牛头刨床的综合设计与分析_机械原理课程设计说明书.doc

目 录一、设计题目与原始数据 1二、牛头刨床示意图 1三、导杆机构设计 2四、机构的运动分析 3五、机构的动态静力分析 9六、飞轮设计14七、凸轮设计15八、齿轮设计17九、解析法191.导杆机构设计192.机构的运动分析193.机构的动态静力分析224.凸轮设计23十、本设计的思想体会 27十一、参考文献36一、设计题目与数据1题目牛头刨床的综合设计与分析2原始数据刨头的行程 h=600mm行程速比系数 k=1.8机架长 lo2o3=370mm质心与导杆的比值 lo3s4/lo3b=0.5连杆与导杆的比值 lbf/lo3b=0.3刨头重心至f点距离 xs6=210mm导杆的质量 m4=20刨头的质量 m6=52导杆的转动惯量 js4=0.9切割阻力 fc=1400n切割阻力至o2的距离 yp=165mm构件2的转速 n2=80许用速度不均匀系数 =1/30齿轮z1、z2的模数 m12=16小齿轮齿数 z1=18大齿轮齿数 z2=42凸轮机构的最大摆角 max=18凸轮的摆杆长 lo4c=130mm凸轮的推程运动角 0=60凸轮的远休止角 01=10凸轮的回程运动角 0=60凸轮机构的机架长 lo2o4=140mm凸轮的基圆半径 ro=50mm凸轮的滚子半径 rr=15mm二、牛头刨床示意图 图1三、导杆机构设计1、已知：行程速比系数 k=1.8刨头的行程 h=600mm机架长度 lo2o3=370mm连杆与导杆的比 lbf/lo3b=0.32、各杆尺寸设计如下a、求导杆的摆角：max =180（k-1）/（k+1）=180（1.8-1）/（1.8+1）=51 b、求导杆长：lo3b1=h/2sin（max/2）=600/2sin（51/2）=691.43mm c、求曲柄长：lo2a =lo2o3sin（max/2）=370sin25.5=161mm d、求连杆长lbf=lo3blbf/lo3b=691.430.3=207.4mm e、求导路中心到o3的距离lo3m =lo3b-lde/2=lo3b1-1-cos(max/2)/2=658mm f、取比例尺 l=0.005m/mm 在a1图纸中央画机构位置图，大致图形如下： 图2四、机构的运动分析已知：曲柄转速n2=80rpm各构件的重心： 构件6的重心：xs6=210mm第3点：a、速度分析求va3va3 =va2=lo2an/30=0.16180/30=1.34m/s 求va4 = + 大小： ？ 1.34 ？方向：o3a o2a o3a取v=va3/pa3=0.02 在a1图的左下方画速度多边形求vb用速度影像求vb=750.02=1.50m/s求vf = + 大小： ？ 1.50 ？方向： 水平 导路 bf接着画速度多边形由速度多边形求得：vf=v=720.02=1.44m/s 方向水平向右求44=3=va4/lo3a=2.17rad/s 求va4a3va4a3= v=420.02=0.84m/s 方向如速度图a1 左下b 4所示 b、加速度分析求aka4a3aka4a3=24va4a3=2.19m/s2 求aa3aa3=aa2=22lo2a=11.28m/s2 方向：ao2 求ana4ana4=23lo3a=2.86m/s2 方向：ao3 求aa4 + = + + 大小：2.86 ？ 11.28 2.19 ?方向：ao3 o3a o3a o3a取a=aa3/pa3=0.11 在a1图的左下方画加速度多边形 大致图形如a1图c 4aa4=pa4a=3.74m/s2 求ab方向如a1图c 4所示用加速度影像求ab=3.8m/s2 = + + 大小： ？ 10.4 0.01 ?方向：水平 fb bf接着画加速度多边形由加速度多边形求得：af=pfa=10.53m/s2 水平向右 第4点：a、速度分析求va3va3 =va2=lo2an/30=0.092780/30=0.78m/s = + 大小： ？ 0.78 ？方向：o3a o2a o3a取v=va3/pa3=0.015 在a1图的左下方画速度多边形 大致图形如a1图b 5所示求vb用速度影像求vb=3.74m/s;求vf = + 大小： ？ .1.275 ？