机械原理设计.doc

课题: SI-240B活塞车床椭圆靠模的CAD一、 课程设计的目的和要求 机械原理课程设计是机械类专业学生在学完机械原理课程的基本内容之后,进行的较为全面的机构的分析与综合及应用计算的训练.以便于我们大学生在加深所学的理论知识的同时,也可以培养我们学生在可后对机械设计的兴趣和独立解决工程中属于机械原理方面的实际问题的能力. 本课程设计的具体要求是:在指导老师的指导下,顺序按时地完成有关机构的组成和运动分析;凸轮轮廓的解析法设计公式的推导以及CAD的程序设计的阶段任务;并对具体实例上级计算靠模轮廓;最后编写设计说明书.在设计过程中需要运用所学的知识对加工活塞的靠模机构进行设计并取其优的设计理念.二、课程设计的内容和步骤 “SI-240B活塞车床”是国内79年从国外引进的“TPO150金刚石靠模车”仿制的车用发动机活塞裙部曲面加工的专用机床.近年来,随着对活塞使用性能要求的提高,国内外新型汽车活塞的裙部截面形状多由以往的“单椭圆”改变为“双椭圆”。两者区别在于(见下图1)径向缩减量()的变化规律不同.对于单椭圆有:（）=e（1-cos(2)）/2而对于双椭圆有：（）=e1-cos(2)+k（1-cos(4)）/2其中2e为椭圆度即最大的直径缩减量。K为双椭圆特有的修正系数。由于“TPO150”及仿制的“SI140B活塞车床”均只能加工截面为单椭圆的活塞裙部曲面。（裙部示意简图如下图表）图表 1因而无法适应活塞曲面改型的要求，为此某生产汽车配件的厂家提出了研究该机床的关键零件椭圆靠模的理论设计方法的课题。 对此，必须明了该机床有关部分（剪刀架部分）机构的工作原理，探讨椭圆靠模的设计方法，并重新设计其轮廓曲线，才能真正“消化”这一引进的技术设备，开发现有设备的生产潜力，满足生产发展和技术进步的要求 。 “SI-240B活塞车床”主机构剪刀架部分机构组成如图表2所示（其中1为靠模；5为活塞）图表 2如图摆架2相当于一个平面的摆动推杆，不过其又端是由支架4的尖端C支撑；支架4则受另一纵向模板（移动凸轮）控制，可作横向移动（其位移量X可根据其上的指针位置可从标尺上读出）以便使活塞的不同截面有各种不同的预定的椭圆度。刀架3用铰链A和B分别与机架6及摆架2相连接。在加工活塞5时，机床的传动链能保证凸轮1（椭圆靠模）与活塞5同步转动。即=1=5。凸轮1转动时将带动摆架2做平面运动（绕C点转动及在C点上滑动）。继而带动刀架3及车刀E作往复摆动，配合活塞自身的转动，以实现活塞椭圆截面的加工。本方案结构简单，除待加工件外，活动件有4个，活动副有5个，自由度为1。其中构件3绕构件A转动，5绕F运动，1绕D转动。三、机构分析在加工活塞5时，机床的传动链能保证凸轮1（椭圆靠模）与活塞5同步转动，即凸轮1转动时将带动摆架2作平面运动（绕C点转动及在C点上的滑动），进而带动刀架3及车刀E作往复摆动，配合活塞自身的转动。以实现活塞椭圆截面的加工。 现将C点高付低代变化后如图所示：关于靠模凸轮的极坐标公式推导可分为三步： 第一步：先根据活塞预定的径向缩减量导出刀架3的摆动规律。 分析如图所示。当5转动一个角后，在2杆上的E点转过的弧度近似的等如活塞的径向缩减量则有：()=tan（）*h在近似的情况下可以认为： =()/h=e1-cos2+k(1-cos4)/2h 第二步：导出与靠模接触的的推杆的运动规律。 公式推导： 已知：3杆的转角为，2杆的转角为。|AB|=a A点坐标（b，rc）如图所示 设B点坐标为（x，y）用来表示B点坐标则有：|x|=acos-b |y|= rc+ asin 用来表示B点坐标则有：|x|=|BC|cos- rcsin |y|=|BC|sin+rccos 由得 |BC|cos= rcsin+ acos-b 由得 |BC|sin= -rccos+ asin+rc 由除得:cos/sin=(rcsin+acos-b)/(-rccos+asin+rc)化简得（rc+asin）cos+（b-acos）sin-rc=0 令 A= rc+ asinB= b-acosC= -rc则有：Acos+Bsin+C=0解方程得： tan/2= （B+（A*A+B*B+C*C)1/2）/(A-C)即： =2arctan(B+（A*A+B*B+C*C）1/2)/(A-C)第三步：椭圆靠模轮廓曲线方程的推导： 这里我们采用凸轮设计的机架反转法求导。 当导出与椭圆靠模相接触的摆动推杆的运动规律之后，即可按平底摆动推杆盘行凸轮轮廓的设计方法即反转机架法。得出椭圆靠模轮廓上各点（图中G）的坐标的解析式在三角形DM。O。中 tan0=M。D/M。O。即：。=arctan（r。-rc）/（a+x）由三星定理可知： 图中过切点G的共法线与连心线OD的交点P为凸轮和连杆的相对瞬心 由于两构件的角速度与其绝对速度瞬心至相对速度瞬心的距离成反比。 设凸轮的角速度为W1，摆杆的角速度为W2。