机械原理课程设计牛头刨床

09机械原理课程设计一一牛头刨床

（速度分析与受力分析附于最后）

说明书

姓名：

分析点：410点

组号：第3组

2011年7月15日

工作原理..........................................................................3

一.设计任务......................................................................4

二.设计数据......................................................................4

三.设计要求......................................................................4

1、运动方案设计..............................................................4

2、确定执行机构的运动尺寸...................................................4

3、进行导杆机构的运动分析...................................................4

4、对导杆机构进行匆态静力分析...............................................5

四.设计方案选定..................................................................5

五.机构的运动分析..............................................................6

1.4点速度分析,加速度分析..................................................7

2.10点速度，加速度分析......................................................9

六.机构动态静力分析.............................................................II

七.数据总汇并绘图...............................................................13

九.参考文献......................................................................16

工作原理

牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图a）所示。电动机经过皮带和齿轮传动,

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2—3—4—5—6带动刨头6和

刨刀7作往复运动。刨头左行时，刨刀不切削，称为空回行程，此时要求速度较高，以提高

生产率。为此刨床采用有急回运动的导杆机构。刨刀每切削完一次，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。刨头在工作过程中，受到很大的切削阻力（在切削的

前后各有一段0.05H的空刀距离，见图b）,而空回行程中则没有切削阻力。因此刨头在

整个运动循环中，受力变化是很大的，这就影响了主轴的匀速转动，故需安装匕轮来减小主

轴的速度波动，以提高切削质量和减少电动机容量。

c）执行机构运勖简明

图d

根据表一对应组的数据，每人做曲柄对应2个位置的速度和加速度分析，要求用图解法

画出速度多边形，列出矢量方程，求出刨头6的速度、加速度，将过程详细地写在说明书中。

4、对导杆机构进行动态静力分析

根据表二对应组的数据，每人确定机构对应位置的各运动副反力及应加于曲柄上的平衡

力矩。作图部分与尺寸设计及运动分析画在同一张纸上（2号或3号图纸）。

提示：如果所给数据不方便作图可稍微改动数据，但各组数据应该一致，并列出改动值。

5、数据总汇并绘图

最后根据汇总数据画出一份刨头的位移、速度、加速度线图以及平衡力矩的变化曲线。

6、完成说明书

每人编写设计说明书一份。写明组号，对应曲柄的角度位置。

四.设计方案选定

如图2所示，牛头刨床的主传动机构采用导

杆机构、连杆滑块机构组成的5杆机构。采用导

杆机构，滑块与导杆之间的传动角r始终为90",

且适当确定构件尺寸，可以保证机构工作行程速

度较低并且均匀，而空I可行程速度较高，满足急

回特性要求。适当确定刨头的导路位置，可以使图2

压力角。尽量小。

五.机构的运动分析

0=180°(k-l/k+l)=30°

当曲轴位于4点时

Zo4S4=5/o4B=0.3865m

/bc=O.278m

Zo2A=0.111m

Lo4B=0.77274m

1.4点速度分析，加速度分析

取曲柄位置“4”进行速度分析。因构件2和3在A处的转动副

相连，故UA3=UA2,其大小等于32,02A，方向垂直于02A线，指向与

32一致。

VA2=VA3=W2lo2A=(2*Bn2/60)*lo2A=0.58m/s

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

VA4=1)A3+1)A4A3

大小？v?

方向104A102A〃CUB

取速度极点P,速度比例尺Mv=0.05(m/s)/mm，作速度多边形如图

则由图1-2知：VA4=vPA4=0.58m/s

CD4=VA4/1O4A=1.08rad/s

=

vB=<i>4lo4B0.595m/5

VA4A3=UA4A3=0.123m/s

取5构件作为研究对象，列速度矢量方程，得

1)B二VC+VBC

大小V?*9*

方向±O4B〃xx±BC

作速度多边行如图1-2,则由图1-2知

Vc=p.vPc=0.5975m/s

35=vCB/1BC=0.11rad/s

由速度已知曲柄上A(A2A3A4)点开始，列两构件重合点间加速度

矢量方程，求构件4上A点的加速度aA4,因为

aA2=A2

aA3=W2IO2=3.01m/s

n2A2

aA4=W41O4=0.439m/s

aKA4A3—2W3VA4A3=0.265m/s2

n22

aCB=W5ICB=0.003m/s

取3、4构件重合点A为研究对象，列加速度矢量方程得：

nTn

aA4=aA4+aA4=aA3+aA4A3K+4A3「

大小：？(042/O4A?<20)41)A4A3?

