。L 速度分析：取构件 3 和 4 的重合点（A2，A3，A4）进行速度分析。对构件 2：VA2=2LO2A=（60X2）/60 x0.11=0.6908m/s 对构件 3：构件 3 和构件 2 在 A处构成转动副，VA3=VA2=0.6908 m/s 对构件 4：VA4=VA3+VA4A3 大小：？方向：AO4 AO2 /AO4 取速度极点 P，速度比例尺v=0.01（m/s）/mm。作速度多边形如下图所示。得：VA4=0.32871m/s，4=VA4A3=0.60758m/s VB4=4 X LO4B=VB5=VB4=对构件 4：VC5=VB5+VC5B5 L VA2=0.6908 m/s VA4=0.32871m/s 4=1.047634rad/s VA4A3=0.60758m/s VB4 m/s VC5=aA2=4.338224 m/s2 aA3=4.338224 m/s2 a A4A3k2=m/s=5.03958142m/s2 =5.05351276m/s2 4=16.012979 大小：？?方向：/XX o4B CB 取速度极点 P，速度比例尺v=0.01（m/s）/mm。作速度多边形如上图所示。得：VC5=2.4 位置 9 的加速度分析 对构件 2：aA2=w2 2 LO2A=6.28*6.28*0.11=4.338224 m/s2 对构件3：构件3 和构件2在A处构成转动副，aA3=aA2=4.338224 m/s2 对构件 4：aA4=a A4n +a A4=aA3+a A4A3k +a A4A3r 大小：?42lO4A?方向：?B A O4B A O2 O4B /O4B 取加速度极点 p，加速度比例尺a=0.04（m/s2）/mm。a A4A3k=24A4 A3=2=424AOlm/s2 作加速度多边形如上图所示。得：=5.03958142m/s2，=5.05351276m/s2 用加速度影象法求得 4=a A4t/lO4A=5.03958142/=16.012979 aB5=aB4=aA4LO4B/LO4A=8.6709124m/s2 对构件 5：:aC5=aB5+aC5B5n+aC5B5 大小:？aB5=8.6709124m/s2 2,方向：xx C B CB 取加速度极点 p，加速度比例尺a=0.04（m/s2）/mm。作加速度多边形如上图所示。得：2,=2 3、导杆机构的动态静力分析（位置 4 号）数据：G4=200N，G6=700N，P=7000N,JS4=1.1 kg.m2 位置 2：对各构件进行受力分析，按静定条件将机构分解为两个基本杆组及作用有未 知平衡力的构件2，并有杆组进行分析。3.1 位置 2 的惯性力计算 对构件4:惯性力FI4=m4 aS4=(G4/g)aS4=200/9.8*0.602323=12.292306N，对构件 6:惯性力 FI6=m6 aC6=(G6/g)aC6 3.2 杆组 5,6的动态静力分析 示力体 力多边形 又 F=P+G6+FI6+FR45+FR16=0，作 为多边 行如图 所示，N=20N/mm。由力多边形可得：FR45=FR45N=10*706.211626=7062.11626N FR16=FR16N=10*15.447259=154.47259N 3.3 杆组 3,4的动态静力分析 示力体如下图 MS4=JS4S4=1.256443Nm(逆时针)对 O4 点取矩得：M o4=FR54*hO4B+MS4+FI4*hs4A+G4*hS4A-F R23ho4A。=0 F R23=7846.486793N FI4=12.292306N FI6=41.014548N FR45=7062.11626N FR16=154.47259N FR54=7062.11626N F R23=7846.486793N Fr14=812.52462N Mo2=840.3220924 N.m 力多边形 由 F=0，作力的多边形如上图所示，N=20N/mm。