方向：水平 导路 bf vf = v=1.28m/s 求4 4=3=va4/lo3a=1.03rad/s 求va4a3va4a3 = v=0.12m/s b、加速度分析求aka4a3aka4a3=24va4a3=0.3m/s2 求aa3aa3=aa2=22lo2a=6.5m/s2 方向：ao2 求ana4ana4=23lo3a=0.77m/s2 方向：ao3 求aa4 + = + + 大小 0.79 ？ 6.5 0.3 ?方向：ao3 o3a 如图6 o3a取a=aa3/=0.035 在a1图的左下方画加速度多边形 大致图形如a1图c5所示aa4=pa4a=1.05m/ s2 求ab 用加速度影像求ab=440.035=1.54m/s2 方向如a1图c 5所示 求af = + + 大小： ？ 1.5 0.05 ?方向：水平 fb bf接着画加速度多边形由加速度多边形得：af=a=1.1m/s2 方向：水平向右 第9点：a、速度分析求va3va3 =va2=lo2an/30=0.092780/30=0.78m/s 求va4 = + 大小 ? 0.78 0方向：o3a o2a o3a取v=va3/pa3=0.015 在a1图的左下方画速度多边形大致图形如a1图b 11所示求vb用速度影像求vb=660.015=0.99m/s求vf= + 大小： ? 0.99 ?方向：水平 导路 bfvf=v=0.98m/s 方向水平向左 求44=3=va4/lo3a=0.8rad/s 方向：顺时针求va4a3va4a3=v=0.66m/s 方向如速度a1图b 11所示 b、加速度分析求aka4a3aka4a3 =24va4a3=20.80.66=1.0m/s2方向如速度a1图c 11所示 求aa3aa3=aa2=22lo2a=6.5m/s2 方向：ao2求ana4ana4 =23lo3a=0.45m/s2 方向：ao3求aa4 图8 + = + + 大小：0.45 ？ 6.5 1.0 ?方向：ao3 o3a 如图 o3a取a=aa3/pa3 =0.05 在a1图的左下方画加速度多边形 大致图形如该a1图c 11所示aa4= a=5.5m/s2 求ab用加速度影像求ab=2120.05=10.6m/s2 方向如a1图c 11所示求af = + + 大小： ？ 10.6 0.01 ?方向：水平 fb bf接着画加速度多边形由加速度多边形得：af= a =10.6m/s2 方向：水平向左 在a1图纸左上角绘制刨头的运动线图。大致图形如a1图左上d所示 曲柄位置名称 结果1234456sf00.020.0680.1400.160.2120. 276vf00.61.01.281.21.120.92af10.538.14.21.1-0.03-2.4-0.6 曲柄位置名称 结果788910101112sf0.3040.3120.320.2640.1880.20.1000.016vf0.44-0.280-0.98-1.4-1.6-1.28-0.68af-10.5-12-11.3-10.6-2.7-0.047.212.6五、机构的动态静力分析已知:导杆的质量 m4=16kg 刨头的质量 m6=68kg (其余质量忽略不计) 导杆绕重心的转动惯量 js4=1.6kgm 切削阻力为常数大小为 fc=1600n1.确定惯性力、惯性力矩第4点：f16=-m6af=-681.1=-74.8nf14=-m4as=-160.77=-12.32nm14=-1.64=-1.1nmh =m14/f14=1.1/12.32=0.09m 第9点：f16=-m6af=-6810.6=720.8n f14=-m4as=-165.5=-88n m14=-js44 =-7.79nmh =m14/f14=7.79/88=0.09m 将计算结果汇总在如下表中：曲柄位置导杆4刨头f14m14lh4f164点12.321.10.0974.89点887.790.09720.82.确定齿轮2的重量查指导书得齿轮2的重量g2=500n 3.确定各运动副反力 第4点:a、取构件5、6为示力体在机构位置图上方绘制示力体图，如右：比例尺为：l=0.005m/mm大致图形如图10： + + + + =0上式中只有fr45、fr76的大小未知取力比例尺：p=fc/=20n/mm 在机构位置图下面画力多边形 大致图形如a1图h 5求得：fr45=p=1680n 方向与力多边形中的方向一致 fr76=p=3220=640n方向：垂直导路向上mf=0：fc（lo2m-yp）+g6xs6=fr76h76h76=fc(lo2m-yp)+g6xs6/r76 =0. 