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牛头刨床机构 说明书设计题目：牛头刨床机构学 院：机电工程学院班 级：10材料*学 号：*设 计 者：yeshuai指导老师：*大学2012年6月4日机械设计说明书目录机械设计说明书目录1一.机构简介与设计数据21.1机构简介21.2设计数据2二.机构的设计及分析32.1速度分析32.2.加速度分析4三.动态静力分析93.1曲柄位置为793.1.1取构件5.6基本杆组为示力体如图93.1.2取构件3.4基本杆组为示力体(如图1-6)103.1.3 取构件2为示力体为示力体如图(1-8)103.2曲柄位置为11113.2.1.取构件5.6基本杆组为示力体（如图2-5）113.2.2取构件3.4基本杆组为示力体（如图2-6）123.2.3取构件2为示力体12四.凸轮机构的设计134.1凸轮基圆半径的确定134.2轮廓设计14五.齿轮机构的设计165.1齿轮变位系数的选择165.2齿轮啮合图的绘制18六参考文献22一.机构简介与设计数据1.1机构简介牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，主要由齿轮机构，导杆机构和凸轮机构等组成，如图1-1（a）所示。电动机经减速装置（图中只画出齿轮z1，z2）使曲柄2转动，再通过导杆机构2-3-4-5-6带动刨刀做往复切削运动。工作行程时，刨刀速度要平稳；空回行程时，刨刀要快速退回，即要有急回作用。切削阶段刨刀要近似匀速运动，以提高刨刀的使用寿命和工件的表面加工质量。刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴O2上的凸轮驱动摆动从动件O7D和其他有关机构（图中未画出）来完成的。为了减小机器的速度波动，在曲柄轴O2上安装一调速飞轮。切削阻力如图1-1（b）所示。O2AO4xys6s3Xs6CBYs6234567n2FrYFr图（a1.2设计数据设计内容导 杆 机 构 的 运 动 分 析导杆机构的动态静力分析符 号n2L0204L02AL04BLBCL04S4XS6YS6G4G6FryFJS4单位r/minmmNmmkgm2方案603801105400.25L04B0.5L04B240502007007000801.10.15内容凸轮机构设计符号maxlO7D001002运动规律单位（ ）mm（ ）等 加 速等 减 速方案1512540751075200内容齿轮机构设计符号z1z2m单位mm（ ）方案1040620二.机构的设计及分析2.1速度分析A）曲柄位置为7.（如图1-1）图1-11速度分析：由运动已知的曲柄上A(A2,A3,A4 )点开始，列两构件重合点间速度矢量方程，求构件4上A点的速度A4。因为A3=A2=2n2/60lO2A=20.11m/s=0.6908m/s（O2A）所以 A4 = A3 + A4A3大小？方向O4AO2AO4A取极点p，按比例尺=0.01（m/s）/mm作速度图（如图1-2），并求出构件4（3）的角速度4和构件4上B点的速度B以及构件4与构件3上重合点A的相对速度A4A3。图1-2因为 A4 = =0.0134.0m/s =0.345 m/s4 = A4/lO4A =0.35525/0.42206 =0.815 rad/s且3=4（顺时针）B = 4lO4B = 0.8150.54m/s =0.44m/s所以 A4A3 = = 0.0160= 0.60m/s对构件5上B、C点，列同一构件两点间的速度矢量方程：C =B + VCB大小？方向xxO4BBCC= uv = 0.0143 = 0.43m/s5 = CB/ lBC = 0.0110.0/0.135rad/s =0.741rad/s2.2.加速度分析由运动已知的曲柄上A（A2，A3，A4）点开始，列两构件重合点间加速度矢量方程，求构件4上A点加速度aA4。因为=4LO2A /60=40.11/60 m/s=4.338m/s =4lO4A=0.8150.8150.417=0.28m/saA4A3K = 24vA4 A3 =20.8150.600.98m/saCB =5 LBC = 0.741 0.7410.135=0.0741 m/s取3、4构件重合点A为研究对象，列加速度矢量方程得： aA4 = + aA4t = aA3n + aA4A3K + aA4A3r 大小: 42lO4A ? 24vA4 A3 ? 方向： A O4 O4A AO2 O4A（向左下）O4A取加速度极点为P,加速度比例尺Ua=0.05（m/s）/mm,作加速度多边形1-3图1-3则由图知, aA4t=AA42=51.00.05m/s=2.55m/s,4= aA4t/ LO4A=6.12rad/s （顺时针） aA4 =PA42 =510.05m/s =2.55 m/s用加速度影象法求得 aB = 0.0566=3.3 m/sas4 =0.5 aB =0.53.3m/s =1.65m/s取5构件为研究对象,列加速度矢量方程,得 ac = aB + acBn + a cBt大小 ? ？