机械原理课程设计计算说明书聂一舟.

1、 机械原理课程设计 设计计算说明书 设计题目： 专用精压机 院 （系）： 汽车学院 专 业： 车辆工程（汽车） 班 级： 09 汽车6班 学 号: 092194 设 计人： 聂舟 指导教师： 虞红根 完成日期： 2011 年6月2日 目录 第一部分：机构设计要求 2. 第二部分：机构工作原理 3. 第三部分：机械运动方案的拟定 5. 第四部分：精压机构的设计计算和校验 9. 第五部分：送料机构设计 2.9. 第六部分：工作循环图拟定 3.4. 第七部分：心得与体会 3.6. 第八部分：参考文献 3.7. 23 第一部分：机构设计要求 专用精压机的设计要求和主要参数： 本机可用于薄壁铝合金制作(

2、如易拉罐类)精压深冲工艺，上模先以逐渐 加快的速度接近原料，以匀速进行拉延成型，上模继续下行将成品推出模腔，快 速返回。上模推出固定不动的下模后，送料机构的退料杆2从侧面将新的原料送 至待加工位置，如图1所示 (1) 冲压执行机构，具有快速接近工件，等速(近似)下行拉延和快速返回 等运动特性。 (2) 制成品生产率约每分钟70件。 (3) 上模移动总行程为280mm其拉延行程置于总行程中部，约 100mm (4) 行程速比系数K三1.32。 (5) 坯料输送最大距离200mm (6) 电动机功率可选用1.5kW, 1440r/min 左右(如丫90L-4)。 专用精压机主要完成 3 个动作：

3、1、加原料； 2、冲头将原料压制成形； 3、冲头将成品推出型腔，冲头快速返回 注意事项： 1、送料机构是辅助工作机构，需要与冲压机构协调工作，实现间歇送料运 动。 2、各机构及传动系统的布局应该紧密且合理，特别应该注意原料与成品在 本机范围内互不干涉。 3、所有未给定的参数由设计者自行确定。 4、本机冲压机构应该进行方案对比，其设计方案评价的重点是机构的运动 功能质量，并定性的考虑机构的动力特性和加工制造的容易性等因素。 第二部分：机构工作原理 我组设计的精压机可分为三个部分：精压机构，送料机构和传动机构。 在精压机构中， 我们使用了类似牛头刨床的机构。 首先以较快的速度接近坯 料，在接近坯料

4、时逐渐接近匀速以对坯料进行拉延成形， 并将成品推出模腔， 最 后再利用机构的急回特性，使冲头快速返回。 在送料机构中， 我们采用环形流水线的构思。 主动的拨杆匀角速度转动， 当 冲头完成冲压离开上模后，拨杆带动槽轮转动 60角，槽轮与流水线通过分别 固连于两者之上的一对内外齿轮啮合传动， 使得流水线转至下一待加工坯料， 稳 定后，冲头下行冲压，完成一次送料循环。 传动及装配说明 电动机输出轴转速为1440r/min，精压机构和送料机构原动件转速为 70r/min ,故需对发动机输出转速进行减速。发动机输出轴外接2级同轴式减速 机，减速机传动比i=10。减速机输出轴与图中小圆柱直齿轮连接，小齿轮

5、与两 个等大的大圆柱直齿轮外啮合，齿轮传动比i=2.05。图中锥齿轮间的传动比均 为1，只起改变传动方向的作用。 各机构间装配的相对位置如图2所示。 图2 第三部分：机械运动方案的拟定 分到设计任务之后，我们小组成员根据已有的知识和其他书籍、网络上的资 料进行了一次头脑风暴，初选出若干个精压机构，然后根据设计要求对其一一进 行分析，筛选。 方案一: 该机构拟用齿条连接冲头，并通过 齿轮转速控制齿条移动速度，进而 控制冲头运动。 但考虑到冲压过程中会产生很大的 作用力，引起齿条弯曲，降低传动 精度，甚至无法完成运动。 万案一: 该机构采用不完全齿轮传动，可以较好地控制精压和推料的时间。 但是，精

6、压部分采用地曲柄滑块机构过于简单，不能按要求实现匀速运动; 不完全齿轮受力状态不好，所受冲击载荷过大时，轮齿易折断从而整体失效。 方案二: 精压部分采用肘杆机构，可用较小 的力产生很大的锻压力，获得较大 的机械效益；但只能达到近似的等 速运动，不能满足设计要求。 推料机构采用凸轮机构，可以精确 地实现运动需求；但是设计和 制造困难，耐磨性差，要求尺寸过 大。 故不采用凸轮机构。 方案四: 该机构的精压机构和推料机构通过涡轮蜗杆传动连接，外廓尺寸小，可以更 好地利用空间，且传动比准确，平稳安静。 但是效率低，要求制造精度高，需用昂贵的表铜。而且当蜗杆转速达到 70rad/s时，滑动速度过大，超过