0206m b、取构件3、4为示力体在机构位置图右侧绘制示力体图,比例尺为：l=0.005m/mm 大致图形如a1图f 5其平衡方程为： + + + + = 0 mo3=0 (确定fr23的大小)：fr23h23+f14hp+g4h4=fr54h54量得:hi4 =0.078m ；h4=0.002m； h54=0.223mfr23=(fr54h54+f14hp+g4h4)/h23=2580n 矢量式中fr74的大小和方向未知 仍取力比例尺p=20n/mm 接着画力多边形图求得:fr74=p=4320=860n 方向与力多边形中he的方向一致 b、取构件2为示力体在机构位置图右方绘示力体图，比例尺为:l=0.005m/mm 大致图形如a1图g 5 其平衡方程为： + + + = 0mo2=0 （确定pb的大小）：fr32h32=pbrb量得:h32=0.02m 算得:rb =0.06m pb=fr32h32/rb=860n 式中的r72大小和方向未知仍然取力比例尺p=20n/mm 接着画力多边形图，求得： fr72=p=14020=2800n 方向与为多边形中ij的方向一致 第9点:a、取构件5、6为示力体 在机构位置图上方绘制示力体图, 如a1图e 11所示： 比例尺为：l=0.005m/mm + + + =0上式中只有r45、r76的大小未知取力比例尺：p=fi6/=15n/mm在机构位置图下面画力多边形图，大致图形如a1图h 11 求得：fr45=p=4815=720n 方向与力多边形中的方向一致 fr76=p=44.415=666n 方向：垂直导路向上 mf=0：g6xs6=fr76h76h76=g6xs6/fr76=0. 05m b、取构件3、4为示力体在机构位置图右侧绘制示力体图,比例尺为：l=0.005m/mm 大致图形如a1图f 11其平衡方程为： + + + + = 0mo3=0 (确定fr23的大小)：fr54h54+fi4hi4+g4h4=fr23l23量得:hi4 =0.112m； h4=0.012m； h54=0.222m 图15fr23=(fr54h54+ p14hp+g4h4)/lo3a=1155n 矢量式中fr74的大小和方向未知 仍取力比例尺p=15n/mm接着画力多边形图,求得:fr74=p=2215=330n 方向与力多边形中ef的方向一致b、取构件2为示力体在机构位置图右下方绘示力体图 比例尺为:l=0.005m/mm大致图形如a1图g 11：其平衡方程为： + + + = 0mo2=0 （确定pb的大小）：fr32h32=pbrb量得:h32=0.15m 算得:rb =0.06m pb=fr32h32/rb=315n 仍然取力比例尺p=15n/mm 接着画力多边形图,求得：fr72=p=12220=2440n 方向与为多边形中if的方向一致 4、将各运动副反力汇总如下： 位置反力指定的两个位置第4点第9点fr7228001125fr74860330fr76640666fr451680720fr2325801155 fr32258011555、计算平衡力偶矩并汇总如下：曲柄位置123456mb0160240240208152曲柄位置789101112mb-163211232-96-72 6、绘制平衡力偶矩曲线mb-2该曲线在a1图的右上角 纵坐标比例尺：mb=8nm/mm 横坐标比例尺：2=2度/毫米 见a1图 i六、飞轮设计已知：许用速度不均匀系数 =1/25 平衡力矩曲线 mb-2 驱动力矩为常数 曲柄的转数 n2=80rpm 飞轮装在齿轮z1的o1轴上1、作等效阻力矩曲线mr-r由于飞轮准备装在z1的o1轴上，因此|mr|=|mb/i12|可由mb-2曲线直接画出mr-1曲线（见a1图i）。为了使图形一样，其比例尺选为：mr=mb/i12=2.4nm/mm 2、求功曲线wr-1取极距h=50mm 图解积分mr-1得wr-1曲线。