牛头刨床机械原理课程设计方案一位置9和位置4.doc

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.21、概 述1.1 牛头刨床简介.31.2 运动方案分析与选择42、导杆机构的运动分析2.1 位置4的速度分析62.4 位置4的加速度分析72.3 位置9的速度分析112.4 位置9的加速度分析123、导杆机构的动态静力分析3.1 位置4的惯性力计算153.2 杆组5,6的动态静力分析153.3 杆组3.4的动态静力分析163.4 平衡力矩的计算.174、 飞轮机构设计4.1 驱动力矩194.2 等效转动惯量. 194.3 飞轮转动惯量205、凸轮机构设计226、齿轮机构设计261.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n2l0204l02al04blbcl04s4xs6ys6g4g6pypjs4单位r/minmmnmmkgm2方案603801105400.25l04b0.5l04b240502007007000801.164350905800.3l04b0.5l04b200502208009000801.2724301108100.36l04b0.5l04b1804022062080001001.22.1 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）/60x0.11=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：va4=0.67195954m/s，= va4/ lo4a=0.67195954/0.485783=1.38428 rad/sva4a3=0.15773765m/svb4 = x lo4b=1.38428*0.54=0.747508 m/svb5 = vb4=0.747508m/s对构件4：vc5=vb5+vc5b5大小： ？ 0.747508 ?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/s2.2 位置4的加速度分析对构件2：aa2=w2 lo2a=6.28*6.28*0.11=4.338224 m/s对构件3：构件3和构件2在a处构成转动副，aa3= aa2=4.338224 m/s对构件4：aa4= a a4n + a a4= aa3+ a a4a3k + a a4a3r大小： ? 42lo4a ? ? 方向： ? ba o4b ao2 o4b /o4b 取加速度极点p，加速度比例尺a=0.04（m/s）/mm。a a4a3k= 24a4 a3=2*1.38428*0.15773765=0.43671 m/s=1.38428*1.38428*0.485783=0.93087m/s作加速度多边形如上图所示。得：= 0.55487174m/s ， =1.083698m/s用加速度影象法求得4= a a4t/lo4a =0.55487174/0.485783=1.14222ab5 = ab4 =aa4lo4b/lo4a=1.20464889m/s对构件5：: ac5= ab5 + ac5b5n+ ac5b5大小: ？ ？ 方向： xx cb cb取加速度极点p，加速度比例尺a=0.04（m/s）/mm。作加速度多边形如上图所示。得：=0.63605962/s,=0.63605962/s运动线图计算结果lo4a=0.485783mva2=0.6908 m/sva4=0.67195954m/s =1.38428 rad/sva4a3=0.15773765m/svb4=0.747508 m/svc5=0.7497054m/s aa2=4.338224 m/saa3=4.338224 m/sa a4a3k=0.43671 m/s=0.93087 m/s= 0.55487174 m/s =1.083698m/s4=a a4t/lo4a =1.14222ab5=1.20464889m/s =0.63605962/s,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。lo4a=0.314718541m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）/60x0.11=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，= va4/ lo4a=0.32871/0.314718541=1.047634rad/sva4a3=0.60758m/svb4 = x lo4b=1.047634*0.54=0.56400681 m/svb5 = vb4=0.56400681m/s对构件4：vc5=vb5+vc5b5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=0.56451471m/s2.4 位置9的加速度分析对构件2：aa2=w2 lo2a=6.28*6.28*0.11=4.338224 m/s对构件3：构件3和构件2在a处构成转动副，aa3= aa2=4.338224 m/s对构件4：aa4= a a4n + a a4= aa3+ a a4a3k + a a4a3r大小： ? 42lo4a ? ? 方向： ? ba o4b ao2 o4b /o4b 取加速度极点p，加速度比例尺a=0.04（m/s）/mm。a a4a3k= 24a4 a3=2*1.047634*0.60758=1.26918243m/s=1.047634*1.047634*0.314718541=0.34332348m/s作加速度多边形如上图所示。得：= 5.03958142m/s ， =5.05351276m/s用加速度影象法求得4= a a4t/lo4a =5.03958142/0.314718541=16.012979ab5 = ab4 =aa4lo4b/lo4a=8.6709124m/s对构件5：: ac5= ab5 + ac5b5n+ ac5b5大小: ？ ？ 方向： xx cb cb 取加速度极点p，加速度比例尺a=0.04（m/s）/mm。作加速度多边形如上图所示。得：=8.50949379m/s,=8.50949379m/slo4a=0.314718541mva2=0.6908 m/sva4=0.32871m/s=1.047634rad/sva4a3=0.60758m/svb4 =0.56400681 m/svc5=0.56451471 m/s aa2=4.338224 m/saa3=4.338224 m/sa a4a3k=1.26918243m/s=0.34332348m/s=5.03958142m/s =5.05351276m/s4=16.012979 ab5=8.6709124m/s=8.50949379 m/s,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=m4as4=(g4/g)as4=200/9.8*0.602323=12.292306n，对构件6: 惯性力fi6=m6ac6=(g6/g)ac6=700/9.8*0.57420367=41.014548n，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=154.47259n3.3 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。=0f r23=7846.486793n力多边形由f=0，作力的多边形如上图所示，n=20n/mm。得：fr14=812.52462nfr12= fr32= fr23=7846.486793n3.4 平衡力矩的计算在右图中，对o2点取矩得：m o2=7846.486793*0.10709533=840.3220924n.mfi4=12.292306nfi6=41.014548nfr45=7062.11626nfr16=154.47259nfr54=7062.11626nf r23=7846.486793nfr14=812.52462n mo2=840.3220924 n.m 3.5虚位移原理 所有外力的功率和为0，np+ni6+ng4+ni4+nm=0np=|p|vc|cos180=-7000*0.7497054=-5247.9378ni6=|fi6|vc|cos180=-41.014548*0.7497054=-30.7488281ng4=0.5|g4|vb|cos93.20429428 =-0.5*200*0.747508*0.06634873=-4.95962065ni4=|fi4|vi4|cos120.7647809=-12.292306*0.67195954*0.511514715=-4.22507720nm=mb2把数据代入上式，得平衡力矩mb=842.01772714、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0.1514401020400.50.30.20.24.1 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*m4.2 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 =，= = 4max/o2 =1.92/ =2max(o-) 2/ o2 =,= = 4max(o-) /=0.8-1.92/o 把推程角6等分，并列出对应的摆角：表位置1234567（）012.52537.55062.575（）00.8333333.333337.500011.666614.1663315.0000d/dt00.133333330.26666666660.40.266666666660.133333333330等加速回程： =max-max2/，o2 = = -4max/ =-1.92（-85/180* ) 85/180*等减速回程： =max(，o-（-85/180*) 2/ ，o2= /2= -2max(，o-(-85/180*) / o=1.92(-85/180*)-0.8 位置891011121314（）8597.5110122.5135147.5160（）1514.1663311.66667.53.333330.8333330d/dt0-0.13333333-0.2666666666-0.4-0.26666666666-0.133333333330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138.47632131mm。如下图。3、再以o2为圆心，以lo2o9/l=138.47632131mm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：先用目测法估计凸轮理论廓线上的的大致位置（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；此次设计中，凸轮理论廓线的最小曲率半径 41.22563979mm。（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，对于凸轮的凹轮廓线（这种情况可以不用考虑，因为它