机构分析与综合大作业

题目一 牛头刨床设计指导书 一、机构简介及设计数据 1、机构简介： 牛头刨床是一种常用的平面切削加工的机床。如图 1-1 所示 .电动机的运动和动力经带传动和齿轮传动，最后带动曲柄 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 6 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，以减小电动机容量和提高切削质量。刨头左行时，刨刀不进行切削，称空回行程。此时要求速度较高，以节省时间提高生产率。为此，刨床采用有急回作用的导杆机构。刨刀每切削完一次后，利用空回行 程的时间，凸轮 8 通过连杆机构 1-9-10-11 及棘轮带动螺旋机构（图上未表示出来）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 1-2，而在空回行程时，则没有切削阻力。因此刨头在整个运动循环中，受到大的交变应力的作用，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小电动机容量。 图 1-1 牛头刨床机构简图 0 . 0 5 H 0. 0 5HHPS 图 1-2 切削阻力曲线 图 1-3 凸轮机构摆杆加速度图 2、设计数据（推荐三组数据见下表） 导杆机构的运动分析 导杆机构的动态静力分析 2n r/min 24OOlmm 2OAlmm 4OBlmm BCl mm 44OSlmm 6Sxmm 6Symm 4Gkg 6Gkg P kg Pymm 4SJ kgms2 60 20 70 700 80 0.11 64 22 80 900 80 0.12 72 22 62 800 100 0.12 飞轮转动惯量的确定 no r/min 1z zo 1z 2OJ Kgms2 1OJ Kgms2 OJ Kgms2 OJ Kgms2 0.15 1440 0.15 1440 0.16 1440 凸轮机构的设计 齿轮机构的设计 max 度 9ODl mm max 度 y 度 D 度 B 度 do mm do mm 12m mm 1momm 度 15 15 15 二 、完成 论文作业 的具体 要求 1、机构运动简图的绘制 选取一长度比例尺，先按图 1-3 所分配的位置作出机构位置图，将其中之一需用粗实线画出，该图即为机构运动简图，此粗实线图还要包括机械传动系统图。作图时，曲柄位置的确定方法为：取 1 和 7 为工作行程起点和终点所对应的曲柄位置， 1 和 7 为切削起点和终点所对应的曲柄位置，其余 2、 3。 12 等，是由位置 1 起始顺时针方向将曲柄圆周 作 12 等分的位置。机构在各点的位置可列表确定，见表 1-1。 机构运动简图的绘图工作要求在计算机上使用电子图版或 CAD 完成。 图 1-3 曲柄位置图 容 内 符 号 数 据 表 1-1 机构位置分配表 序列编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 位置编号 1 1 2 3 4 5 6 7 7 8 9 10 11 12 2、导杆机构的运动分析 要求： 曲柄的每分钟转数 n2， 各构件尺寸，重心位置，刨头移动导路 X-X 位于导杆端点 B 所作圆弧高度的平均线上（见图 1-3）， 应用计算机辅助计算程序计算该机 构中导杆机构上各连接点的位移、速度、加速度，并绘制出刨头的速度线图和加速度线图以及运动线图。注意：在计算位移、速度、加速度时一定要计算1和 7。 3、导杆机构的动态静力分析 已知： 各构件的重量 G（曲柄 2、滑块 3 和连杆 5 的重量都可忽略不计），导杆 4绕重心的转动惯量 Js4 与切削刀 P 的变化规律（见图 1-2）。 要求： 确定各运动副中反作用力及曲柄上所需的平衡力矩。 注意： 在切削开始和终止的位置 1和 7时，由于切削阻力的突变，还需求出这两个力与两个平衡力矩。 4、飞轮转动惯量的确定 已知： 机器运转的不均匀系数 ，由动态静力分析所得的平衡力矩 My，驱动力矩 Md 为常数，具有定传动比的各构件的转动惯力 JM，电动机、曲柄的每分钟转数 n0 、 n2 及某些齿轮的齿数。要求确定安装在轴 O2 上的飞轮转动惯量 JF。 步骤： 1） 根据动态静力分析所获得的平衡力矩 MY，计算等效功阻力矩 M r 曲线。（因为 M r =-My，故也可用 My 的数值作图获得。） 2） 对 M r 曲线进行积分 (或图解积分 )，可得等效阻力矩作功 A r 曲线。 3） 根据机器在一个稳定循环中能量的变化为零，且已知驱动力矩 Md 为常数的条件，可作出驱动力矩作功 Ad 曲线。 