于是有： W2/W1 =DP/OP又因为有： W2/W1=（d/dt）/（d/dt）=d/d= （d/d）*（d/ d）所以， 式 对求导：d/ d=e(2sin2+4sin4)/2h =e(sin2+2sin4)/h式 对求导：-（rc+asin）sin*d/d-acoscos+（b-acos）cos* d/d+asinsin=0整理有：（b-acos）cos-（rc+asin）sin *d/d= acoscos-asinsin=0 所以有方程：d/d= a（coscos-sinsin）/（b-acos）cos-（rc+asin）sin即有d/ d= ae（coscos-sinsin）(sin2+2sin4)/ （b-acos）cos-（rc+asin）sin由于DO=DP+PO=(a+x)/cos 即可得到OP , OD在三角形POM中：PM=POsin（+。）哪么： PG=PM+rc 在三角形DPG中： 由余弦定理： DG*DG=DP*DP+PG*PG-2PG*DP*cosDPG即 *=DP*DP+PG*PG-2PG*DP*cos（/2+。） （式中所有值都可用含的表达式表示）由正弦定理： DG/sinDPG=PG/sinGDO即GDO=arcsinPGsin（/2+。）/由图中的几何关系易知：=/2-。-(GDO-)（式中所有值都可用含的表达式表示） 四、程序设计 这里我们用C语言来对公式进行编制程序： #include #include #definepai3.141592654 main() floata=65.0,b=25.0,x=40.0,rc=4.0,h=40.0,k=-0.12,e=0.4,r0=53.0,ksai,ksai0,afa,fai,A,B,C,D,E,F,G,H,Z,y,pg,pd,po,od,rou,sta; od=sqrt(a+x)*(a+x)+(r0-rc)*(r0-rc); ksai0=atan(r0-rc)/(a+x); for(afa=0.0000000001;afa=(2*pai+0.1);afa+=pai/18) fai=e*(1-cos(2*afa)+k*(1-cos(4*afa)/(2*h); A=rc+a*sin(fai); B=b-a*cos(fai); C=-rc; D=B+sqrt(B*B-C*C+A*A); E=A-C; y=D/E; ksai=2*atan(y); F=(a*cos(fai-ksai)/(A*sin(ksai)-B*cos(ksai); G=(e/h)*sin(2*afa)+(2*e/h)*sin(4*afa); Z=F*G; pd=od/(1+(1/Z); po=od-pd; pg=rc+po*sin(ksai0+ksai); rou=sqrt(pd*pd)+(pg*pg)-2*pd*pg*cos(pai/2+ksai0+ksai); H=(pg*sin(pai/2+ksai0+ksai)/rou; sta=pai/2-ksai0-asin(H)+afa; printf(afa=%3.0fsta=%frou=%fn,(afa*180/pai),(sta*180/pai),rou); 五、程序结果 0 0.0076740 53.0000000 10 12.9425820 53.0965500 20 24.6688070 53.2866900 30 34.7125690 53.4419060 40 43.2388480 53.5771830 50 50.9838280 53.8035160 60 59.0427480 54.1433720 70 68.3656290 54.4650960 80 79.1967790 54.6476710 90 90.9371630 54.6982920 100 102.5435950 54.6461220 110 113.0951580 54.4608000 120 122.1517630 54.1418420 130 129.8953400 53.8032230 140 137.1582080 53.5851780 150 145.1960430 53.4728200 160 155.0635900 53.3181880 170 166.9436380 53.1040340 180 180.0076460 53.0000000 190 192.9425620 53.0965500 200 204.6687810 53.2866860 210 214.7125470 53.4419060 220 223.2388220 53.5771830 230 230.9838200 53.8035130 240 239.0427330 54.1433720 250 248.3656130 54.4650960 260 259.1967630 54.6476710 270 270.9371480 54.6982960 280 282.5435790 54.6461220 290 293.0951290 54.4608040 300 302.1517410 54.1418380 310 309.8953180 53.8032260 320 317.1581860 53.5851780 330 325.1960070 53.4728200 340 335.0635540 53.3181840 350 346.9436020 53.1040340 360 360.0076230 53.