方向 XX CB BC其加速度多边形如图1-3所示,有ac =63.50.05m/s= 3.175m/sa5 = a CBt/lCB =0.05160.135 rad/s=5.93 rad/sB) 曲柄位置为11（如图2-1）图2-11速度分析：因构件2和3在A处的转动副相连，故VA2=VA3，其大小等于W2lO2A，方向垂直于O2 A线，指向与2一致。A3=A2=2n/60lO2A=20.11m/s=0.6908m/s（O2A）取构件3和4的重合点A进行速度分析。列速度矢量方程，得A4 = A3 + A4A3 大小 ? ? 方向 O4A O2A O4B取速度极点P，速度比例尺uv=0.01(m/s)/mm ,作速度多边形如图图2-2则由图2-2知，A4=1=63.00.01m/s=0.63m/s4=A4/ lO4A=0.63/0.282 rad/s=2.23 rad/sB=4 lO4B=2.230.54=1.26m/svA4A3=v=250.01m/s=0.25m/s取5构件作为研究对象，列速度矢量方程，得 C = B + CB 大小 ? ? 方向 XX O4B BC则由图2-2知， C= 1=125.50.01m/s=1.255m/s5 =CB/lCB=0.0113/0.135 rad/s=0.963 rad/s2.加速度分析：取曲柄位置“11”进行加速度分析。因构件2和3在A点处的转动副相连，故=,其大小等于22lO2A,方向由A指向O2。=22LO2A=40.11m/s2=4.338m/s =4lO4A=2.230.282=1.40m/saA4A3K = 24vA4 A3 =22.230.251.115m/saCB =5 LBC = 0.963 0.135=0.1252m/s取3、4构件重合点A为研究对象，列加速度矢量方程得： aA4 = + aA4t = aA3n + aA4A3K + aA4A3r大小: 42lO4A ? 24A4 A3 ?方向： AO 4 O4A AO2 O4B（向右下） O4A取加速度极点为P,加速度比例尺ua=0.10（m/s）/mm,作加速度多边形 2-3图2-3则由图 aA4 =ua =160.1m/s2 =1.6 m/s用加速度影象法求得 aB = 0.130.6=3.06m/sas4 =0.5 aB =0.53.06m/s =1.53 m/s4= aA4t/ LO4A=0.14/0.282=1.418rad/s（顺时针） 取5构件为研究对象,列加速度矢量方程,得 ac= aB + acBn + a cBt大小 ? ？方向 XX CB BCac =ua =370.1m/s2= 3.7 m/sa5 = a CBt/CB =0.140.135 rad/s2=2.963 rad/s三.动态静力分析3.1曲柄位置为7 首先依据运动分析结果，计算构件4的惯性力F4（与aS4反向），构件4的惯性矩M4（与4反向，逆时针），构件4的惯性力平移距离lh4（方位：右上），构件6的惯性力矩F6（与ac反向）。 F4=m4aS4=(G4/g)aS4=(200/9.81)1.65N=33.64N M4=4JS4=6.121.1=6.73Nmlh4=M4/F4=6.73/33.64=0.2m=200mmF6=m6aS6=(G6/g)aS6=(700/9.81)3.175N=226.55N3.1.1取构件5.6基本杆组为示力体如图(1-5)图1-5因构件5为二力杆，只对构件（滑块）6作受力分析即可，首先列力平衡方程：F=0 FR65=-FR56 FR54=-FR45 FR16 + Fr + F6 + G6 + FR56 = 0大小 ？ ？方向 xx xx xx xx BC按比例尺F=50N/mm作力多边形，求出运动副反力FR6和FR56。FR6=5025.5=1275N FR56=50141N=7050N对C点列力矩平衡方程：MC=0 FR16lx+F6yS6=FryF+G6xS6lx=（700080+700240-261.16250）/1275=550.51mm3.1.2取构件3.4基本杆组为示力体(如图1-6)图1-6首先取构件4，对O4点列力矩平衡方程（反力FR54的大小和方向为已知），求出反力FR34： FR54=-FR45 FR34=-FR43 FR65=-FR45MO4=0 FR54lh1 -FR34lO4A=0FR34=（7050528+239510+70069）/426=9137.5N再对构件4列力平衡方程，按比例尺F=50N/mm作力多边形如图（1-6）。