4） 作出盈亏功 Ei 曲 线。 5） 从 Ei 曲线中可以找出其纵坐标最高点到最低点的距离，可得最大盈亏功Wmax。 6） 按公式可计算出飞轮的转动惯量 JF。公式中 J0 为具有定传动比各构件的等效转动惯量。 题目二 单缸四冲程柴油机设计指导书 一 、机构简介及有关数据 1、机构简介 柴油机如图 2-1 所示，其中 a)为机构简图，它将燃料（柴油）燃烧时所产生的热能转变为机械能。往复式内燃机的主体机构为曲柄滑块机构，借气缸内的燃气压力推动活塞 3，再通过连杆 2 使曲柄 1 作旋转运动。 往复式内燃机有两冲程和四冲程两种，本课程设计的是四冲程内燃机，即以活塞在气缸内往 复移动四次（对应曲柄转两转）完成一个工作循环。在一个工作循环中，气缸内的压力变化可通过示功图（或称容压曲线）如图 2-1 b)看出，它表示气缸容积（与活塞位移 s 成正比）与压力的变化关系。 a) 机构简图 b) 示功图 图 2-1 单缸四冲程柴油机的机构简图和示功图 四冲程内燃机的工作原理如下： 进气冲程： 活塞由上止点向下移动，对应曲柄转角 000 1 8 0 。进气阀开，空气开始进入气缸，此时气缸内指示压力略低于 1 大气压力，一般以 1 大气压力计算，如示功图上的 ab 。 压缩冲程： 活塞由下止点向上移动，对应曲柄转角 001 8 0 3 6 0 。此时进气完毕，进气阀闭，已吸入的空气受到压缩，压力渐升高，如示功图上的 bc 。 膨胀（工作）冲程： 在压缩冲程终了时，被压缩的空气的温度已超过柴油自燃的温度，因此，在高压下射入的柴油立刻爆炸燃烧 ，气缸内压力突增至最高点，此时燃气压力推动活塞由上向下移动对外作功（故又可称工作冲程），曲柄转角003 6 0 5 4 0 ，随着燃气的膨胀，活塞下行，气缸容积增加，压力逐渐降低，如示功图上的 cb 。 排气冲程： 活塞由下向上移动，曲柄转角 005 4 0 7 2 0 。排气阀开，废气经排气阀门被驱除，此时气缸内压力略高于 1 大气压力，一般亦以 1 大气压力计算，如示功图上的 ba 。示功图中的 a b c b a 即表四个冲程气缸内的压力变化情况。进、排气阀的启闭是由凸轮机构来控制的，图 2-1 a）中 yy 剖面有进、排气阀各一只（图示只画了进气凸轮）。凸轮机构是通过曲柄轴 O 上的齿轮 Z1 和凸轮轴 O1 的齿轮 Z2 来传动的，由于一个工作循环中，曲柄转将转两转而进、排气阀则仅各启闭一次，所以齿轮的传动比1 2 1 2 2 1 2i n n Z Z 。 由上可知，在组成一个工作循环的四个冲程中，活塞 只有一个冲程（膨胀冲程）是对外作功的，而其余的三个冲程则需依靠机械的惯性来带动。因此，曲柄所受的驱动力是不均匀的，所以其速度波动也较大；为了减少速度波动，曲柄轴上装有飞轮（图 2-1 中未示出）。为了使驱动力较均匀和增加内燃机的功率，内燃机常做成多缸的，如两缸、四缸和六缸等。 2、题目数据 曲柄滑块机构的运动分析 曲柄滑块机构的动态静力分析及飞轮转动惯量确定 H 2ASl 1n hD D 1G 2G 3G 1SJ 2SJ 1OJ mm r/min mm kg kgms2 120 80 4 1500 100 200 21 2 1 0.01 0.005 0.02 0.01 凸轮机构的设计 齿轮机构的设计 h y B max max 1Z 2Z m mm 度 mm 度 20 图 1 凸轮机构从动件加速度图 表 2-1 示功图数据表 工作过程 进 气 压 缩 位 置编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 曲柄位置（度） 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 容 内 符 号 数 据 9 Da y D B 气缸指示压力2( / )p kg cm 1 1 1 1 1 1 1 1 1 6.5 19.5 35 膨 胀 排 气 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 3750 3900 4200 4500 4800 5100 5400 5700 6000 6300 6600 6900 7200 60 25.5 9.5 3 3 2.5 2 1.5 1 1 1 1 1 二 、 完成论文作业的具体要求 1、机构选型、机构运动简图的绘制 已知： 活塞冲程 H、连杆和曲柄之长度比 、曲柄每分钟转数1n。 要求： 根据该机械的工作原理和工作要求，进行机构的选型设计，对各方案进行特点、性能分析，择优选一；对优选方 案绘制机构运动简图。 图 2-2 曲柄位置图 2、曲柄滑块机构的运动分析 已知 ：曲柄的每分钟转数 n1，曲柄滑块机构上各构件的尺寸。 