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机械设计基础(机械原理部分)课程设计参考解答一、金相加热炉炉门启闭机构设计解答金相加热炉炉门启闭机构以题号1数据为依据进行解答。一、设计分析(炉门处于关闭位置)1.干涉分析干涉分析时,可先判断炉门上最容易与炉壁发生干涉的若干点,分析这些点在炉门启闭过程中的运动情况,据此判断炉门是否与炉壁发生干涉。炉门上最容易与炉壁发生干涉的点为A、B、C、D、E和F等。在炉门开启的瞬时,为保证炉门与炉壁不发生干涉现象,则要求炉门上与炉壁接触的各点其速度分量均不能指向炉壁以内。否则经时间后,该点会与炉壁发生干涉。这样就将干涉分析转化为速度分析,炉门上各点的速度取决于炉门的绝对速度瞬心,其位置在两连架杆位置线的交点上。在解图1-1中,过B点作BE,过C点作CF,过质心W点作铅垂线。当炉门的绝对速度瞬心位于与线之间时,无论炉门的角速度方向如何,均会发生炉门与炉壁干涉现象。例如炉门以顺时针方向方向运动时,炉门上D点会与炉壁发生干涉现象,逆时针方向运动时,炉门上A点会与炉壁发生干涉现象。解图1-1当炉门的绝对速度瞬心位于线以上,开启炉门时其角速度方向应为逆时针方向。绝对速度瞬心位于区域时,B点与炉壁发生干涉;绝对速度瞬心位于区域时,C点与炉壁发生干涉。所以,只有当炉门的绝对速度瞬心位于区域时,炉门才不会与炉壁发生干涉。同理,当炉门的绝对速度瞬心位于区域时,炉门不会与炉壁发生干涉。以上分析仅为炉门不发生干涉的必要条件,所以还需作出上述若干点在运动过程中的轨迹曲线,判断这些曲线是否与炉壁相交,用以确定炉门与炉壁是否发生干涉。2.稳定性分析质心位置确定为了简化计算,假设炉门的质心位置与炉门截面的形心位置重合,如解图1-2所示。其中C1是梯形截面形心,C2是矩形截面形心,C为炉门截面总形心,则:解图1-2炉门受力分析炉门在关闭位置稳定是指炉门在这一位置的受力平衡。若不平衡,则炉门将受到一个合力或合力矩的作用,从而产生运动。炉门在关闭位置时受到4个力的作用:两连架杆作用于炉门上的力F1、F2,其方向沿连架杆位置线;重力W,作用在质心且方向铅锤向下;炉壁作用于炉门上的支撑力Ri,方向向右且水平。将这些力对炉门的绝对速度瞬心取矩,考虑到干涉分析结果,则炉门的绝对速度瞬心只能位于和区域内。参考解图1-1,假设炉门绝对速度瞬心位于区域内线左边,则F1、F2对绝对速度瞬心的力矩为零,重力W对绝对速度瞬心的力矩为顺时针方向,支撑力Ri对绝对速度瞬心的力矩为逆时针方向,力矩可以平衡,即炉门是稳定的。反之,若炉门绝对速度瞬心位于区域内线右边,则重力W和支撑力Ri对绝对速度瞬心的力矩均为逆时针方向,故无法平衡,即炉门处于不稳定状态。同理可分析炉门绝对速度瞬心位于区域内炉门的稳定状态。3.分析结论通过上述分析可知,炉门在启闭两位置时绝对速度瞬心的位置,如解图1-3所示。解图1-3二、设计示例解图1-4A(41,87)B(40,145)C(50,80)D(25,-145)W(33.595,125) m/mm mm mm mm mm解图1-5以题号1数据为依据的设计结果见解图1-5,危险点和质心轨迹曲线见解图1-4。二、汽车转向梯形机构设计解答汽车转弯时理论上两连架杆转角与之间的关系如下(参见解图2-1): 解图2-1 解图2-2汽车外轮最大转角的计算:铰链四杆机构运动方程(参见解图2-2):向、坐标轴投影:消去得:汽车转向梯形机构的转向臂长和横拉杆长度的计算:为保证汽车左或右转弯时具有相同的特性,转向传动机构应为等腰梯形机构,即满足:将以上各式代入铰链四杆机构运动方程中,整理后得: (1)此方程共有三个未知数:转向臂长、横拉杆长度和初始角,所以可以精确满足连架杆三对对应角位移。当给定连架杆三对对应角位移时,需要求解一个非线性方程组,以确定未知量。实际求解此方程时,一般先给定连架杆的初始角,再给定连架杆的两对对应角位移,将非线性方程组转化为线性方程组求解。由于汽车大部分时间是直线行驶,所以一定要精确实现、这一对对应角位移要求,代入上式后得: 即横拉杆长度为: (2)将(2)式和另一对对应角位移的精确值、代入(1)式可求出转向臂长: (3)误差分析:由于设计时仅给定了两对对应角位移,故所设计的转向梯形机构也只能精确地实现这两对对应角位移,所以实际机构所实现的转角与理论转角有一定的偏差,因此需要做误差分析。实际机构的转角关系可利用(3)式求得,变换原式为: 令: 则原式化简为: 两边平方: 上式可写为: 解出: 注意:上式可解出两个值,舍去不合理的一个值。设计示例以题号1数据为依据进行设计:已知:mm, mm, mm, mm汽车外轮最大转角有关资料推荐初始角和可对应角位移按下式选取:取: ,则: mm mm说明:表示与解图2-2所示向量方向相反,即为后置式转向梯形机构。根据经验及安装等要求,一般应控制。以上计算中偏大,故应在附近重新选点计算。当偏大时,应减小的值;反之,应增加的值。如:时,。当时,可设计出前置式转向梯形机构。误差分析:详见“转向梯形机构.xls”文件。最大误差,显然误差较大,一般应控制在12范围内。若需要改变最大误差,可在Excel 中打开“转向梯形机构.xls”文件,修改精确点(C5单元)的值。如取,则最大误差。修改(E5单元)的值,可改变的比值。转向梯形机构运动简图见解图2-3,机构的设计计算见解图2-4,误差分析曲线见解图2-5。解图2-3解图2-4解图2-5三、牛头刨床主传动机构设计解答设计:已知条件: r/min, mm,解:取: mm mm mm mm取: mm所设计的牛头刨床主传动机构的机构运动简图如解图3-1所示。解图3-1运动分析:曲柄导杆机构(1-2-3-4)运动分析(参考解图3-2):由解图3-2中封闭向量多边形得: 将上式各向量投影到、轴上得: 解图3-2由(1)、(2)式可得: (1)、(2)式对时间求一阶导得: 消去求: 化简得: 由(3)、(4)消去可求: (1)、(2)式对时间求二阶导得: 消去求: 化简得: 由(5)、(6)消去可求: 导杆滑块机构(1-4-5-6)运动分析(参考解图3-2):由解图3-2中封闭向量多边形得: 将上式各向量投影到

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