机械原理课程设计--摇摆式输送机.docx

机械原理课程设计摇摆式输送机说明书 负 责 人： 何竞飞 学 院： 机电工程学院 班 级： 机械1102班 学 号： 0806110229 日 期： 2013年 7月1 日 目录 1设计任务及原始参数 2运动方案设计 2.1 主机构方案 2.2 电动机主机构（齿轮传动机构方案） 2.3 总体方案图3. 电动机选择. 3.1 电动机型号 3.2 电动机的功率 4. 传动比分配 5. 齿轮机构设计 5.1齿轮参数选择 5.2变位齿轮设计 6. 主机构设计 7. 主机构运动分析 8. 主机构受力分析 9. 主机构速度波动调节 9.1等效力矩确定 9.2最大盈亏功计算 9.3等效转动惯量计算 9.4飞轮转动惯量计算 10. 设计总结 1. 课程设计的任务机械原理课程设计的任务是对机器的主体机构进行运动分析、动态静力分析，求出所有的运动副反力及平衡力矩。要求学生根据设计任务，绘制必要的图纸（或编制计算程序），编写设计计算说明书。要达到课程设计的目的，必须配以课程设计的具体任务：按照选定的机械总功能要求，分解成分功能，进行机构的选型与组合；设计该机械系统的几种运动方案，对各运动方案进行对比和选择；对选定方案中的机构连杆机构、凸轮机构、齿轮机构，其他常用机构，组合机构等进行运动分析与参数设计；通过计算机编程，将机构运动循环图在计算机屏幕上动态地显示出来，并给出相应的运动参数值。原始数据：参数项目 物料重量G（Kg） 曲柄转速n4 (r/min) 行程速比系数K 位置角 1 () 3120 114 1.2 60 摇杆摆角角2() l (mm) h (mm) lCD (mm) 60 220 360 270 2. 运动方案设计 2.1主机构方案 通过查询分析几种经典的运送机结构并分析其优缺点，结合自己的改动确定了机构的基本结构位置和转动方式。2.2 电动机主机构方案 2.3总体设计方案3.电动机选择3.1 电动机型号 结合功率及转速可以确定电动机型号为Y18L-4 选自 秦大同现代机械设计手册P25-24 “Y系列三相异步电动机数据”3.2 电动机的功率 设经过皮带齿轮传动后加于主机构的功率为Pr，地面与小车之间的摩擦系数f=0.01，一个周期滑杆行进的路程为H。 每次小车获得的动能为W车，一秒完成的周期数为n根据公式：W磨=2FrH，(3-1) f=0.1Fr=fG,(3-2) G=3120KgW车=0.5mVmax(3-3) H=0.27mW=n(W车+W磨)(3-4) n=1.9Pr=W/T, Vmax=2.1m/s可以求得:Pr=16.272Kw 选择V带传动和二级齿轮传动，传动装置 1=0.94 的总效率=12345 2=3=4=0.98 5=0.99其中1为皮带传动效率，234为轴承传动 数据取自毛炳秋机械设计效率，5为齿轮传动效率。 课程设计P20 2-13得到=0.8711 实际电动机功率P=Pr/ P=18.6Kw, 结合功率及转速可以确定电动机型号为Y18L-4 （选自 秦大同现代机械设计手册P25-24 “Y系列三相异步电动机数据”）4.主机构设计 主机构的设计及各杆尺寸的确定通过CAD作图测量得到。主要过程：1.取一点D作为一个机架，过D做两条与水平线分别成60和120长为270mm的直线，直线端点为C，BD=0.6CD=162mm，即可确定B点。行程速比系数K=1.2，由公式=180（K+1）/（K-1）可以求出角度为16.36以B1，B2点为角的边做角度16.36，角的顶点记为D点。以B1，B2，D三点画圆，以D点水平向左做一条长为220mm的线段，垂直向上与圆交与O点，连接OB1和OB2,可以测量的OB1=166.22mm，OB2=314.14mm，根据主机构结构特点，B1，B2为两极限位置，则OA+AB=314.14mm，AB-OA=166.22mm。根据此方程求解得OA=74.09mm，AB=240.31mm。由h=360mm可知，另一机架与D点竖直距离为360mm。测得最小传动角为43，符合传动要求。主机构构件长度及位置确定完毕。 参考4.传动比的分配 计算总传动比： 公式：i=ndnr 可以得到i=12.6，本机构采用皮带轮加二级圆柱齿轮减速器构成。