牛头刨床的综合设计与分析机械原理课程设计说明书1.doc

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1、牛头刨床的综合设计与分析目 录一、设计题目与原始数据 1二、牛头刨床示意图 1三、导杆机构设计 2四、机构的运动分析 3五、机构的动态静力分析 9六、飞轮设计14七、凸轮设计15八、齿轮设计17九、解析法191.导杆机构设计192.机构的运动分析193.机构的动态静力分析224.凸轮设计23十、本设计的思想体会 27十一、参考文献36一、设计题目与数据1题目牛头刨床的综合设计与分析2原始数据刨头的行程 H=600mm行程速比系数 K=1.8机架长 LO2O3=370mm质心与导杆的比值 LO3S4/LO3B=0.5连杆与导杆的比值 LBF/LO3B=0.3刨头重心至F点距离 XS6=210mm

2、导杆的质量 m4=20刨头的质量 m6=52导杆的转动惯量 JS4=0.9切割阻力 FC=1400N切割阻力至O2的距离 YP=165mm构件2的转速 n2=80许用速度不均匀系数 =1/30齿轮Z1、Z2的模数 m12=16小齿轮齿数 Z1=18大齿轮齿数 Z2=42凸轮机构的最大摆角 max=18凸轮的摆杆长 LO4C=130mm凸轮的推程运动角 0=60凸轮的远休止角 01=10凸轮的回程运动角 0=60凸轮机构的机架长 Lo2o4=140mm凸轮的基圆半径 ro=50mm凸轮的滚子半径 rr=15mm二、牛头刨床示意图 图1三、导杆机构设计1、已知：行程速比系数 K=1.8刨头的行程

3、H=600mm机架长度 LO2O3=370mm连杆与导杆的比 LBF/LO3B=0.32、各杆尺寸设计如下A、求导杆的摆角：max =180（K-1）/（K+1）=180（1.8-1）/（1.8+1）=51 B、求导杆长：LO3B1=H/2sin（max/2）=600/2sin（51/2）=691.43mm C、求曲柄长：LO2A =LO2O3sin（max/2）=370sin25.5=161mm D、求连杆长LBF=LO3BLBF/LO3B=691.430.3=207.4mm E、求导路中心到O3的距离LO3M =LO3B-LDE/2=LO3B1-1-cos(max/2)/2=658mm F

4、、取比例尺 L=0.005m/mm 在A1图纸中央画机构位置图，大致图形如下： 图2四、机构的运动分析已知：曲柄转速n2=80rpm各构件的重心： 构件6的重心：XS6=210mm第3点：A、速度分析求VA3VA3 =VA2=LO2An/30=0.16180/30=1.34m/s 求VA4 = + 大小： ？ 1.34 ？方向：O3A O2A O3A取V=VA3/Pa3=0.02 在A1图的左下方画速度多边形求VB用速度影像求VB=750.02=1.50m/s求VF = + 大小： ？ 1.50 ？方向： 水平 导路 BF接着画速度多边形由速度多边形求得：VF=pf()V=720.02=1.4

5、4m/s 方向水平向右求44=3=VA4/LO3A=2.17rad/S 求VA4A3VA4A3= V=420.02=0.84m/s 方向如速度图A1 左下B 4所示 B、加速度分析求aKA4A3aKA4A3=24VA4A3=2.19m/s2 求aA3aA3=aA2=22LO2A=11.28m/s2 方向：AO2 求anA4anA4=23LO3A=2.86m/s2 方向：AO3 求aA4 + = + + 大小：2.86 ？ 11.28 2.19 ?方向：AO3 O3A O3A O3A取a=aA3/pa3=0.11 在A1图的左下方画加速度多边形 大致图形如A1图C 4aA4=pa4a=3.74m

6、/s2 求aB方向如A1图C 4所示用加速度影像求aB=3.8m/s2 = + + 大小： ？ 10.4 0.01 ?方向：水平 FB BF接着画加速度多边形由加速度多边形求得：aF=pfa=10.53m/s2 水平向右 第4点：A、速度分析求VA3VA3 =VA2=LO2An/30=0.092780/30=0.78m/S = + 大小： ？ 0.78 ？方向：O3A O2A O3A取v=VA3/Pa3=0.015 在A1图的左下方画速度多边形 大致图形如A1图B 5所示求VB用速度影像求VB=3.74m/s;求VF = + 大小： ？ .1.275 ？方向：水平 导路 BF VF =pf()

7、 V=1.28m/s 求4 4=3=VA4/LO3A=1.03rad/s 求VA4A3VA4A3 = a3a4()V=0.12m/s B、加速度分析求aKA4A3aKA4A3=24VA4A3=0.3m/s2 求aA3aA3=aA2=22LO2A=6.5m/s2 方向：AO2 求anA4anA4=23LO3A=0.77m/s2 方向：AO3 求aA4 + = + + 大小 0.79 ？ 6.5 0.3 ?方向：AO3 O3A 如图6 O3A取a=aA3/pa3()=0.035 在A1图的左下方画加速度多边形 大致图形如A1图C5所示aA4=pa4a=1.05m/ s2 求aB 用加速度影像求aB