求出机架对构件4的反力FR14：F=0 FR5 + G4 + F4 + FR34 + FR14 = 0大小 ？方向 BC xx O4A ?FR14=3500N3.1.3 取构件2为示力体为示力体如图(1-8) 图1-8FR34=-FR43 FR32=-FR23F=0 FR32+FR12=0 FR12=9353.4501NMO2=0 FR32lh-Mb=0 Mb=548.25Nm3.2曲柄位置为11先依据运动分析结果，计算构件4的惯性力F4（与aS4反向），构件4的惯性矩M4（与4反向，逆时针），构件4的惯性力平移距离lh4（方位：右上），构件6的惯性力矩F6（与ac反向）。F4=m4aS4=(G4/g)aS4=(200/9.81)1.53 N=31.19N M4=4JS4=1.61.1Nm=1.76Nm lh4=M4/F41.76/31.19m=0.0566m=56mm F6=m6aS6=(G6/g)aS6=(700/9.81)3.7N=264.02N3.2.1.取构件5.6基本杆组为示力体（如图2-5）图2-5因构件5为二力杆，只对构件（滑块）6作受力分析即可，首先列力平衡方程：F=0 FR65=-FR56 FR54=-FR45 FR16 + Fr + F6 + G6 + FR56 = 0大小 ？ ？方向 x xx xx xx BC按比例尺F=50N/mm作力多边形，如图，求出运动副反力FR6和FR56。FR6=506N=300N FR56=5073N=3650N对C点列力矩平衡方程：MC=0 FR16lx+F6yS6=FryF+G6xS6lx=（700080+700240-260.0250）/300mm=2383.33mm3.2.2取构件3.4基本杆组为示力体（如图2-6） 图2-6首先取构件4，对O4点列力矩平衡方程（反力FR54的大小和方向为已知），求出反力FR34：FR54=-FR45 FR34=-FR43MO4=0 FR54lh1+F4lh2+G4lh3-FR34lO4A=0FR34=(3650178+31.1970+1800)/94N=6954.08N再对构件4列力平衡方程，按比例尺F=10N/mm作力多边形如图。求出机架对构件4的反力FR14： F=0 FR5 + G4 + F4 + FR34 + FR14 = 0大小 ？方向BC xx O4A ?FR14=650N3.2.3取构件2为示力体图2-8FR34=-FR43 FR32=-FR23F=0 FR32+FR12=0 FR12=1243.169NMO2=0 FR32lh-Mb=0 Mb=685099/1000Nm=687.15Nm四.凸轮机构的设计4.1凸轮基圆半径的确定用诺谟图法确定基圆半径当推杆的运动规律为常见运动规律时，可用诺谟图（如图附图）近似确定基圆半径r0。诺谟图如后图所示，图中Vmax表示四种常用运动规律的最大速度因素，其值见表1，amax为推程的最大压力角，h为推杆行程，rw为凸轮的基圆半径与推杆行程一半之和，即rw=r0+h/2，0为推程运动角。 表1 几种常用运动规律的最大速度因数Vmax运动规律等速运动等加速等减速余弦加速度正弦加速度五次多项式最大速度因数Vmax 1.00 2.001.57 2.00 1.88把滚子中心D的轨迹所对的弦长D0D当作直动推杆的行程(如图)，故： h=2lsin/2=2125sin7.5mm=32.63mm根据给定的运动规律为等加等减速,且最大压力角amax=45，从图中查得rw=55，所以凸轮的42lO4A基圆半径为 r0=rw-h/2=55-32.63/2mm=40mm滚子半径：rr=0.1r0=400.1mm=4mm4.2轮廓设计a)求理论轮廓线 建立oxy坐标系，D0点为凸轮推程段的起始点。反转运动中，当摆杆相对凸轮转过=15角时，摆杆其角位移为，则D点坐标为x=asin-lsin(+ +).（1）y=acos-lcos(+)其中为摆杆的初始位置角，=arccos=13.09由于o2o7,o7xD,o2D构成三角形，利用余弦定理Cos（+）=求出位移s应分段计算：1）推程阶段 0=75=5/12对于加速阶段 S1=2h2/02 对于减速阶段 S1=h-2h(0-)2/02 所以求出每转15的s和。单位12345（）1530456075S1mm2.610410.441622.188430.019632.63 +（）14.418.412427.6328.84（）1.315.3210.9114.5415.752)远休止阶段 01=10=/18 S2=h=32.63mm3)回程阶段 =75=5/12对于加速阶段 S3= h-2h2/ 2对于减速阶段 S3=2h（-）2/ 2单位123456（）85100115130145160（）01530456075Smm32.6330.0222.18810.4422.610+（）28.8427.632418.4114.413.09（）15.7514.5410.915.321.3104）近休止阶段 02=200=10/9 S4=0b)求实际轮廓线在理论轮廓线上画出以理论轮廓线上的点为圆心以rr为半径的一系列圆，作出这些圆的公切线，此公切线即为实际轮廓线。