牛头刨床设计基础实验设计说明书.doc

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1、一、设计题目与原始数据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=550mm行程速比系数 K=1.6机架长 LO2O3=400mm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=160mm导杆的质量 m4=15 Kg刨头的质量 m6=58 Kg导杆的转动惯量 JS4=0.7 Kgm切割阻力 FC=1300N切割阻力至O2的距离 YP=175mm构件2的转速 n2=80 rpm许用速度不均匀系数 =1/40齿轮Z1、Z2的模数 m12=15 mm小齿轮齿数 Z1=18大齿轮齿数 Z2=46凸轮机构的最大摆角 ma

2、x=16凸轮的摆杆长 LO4C=140mm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=150mm凸轮的基圆半径 ro=55mm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=1.6刨头的行程 H=550mm机架长度 LO2O3=400mm连杆与导杆的比 LBF/LO3B=0.52、各杆尺寸设计如下A、求导杆的摆角：max =180（K-1）/（K+1）=180（1.6-1）/（1.6+1）=41.54 B、求导杆长：LO3B1=H/2sin（max/2）=550/2sin（41.5

3、4/2）=776mmC、求曲柄长：LO2A =LO2O3sin（max/2）=400sin21=142mm D、求连杆长：LBF=LO3BLBF/LO3B=7760.3=233mmE、求导路中心到O3的距离：LO3M =LO3B-LDE/2=LO3B1-1-cos(max/2)/2=750mm F、取比例尺：L=0.005m/mm 在1#图纸中央画机构位置图，机构位置图见1#图纸。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=160mm第5点：A、速度分析求VA3VA3 =VA2=LO2A2= LO2An/30=(142/1000)

4、803.14/30=116.58.37=1.19m/s 求VA4 = + 大小： ？ 1.19 ？方向：O3A O2A O3A取V= 0.025 ，在1#图纸的左下方画速度多边形求VB用速度影像求VB=560.025=1.4m/s求VF = + 大小： ？ 0.98 ？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=550.025=1.38m/s 方向：水平向右求44=3=VA4/LO3A=390.025/（10800.005）=1.81 rad/S 方向：顺时针求VA4A3VA4A3= V=500.025=0.125m/s 方向：如速度图所示 B、加速度分析求a

5、KA4A3aKA4A3=24VA4A3=21.810.125=0.453m/s2 方向：如速度图所示 求aA3aA3=aA2=22LO2A=8.382142/1000=9.97m/s2 方向：AO2 求anA4anA4=23LO3A=1.81210800.005=1.77m/s2 方向：AO3 求aA4 + = + + 大小：1.77 ？ 9.97 0.453 ?方向：AO3 O3A O3A O3A取a= 0.10在1#图的左下方画加速度多边形，由加速度多边形求得：aA4= a=190.10=1.9m/s2 方向：如图所示求aB用加速度影像求aB=270.10=2.7m/s2 方向：如图所示求

6、aF = + + 大小： ？ 2.7 0.45 ?方向：水平 FB BFanFB= V2BF/ LBF=(12.90.025) 2 /(233/1000)=0.45 m/s2接着画加速度多边形，由加速度多边形求得：aF=pf()a =90.10=0.9 m/s2 方向：水平向右 第8点：A、速度分析求VA3VA3 =VA2=LO2A2= LO2An/30=(142/1000)803.14/30=116.58.37=1.19m/s求VA4 = + 大小： ？ 1.19 ？方向：O3A O2A O3A取v=0.025 ，在1#图纸的左下方画速度多边形求VB用速度影像求VB=0求VF = + 大小：

7、 ？ 0 ？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=0求4 4=3=VA4/LO3A=0求VA4A3V=400.025=1m/s 方向：如速度图所示B、加速度分析求aKA4A3aKA4A3=24VA4A3=0 方向：如速度图所示求aA3aA3=aA2=22LO2A=8.382142/1000=9.97m/s2 方向：AO2 求anA4 anA4=23LO3A=0求aA4 anA4 + atA4 = aA3 + akA4A3 + arA4A3大小： 0 ？ 9.97 0 ?方向：AO3 O3A 如图 O3A取a=0.2 在1#图纸的左下方画加速度多边形大致