7、发热条件限制；否则蜗杆半径将达到0.5m,尺 寸过大。 方案五: 经过多次讨论和层层筛选，我们创造性地选用了流水线形式的送料机构； 精 压机构初选为方案五和方案六，下面对这两个方案的优缺点做详细讨论。 方案最终确定： 冲头方案经过一系列的筛选，我们保留了两个方案，于是我们对这两个方案 进行了进一步的分析。 图3 方案六机构原型由五个杆件组成（如图 3所示），加速度计算较为繁琐，用 ADAM等专业软件才可较为方便的进行运算。 而且部分杆件在满足近似等速和 加速急回运动的条件下，杆件尺寸较大，任意性较差，只能达到有限个精确位置。 且加速度峰值较高。 而方案五机构（如图4所示），在C+ MATLAB

8、?环境下运算可以十分方便 地得出运动参数，于是我们对其进行了深入分析。 H 图4 第四部分：精压机构的设计计算和校验 （一）冲压执行机构的分析计算 图5 对于图5所示机构，由于结构比较复杂，如果单纯运用瞬心法或矢量方程图 解法对其进行速度和加速度分析显得比较复杂，可以用解析法对机构做运动分 析。 如图5,建立直角坐标系，设原动件1的长度为k,构件3的长度为I,构件4 的长度为！；,原动件1的方位角1=二和等角速度./30=7.33rad/s（转 速n为70转/min）,构件3、4的方位角分别是 3、4。 / 图6 如图6,构造向量=厶 设向量:长S,由矢量封闭图形ABC可得封闭矢量 方程 （1

9、） a AB 二 CB即：ae lABe 1 = Sd 宀 由欧拉公式：=二+i二二，将（1）式的实部虚部分离，得：（1-0） -a l1sin :1 二 Ssin 3 L 11 cos 1 = S cos 3 由于b a为已知，由上述方程组可以求出: 3 二 arctan a l isin i 11 cos -:i (1-0)式对时间 (1-2)式再对时间t 11cos ：1 cos ;：3 t求导可得： S = -1|1si n(4%)(1-1) 如2)=|1%2切2)( 1-2) 求导得: 2 a hsin(1-%)23S -S 图7 如图7,构造向量匸、 (2) b 張=|3|4 (2

10、-0 )式 i丑 由欧拉公式分离实部虚部得：2e呼+ |4e = XE +be2 3 cos 3| 4COS 4 二 XE 3s i n3 14s i r4 = b 因为 |42 =(xE -l3COS3)2 (b-l3sir 3)2 ；可以得到滑块位移: Xe =|3COs 3|4 COS 4 所以上述方程组消去4，得到由M确定的Xe的公式。 还可以得至U ：:4 二 arcsir b s_-； |4 i( Q3 4丐i(Q + 吗 (2 -0)式对时间t求导可得：2 +1沖屆 2 =xE(3) 式 -b lsin :3_|44sir 4 =xE - |3cos 乜|4 Seos= o -4

11、 = _3cos 3 |4COS4 由上述方程组可以得到滑块E的速度: VE =Xe -：3| 3 sin(3 -4) cos 4 (3)式对时间t求导可得: 叮32ei( 3 八 為它 4) “ 爲?) xE 实部和虚部分别相等，可以得到：-l3：:32sin3-l4：42sin4 I4：4cos：4 = 0 从而得到： l32si n% +1442si n 亿-|3Q3cos3 1 4 COS4 进一步可以得到滑块E的加速度: aE -3l3sin( 3- 4)32l3cosC3- 4) - 42|4 cos 4 至此，计算部分基本完毕，接下来的问题就是大概确定杆长参数，带入各式进 行校核

12、。 (二) 由已知条件确定杆长以及支座位置 (a)设定初始参数 参数有固定支座距离a、b,杆长L1、L3、L4,滑块行程H,参数个数多， 变量复杂，我们先确定一系列“初始参数”，然后通过调整滑块行程 H=280mm 使机构满足要求。 初始参数： a=180mm, b=460mm, H=398mm, L3=360mm, L4=290mm, 然后本应该假设一个参数L1,但由于L1可通过现有其他参数导出，可通过计算 得L1， 如图8由几何关系得出， 以得出： H大小与D点的水平位移相等。根据三角形相似原理可 H |3 211 一 a 其中，H=398mm, L3=360mm, a=180m可以得到