方向：？//BA±O4B//AO21O4B〃CUB

取加速度极点为〜加速度比例尺也=0.01(m/s?)/mm,

作加速度多边形如图13所示.则由图1-3知

a4=,,2

Auapa4=0.5661m/s

,2

aB=uapb=0.827m/s

2

aS4=0.5aB=0.413m/s

a=aA4T//O4B=0.68rad/s2

nnT

ac=aCB+aCB，+aB+HB

大小？J?Yd

方向〃XX//CB±BC//AB±AB

其加速度多边形如图1一3所示,有

氏二/nC•阳二0.55m/s2

取曲柄位置“10”进行速度分析。

当曲轴位于10点时

Zo4S4-5/o4B-0.3865m

/bc=0.278m

ZO2A=0.111m

Lo4B=0.338m

2.10点速度，加速度分析

取曲柄位置“10”进行速度分析。因构件2和3在A处的转动副

相连，故X)A3=VA2,其大小等于32,O2A，方向垂直于02A线,指向与

32一致。

VA2=VA3=W2102A=(2*兀F12/60)*lo2A=0.58m/S

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

1)A4=1)A3+1)A4A3

大小？V?

方向1O4A±02A//O4

取速度极点P,速度比例尺|Jv=0.05(m/s)/mm，作速度多边形如图

vA4=NvPA4=0.55m/s

34=VA4/I(D4A=1.63rad/s

vB=a)4lo4B=1-26m/s

VA4A3=UA4A3=0.204m/s

取5构件作为研究对象，列速度矢量方程，得

1)B=1)C+1)BC

大小V??

方向±O4B〃XX±BC

Vc=gvPc=1.235m/s

35=vCB/1Bc=0.4rad/s

由速度已知曲柄上A(A2A3A4)点开始，列两构件重合点间加速度

矢量方程，求构件4上A点的加速度aA4,因为

===2

QA23A3W2IO2A3.01m/s

22

anA4=W4IO4A=0.9m/s

aKA4A3=2W3VA4A3=0.665m/s2

a"CB=W521CB=0.045m/s2

取3、4构件重合点A为研究对象，列加速度矢量方程得：

3A4=3A41+aA4T=SA3n+aA4A3K+4A3r

大小：？O)42/O4A?Y2(1)41)A4A3?