要求： 应用计算机辅助计算程序计算该机构中机构上各连接点的位移、速度、加速度，并绘制出滑块的速度线图和加速度线图以及运动线图。注意：在计算位移、速度、加速度时一定要计算出第 12 点（在此点为气缸指示压力达最大值）。 步骤： （略） 3、导杆机构的动态静力分析 已知： 各构件的重量 G、绕重心的转动惯量 Js、活塞直径 Dh，示功图数据见 表2-1 以及运动分析计算中的已知条件和计算结果。 要求： 确定各运动副中反作用力及曲柄上所需的平衡力矩 My。 4、飞轮转动惯量的确定 已知： 机器运转的不均匀系数 ，由动态静力分析所得的平衡力矩 My，阻力矩Mc 为常数，曲柄轴的转动惯力 Js1,凸轮轴的转动惯力 J01，连杆绕其重心的转动惯力 Js2。 要求： 计算飞轮转动惯量 M。 步骤： 1） 根据动态静力分析所获得的平衡力矩 MY，计算等效功阻力矩 M r 曲线。（因为 M r =-My，故也可用 My 的数值作图获得。） 2） 对 M r 曲线进行积分 (或图解积分 )，可得等效阻力矩作功 A r 曲线。 3） 根据机器在一个稳定循环中能量的变化为零，且已知驱动力矩 Md 为常数的条件，可作出驱动力矩作功 Ad 曲线。 4） 作出盈亏功 Ei 曲线。 5） 从 Ei 曲线中可以找出其纵坐标最高点到最低点的距离，可得最大盈亏功Wmax。 6） 按公式可计算出飞轮的转动惯量 JF。公式中 J0 为具有定传动比各构件的等效转动惯量。 题目 三 摇摆式输送机设计指导书 一、机构简介及有关数据： 1、机构简介： 摇摆式输送机是一种水平传送材料用的矿山运输机械（图 4-1）。当电动机开动后，通过齿轮 Z5-Z6， Z3-Z4 与 Z1-Z2 使曲柄 2 回转，再经过六 连杆机构 1-2-3-4-5-6使输矿槽 6 作往复移动，放置在槽上的矿物 7 借助摩擦力而一起运动。矿物的输送是利用机构在某些位置输矿槽有相当大的加速度，使矿物在惯性力的作用下克服摩擦力而发生滑动，滑动的方向总是自左往右，从而达到输送矿物的目的。 输送机在工作过程中，由于承受载荷等变化很大，故此将引起主轴 O1 速度波动，所以在轴 O1 上应考虑安装一用来调节主轴速度波动的飞轮（。 图 4-1 摇摆式轮送机机构简图 2、 题目数据 连杆机构与矿物的运动分析 2n l h 1h 1OAl ABl 2OBl 2OCl 2ASl 24OSl 0f f 7G r/min mm kg 57.5 0.45 0.35 3830 72.5 89 连杆机构的动态静力分析 3G 4G 6G 6G 2G 3SJ 4SJ R K kg kgms2 mm 35.6 136 60 2940 76 0.055 0.1 25 1 飞轮转动惯量的确定 齿轮机构的设计 3On 4On OJ 1Z 2Z m x Cx r/min kgms2 mm 度 0.15 556 193 54.1 容 内 符 号 数 据 二 、 完成论文作业的具体要求 1、机构选型、机构运动简图的绘制 已知： 摇摆式轮送机的机构简图如图 4-1 所示。 要求： 根据该机械的工作要求，进行机构的选型设计，对各方案进行特点、性能分析，择优选一；对优选方案绘制机构运动简图。 步骤： 1）机构选型 借助平面机构设计与分析软件进行机构的方案设计（ 4 种以上），通过分析和比较，提出一个自己认为最好的方案，进行机构运动简图的绘制。 2）运动简图的绘制 根据给定的构件尺寸和相对位置，确定连杆机构上各构件的尺寸。 图 4-2 曲柄位置图 首先作出机构位置图。选取一长度比例尺，按图 4-2 所示的机构上曲柄位置分配作出机构位置图。在其中之一位置上按规定的机构运动简图画法继续画出连杆和滑块，并用粗实线表示出来。该图即为机构运动简图。 机构运动简图的绘图工作要求在计算机上采用电子图版或 CAD 完成。 作图时，曲柄位置图的作法：以 1 为滑块 6 在左端极限位置时相应的曲柄位置，6为滑块 6 在右端极限位置时相应的曲柄位置；而 5和 11分别为矿物在槽上开始滑 动和终止滑动时相应的曲柄位置（这两个位置须在滑块 6 的运动线图和矿物的速度曲线作出后确定）；其余 2 12 是由位置 1 起按转向将曲柄圆周作十二等分得十二个位置。 2、连杆机构和矿物的运动分析 已知 ：曲柄 2 的每分钟转数 n2，其重心位置（构件 2 的重心与轴 O1 重合）矿物对槽的静摩擦系数 f0 和动摩擦系数 f，矿物的重量 G7。 要求： 设计 各构件尺寸， 应用计算机辅助计算程序计算该机构中连杆机构上各连接点的位移、速度、加速度，并绘制出矿物 7 的速度线图、加速度线图和滑块 6的运动线图。 3、连杆机构的动态静力