8、=440.035=1.54m/s2 方向如A1图C 5所示 求aF = + + 大小： ？ 1.5 0.05 ?方向：水平 FB BF接着画加速度多边形由加速度多边形得：aF=pf()a=1.1m/s2 方向：水平向右 第9点：A、速度分析求VA3VA3 =VA2=LO2An/30=0.092780/30=0.78m/S 求VA4 = + 大小 ? 0.78 0方向：O3A O2A O3A取V=VA3/Pa3=0.015 在A1图的左下方画速度多边形大致图形如A1图B 11所示求VB用速度影像求VB=660.015=0.99m/s求VF= + 大小： ? 0.99 ?方向：水平 导路 BFVF

9、=pf()V=0.98m/s 方向水平向左 求44=3=VA4/LO3A=0.8rad/S 方向：顺时针求VA4A3VA4A3=V=0.66m/s 方向如速度A1图B 11所示 B、加速度分析求aKA4A3aKA4A3 =24VA4A3=20.80.66=1.0m/s2方向如速度A1图C 11所示 求aA3aA3=aA2=22LO2A=6.5m/s2 方向：AO2求anA4anA4 =23LO3A=0.45m/s2 方向：AO3求aA4 图8 + = + + 大小：0.45 ？ 6.5 1.0 ?方向：AO3 O3A 如图 O3A取a=aA3/pa3 =0.05 在A1图的左下方画加速度多边形

10、 大致图形如该A1图C 11所示aA4= a=5.5m/s2 求aB用加速度影像求aB=2120.05=10.6m/s2 方向如A1图C 11所示求aF = + + 大小： ？ 10.6 0.01 ?方向：水平 FB BF接着画加速度多边形由加速度多边形得：aF= a =10.6m/s2 方向：水平向左 在A1图纸左上角绘制刨头的运动线图。大致图形如A1图左上D所示 曲柄位置名称 结果1234456SF00.020.0680.1400.160.2120. 276VF00.61.01.281.21.120.92aF10.538.14.21.1-0.03-2.4-0.6 曲柄位置名称 结果7889

11、10101112SF0.3040.3120.320.2640.1880.20.1000.016VF0.44-0.280-0.98-1.4-1.6-1.28-0.68aF-10.5-12-11.3-10.6-2.7-0.047.212.6五、机构的动态静力分析已知:导杆的质量 m4=16Kg 刨头的质量 m6=68Kg (其余质量忽略不计) 导杆绕重心的转动惯量 JS4=1.6Kgm 切削阻力为常数大小为 FC=1600N1.确定惯性力、惯性力矩第4点：F16=-m6aF=-681.1=-74.8NF14=-m4as=-160.77=-12.32NM14=-1.64=-1.1Nmh =M14/F

12、14=1.1/12.32=0.09m 第9点：F16=-m6aF=-6810.6=720.8N F14=-m4aS=-165.5=-88N M14=-JS44 =-7.79Nmh =M14/F14=7.79/88=0.09m 将计算结果汇总在如下表中：曲柄位置导杆4刨头F14M14Lh4F164点12.321.10.0974.89点887.790.09720.82.确定齿轮2的重量查指导书得齿轮2的重量G2=500N 3.确定各运动副反力 第4点:A、取构件5、6为示力体在机构位置图上方绘制示力体图，如右：比例尺为：L=0.005m/mm大致图形如图10： + + + + =0上式中只有FR4

13、5、FR76的大小未知取力比例尺：P=Fc/ab()=20N/mm 在机构位置图下面画力多边形 大致图形如A1图H 5求得：FR45=de()P=1680N 方向与力多边形中的方向一致 FR76=ea()P=3220=640N方向：垂直导路向上MF=0：FC（LO2M-YP）+G6XS6=FR76h76h76=Fc(LO2M-YP)+G6XS6/R76 =0. 0206m B、取构件3、4为示力体在机构位置图右侧绘制示力体图,比例尺为：L=0.005m/mm 大致图形如A1图F 5其平衡方程为： + + + + = 0 MO3=0 (确定FR23的大小)：FR23h23+F14hp+G4h4=

14、FR54h54量得:hI4 =0.078m ；h4=0.002m； h54=0.223mFR23=(FR54h54+F14hP+G4h4)/h23=2580N 矢量式中FR74的大小和方向未知 仍取力比例尺P=20N/mm 接着画力多边形图求得:FR74=hd()P=4320=860N 方向与力多边形中he的方向一致 B、取构件2为示力体在机构位置图右方绘示力体图，比例尺为:L=0.005m/mm 大致图形如A1图G 5 其平衡方程为： + + + = 0MO2=0 （确定Pb的大小）：FR32h32=Pbrb量得:h32=0.02m 算得:rb =0.06m Pb=FR32h32/rb=86