纵坐标比例尺为：w =mh/180=2.46.250/180=13.8j/mm 3、求功曲线wd-1根据一个稳定运转循环中能量变化为零，以及md=常数的条件可作出wd-1曲线。比例尺仍为：w=13.8j/mm4、求驱动力矩曲线md-1仍取极距h=50 mm纵坐标比例尺为：m=2.4nm/mm 得驱动力矩：md =hm=112.4=26.4nm 5、确定最大盈亏功为：w=2013.8=276j 6、求飞轮的转动惯量jf=900w/2n2=(90027625)/(3.142 266.672)=8.9kgm 7、确定飞轮尺寸b=4gjf/d3h材料用灰铸铁=7104n/m3取飞轮直径 d=0.5m 取轮缘的高宽比为h/b=1.5 b2=4gjf/d3h=(49.88.9)/(3.141.5b0.537104)b=0.0085m=8.5mm h=1.5b=1.58.5=12.75mm 图19七、设计凸轮轮廓曲线已知：推杆的运动规律为等加速等减速上升和等加速等减速下降,凸轮与曲柄共轴,顺时凸轮机构的最大摆角 max=15凸轮的摆杆长 lo4c=120mm凸轮的推程运动角 0=70凸轮的远休止角 01=10凸轮的回程运动角 0=70凸轮机构的机架长 lo2o4=136mm凸轮的基圆半径 ro=50mm凸轮的滚子半径 rr=15mm摆杆的角位移曲线以及凸轮轮廓曲线的设计已绘制在a2图纸上. 图20 八、齿轮设计及绘制啮合图已知：齿轮1的尺数z1=18齿轮2的尺数z2=60模数m12=12压力角=20齿顶高系数h*a=1径向间隙系数c*=0.251、列表计算集合尺寸名称符号计算公式计算结果小齿轮分度圆直径d1d1=mz1216大齿轮分度圆直径d2d2=mz2720小齿轮齿顶圆直径da1da1=d1+2ha240大齿轮齿顶圆直径da2da2=d2+2ha744小齿轮齿根圆直径df1df1=d1-2hf186大齿轮齿根圆直径df2df2=d2-2hf690小齿轮基圆直径db1db1=d1cos203大齿轮基圆直径db2db2=d2cos676.6分度圆齿距pp=m37.7基圆齿距pbpb=pcos35.4分度圆齿厚ss=p/217.7分度圆齿槽宽ee=p/217.7径向间隙cc=c*m3标准中心距aa=m(z1+z2)/2468实际中心距aa=a468传动比ii=z2/z13.3重合度=b1b2/pb1.53 图21 九、解析法1导杆机构设计已知：（1）行程速比系数k；（2）刨头和行程h；（3）机架长lo2o3（4）连杆与导杆的比lbf/lo3b求解:(1)求导杆的摆角：max=180（k-1）/（k+1）(2)求导杆长：lo3b1=h/2sin（max/2）(3)求曲柄长：lo2a=lo2o3sin（max/2）(4)求连杆长：lbf=lo3blbf/lo3b(5)求导路中心到o3的垂直距离lo3m：从受力情况（有较大的传动角）出发，刨头导路o3b线常取为通过b1b2挠度de的中点m.即： lo3m=lo3b-lde/2将上述已知条件和公式编入程序 见附录与图解法比较，误差在毫米以下。不用修改。2机构运动分析已知： (1)曲柄转速2； (2)各构件的长度。求解：、建立机构的运动方程式如图所示：选定直角坐标系xoy。标出各杆的矢量和转角。各构件矢量所组成的封闭矢量方程式为: 图22+ = a b其中令：ll=lo2o3；y=l03m；s=l03a；将a式分别投影在x和y轴上得l2cosf2=s cos f4 cll+l2 sin f2=s sin f4 d两式相除则得tgf4=(ll+l2sinf2)l2cosf2 (1)在三角形a0203中s2=llll+l2l22l1l2cos(90+f2) (2)将c d两式对时间求导一次得l2w2sinf2=sw4sinf4+vrcosf4 el2w2cosf2=sw4cosf4+vrsinf4 f将坐标xoy绕o点转f4角(也就是将e f两式中的f2角f4角分别减去f4)，经整理后可分别得到vr=l2 w2sin(f2f4) (3)w4=l2 w2 cos(f2-f4)s (4) 再将e f二式方别对时同求导一次后，同样将坐标xoy绕0点转f4角(也就是将式中的f2角f4角分别成去f4)，经整理后可分别得到ar=sw4w4l2w2w2cos(f2f4) (5)ak=2 vr w4 (6)e4=2 vr w 4+ l2w2w2sin(f2一f4) (7)将b式分别投|影在x和y轴上得x：l4 cos f4十l5 cos f5 (8)y：l4 sin f4十l5 sin f5 (9)由(9)式可直接得sin f5=（yl4sinf4）l5 （10）对(9)式求导，一次可得l4w4cosf4=l5w5cosf5 于是由g式可得w5=(l4w4cosf4)l5cosf5 （11）对g式求导一次经整理可得e5=（l4e4cosf4+l4w4 w4sinf4+l5w5w5sinf5)l5cosf5 （12）(8)式中的x是坐标值，要想得到f点的位移xf应该是xf=xx0xf=l4 cos f4+l5 cos f5一(l4 cos f40+l5 cos f50) （13）式中f40 f50是导杆4处在左极限位置l时。导杆4和连杆5与坐标的正向夹角对（13）式求导一次可得：vf=l4w4sinf4l5 w5sinf5 （14）对（14）式求导一次可得af=l4cosf4w4w4l4sinf4e4l5cosf5 w5w5l5sinf5e5 (15)角度的分析关于f4和f5两个角度的分析 当曲柄2运动到第一象限和第四象限时，导杆4在第一象限。此时得出的f4就是方位角。当曲柄2运动到第二象限和第三象限时导杆4是在第二象限，得出的f4是负值，所以方位角应该是f4=180+f4由于计算机中只有反正切，由（10）式是不能直接求出f5因此要将其再转换成反正切的形式f5=atn(gsqr(1g*g) （16）式中g=sin f5=(yl4*sin f4) l5无论曲柄2运动到第几象限。连杆5都是在第二第三象限，由于在第二象限时f5是负值，在第三象限时f5是正值，因此在转换方位角时可以用一个公式来表示即：f5=180+f5 （17）开始计算是在左极限l的位置。因此f2的初值应该是： f2=fq=195(fq为起始角)运行到8时导杆处在右极限终止位置，因此f2的数值应该是：f2=fz=345 (fz为终止角)编写程序及运行结果见附录：结果分析： 上述结果与图解法比较，除加速度略有点误差外其余各结果均无误差。因此验证了图解法和解析法的运算结果都是正确的。加速度的误差尽管很小但也进行了查找修正3机构动态静力分析已知:(1)各构件的质量； (2)导杆绕自身t心曲转动惯量为j。l； (3)切削阻力f的变化规律； (4)齿轮2的重量g=500 n。求解： 一、建立直角坐标系(与运动分析时的坐标相一致如图23所示) 二、求出刨头6和导杆4质心点的加速度和导杆4的角加速度。 图23 三、确定刨头6和导杆4的惯性力和导杆4的惯性力矩。 四、远离原动件拆基本杆组建立机构的力方程式根据已知条件求出各运动副反力及加在原动件上的平衡力和平衡力矩。 1取构件56为示力体可得到方程式： (在回程和工作行程的两端0.05h处fc=0) 向x轴投影 r45cos(f45)+p16fc=0 向y轴投影r45sin（f45）+r76g6=0向f点取距r76h76=fc(l02my p)+g6*xs62取构件34为示力体可得到方程式： 向o3点取矩求r23r23lo3+p14hp+g4h4=r54h54 3取构件2为示力体可得到方程式： 源程序及运行结果见附录结果分析： 上述结果与图解法比较，除某个运动副反力略有点误差外其余各结果均无误差。因此验证了图解法和解析法的运算结果都是正确的。力的误差尽管很小但也进行了查找修正.4凸轮机构的轮廓曲线设计已知(1)从动件8的运动规律及0、01、(2)从动件8的长度lo4c(3)从动件的最大摆角max=16(4)从动件与凸轮的中心距lo2o4(5)凸轮理论轮廓的基圆半径r0(6)滚子半径rr(7)凸轮与曲柄共轴,顺时针回转1.建立数学模型选取xoy坐标系，b0点为凸轮起始点。开始时推杆滚子中心处于b0点处，当凸轮转过角度时，推杆相应地产生位移角。根据反转法原理,此时滚子中心应处于b点，其直角坐标为：y = a sinlsin(0) ax = a coslcos(0) b式中a为凸轮轴心o与摆动推杆轴心a之间的距离,l为摆动推杆的长度。在oa0b0中0=arc cos (a2l2r20)/2al ca式和b式即为凸轮理论轮廓线的方程式。