8、图形如该图所示aA4= a=490.2=9.8m/s2求aB 用加速度影像求aB=1040.2=20.8m/s2 方向：如图所示 求aF = + + 大小： ？ 20.8 0 ?方向：水平 FB BFanFB= V2BF/ LBF=0接着画加速度多边形,由加速度多边形得：aF=pf()a=1000.2=20m/s2 方向：水平向左 第12点：A、速度分析求VA3VA3 =VA2=LO2A2= LO2An/30=(142/1000)803.14/30=0.1428.37=1.19m/s 求VA4 = + 大小 ? 1.19 0方向：O3A O2A O3A取V=0.025 ,在1#图纸的左下方画速

9、度多边形求VB用速度影像求VB=520.025=1.3m/s求VF= + 大小： ? 1.3 ?方向：水平 导路 BFVF=pf()V=530.025=1.33m/s 方向：水平向左求44=3=VA4/LO3A=210.025/（600.005）=1.75 rad/S 方向：逆时针求VA4A3VA4A3=V=330.025=0.825m/s 方向：如速度图所示B、加速度分析求aKA4A3aKA4A3 =24VA4A3=21.750.825=2.89m/s2 方向：如速度图所示 求aA3aA3=aA2=22LO2A=8.372142/1000=9.97m/s2 方向：AO2求anA4anA4=2

10、3LO3A=1.752600.005=0.918m/s2 方向：AO3求aA4 + = + + 大小：0.918 ？ 9.97 2.89 ?方向：AO3 O3A 如图 O3A取a=0.20在1#图纸的左下方画加速度多边形，由加速度多边形求得：aA4= a=540.20=10.8m/s2求aB用加速度影像求aB=1420.2=28.4m/s2 方向：如图所示求aF = + + 大小： ？ 28.4 0.775 ?方向：水平 FB BFanFB= V2BF/ LBF=(170.025) 2 /(233/1000)=0.775 m/s2接着画加速度多边形，由加速度多边形得：aF= a=1360.20

11、=27.2m/s2 方向：水平向左收集同组同学的位移、速度、加速度的数据并汇编在如下表：在1#图纸左上角绘制刨头的运动线图。刨头的运动线图见1#图纸。 曲柄位置名称 结果1234456SF00.040.110.200.280.33 0.41 VF01.171.171.561.71.61.43aF14.58.906.22.25-0.09-1.16-4.20 曲柄位置名称 结果788910101112SF0.490.550.530.420.2750.210.05VF1.100-1.21-2.66-3.6-3.16-1.3aF-8.2-16.3-26-28.2-1417.1327五、机构的动态静力分

12、析已知:导杆的质量 m4=15Kg 刨头的质量 m6=58Kg (其余质量忽略不计) 导杆绕重心的转动惯量 JS4=0.7Kgm 切削阻力为常数大小为 FC=1300N1.确定惯性力、惯性力矩第5点：P16=-m6aF=-581.16=-67.28NPI4=-m4as=-151.35=-20.25NM14=-JS44=-0.71.28=-0.896N mLh4 =M14/ PI4=0.044 m 第12点：P16=-m6aF=-5827.2=-1577.6NPI4=-m4aS=-1514.1=-211.5NM14=-JS44 =-0.736.54=-25.58NmLh4=M14/ PI4=0.

13、121m将计算结果汇总在如下表中：曲柄位置导杆4刨头PI4M14Lh4P165点20.250.90.04467.2812点211.525.58/0.1211577.62.确定齿轮2的重量查指导书得齿轮2的重量G2=500N3.确定各运动副反力 第5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比例尺为：L=0.005m/mm大致图形如图： + + + + =0 上式中只有FR45、FR76的大小未知取力比例尺：P=20N/mm 在机构位置图下面画力多边形 大致图形如图求得：FR45=de()P=6920= 1380N 方向与力多边形中的方向一致 FR76=ea()P=3.4520=3

14、87.8N方向：垂直导路向上MF=0：FC（LO2M-YP）+G6XS6=FR76h76h76=Fc(LO2M-YP)+G6XS6/R76 =0.611mB、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 大致图形如图其平衡方程为： + + + + = 0MO3=0 (确定FR23的大小)：FR23h23+F14hp+G4h4=FR54h54量得:hP =0.16m ；h4=0.015m； h54=0.745mFR23=(FR54h54+F14hP+G4h4)/h23=1682N 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