15、0N 式中的R72大小和方向未知仍然取力比例尺P=20N/mm 接着画力多边形图，求得： FR72=ij()P=14020=2800N 方向与为多边形中ij的方向一致 第9点:A、取构件5、6为示力体 在机构位置图上方绘制示力体图, 如A1图E 11所示： 比例尺为：L=0.005m/mm + + + =0上式中只有R45、R76的大小未知取力比例尺：P=FI6/ab()=15N/mm在机构位置图下面画力多边形图，大致图形如A1图H 11 求得：FR45=cd()P=4815=720N 方向与力多边形中的方向一致 FR76=bd()P=44.415=666N 方向：垂直导路向上 MF=0：G6

16、XS6=FR76h76h76=G6XS6/FR76=0. 05m B、取构件3、4为示力体在机构位置图右侧绘制示力体图,比例尺为：L=0.005m/mm 大致图形如A1图F 11其平衡方程为： + + + + = 0MO3=0 (确定FR23的大小)：FR54h54+FI4hI4+G4h4=FR23L23量得:hI4 =0.112m； h4=0.012m； h54=0.222m 图15FR23=(FR54h54+ P14hP+G4h4)/LO3A=1155N 矢量式中FR74的大小和方向未知 仍取力比例尺P=15N/mm接着画力多边形图,求得:FR74=dg()P=2215=330N 方向与力

17、多边形中ef的方向一致B、取构件2为示力体在机构位置图右下方绘示力体图 比例尺为:L=0.005m/mm大致图形如A1图G 11：其平衡方程为： + + + = 0MO2=0 （确定Pb的大小）：FR32h32=Pbrb量得:h32=0.15m 算得:rb =0.06m Pb=FR32h32/rb=315N 仍然取力比例尺P=15N/mm 接着画力多边形图,求得：FR72=hi()P=12220=2440N 方向与为多边形中if的方向一致 4、将各运动副反力汇总如下： 位置反力指定的两个位置第4点第9点FR7228001125FR74860330FR76640666FR451680720FR2

18、325801155 FR32258011555、计算平衡力偶矩并汇总如下：曲柄位置123456Mb0160240240208152曲柄位置789101112Mb-163211232-96-72 6、绘制平衡力偶矩曲线Mb-2该曲线在A1图的右上角 纵坐标比例尺：Mb=8Nm/mm 横坐标比例尺：2=2度/毫米 见A1图 I六、飞轮设计已知：许用速度不均匀系数 =1/25 平衡力矩曲线 Mb-2 驱动力矩为常数 曲柄的转数 n2=80rpm 飞轮装在齿轮Z1的O1轴上1、作等效阻力矩曲线Mr-r由于飞轮准备装在Z1的O1轴上，因此|Mr|=|Mb/i12|可由Mb-2曲线直接画出Mr-1曲线（见

19、A1图I）。为了使图形一样，其比例尺选为：Mr=Mb/i12=2.4Nm/mm 2、求功曲线Wr-1取极距H=50mm 图解积分Mr-1得Wr-1曲线。纵坐标比例尺为：W =MH/180=2.46.250/180=13.8J/mm 3、求功曲线Wd-1根据一个稳定运转循环中能量变化为零，以及Md=常数的条件可作出Wd-1曲线。比例尺仍为：W=13.8J/mm4、求驱动力矩曲线Md-1仍取极距H=50 mm纵坐标比例尺为：M=2.4Nm/mm 得驱动力矩：Md =hM=112.4=26.4Nm 5、确定最大盈亏功为：W=2013.8=276J 6、求飞轮的转动惯量JF=900W/2n2=(900

20、27625)/(3.142 266.672)=8.9Kgm 7、确定飞轮尺寸b=4gJF/D3H材料用灰铸铁=7104N/m3取飞轮直径 D=0.5m 取轮缘的高宽比为H/b=1.5 b2=4gJF/D3H=(49.88.9)/(3.141.5b0.537104)b=0.0085m=8.5mm H=1.5b=1.58.5=12.75mm 图19七、设计凸轮轮廓曲线已知：推杆的运动规律为等加速等减速上升和等加速等减速下降,凸轮与曲柄共轴,顺时凸轮机构的最大摆角 max=15凸轮的摆杆长 LO4C=120mm凸轮的推程运动角 0=70凸轮的远休止角 01=10凸轮的回程运动角 0=70凸轮机构的机