得：Fr14=812.52462N FR12=FR32=FR23=7846.486793N 3.4 平衡力矩的计算 在右图中，对o2 点取矩得：M o2=m 3.5 虚位移原理 所有外力的功率和为 0，Np+Ni6+NG4+Ni4+NM=0 Np=|P|Vc|cos180=-7000*0.7497054=-5247.9378 Ni6=|Fi6|Vc|cos180=-41.014548*0.7497054=-30.7488281 NG4=0.5|G4|VB Ni4=|Fi4|Vi4|cos120.7647809 NM=Mb2 把数据代入上式，得平衡力矩 Mb=842.0177271 4、飞轮机构的设计：以曲柄为等效构件，求系统的等效转动惯量 Je（不能忽略不计）。再根据不均匀系数求 JF.符号 单位 r/min 数值 0.15 1440 10 20 40 0.5 0.3 0.2 0.2 4.1 驱动力矩 收集同学数据（共 12个平衡力矩，即Mer），获得如下图形 等效阻抗力矩 Mer（）图和等效驱动力矩 Med（）图 求得：Med=389N*m 4.2 等效转动惯量 4.3 飞轮转动惯量 由图可得：Wab=-60J，Wbc=985J，Wcd=-950J，最大盈亏功Wmax=985J 飞轮等效转动惯量JF=900Wmax/(2n2*)-Je =900*985/(2*602*0.15)-133.3 =33.04(kgm2)飞轮转动惯量JF=33.04(kgm2)5.凸轮机构设计 设计过程 选取比例尺，作图l=1mm/mm。1、推程：找取任意一点为 O9，设摆杆任一位置 O9A，在其上截取AH=l（l 为摆杆长度，为推程类角速度，0）过点H作与AH及其延长线夹角为推程许用传动角 的一对射线 K（左下方）、L（右下方）所夹角域KHL的 O2A0方位线以下部分（阴影区域）。摆杆推程中有无数个位置，固有无数对射线K、L分别构成连续射线族K、L以及连续角域族 KHL。整个推程满足 条件的凸轮轴心容许选取区域无数个连续角域族 KHL 的公共交集 KHL。2、回程：摆杆任一位置 O9A，在其上截取AJ=-l（l 为摆杆长度，为回程类角速度，0）过点J作与AJ及其延长线夹角为推程许用传动角 r的一对射线 M、N,即有AJM=r，AJN=180-r。此位置满足 r，条件的凸轮轴心许用区域 M（右下方）、N（左下方）所夹角域MJN的O2A0方位线的以下部分（阴影区域）。同理，射线摆杆推程中有无数个位置，固有无数对射线M、N分别构成连续射线族M、N以及连续角域族 MJN。整个推程满足 r条件的凸轮轴心容许选取区域无数个连续角域族 MJN 的公共交集 MJN。=2max2/o2 =，=/ddt=4max2w/o2=1.92/=2max(o-)2/o2 =,=/ddt=4max(o-)2w/=0.8-1.92/o 把推程角 6 等分，并列出对应的摆角：表 位置 1 2 3 4 5 6 7（）0 12.5 25 37.5 50 62.5 75（）0 0.833333 3.33333 7.5000 11.6666 14.16633 15.0000 d/dt 0 0.4 0 等加速回程：=max-max2/，o2 =/ddt=-4max2w/=-1.92（-85/180*)(0/2)o85/180*等减速回程：=max(，o-（-85/180*)2/，o2=/ddt/2=-2max(，o-(-85/180*)/o=1.92(-85/180*)-0.8 位置 8 9 10 11 12 13 14（）85 97.5 110 122.5 135 147.5 160（）15 14.16633 11.6666 7.5 3.33333 0.833333 0 d/dt 0 -0.4 0 综上所述，整程（推程和回程）满足 、r条件的凸轮轴心容许选取区域KHLMJN。