15、得:FR74=P=2920=580N方向与力多边形中的方向一致 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其平衡方程为： + + + = 0 MO2=0 （确定Pb的大小）：FR32h32=PbrbPb=FR32h32/rb=640N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=P=10120=2020N 方向与为多边形中的方向一致 第12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 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=Fc/ab()=

16、20N/mm在机构位置图下面画力多边形图求得：FR45=cd()P=8920 =1780N 方向与力多边形中的方向一致 FR76=bd()P=3220 =740N 方向：垂直导路向上 MF=0：G6XS6+=FR76h76h76=G6XS6+/FR76=0.433m 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 大致图形如图其平衡方程为： + + + + = 0MO3=0 (确定R23的大小)：FR54h54+FI4hI4+G4h4=FR23L23量得:hP =0.505m； h4=0.11m； h54=0.72m FR23=(FR54h54+ P14h

17、P+G4h4)/LO3A=4789N 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=P=6420=1280N 方向与力多边形中的方向一致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其平衡方程为： + + + = 0MO2=0 （确定Pb的大小）：FR32h32=Pbrb量得:h32=0.07m算得:rb =0.305mPb=FR32h32/rb=1099N仍然取力比例尺P=20N/mm接着画力多边形图,求得：FR72=hi()P=26320=5260N方向与力多边形中的方向一致4、将各运动副反力汇总如下：

18、位置反力指定的两个位置第5点第12点FR7220205260FR745801280FR76387.8740FR4513801780FR3416824789 FR23168247895、计算平衡力偶矩并汇总如下：曲柄位置123456Mb0172318342.3220.2195曲柄位置789101112Mb11841.2158515-254-3136、绘制平衡力偶矩曲线Mb-2该曲线在1#图纸的右上角 纵坐标比例尺：Mb=10Nm/mm 横坐标比例尺：2=2度/毫米平衡力偶矩曲线Mb-2见1#图纸。六、飞轮设计已知：许用速度不均匀系数 =1/40 平衡力矩曲线 Mb-2 驱动力矩为常数 曲柄的转数

19、 n2=80rpm 飞轮装在齿轮Z1的O1轴上1、作等效阻力矩曲线Mr1-1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Mr11曲线（见1#图）。为了使图形一样，其比例尺选为：Mr=Mb/i12=10/2.7=3.8Nm/mmi12=Z2/ Z1=46/18=2.62、求功曲线Wr1-1取极距H=30mm图解积分Mr1-1得Wr1-1曲线。纵坐标比例尺为：W =Mr1H/180=3.80.0930=10.26J /mm 3、求功曲线Wd1-1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Wd1-1曲线。比例尺仍为：W=10.26J/mm

20、4、求驱动力矩曲线Md1-1仍取极距H=30mm图解微分Wd1-1得Md1-1曲线。纵坐标比例尺为：Mr=3.8Nm/mm 得驱动力矩：Md1=hMr=153.8=57Nm 5、确定最大盈亏功将功曲线变成动能曲线。量取：W，=45 mm最大盈亏功为：W=4510.26=461.7J 6、求飞轮的转动惯量n1= n2i12=802.6=208 rpmJF=900W/2n12=900461.740/(22082)=38.9 Kgm 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=1.5b2=4gJF/1.5D3=49.838.9/（3

21、.141.50.537104)b=192mmH=1.5b=288mm图3七、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,顺时回转；凸轮机构的最大摆角 max=16凸轮的摆杆长 LO4C=140mm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=150mm凸轮的基圆半径 ro=55mm凸轮的滚子半径 rr=15mm在2#图纸上绘制摆杆的角位移曲线和凸轮轮廓曲线图。摆杆的角位移曲线和凸轮轮廓曲线图形见2#图纸。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=46模数

22、m12=15压力角 =20齿顶高系数 h*a=1径向间隙系数 C*=0.251、 列表计算几何尺寸等（表格在17页） 2、绘制齿廓啮合图在2#图纸上绘制齿廓啮合图。取比例尺为：L=0.001m/mm齿廓啮合图见2#图纸。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：LO3B1=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

