机械原理课程设计说明书

课程设计说明书牛头刨床第一章 机构简介与设计数据1.1 机构简介牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图1-1（a）。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，以提高生产率。为此刨床采用有急回作用的导杆机构。刨刀每切削完一次，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。刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力（在切削的前后各有一段约0.05H的空刀距离，见图1-1（b），而空回行程中则没有切削阻力。因此刨头在整个运动循环中，受力变化是很大的，这就影响了主轴的匀速运转，故需安装飞轮来减小主轴的速度波动，以提高切削质量和减少电动机容量。图1-1 牛头刨床机构简图及阻力曲线图1.2 设计数据（见表1）（位置编号：5与1）表1 设计数据案方位单号符容内计设导杆机械的运动分析导杆机构的动态静力分析n2lO2O4lO2AlO4BlBClO4S4xS6yS6G4G6PyPJS4r/minmmNmmkgm2603801105400.250.5240502007007000801.1案方位单号符容内计设飞轮转动惯量的确定凸轮机构的设计齿轮机构的设计nO5z1zOz1JO2JO1JO3JO5maxlO9D0010dO5 dO3m12mO31r/minkgm2mmmm0.1514401020400.50.30.20.2151254075107510030063.520第二章 设计内容2.1 导杆机构的运动分析已知： 曲柄每分钟转数，各构件尺寸及重心位置，且刨头导路位于导杆端点B所作圆弧高的平分线上（如图2-1）。 图2-1 曲柄位置图 图2-2 摆杆加速度线图2.1.1 机构的运动简图以O4为原点定出坐标系，根据两固定端之间的尺寸定出O2点，并以110mm（实际尺寸，下同）为半径做圆。过O4引两条长为540mm的线段，与以O2为圆心所做的圆相切与1点、8点，线段左端点即为B点。线段O4B在左右极限位置所能扫过的轨迹即为B点的运动轨迹，B点运动弦的中间位置变为点C的运动轨迹。过B点作半径为135mm的圆弧与运动轨迹相交于C点，此时即为机构运动时的左极限位置。曲柄位置图的作法：1和8为工作行程起点（左极限位置）和行程终点（右极限位置）所对应的曲柄位置，1和7为切削起点和终点所对应的曲柄位置，其余2、312等，是由位置1起，顺2方向将曲柄圆作12等分的位置（如图2-3）。 图2-3 机构的运动简图 2.1.2 曲柄位置“1”、“5”两点运动分析图解法：曲柄在位置“1”的速度分析 取曲柄在位置“1”进行速度分析。因曲柄2和构件3在A处用转动副相连，故V2A=V3A，其大小等于2lO2A，方向垂直于OO2A，指向与2一致。2=2n2/60 rad/s=2 rad/s 3A=2A=2 * 110 mm/s=691.15 * 10-3 m/s（O2A）取构件3和4的重合点A进行分析，列速度矢量方程: 4A = 3A + 4A3A大小 ? ?方向 O4B O2A O4B取速度极点p，速度比例尺 uv= 0.01 (m/s)/mm ,作速度多边形(如图2-4) 图2-4 位置1的速度多边形得：4A= 0 m/s4A3A=691.15 * 10-3 m/s w4= 0 rad/s所以：B= 0 m/s C= 0 m/s 曲柄在位置“1”的加速度分析取曲柄在位置“1”进行加速度分析。因构件2和3在A点处的转动副相连，故a2An=a3An,其大小等于22lO2A,方向由A指向O2。 2=2n2/60 rad/s=2 rad/s a2An=a3An=22 * lO2A=(2)2* 110 mm/s2=4342.63 * 10-3 m/s2 a4An =42lO4A= 0 m/s2 a4A3AK=244A3A= 0 m/s2取3、4构件重合点A为研究对象，列加速度矢量方程： a4A = a4An + a4A =a3An + a4A3AK + a4A3A大小: ? 