21、架长 Lo2o4=136mm凸轮的基圆半径 ro=50mm凸轮的滚子半径 rr=15mm摆杆的角位移曲线以及凸轮轮廓曲线的设计已绘制在A2图纸上. 图20 八、齿轮设计及绘制啮合图已知：齿轮1的尺数Z1=18齿轮2的尺数Z2=60模数m12=12压力角=20齿顶高系数h*a=1径向间隙系数C*=0.251、列表计算集合尺寸名称符号计算公式计算结果小齿轮分度圆直径d1d1=mz1216大齿轮分度圆直径d2d2=mz2720小齿轮齿顶圆直径da1da1=d1+2ha240大齿轮齿顶圆直径da2da2=d2+2ha744小齿轮齿根圆直径df1df1=d1-2hf186大齿轮齿根圆直径df2df2=d

22、2-2hf690小齿轮基圆直径db1db1=d1cos203大齿轮基圆直径db2db2=d2cos676.6分度圆齿距PP=m37.7基圆齿距pbpb=pcos35.4分度圆齿厚ss=p/217.7分度圆齿槽宽ee=p/217.7径向间隙cc=c*m3标准中心距aa=m(z1+z2)/2468实际中心距aa=a468传动比ii=z2/z13.3重合度=B1B2/Pb1.53 图21 九、解析法1导杆机构设计已知：（1）行程速比系数K；（2）刨头和行程H；（3）机架长LO2O3（4）连杆与导杆的比LBF/LO3B求解:(1)求导杆的摆角：max=180（K-1）/（K+1）(2)求导杆长：LO3

23、B1=H/2sin（max/2）(3)求曲柄长：LO2A=LO2O3sin（max/2）(4)求连杆长：LBF=LO3BLBF/LO3B(5)求导路中心到O3的垂直距离LO3M：从受力情况（有较大的传动角）出发，刨头导路O3B线常取为通过B1B2挠度DE的中点M.即： LO3M=LO3B-LDE/2将上述已知条件和公式编入程序 见附录与图解法比较，误差在毫米以下。不用修改。2机构运动分析已知： (1)曲柄转速2； (2)各构件的长度。求解：、建立机构的运动方程式如图所示：选定直角坐标系XOY。标出各杆的矢量和转角。各构件矢量所组成的封闭矢量方程式为: 图22+ = a b其中令：Ll=LO2O

24、3；Y=L03M；S=L03A；将a式分别投影在x和y轴上得L2cosF2=S cos F4 cLl+L2 sin F2=S sin F4 d两式相除则得tgF4=(Ll+L2sinF2)L2cosF2 (1)在三角形A0203中S2=LlLl+L2L22L1L2cos(90+F2) (2)将c d两式对时间求导一次得L2W2sinF2=SW4sinF4+VrcosF4 eL2W2cosF2=SW4cosF4+VrsinF4 f将坐标XOY绕O点转F4角(也就是将e f两式中的F2角F4角分别减去F4)，经整理后可分别得到Vr=L2 W2sin(F2F4) (3)W4=L2 W2 cos(F2

25、-F4)S (4) 再将e f二式方别对时同求导一次后，同样将坐标XOY绕0点转F4角(也就是将式中的F2角F4角分别成去F4)，经整理后可分别得到ar=SW4W4L2W2W2cos(F2F4) (5)ak=2 Vr W4 (6)e4=2 Vr W 4+ L2W2W2sin(F2一F4) (7)将b式分别投|影在x和y轴上得X：L4 cos F4十L5 cos F5 (8)Y：L4 sin F4十L5 sin F5 (9)由(9)式可直接得sin F5=（YL4sinF4）L5 （10）对(9)式求导，一次可得L4W4cosF4=L5W5cosF5 于是由g式可得W5=(L4W4cosF4)L

26、5cosF5 （11）对g式求导一次经整理可得e5=（L4e4cosF4+L4W4 W4sinF4+L5W5W5sinF5)L5cosF5 （12）(8)式中的X是坐标值，要想得到F点的位移XF应该是XF=XX0XF=L4 cos F4+L5 cos F5一(L4 cos F40+L5 cos F50) （13）式中F40 F50是导杆4处在左极限位置l时。导杆4和连杆5与坐标的正向夹角对（13）式求导一次可得：VF=L4W4sinF4L5 W5sinF5 （14）对（14）式求导一次可得aF=L4cosF4W4W4L4sinF4e4L5cosF5 W5W5L5sinF5e5 (15)角度的分析关于F4和F5两个角度的分析 当曲柄2运动到第一象限和第四象限时，导杆4在第一象限。此时得出的F4就是方位角。当曲柄2运动到第二象限和第三象限时导杆4是在第二象限，得出的F4是负值，所以方位角应该是F4=180+F4由于计算机中只有反正切，由（10）式是不能直接求出F5因此要将其再转换成反正切的形式F5=atn(gsqr(1g*g) （16）式中g=sin