皮带轮传动比为i皮=2，则齿轮机构传 nd=1440r/min为动比i齿=12.6/2=6.2，齿轮机构设计图如下： nr=114r/min 公式：i齿=Z2Z3Z1Z2 ,设齿轮1和2间的传动比为i1，齿轮2和3之间的传动比为i2. 公式：i1=1.4i2=1.4i齿（毛炳秋机械设计课程设计P19 2-6 i1=3，i2=2.1 5.齿轮系的设计 1.齿轮基本数据的确定 由第四步已经确定了齿轮间的传动比，根据公式可以确定各个齿的齿数。 根据公式i12=Z2Z1可以得到： Z1=20 Z2=60 Z2=20 Z3=40 取齿轮的模数m=5，可以得到齿轮的基本参数： 项目 代号 小齿轮 大齿轮 模数 m 5 5 压力角 20 20 分度圆直径 d 100mm 300mm 齿顶高 h a 5mm 齿根高 h f 6.25mm 齿全高 h 11.25mm 齿顶圆直径 d a 110mm 310mm 齿根圆直径 d f 87.5mm 287.5mm 基圆直径 d b 94mm 282mm 齿距 p 15.7mm基圆齿距 p b 14.75mm 齿厚 s 7.85mm 齿槽宽 e 7.85mm 顶隙 c 1.25mm 标准中心距 a 200mm 公式来源 孙恒机械原理P180 10-2 2.变位齿轮的选取 由于变速后使齿轮的的转速降低，加大了低速齿轮间的作用力，为了 避免因应力过大而导致齿轮的磨损和破坏，将低速齿轮设计为变位齿轮以 提高齿轮的承载能力。 资料来源 孙恒机械原理P191根据上表公式 a=m(Z3+Z2)/2a=150mm 可以求得标准中心距，可以取变位后的 Z2=40中心距a,=152mm m=5公式： ,=arccos(acosa,) Z3=20 得到,=21 变位系数x1+x2=(inv,-inv)(Z3+Z2)/(2tan) 得到x1+x2=0.2 查表可得x1=0.15，x2=0.05参考公式 孙恒机械原理P191 10-28变位齿轮基本参数：名称 符号 不等变位齿轮传动变位系数 x x1+x2=0.2节圆直径 d, d1,=201mm d2,=100.6mm啮合角 , 21.2齿顶高 h a 3.75mm 3.25mm齿根高 h f 5.5mm 6mm齿顶圆直径 d a 208.5mm 107.1mm齿根圆直径 d f 190mm 88.6mm中心距 a 150.8中心距变动系数 y 0.4齿顶高降低系数 y -0.2参考公式 孙恒机械原理P192 10-46.主机构运动分析 使用CATIA完成1. 构件的建立：使用CATIA将各个构件按照长度比例画出。OA杆：AB杆：CD杆：滑块： 滑杆： 机架：整体效果图：对主机构进行运动分析：采用CATIA进行DMU运动仿真，选取OA杆的转动角度为横坐标，以滑杆的速度加速度为纵坐标画出图像并进行导出。滑杆位移图像：滑杆的速度图像：滑杆的加速度图像： 摆杆位移图像：摆杆角速度图像：摆杆角加速度图像：7，机构的受力分析 机构分析步骤： 1.进行速度分析，画出每个点的速度矢量图。 2.进行加速度分析，画出加速度矢量图。 3.将角加速度及加速度化为等效惯性力。 4.取单个构件进行力矢量求解得到各个力并求出等效力矩 （孙恒 机械原理P57） 对当=150时的机构进行力分析： 7.1速度分析： 根据机构特点可以列出速度矢量方程： vB=vA+vBA(7-1) vA=0.88m/s vA=2nl1/60(7-2) 画出速度矢量图： vB=0.5m/s vA vBA vBA=0.6m/s vB 选定比例系数测量出三个速度大小 aBAn=1.5 m/s 7.2加速度分析 根据公式an=v2/l(7-3) aBn=1.54 m/s 求出aAn aBn aBAn aAn=10.45m/s 根据加速度矢量方程式： aB=0 aB+aBn =aAn+aA+aBA+aBAn CD CD OA OA AB AB 做出加速度矢量图： ac aB aBn as2 ac=11.1m/s aB=6.8m/s aBA as2=8.4m/s aBn aBA=5.6m/s选取比例系数可以测量出acaBas2aBA 7.3加惯性力 公式M=J.