方向：？〃BA±O4B//AO2±O4B/7O4B

取加速度极点为兀，加速度比例尺(=0.01(m/s2)/mm,

,,2

aA4=uapa4=1.04m/s

,2

aB=uapb=2.4m/s

2

a$4=0.5aB=1.2m/s

a=aA4T//CUB=1.57rad/s2

Tn

ac=aCB+aCB+aBaB

大小？J?q4

方向〃XX//CB±BC//AB±AB

其加速度多边形如图1—3所示,有

a＜：=Lc•Aa=l.76m/s2

六.机构动态静力分析

1.4点静力分析

取S6点为研究对象，分离5、6构件进行运动静力分析，作阻力体如

图1—4所示。

已知G6=700N,又ac5=0.55m/s2,那么我们可以计算

FS6=G/gx%=700/1OxO.55=38.5N

又SF=P+G6+FS6+F45+FN=0

代入尺寸解得:F45=3474.722NFN=-264.34N

对导杆4受力分析如图1-5所示，加上惯性力，和惯性力矩

Fs4n=o)42/04s4G4/g=9.02NFS4T=aZo4S4G4/g=5.26NMi=a

JS4=O.748N•m

由静力平衡条件对04点取矩有：LMo4=0\

G4/O4S4COS85°+F31/O4A_I;S41O4S4-ML，-F54CGS50ZO4SB=0

代入数据解得：F34=5065.6N

画出力矩图从图中量出尺寸求得F。尸1847N

对曲柄受力分析F34和F02大小相等方向相反即F02=F32=5065.6N,

因曲柄平M=F32/O2A=-562.215N•m,平衡力矩Mr=M=562.215N-m（逆

时针为正）

2.10点静力分析

取S6点为研究对象，分离5、6构件进行运动静力分析，作阻力体如

图

已知G6=700N,又ac5=1.76m/s2,那么我们可以计算

FS6=G6/gx%=700/10x1.76=123.2N

又ZF=G6+FS6+F45+FN=0

从受力图中量出尺寸代入得F45=123.7NFN=689.2N

对导杆4受力分析如图1-5所示，加上惯性力，和惯性力矩，用静力

平衡分析法解。

2T

R4n=cn4/cus4G4/g=12.6NFS4=a/O4S4G4/g=19NMi=a

JS4=1.727N•m

由静力平衡条件对04点取矩有：EMo4=0\

-G4/O4S4COS85°+F34cos20°/CMA+FS41o4s4+ML-F54cos5°/O4SB-0

代入数据解得：F34=292.5N

做力矩图如图所示，从图中量出尺寸求出F0尸324.8N

对曲柄受力分析F34和F02大小相等方向相反即F02=F32=292.5N,

因曲柄平M=F32/O2A=32.2N•m,平衡力矩Mr=-M=-32.2N•m（逆时针为

正）

七.数据总汇并绘图

统计12人的数据得到如下表

位置123456789101112

vc(m/s)00.430.7280.600.8070.70.44-0.15-0.60-1.24-1.29-0.638

ac(m/s2)5.43.260.6460.55-1.35-3.66-5.24-5.15-2.72-1.7644.941

s(mm)023.586.9167241.3317.9378.1-100357.4267131.262

Mr(N,m)069500562.2564.5504.37256.512.620.8632.2-67.3-26.03

平衡力矩一一位置变化曲线

速度一一位置变化曲线

加速度一一位置变化曲线

位移一一位置变化曲线

八.飞轮的设计

1.确定△Wmax

1＞将各点的平衡力矩画在坐标纸上，如下图。平衡力矩所做的功可以通过数据曲线与横坐

标之间所夹得面枳之和求的。依据在一个周期内及360°内，曲柄驱动力矩所做的功等于阻

力力矩所做的功，即可求的驱动力矩Md。在下图中，横坐标为曲柄转角，一个周期2兀，

将一个周期变成180份，纵坐标轴为力矩：

Md=SSi/2n=[(x1+x2)/2+(x2+x3)/2...............]2°n/1800/2JT=199.7N.m

2＞根据盈亏功的原理，求得各盈亏功值，并做能最指示图，以曲柄的平均驱动力矩为分界

线，求出各区段盈亏功值

△W1=104.72N.m

△W2=733.03N.m

△W3=471.23N.m

曲柄的平均驱动力矩Md=199.7N.m

曲柄的最大驱动力矩Md=570N.m

△Wmax=733.03N.m

JC=Jo2+Jo-.i2o,02+Joi.i2oo2=l0.4(N.m2)

由最大盈亏功可以求得飞轮的转动惯量

JF>=[900AWmax]/(n2n2[&])—JC=l67.93(N.m2)

因此可以设计出所需要求的飞轮。

九.参考文献

I.《机械原理》(第七版)吴克坚等主编高等教育出版社

2.《机械原理课程设计》由继方主编，机械工业出版社

3.《机构分析与设计》华大年等主编，纺织工业出版社

4.《机械运动方案设计手班》邹慧君主编，上海交通大学出版社

G4

Fs6

曲轴在4点时受力分析(u=10N/mm)曲轴在10点时受力分析

4点速度矢量图，加速度矢量图运动静力分析

P

2

uv=0.05m/sua=0.01m/s

图1一4

10点速度，加速度图，运动静力分析

曲轴4点受力分析，力矩图

图1—5曲轴10点

受力分析力矩图

一、课程设计任务书

1.工作原理及工艺动作过程

牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床。刨床工作时，

如图（1・1）所示，由导杆机构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；刨头左行时，刨刀不切削，