13、L仁99.5mm. (b)验算行程速比系数 另外，L1的长度还受到行程速比系数的制约，必须在得出杆长L1之后进行 验算，具体如下： 图9 如图9,对于摆动导杆机构，滑块处在两个极限位置线的极位夹角与摆杆在两 极限位置的夹角0相等，即： -=0; 当 K=1.3， =180X(K-1)/(K+1)=鋼朋誇济=:, / 0=，/ 0/2=_ 二 L1=a*sin 子=0.203*a; 题目要求K=1.3，故L1应满足大于0.203*a 原始参数 L仁99.50.203*180=36.54,K=1.3 符合行程速比系数要求。 （C）调整滑块行程及其他参数 由于机构运动仿真软件MAD绘制机构方便形象，

14、容易操作，这里我们先利用 此软件进行初步的校核。 7777 图10 如图10,根据初始参数画出机构运动简图（注：右边所加凸轮机构是作为 临时代替的推料机构）后，通过导出滑块节点速度，加速度数据（MAD的线图分 析不是很精确，参考性不大，通过数据观察可以进行一些初步的调整），我们设 定一次完整运动由原动件杆1的36步瞬时针转动（每步10度）构成。 以下是原始数据测试过程中的一组滑块的加速度数据。 计算步骤 1 6.07887 2 6.01052 3 5.71936 4 5.26638 5 4.71107 6 4.10111 7 3.47196 8 2.84869 9 2.24762 10 1.6

15、7721 11 1.13811 12 0.62255 13 0.11266 14 -0.4224 15 -1.0316 16 -1.7898 17 -2.8114 18 -4.2692 19 -6.4211 20 -9.6377 21 -14.409 22 -21.277 23 -30.62 24 -42.188 25 -54.017 26 -58.764 27 -36.834 28 24.6207 29 72.5739 30 64.2572 31 36.1943 32 16.9438 33 8.45721 34 5.90111 35 5.63359 36 5.90404 其中1016步加速度

16、基本在0左右小幅度波动，使滑块近似匀速运动，但作为拉 延过程（应该占总步数的617步），只有7步的匀速还是有些不够，容易造成压 料不充分。 另外2430步的加速度稍微偏大，对杆铰接出的刚性冲击比脚大。 还需继续调整。 经过一系列的测试与调整，初步确定了杆件参数为： a=183mm, b=472mm, H=280mm, L3=356mm, L4=285mm L1=73.2mm 其中 L仁73.2mm0.203*a=0.203*183=37.149mm, 符合行程速比系数要求， E 极位夹角一 =2*汕 K=( 180+)/( 180-)=( 180+47.156)/( 180-47.156)=1

17、.711.3 （d）利用已知参数计算冲头（滑块）位移，速度，加速度线图 由步骤（a算出的滑块计算式 XE = I3C0S 3 I4C0S 4 -3| 3Sin( :- 3 - ：4) cos :4 VE = XE ： -3|3Sin( 3 -4)亠3 |3C0S( 3 -4 丨4 aE =xe = cos申 4 首先考虑是否可以把由位移求一阶导数、二阶导数得到的三个方程组写成矩 阵形式，用求矩阵特征值的方法来求解位移、速度、加速度的关系式，但考虑到 计算量比较大，改用直接求解复数矢量方程的方法。 前期：利用mathematica Mathematica是一款科学计算软件，很好地结合了数值和符号

18、计算引擎、图 形系统、编程语言等。对于解方程，求导，绘制图像有专项的功能。 对于加速度aE的表达式 -3|3Si n（少3半4）十2|38$但3少4）一少42|4 aE = xe = C0S 4 其中的变量有第!，二以及其一阶导数和黑1的二阶导数，共5个变量，最终 试想将各个变量代换成辔I.的函数，从而得到加速度与原动杆 1角度的函数关系 式。 先从二入手， a |iSin i 二 Ssin 3 |i cos 1 = Scos ：3 由以上方程组（1），可得出03与圳的隐函数关系（y#3，xi） 712 * Tan|y =183 + 73.2* Sinx 利用Mathematica绘图得: 较

19、为理想，但再往后继续代换变量的工作就变的很艰难， 于是考虑用语言更加灵 活的MATLAB软件进行后续的计算和变量代换,c语言由于其与图像的交互性一 般，故没有做为列选项。 后期：利用MATLAB 利用MATLA计算的关键是利用for循环语句计算每步变化10度时各个参数的 值，以下是具体的编程代码： a=0.183; H=0.280; b=0.472; l3=0.350; l4=0.285; n1=70; w1=n1*pi/30; l1=1/2*H*a/l3; i=1; for phi1=0:pi/18:2*pi if phi1=pi/2 else phi32=phi1; end if phi3

20、2 f / A f f / f n 0. 0. 0. * 4 丿 0 5 J. 6 J. 0. 8 0. 9 时间（s ） P3(平面运动:5) ( mm ) Inventor滑块运动仿真位移图线 27 1 6 1 3 5 -2o Inven tor滑块运动仿真加速度图线 29 MATLAB!块速度图线 V3(平面运动:5) ( mm/s ) 20 MATLAB!块加速度图线 A3(平面运动：5) ( mm/sA2 ) A3(平面运动:5) (mm/sA2 ) 由以上对比，我们可以清楚地看到，由分析法计算的机构冲头运动规律， 与 实际的运动仿真基本上完全吻合。 同时，我们又对冲头进行了有限元分