(7-4) MAB=2Kg.m 可以求出AB杆上的惯性力矩 F=M/L(7-5) F2=403.2N F=ma(7-6) h=13mm 求出加在AB杆上的惯性力F2及偏移量h 7.4对机构进行力分析 取滑块进行分析： acx=10.7m/s 将C的加速度沿水平和竖直方向分解可以得到： acy=3.1m/s acx acy 对滑块进行受力分析： 滑块受到的力：F34x F34y F54 Fa4 G4 列出方程： F34x-F54 =macx(7-7) F34y=562N F34y-G4=macy(7-8) F34x=749N 对CD杆进行受力分析： CD杆受到的力有：F43x F43y F23 F63x F63y G3 lCDx=100mm 对D点取矩得到公式： lCDy=253mm lCDxlCDylCBxlCBy lCBx=50mm F43xlCDy+F43ylCDx+G3lCBx=F23lBD+aB/lBD (7-9) lBD=162mm 可以得到F23 F23=753N 对AB杆进行分析 AB杆受到的力有F2 G2 F32n F12n F12 G2=480N 可以画出力的矢量图： F12n F12 G2 F2 F32n F12n=300N 选取比例系数可以求出F12n F12 F12=990N 对OA杆进行分析 将F12n F12反向并沿平行和垂直方向分解于OA杆上 F21n F21 G1 对O点求矩可以得到方程： Md=F21lOA+12G1lOAx 用此方法分析其余两位置可得到其余参数。 G1=150N 备注：若考虑小车及物料质量，在小车和物料存在时 lOAx=32mm 等效力矩将极大。 Md=21.8N.m9主机构速度波动调节9.1 matlab求解平衡力矩取曲柄OA为等效构件，根据机构位置和切削阻力Fr确定一个运动循环中的等效阻力矩Mr（）。通过MATLAB建模可以得到整个机构的等效组力矩的图像，可以利用积分求出平均阻力矩，函数源代码如下： clear all;clc;%初始条件theta1=linspace(-25.72,334.28,100);%单位度theta1=theta1*pi/180;%转换为弧度制W1=52.2*pi/30;%角速度 单位rad/sH=0.4;%行程 单位mL1=0.074;%O2A的长度 单位mL3=0.24721;%O3B的长度 单位mL4=0.2718;%BF的长度 单位mL6=0.38833;%O2O3的长度 单位mL6u=0.62132;%O3D的长度 单位mZ=pi/180;%角度与弧度之间的转换dT=(theta1(3)-theta1(2)/W1;%时间间隔for j=1:100 t(j)=dT*(j-1);%时间因素end %求解S3、Theta3、Theta4和SE四个变量S3=(L6)2+(L1)2-2*L6*L1*cos(theta1+pi/2).0.5;%求出O3A的值for i=1:100%求解角度theta3、Theta4和SE的长度 theta3(i)=acos(L1*cos(theta1(i)/S3(i); theta4(i)=asin(L6u-L3*sin(theta3(i)/L4); SE(i)=L3*cos(theta3(i)+L4*cos(theta4(i);end%求解完成%求解完成%求解VS3、W3、W4和VE四个变量for i=1:100 J= inv(cos(theta3(i),-S3(i)*sin(theta3(i),0,0; sin(theta3(i),S3(i)*cos(theta3(i),0,0; 0,-L3*sin(theta3(i),-L4*sin(theta4(i),-1; 0,L3*cos(theta3(i),L4*cos(theta4(i),0); K=J*W1*-L1*sin(theta1(i);L1*cos(theta1(i);0;0; VS3(i)=K(1); W3(i)=K(2); W4(i)=K(3); VE(i)=K(4);end%求解完成%求解aS3、a3、a4、aE四个变量for i=1:100 J= inv(cos(theta3(i),-S3(i)*sin(theta3(i),0,0; sin(theta3(i),S3(i)*cos(theta3(i),0,0; 0,-L3*sin(theta3(i),-L4*sin(theta4(i),-1; 