42lO4A ? 0 ?方向： ? BA AB AO2 O4B O4B取加速度极点为p,加速度比例尺a=0.1 （m/s2）/mm,作加速度多边形(如图2-5) 图2-5 位置1的加速度多边形得：a4A=4342.63 * 10-3 m/s2所以：4=a4A/lO4A=4342.63 * 10-3 /363.73=11.94aB=4 * lAB=11.94 * 540 * 10-3 m/s2=6447.06 * 10-3 m/s2取5、6构件的重合点C为研究对象，列加速度矢量方程： ac = aB + aBn + aBC 大小 ? * lAB 0 ?方向 x-x O4B 0 BC取加速度极点为p,加速度比例尺a=0.1 （m/s2）/mm,作加速度多边形，(如图2-5)。得：ac = 6.01 m/s2曲柄在位置“5”的速度分析 取曲柄在位置“5”进行速度分析。因曲柄2和构件3在A处用转动副相连，故V2A=V3A，其大小等于2lO2A，方向垂直于OO2A，指向与2一致。2=2n2/60 rad/s=2 rad/s 3A=2A=2 * 110 mm/s=691.15 * 10-3 m/s（O2A）取构件3和4的重合点A进行分析，列速度矢量方程: 4A = 3A +4A3A大小 ? ?方向 O4B O2A O4B取速度极点p，速度比例尺 uv= 0.01 (m/s)/mm ,作速度多边形(如图2-6) 图2-6 位置5的速度多边形得：4A=680.17 * 10-3 m/s4A3A=122.72 * 10-3 m/s w4= 1.39 rad/s所以：B= 753.03 * 10-3 m/s取5、6构件的重合点C为研究对象，列速度矢量方程： c = b +bc大小 ? ?方向 x-x O2A BC得：C= 748.91 * 10-3 m/sbc= 38.83 * 10-3 m/s曲柄在位置“5”的加速度分析取曲柄在位置“5”进行加速度分析。因构件2和3在A点处的转动副相连，故a2An=a3An,其大小等于22lO2A,方向由A指向O2。 2=2n2/60 rad/s=2 rad/s a2An=a3An=22 * lO2A=(2)2* 110 mm/s2=4342.63 * 10-3 m/s2 a4An =42lO4A=948.49 * 10-3 m/s2 a4A3AK=244A3A= 342.26 * 10-3 m/s2取3、4构件重合点A为研究对象，列加速度矢量方程： a4A = a4An + a4A =a3An + a4A3AK + a4A3A大小: ? 42lO4A ? 244A3A ?方向： ? BA AB AO2 O4B O4B取加速度极点为p,加速度比例尺a=0.05 （m/s2）/mm,作加速度多边形(如图2-7) 图2-7 位置5的加速度多边形得： a4A3AK=244A3A=2 * 1.40 * 122.72 m/s2=342.26 m/s2 a4A=428.81 * 10-3 m/s2所以：4=a4A/lO4A= 0.88 rad/s2 aB = aBn + aB =1.06 m/s2取5、6构件的重合点C为研究对象，列加速度矢量方程： ac = aB + aBn + aBC 大小 ? * lAB 42lAB ?方向 x-x O4B B C BC取加速度极点为p,加速度比例尺a=0.1 （m/s2）/mm,作加速度多边形，(如图2-7)。得：ac=0.597 m/s2解析法： 如图2-8，建立直角坐标系，并标出各杆矢量及方位角。利用两个封闭图形ABCA及CDEGC。投影方程式为： （1） （2） （3） （4） 求 图 由公式（1）和（2）得：图2-8 （5） （6）上式等价于 （7）对求导得： （8）同理得： （9） 求滑块E的由（3）、（4）式得： （10） （11）求导得： （12） （13）再求导得： （14） （15）程序编写过程（计算机C语言程序）程序说明：在程序中，各个字母与图4中的对应关系为：a=AB,b=CD,c=DE,d=AC,e=H(H为水平导轨到底座的距离),f=2。