五.齿轮机构的设计5.1齿轮变位系数的选择a)经查参考文献（1）可知变位系数为0.529，所以，取x1=0.5,x2=-0.5。b)验证变位系数。1）.齿轮不发生根切现象。在弯曲强度许可的条件下，允许有不侵入齿轮齿廓工作段的微量根切。对于齿条型刀具加工（a=200，h*=1）的齿轮，不根切的条件为 Xmin=（17-Z）/17即x1 (17-10)/17=0.412 x2(17-40)/17=-1.35所以x1=0.5,x2=-0.5满足。2）.齿轮啮合不发生过渡曲线干涉，不允许过渡曲线延伸到齿廓工作段内。a1=arccosrb1/ra1=arccos28.2/38=42.11a2= arccosrb2/ra2=arccos112.76/123=23.54用齿条型刀具加工的齿轮啮合时，小齿轮齿根与大齿轮齿顶不产生干涉的条件为tan-Z2(tana2-tan)/Z1 tan-4（ha*-X1）/Z1sin2tan-Z2(tana2-tan)/Z1=tan20-40(tan23.54- tan20)/10=0.0773tan-4（ha*-X1）/Z1sin2= tan20-4(1-0.5)/10sin40=0.0528 0.0773大齿轮齿根与小齿轮齿顶不产生干涉的条件为 tan-Z1(tana1-tan)/Z2 tan-4（ha*-X2）/Z2sin2 tan-Z1(tana1-tan)/Z2=tan20-10(tan42.11-tan20)/40=0.2290tan-4（ha*-X2）/Z2sin2=tan20-4(1+0.5)/40sin40=0.13060.2290所以x1=0.5,x2=-0.5满足。3).保证有足够的重合度。应满足a，即=Z1(tana1-tan)+Z2(tana2-tan)/2 对于7-8级齿轮，取许用重合度=1.1-1.2。=Z1(tana1-tan)+Z2(tana2-tan)/2=10(tan42.11-tan20)+40(tan23.54-tan2)=1.31561.2所以x1=0.5,x2=-0.5满足。4).齿顶厚度不宜过薄。齿顶厚度Sa=Sa*m，Sa*齿顶厚度系数，其许用值Sa*一般取0.25-0.40，对硬齿面齿轮取大值，对软齿面齿轮取小值，要求SaSa*， 其公式为Sa*=da（/2z+2xtan/z+inv-inva）/m Sa*或者Sa=sra/r-2ra(inva- inv) Sa*m其中inva1=0.1689，inva2=0.0248，inva=0.0149 S1=m/2+2x1mtan=11.6086S2=m/2+2x2mtan=22.9489所以 Sa1 = s1ra1/r1-2ra1(inva1- inv) =11.608638/30-238（0.689-0.0149）=3Sa*m=2.4Sa2= s2ra2/r2-2ra2(inva2- inv) =22.9489123/120-2（0.0248-0.0149）=21.0897Sa*m=2.4所以x1=0.5,x2=-0.5满足。5.2齿轮啮合图的绘制a).渐开线的绘制 （20）如图（20）所示，根据渐开线的形成原理，绘制步骤如下:6.计算出各圆直径db，d,d，df，da，画出相应的各圆。7.连心线与节圆的交点为节点P，过P点作基圆的切线，与基圆相切于N，则NP为理论啮合线段的一段。8.将NP分成若干等份P1,12,23,9.由渐开线特性弧长=,再因弧长不易测量，故可按下式计算： =dbsin（1800/db） =451sin(74180/451/)mm=73.7mm（5） 将基圆上的弧长分成与线段同样的等份，得基圆上的对应点1，2，3。（6） 过点1，2，3，作基圆的切线，并在这些且线上分别截取线段=，=,=,各点。光滑连接0，1，2，3，各点的曲线即为齿廓上节圆以下部分的渐开线。（7） 将基圆上的分点向左延伸，作出5，6，取=5,=6可得节圆以上渐开线各点5，6，直至画过齿顶圆为止。当df=db时，基圆以下一段齿廓取为径向线，在径向线与齿根圆之间 以r=0.2m为半径画过渡圆角；当dfdb时,在渐开线与齿根圆之间直接画出过 渡圆角.b)啮合图的绘制步骤（1） 选取适当的比例尺ul=0.002（m/mm），使齿全高在图纸上有30-50mm为宜。定出齿轮的中心距O1,O2.分别以O1,O2为圆心作基圆，分度圆，节圆，齿顶圆，齿根圆。（2） 画出两齿轮基圆内的公切线，它与连心线O1,O2的交点为节点P，而P点又是两节圆的切点，基圆内公切线与过P点的节圆切线间的夹角为啮合角a，其值应与无侧隙啮合方程式计算之值相符。（3）