凸轮的实际廓线与理论廓线的距离处处相等，为其理论廓线的等距曲线，且等于滚子半径rr，故当已知理论廓线上任意一点b(x，y)时，只要沿理论廓线在该点的法线方向取距离为rr，即得实际廓线上得相应点b(x,y)。由高等数学知，理论廓线b点处法线nn得斜率(与切线斜率互为负倒数)，应为：tgdx/dy(dx/d)/(dy/d) d式中dx/d、dy/d可根据a式和b式求得：dy/da coslcos(0)(1-d/d) edx/da sinlcos(0)(1-d/d) f代入d式可求出。此处应注意：角在0至360之间变化，当式中分子分母均大于0时，角在0至90之间；分子分母均小于0时，角在180至270之间；如果dy/d0则角在90至180之间；又如dy/d0，dx/d0，则角在270至360之间。当求出角后，实际廓线上对应b(x,y)的坐标可由下式求出：x=xrrcos gy=yrrcos h式中“”号为内等距曲线，“”号为外等距曲线。g式和h式即为凸轮的实际轮廓线方程式。在e式和f式中的即为给定的运动规律中的摆角推杆的角位移，d/d为对凸轮转角的导数，根据给定的等加速等减速上升和等加速等减速返回的运动规律其公式如下：1推程推杆在等加速运动阶段的方程式(在0至0/2之间变化)=2max(/0)2d/d=4max/02推杆在等减速运动阶段的方程式(在0/2至0之间变化)max2max(0)2/02d/d=4max(0)/022推程推杆在等加速运动阶段的方程式(在0至0/2之间变化)=2max(/0)2d/d=4max/02推杆在等减速运动阶段的方程式(在0/2至0之间变化)max2max(0)2/02d/d=4max(0)/02理论廓线的极坐标(向径)和理论廓线及实际廓线的直角坐标计算程序和运行结果见附录附录1导杆机构设计程序及运行结果#includemain()float pi,p,k,h,l1,bfo3b,qmax,l4,l2,l5,y;pi=3.1415926;p=pi/180;k=1.6;h=0.55;l1=0.40;bfo3b=0.3;qmax=180*(k-1)/(k+1)*p;l4=h/(2*sin(qmax/2);l2=l1*sin(qmax/2);l5=l4*bfo3b;y=l4-l4*(1-cos(qmax/2)/2;printf(l1=%.4fnl2=%.4fn,l1,l2);printf(l4=%.4fnl5=%.4fny =%.4fn,l1,l4,l5,y);getch ();运行结果：l1=0.4000l2=0.1418l4=0.4000l5=0.7755y =0.23272机构运动分析源程序及运行结果#includefloat pi,p,k,h,l1,bfo3b,qmax,l4,l2,l5,fq,y;float f2,f40,g,f50,n,f4,i,fz,w2,s,w4,v,ak,ar,e4;float l,f5,w5,e5,xf,vf,af,ls,at,an,as,fs;gan()pi=3.1415926;p=pi/180;k=1.6;h=0.55;l1=0.4;bfo3b=0.3;qmax=180*(k-1)/(k+1)*p;l4=h/(2*sin(qmax/2);l2=l1*sin(qmax/2);l5=l4*bfo3b;y=l4-l4*(1-cos(qmax/2)/2;fq=180+qmax/2/p;fz=360-qmax/2/p;main()gan();f2=fq*p;f40=atan(l1+l2*sin(f2)/l2/cos(f2);f40=180*p+f40;g=y/l5-l4/l5*sin(f40);f50=atan(-g/sqrt(1-g*g);f50=180*p+f50;printf( n f4 ak);printf( w4 sf vf af);printf( w4 as fsn);for(n=1;n=13;n=+n-0.5)if(n=4.5)f2=90*p;f4=90*p;elseif(n=10.5)f2=270*p;f4=90*p;elseif(n=8.5)f2=fz*p;f4=atan(l1+l2*sin(f2)/l2/cos(f2);elseif(n!=4.5&n!=8.5&n!=10.5)i=30*(n-1);f2=(fq-i)*p;if(f20)f2=360*p+f2;f4=atan(l1+l2*sin