表1与图2-8中各数据的对应关系为：2=2n=23.146060=6.28 AB=lo2a=0.11 AC=lo2o4 =0.38 CD=lo4b=0.54 DE=lbc=0.135由几何关系可得：其中为极位夹角。由机构运动简图可得： 解得：=14.8215代入上式: H=0.538#include#include#define PI 3.1415926void main()double a=0.110,b=0.54,c=0.135,d=0.38,e=0.538,f=6.28;/*a=AB,b=CD,c=DE,d=AC,e=H,f=1 */double B,C,E,F,G,I,L,M,O;/*B=3,C=4, E=Se，F =3，G=4， I= Ve ，L=3，M=4， O=e */ double x=0;printf( 1 3 4 Se W3 W4 Ve A3 A4 Ae n); while(x6.3) B=atan(d+a*sin(x)/(a*cos(x); /*求3*/ if(B0)B=PI+B; C=PI-asin(e-b*sin(B)/c); /*求4*/ if(C=900A/(2n2) 可得：JF=58.24(kgm2)2.4 凸轮机构设计已知：摆杆9为等加速等减速运动规律，其推程运动角0，远休止角01，回程运动角0（见图3），摆杆长度，最大摆角，许用压力角（参见表1）；凸轮与曲柄共轴。2.4.1 凸轮基本尺寸的确定根据从动件运动规律，按公式分别计算推程和回程的（），然后用几何作图法直接绘出（）及（）线图。求基圆半径r0及凸轮回转中心O2至从动件摆动中心O的距离l O2Oo4按（）线图划分角时，可将其所对的弧近视看成直线，然后根据三角形相似原理，用图解法按预定比例分割角所对应的弧，自从动件摆动中心O4作辐射线与各分割点想连，则角便按预定比例分割。由摆杆9做等加速等减速运动，及角角加速度与角度的关系可得：设：在037.5 度时： =a； 在37.575 度时： =-a； 在75 85 度时： =0； 在85122.5 度时： =-a； 在122.5160 度时： =a；那么： 在037.5度时： d=a； 在37.575 度时： d=75a-a； 在7585度时： d=0； 在85122.5度时： d=-a+85a； 在122.5160度时： d=a-160a；得：在037.5度时： = 在37.575 度时： =- +75a-1406.25a 在7585度时： =1406.25a 在85160度时： 图像与在075度时的图像关于=80对称。 由以上计算可得 =1406.25a= a=0.01067由公式得出如下数据关系： 表4dd00085015.0046950.053350.13337590-0.0533514.87131100.10670.533595-0.106714.47119150.160051.200375100-0.1600513.80431200.21342.134105-0.213412.87069250.266753.334375110-0.2667511.67031300.32014.8015115-0.320110.20319350.373456.535375120-0.373458.469313400.373458.469313125-0.373456.535375450.320110.20319130-0.32014.8015500.2667511.67031135-0.266753.334375550.213412.87069140-0.21342.134600.1600513.80431145-0.160051.200375650.106714.47119150-0.10670.5335700.0533514.87131155-0.0533500046916000由以上数据画出从动杆运动线图：图2-20图2-21 图2-22根据凸轮转向，摆杆长lO4D，角位移线图=（）图和以上求得的r=80mm，l OO，画出凸轮理论廓线，并找出其外凸轮曲线最小曲率半径P。