称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产率。为此

刨床采用有急回作用的导杆机构。刨头在工作行程中，

受到很大的切削阻力，而空回行程中则没有切削阻力。切

削阻力如图(b)所示。

X

图(1・1)

0.05H0.05H人

-A—-HV-

(b)

、设计说明书

1.画机构的运动简图

1、以04为原点定出坐标系，根据尺寸分别定出。2点，B点,

C点。确定机构运动时的左右极限位置。曲柄位置图的作法

为：取1和8，为工作行程起点和终点所对应的曲柄

位置，1'和7,为切削起点和终点所对应的曲柄位置，

其余2、3…12等，是由位置1起，顺以方向将曲柄

圆作12等分的位置(如下图)。

/2

图A1-2

取第I方案的第4位置和第9位置（如下图1-3）o

2.对位置4点进行速度分析和加速度分析

(a)速度分析取速度比例尺从二0.001^/

对A点：匕，=么+%

方向：L~BO,1OA//O^B

大小：？V?

匕,二〃/Xp〃4-0.001X673.239〃"〃=0.673239

V.0.673239*86334恤538431/

以一-；---_

aA

匕出二〃//〃必二°(XH/九7X156.326的〃=0.156326%

“二乙尸七x£尸0.747530%

对于C点：%=%+vCfi

方向：〃XX10^1'BC

大小：？J?

m/

fx/i0°1、749.7。8•=0.749708%

%””。皿%、49.。895.=。。49。895%

吗二乜*二0.363626%

速度分析图:

d

图1-4

(b)加速度分析选取加速度比例尺为4=0.001

对于A点:

气二a\+<a.++矶X

方向：AfQ_L。s一

4AO?1O4B//O4B

大小：V9*JJ9•

由于气=0*6/434263%?或4=2必1/鹏=0.432808%?

H「比0931975%已知，

根据加速度图1-5可得：

=

<Ajnfl=0549416^,%%二从匕=3.298112%。

%=。：砥=1081866%2①5二匕7i/IBC二0,363626/丫§o

另外还可得出：外二.xJM-]2012/18%

O4X

心二而j=。。1785%

对于C点

aC~48+aCB+aC，B

方向：//XX'Bf。4CfB±BC

大小：？JJ?

由《8=3；X，BC=0.01785%,aB=aAAx瞥=1.201248%已知，

根据根据加速度图可得：

金二〃“人二0.617683%，二=0.9942344%

加速度分析图:

Pi

图1-5

3.对位置9点进行速度分析和加速度分析

(a)速度分析取速度比例尺M尸0.001

对A点:匕.二+匕八

方向：_L西1.OA//取

大小：?*V?*

__m/

s

V4二〃/xpa,=0.001/fninx328.9949mm=0.3289949名

匕0.3289949”//

z

处4二一二%Qicuo=1.0440347

l//0.315119miv./s

O4A

匕出=〃//Wi.4=0.001/X607.82497nun=0.60782497%

V.=V8二电x30.56377824少

对于c点：匕=%+vCB

方向：//XX'_L印IBC

大小：9•J?*

^=0.001^/；x551.8355,刖=0.5518355%

%=〃/X

"0.001%£X143.676MM=0.143676吆

以二-^-=1.06427/

速度分析图：

93

图1-6

(b)加速度分析选取加速度比例尺为4尸0.001

对于A点:

气"酸+<++气人3

方向：A-*。4104BA一。2J_O48//O4B

大小：V?JJ?

由于"=“；/。储=4.34263%以=2%％=1.26918%

/oV/4八=0.343.4818已知,

根据加速度图1-7可得:

以二〃4广25498973%,=4%=2.4106178%

。《二成”257293%

另外还可得出：%二/x.=4.4090669%

a…