0,L3*cos(theta3(i),L4*cos(theta4(i),0); P=W1*W1*-L1*cos(theta1(i);-L1*sin(theta1(i);0;0; M=-W3(i)*sin(theta3(i),-VS3(i)*sin(theta3(i)-S3(i)*W3(i)*cos(theta3(i),0,0; W3(i)*cos(theta3(i),VS3(i)*cos(theta3(i)-S3(i)*W3(i)*sin(theta3(i),0,0; 0,-L3*W3(i)*cos(theta3(i),-L4*W4(i)*cos(theta4(i),0; 0,-L3*W3(i)*sin(theta3(i),-L4*W4(i)*sin(theta4(i),0; N=VS3(i);W3(i);W4(i);VE(i); K=J*(-M*N+P); aS3(i)=K(1); a3(i)=K(2); a4(i)=K(3); aE(i)=K(4);end%求解完成%动态静力分析%初始条件M4=194.1;M5=48.54;M6=62;Js4=6.775;Js5=0.106;Fc=4000;Ls4=0.5*L3;Ls5=0.5*L4;%给摩擦力赋值for i=1:100 if(abs(SE(1)-SE(i)0.05*H&abs(SE(1)-SE(i)0.95*H)&(theta1(i)1.05*H&abs(SE(1)-SE(i)1.95*H)&(theta1(i)pi) Fc(i)=200; else Fc(i)=0; end endend%赋值完成%求解平衡力矩J4=Js4+M4*(0.5*L3)*(0.5*L3);%导杆对点O3的转动惯量for i=1:100 Ekk(i)=(M6*VE(i)*VE(i)+Js5*W4(i)*W4(i)+M5*VE(i)*VE(i)+J4*W3(i)*W3(i)/2;%计算总动能enddEkk(1)=Ekk(1)-Ekk(100);%动能的改变量for i=2:100 dEkk(i)=Ekk(i)-Ekk(i-1);%动能的改变量endfor i=1:100 MM(i)=(dEkk(i)+Fc(i)*abs(VE(i)/W1;%求平衡力矩end%画图%画运动图figure(1);plot(t,theta3,r);hold on;plotyy(t,theta4,t,SE);grid on;xlabel(时间t/s);ylabel(theta3、theta4(rad);title(角度Theta3、theta4和位移SE);axis( 0 , 0.75,-0.2,2);figure(2);plot(t,W3,r);hold on;grid on;plotyy(t,W4,t,VE);xlabel(时间t/s);ylabel(W3、W4(rad/s);title(角度速度W3、W4和速度VE);axis(0 , 0.75,-5,3);figure(3);plot(t,a3,r);hold on;plotyy(t,a4,t,aE);grid on;xlabel(时间t/s);ylabel(a3、a4(rad/s/s);title(角度加速度a3、a4和加速度aE);axis(0 , 0.75,-80,80);%运动图画完%画反力图figure(4);plotyy(theta1,Fc,theta1,SE);xlabel(Theta1（时间t）);ylabel(Fc);axis(theta1(1) ,theta1(100),-50,1400);title(切削阻力Fc与位移SE);grid on;figure(5);plotyy(theta1,MM,theta1,Fc);xlabel(Theta1（时间t）);ylabel(力矩);axis(theta1(1) ,theta1(100),-50,700);title(平衡力矩);grid on;figure(6);plotyy(theta1,Ekk,theta1,SE);xlabel(Theta1（时间t）);ylabel(Fc);title(导杆、滑杆和滑块的总动能);grid on;theta1(1)theta1(100)得到阻力矩的变化图像如下：9.2等效力矩采用数值积分的方法利用