然后，再选取滚子半径r，画出凸轮的实际廓线。2.4.2 凸轮实际廓线1、设计原理设计凸轮轮廓依据反转法原理。即在整个机构加上公共角速度（）（为原凸轮旋转角速度）后，将凸轮固定不动，而从动件连同机架将以（）绕凸轮轴心逆时针方向反转，与此同时，从动件将按给定的运动规律绕其轴心相对机架摆动，则从动件的尖顶在复合运动中的轨迹就是要设计的凸轮轮廓。 2、设计凸轮轮廓： 、绘制凸轮的理论轮廓线既滚子轴心实际轮廓 将 曲线图（如图2-23、2-24、2-25）的推程运动角和回程运动角个分成4等份，按式求个等分点对应的角位移值：1=1*11，1=2*22，的数值。 选取适当的长度比例尺l定出O2和O9的位置（选取l=0.002m/mm）。以O2为圆心，以r0/l为半径，作圆，再以以O2为圆心，以rb/l为半径作基圆。以O9为圆心，以l Oo9D/l为半径，作圆弧交基圆与DO（DO）。则O9DO便是从动件的起始位置。注意，要求从动件顺时针摆动，故图示位置DO位于中心线O2O9的左侧。 图2-23 图2-24 图2-25 以O2为圆心，以l Oo9 O2/l为半径作圆，沿（-）即为逆时针方向自O2O9开始依次取推程运动角0=75，远休止角s=10，回程运动角 o=75和远休止角s=200,并将推程和回程运动角各分成4等份,得O91 ,O92, O93O99各点。它们便是逆时针方向反转时，从动体轴心的各个位置。 分别以O91 ,O92, O93O99为圆心，以l O9D/e为半径画圆弧，它们与基圆相交于D1 ，D2 ，D3D9，并作D1O91D1，D2O9rD分别等于摆杆角位移1，2，3。并使O91D1= O91 D1，O92D2= O92D2，则得D1，D2，D9（与D9重合）各点，这些点就是逆时针方向反转时从动件摆杆端滚子轴心的轨迹点。 将点D1，D2，D9连成光滑曲线。连成的光滑曲线便是凸轮的理论轮廓，亦即为滚子轴心的轮廓轨迹。B、绘制凸轮的实际轮廓：在上述求得的理论轮廓线上，分别以该轮廓线上的点为圆心，以滚子半径为半径，作一系列滚子圆。作该系列圆的内包络线，即为凸轮的实际轮廓，如图2-26。C、校核轮廓的最小曲率半径min：在设计滚子从动件凸轮的工作轮廓时，若滚子半径rt过大，则会导致工作轮廓变尖或交叉。在理论轮廓线上选择曲率最大的一点E，以E为圆心作任意半径的小圆，再以该圆与轮廓的两个交点F和G为圆心，以同样半径作两个小圆，三个小圆相交于H、I、J、K四点；连HI、JK得交点C，则C点和长度CE可近似地分别作为理论轮廓上的曲率中心和曲率半径min。由图可知，CErt，故该凸轮轮廓的最小曲率半径min符合要求。综上可知，凸轮的基圆半径为80mm，滚子半径为10mm，图2-26 凸轮的实际廓线2.5 齿轮机构的设计已知：电动机、曲柄的转速、，皮带轮直径、，某些齿轮的齿数，模数，分度圆压力角（参见表1）；齿轮为正常齿制，工作情况为开式传动。2.5.1 齿轮机构的运动示意图 图2-27 齿轮的运动示意图2.5.2 设计过程：1、变位系数的确定i= no5/n2 = (do3/do5)*(Z1/ZO)*(Z2/Z1) = 24 则Z2 = 40取变位系数x1=x2= 0.412、 齿轮数据的确定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：标准中心距： a = a =m*(Z1+Z2)/2=6*(10+40)/2mm=150mm啮合角： =a*/a =20 中心距变动因数： y =(a - a)/m=0齿顶高变动系数： = x1 +x2 +y=0分度圆直径： d1=m*Z1=6*10mm=60mm d2=m*Z2=6*40mm=240mm节圆直径： d1=d1=60mm d2=d2=240mm基圆直径： db1=d1=60*cos20=56.38mm db2=d2=240*cos20=225.53mm齿顶高： ha1=(ha1+x1)m=(1+0.41)*6=8.46mm