=r，所以可以确定 O2O9位置和最小基圆半径为 43.2851177mm,O2O9长度为 mm。如下图。3、再以 O2为圆心，以lO2O9/l=mm 为半径作转轴圆；取一点为 O9。4、以 O9为圆心，以lOqD/l=125mm 为半径画弧与基圆交于一点。即为摆动从动件推程起始位置，再以逆时针方向旋转并在转轴圆上分别画出推程、远休、回程、近休，这四个阶段。再以 12.5对推程段等分、12.5对回程段等分（对应的角位移如下表所示），并用数字进行标记，于是得到了转轴圆上的一系列的点，这些点即为摆杆再反转过程中依次占据的点，然后以各个位置为起始位置，用反转法把摆杆的相应位置画出来，这样就得到了凸轮理论廓线上的一系列点的位置，再用光滑曲线把各个点连接起来即可得到凸轮的外轮廓。5、凸轮曲线上最小曲率半径的确定及滚子半径的选择（1）用图解法确定凸轮理论廓线上的最小曲率半径min：先用目测法估计凸轮理论廓线上的min的大致位置（可记为 A点）；以 A点位圆心，任选较小的半径 r?作圆交于廓线上的 B、C点；分别以 B、C为圆心，以同样的半径 r 画圆，三个小圆分别交于 D、E、F、G四个点处，如下图所示；过D、E两点作直线，再过 F、G两点作直线，两直线交于 O点，则 O点近似为凸轮廓线上 A点的曲率中心，曲率半径OAmin；此次设计中，凸轮理论廓线的最小曲率半径min。（2）凸轮滚子半径的选择（rT）凸轮滚子半径的确定可从两个方向考虑：几何因素应保证凸轮在各个点车的实际轮廓曲率半径不小于 15mm。对于凸轮的凸曲线处TCr，对于凸轮的凹轮廓线TCr（这种情况可以不用考虑，因为它不会发生失真现象）；这次设计的轮廓曲线上，最小的理论曲率半径所在之处恰为凸轮上的凸曲线，则应用公式：mmrrTT2255minmin；力学因素滚子的尺寸还受到其强度、结构的限制，不能做的太小，通常取0)5.01.0(rrT及mmrT5.225.4。综合这两方面的考虑，选择滚子半径为 rT=15mm。得到凸轮实际廓线，如下图所示。4.5 列表 项目 数据(mm)r0 43.285117 lO2O9 138.47 min 41.22 rr 15 R1 34.3 6.齿轮机构的设计 已知 电动机、曲柄的转速 n,o、n2，皮带轮直径 d,o、d,o，某些齿轮的齿数 z，模数 m。分度圆压力角；齿轮为正常齿制，工作情况为开式传动。要求 计算齿轮 z2的齿数，选择齿轮副 z1-z2的变位系数，计算这对齿轮的各部分尺寸，用2 号图纸绘制齿轮传动的啮合图。步骤:(1)首先根据已知的条件求出 z2的齿数。由ioo=do/do=no/no=1440/no,得no=480 ioo2=no/n2=z2*z1/zoz1=480/60=z2*40/20*10=8,得出：z2=40 对小齿轮实行正变位，对大齿轮实行负变位，且是等变位，经计算并分析后取变位系数 X1=X2=0.5 再根据齿轮各部分尺寸相关计算公式得到齿轮的基本参数如下：节圆直径 d1=m12*Z1=6*1060mm d2=m12*Z2=6*40=240mm 基圆半径 r1b=r1*。20cos=36.64mm r2b=r2*。20cos=109.9mm 齿顶高 h1a=(h*a+x)m12=(1+0.5)*6=9mm h2a=(h*a-x)m12=(1-0.5)*6=3mm 齿根高 h1f=(h*a+c*-x)m12=(1+0.25-0.5)*6=4.5mm h2f=(h*a+c*+x)m12=(1+0.25+0.5)*6=10.5mm 齿顶圆半径 r1a=r1+h1a=30+9=39mm r2a=r2+h2a=120+3=123mm 齿根圆半径 r1f=r1-h1f=30-4.5=25.5mm r2f=r2-h2f=120-10.5=109.5mm 齿厚 s1=m/2+2mx。20tan=11.6mm s2=m/2+2m(-x)。20tan=7.2mm 4 点速度验证 9 点速度验证 4 点加速度验证 9 点加速度验证