21、析，发现冲头受到的冲击载荷还是比较 大的，因而在实际生产中应使用可更换的冲头， 以确保机构工作的安全性和有效 性。 类里：Mses等敷应力 里位：MPa 第五部分：送料机构设计 送料机构设计计算说明 （一）送料机构的选型 1. 流水线的构思 由于在实际生产中，为了提高效率，易拉罐从坯料的剪切，送料，冲压成型， 取料，再填充这一些列循环并不是彼此独立的， 而是在流水线上一次完成的。因 此，我们组决定结合生产实际，在送料设计中，体现出流水线的思想。 虽然我们的课题只涉及整个流水线中冲压这一环节，但是考虑到整个工序各 种机构的布置紧凑，动力传递的高效便捷，我们选用了环形的流水线。 2. 槽轮机构的确

22、定 由题目要求，送料为间歇运动， 70 件/ 分。在机械原理中，我们学过的常见 的间歇运动机构主要是凸轮、 棘轮和槽轮三种， 于是大家就这三种机构分别进行 了思考和设计。最终，大家一致选择了槽轮机构，主要是考虑到以下几点： （1）为什么不选凸轮机构？ 凸轮是最常用的间歇运动机构，其力学性能良好，设计自由度大，可以 精确实现很多人们希望的运动形式。但是凸轮实现的间歇运动多为往复式 的，如果与环形流水线这样单朝一个方向转动的机构相配合，就显得不太便 捷了。 （2）为什么不选棘轮机构？ 棘轮机构结构简单、制造方便、运动可靠，是应用很广的机构，在插齿 机等机械中都有应用。但是棘轮主动件棘爪是连续的往复

23、摆动，这需要我们 的原动件经过降速后连接一个曲柄摇杆机构，不仅造成运动链的复杂化，同 时由于送料的精度要求较高，止动时机与位置都有严格要求，而棘轮的主要 缺点之一就是运动精度较差。再加上棘轮在工作时冲击和噪声较大，只能用 于低速轻载的场合，故被我们排除。 （3）为什么选择槽轮机构？ 槽轮机构结构简单、外形尺寸小、机械效率高，能够较平稳地、间歇地 转位，广泛应用于自动车床、电影胶片输送送等机械中。由于流水线要求精 确转动，故理想的动力传递就是多级齿轮降速后直接将匀速转动实现为间歇 转动，槽轮机构正符合了这种设计要求。只要经过恰当的设计，就能得到比 较理想的结构与传动性能。故大家都同意了用槽轮机构

24、来担负送料的重任。 （二）送料机构的设计 1.流水线设计 我们按照实际生产中的流水线，并结合整体冲压机构的尺寸和布局，只是作 为示意性质地模拟了一个较小的流水线。因加工为 70件/分，为了计算的方便, 圆周上分布的坯料数取了 14,为7的倍数。 39 八 3 1/ 3 1 2.槽轮机构的选型与几何尺寸计算 右图为槽轮运动的角速度与角加速度的 最大值与槽数z的关系曲线。可见，随着槽 数z的增加，运动越来越平稳。 由于在我们的送料机构中，槽轮的转动 要带动一个较大的流水线，故为了改善动力 性能，我们选用z=6，径向槽均匀分布的外槽轮机构。而主动拨杆为单圆销式。 根据机械安装的空间尺寸，确定中心距为

25、 L=43.3mm对称安装。 圆销半径r=2.!i 拨杆半径.二一一二“二巴： 2 cosa 2xcos3Q L43.3 槽轮槽口半径 2 cos a 2xcos303 槽口深-兰-一翼龙兴ir 取二二 槽轮轮叶齿顶厚度”二討伽j,取二伽 根据b确定拨盘锁止弧R二 3. 槽轮与流水线的传动 我们采用内外齿轮传动的方法将动力均匀精确地传递到流水线上。主动外齿 轮固连于槽轮，外齿圈固连于流水线。 根据机械安装的空间尺寸，确定中心距a=40mm 1/&7 槽轮转1/6圈，流水线转1/14圈，故传动比 - 1/143 d-13 则两齿轮分度圆直径- d2i7 又 L二為.二创，得一二= C-JliliE （三）用Inventor做送料机构流水线的转角与时间关系分析 流水线转角-时间图线 时闾 由图线可知，流水线简谐运动，转动平稳而精确 第六部分：运动循环图拟定 机械循环图的设计 设计思路： 按照实际精压的滑块在各个位置和工作段所对应的原动件曲柄位置在图中 分别标出，然后再将滑块的精压段与送料机构推杆的上方停止阶段