ha2=(ha2+x2)m=(1-0.41)*6=3.54mm齿根高： hf1=（ha*+c*-x1）m=(1+0.25-0.41)*6=5.04mm hf2=（ha*+c*-x2）m=(1+0.25+0.41)*6=9.96mm齿顶圆直径： da1=d1+2ha1=60+2*8.46=76.92mm da2=d2+2ha2=240+2*3.54=247.08mm齿根圆直径： df1=d1-2hf1=60-2*5.04=49.92mm df2=d2-2hf2=240-2*9.96=220.08mm齿厚： s1=m/2+2x1mtan=3.14*6/2+2*0.41*6tan20=11.21mm s2=m/2+2x2mtan=3.14*6/2-2*0.41*6tan20=7.63mm齿距： pd1=pd2=m=3.14*6=18.84mm3、绘制啮合图作出齿廓的工作段 齿轮啮合图是将齿轮各部分按一定比例尺画出齿轮啮合关系的一种图形.它可以直观的的表达一对齿轮的啮合特性和啮合参数,并可借助图形做必要的分析。(1) 渐开线的绘制: 渐开线齿廓按渐开线的形成原理绘制,如图以齿轮轮廓线为例，其步骤如下: 按齿轮几何尺寸计算公式计算出各圆直径:di、di、dbi、dai、dfi ，画出各相应圆（标准齿轮啮合，节圆与分度圆重合）。 连心线与分度圆(节圆)的叫点为节点P，过节点P作基圆切线,与基圆相切与N1,则即为理论啮合线的一段，也是渐开线发生线的一段。 将线段分成若干等份：、。 根据渐开线特性，圆弧长不易测得，可按下式计算N10弧所对应弦长： 代入数据： 按此弦长在基圆上取0点。将基圆上的弧长N10分成同样等份，的基圆上的对应分点1，2，3。过1，2，3点作基圆的切线，并在这些切线上分别截取线段，使其、得，诸点，光滑连接，各点的曲线即为节圆以下部分的渐开线。将基圆上的分点向左延伸，作出，取、，可得节圆以上渐开线各点，直至画到超出齿顶圆为止。当dfdb时，基圆以下一段齿廓取为径向线，在径向线与齿根圆之间以r.mm为半径画出过渡圆角；当dfdb时，在渐开线与齿根圆之间画出过渡圆角。（）啮合图的绘制： 选取比例尺l定出齿轮Z0与Z1的中心以OO心作出基圆，分度圆，节圆，齿根圆，齿顶圆。 画出工作齿轮的基圆内公切线，它与连心线0102的交点为点P ，又是两节圆的切点，内公切线与过P点的节圆切线间夹角为啮合角。 过节点P分别画出两齿轮在齿顶圆与齿根圆之间的齿廓曲线。 按已算得的齿厚和齿距P计算对应的弦长和。 按和在分度圆上截取弦长得A、C点，则 。 取AB中点D连D两点为轮齿的对称线，用纸描下右半齿形，以此为模板画出对称的左半部分齿廓及其他相邻的个齿廓，另一齿轮做法相同。 出齿廓的工作段（如图）。 图2-28 齿轮的工作段图心得体会上大学以来我第一次静下心来，花费这么长的时间去认真地做一件事情，让我收获颇多。平时上课期间还会去干一些其他事情，可是这次我却是坐在电脑旁，不停地敲打着键盘、挥舞着“神笔”，向着圆满完成课程设计的目标不断奋进。这几天几乎每天都是从早上8点多开始做，一直做到晚上10点左右，结束之后就觉得眼睛有些不舒服，心里却特别兴奋。平时我都养成了睡午觉的习惯，可是这几天一做起来课程设计就感觉没有睡意了。总体来说，课程设计虽然比较繁琐，但是我觉得与同学们讨论以及设计的过程是很美好的。回忆起这几天的时光，感觉自己好充实。当老师布置完任务之后，就觉得压力好大，一方面设计任务较多、较繁琐，时间还比较紧；另一方面选择如何作图变成了难题。先开始考虑到CAD估计都忘得差不多了，就打算用图板绘图，可一看那么多的线条、图形就犯难了，最后还是决定用CAD 作图，周六我就向大二的同学借了CAD教程，开始恶补一些基础的操作，顺便用程序练了几个比较简单的图，给做课程设计打下基础。由于计算时缺乏仔细地考虑，在绘图的过程中比例尺选择错误、计算的错误，导致返工了几次，通过这件事提醒了我以后应该事先规划一下，把可能遇到的问题都事先解决一下，还有做事的时候一定要认真，不能不注意细节。做的过程中也遇到了许多自己平时没有留意的问题，比如：在