23、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。（源程序和运行结果见附录A）结果分析：与图解法比较，误差在毫米以下，不用修改。2机构的运动分析已知： (1)曲柄转速2； (2)各构件的长度。名称符号计算公式计算结果小齿轮分度圆直径d1d1=mz1270大齿轮分度圆直径d2d2=mz2690小齿轮齿顶圆直径da1da1=d1+2ha300大齿轮齿顶圆直径da2da2=d2+2ha720小齿轮齿根圆直径df1df1=d1-2hf232.6大齿轮齿根圆直径df2df2=d2-2hf6

24、52.6小齿轮基圆直径db1db1=d1cos253.8大齿轮基圆直径db2db2=d2cos648.4分度圆齿距PP=m47.1基圆齿距pbpb=pcos44.3分度圆齿厚ss=p/223.6分度圆齿槽宽ee=p/223.6径向间隙cc=c*m3.25标准中心距aa=m(z1+z2)/2480实际中心距aa=a480传动比ii=z2/z12.56重合度=B1B2/Pb1.56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: + = a b其中令：Ll=LO2O3；Y=L03M；S=L03A；将a式分别投影在x和y轴上得L2

25、cosF2=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-F4)S (4) 再将e f二式方别对时同求导一次后，同样将坐

26、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)L5cosF5 (11)对g式求导一次经整理可得e5=（L4e4c

27、osF4+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

28、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 F5=(YL4*sin F4) L5无论曲柄2运动到第几象限。连杆5都是在第二第三象限，由于在第二象限时F5是负值，在第三象限时F5是正值，因此在转换方位角时可以用一个公式来表示即：F5=180+F5 (17)开始计算是在左极限l的位置。因此F2的初值应该是： F2=Fq=195(Fq为起始角)运

29、行到8时导杆处在右极限终止位置，因此F2的数值应该是：F2=FZ=345 (FZ为终止角)编写程序。（源程序和运行结果见附录B）结果分析： 上述结果与图解法比较，除加速度略有点误差外其余各结果均无误差。因此验证了图解法和解析法的运算结果都是正确的。加速度的误差尽管很小但也进行了查找修正。3机构动态静力分析已知: (1)各构件的质量； (2)导杆绕自身重心的曲转动惯量为Js4； (3)切削阻力Fc的变化规律； (4)齿轮2的重量G2=500 N。求解：一、建立直角坐标系(与运动分析时的坐标相一致如图所示) 二、求出刨头6和导杆4质心点的加速度和导杆4的角加速度。 三、确定刨头6和导杆4的惯性力和

30、导杆4的惯性力矩。 四、远离原动件拆基本杆组建立机构的力方程式根据已知条件求出各运动副反力及加在原动件上的平衡力和平衡力矩。 （1）取构件56为示力体可得到方程式： (在回程和工作行程的两端0.05H处FC=0) 向X轴投影 R45cos(f45)+P16FC=0 向Y轴投影R45sin（f45）+R76G6=0向F点取距R76h76=FC(L02mY p)+G6*Xs6（2）取构件34为示力体可得到方程式： 向O3点取矩求R23R23LO3+P14hP+G4h4=R54h54 （3）取构件2为示力体可得到方程式： 编写程序。（源程序及运行结果见附录C）结果分析： 上述结果与图解法比较，除某个

31、运动副反力略有点误差外其余各结果均无误差。因此验证了图解法和解析法的运算结果都是正确的。力的误差尽管很小但也进行了查找修正。4凸轮机构的轮廓曲线设计已知(1)从动件8的运动规律及0、01、；(2)从动件8的长度LO4C；(3)从动件的最大摆角max=18；(4)从动件与凸轮的中心距LO2O4；(5)凸轮理论轮廓的基圆半径r0；(6)滚子半径rr；(7)凸轮与曲柄共轴,顺时针回转。1.建立数学模型选取XOY坐标系，B0点为凸轮起始点。开始时推杆滚子中心处于B0点处，当凸轮转过角度时，推杆相应地产生位移角。根据反转法原理,此时滚子中心应处于B点，其直角坐标为：y = a sinLsin(0) ax = a cosLcos(0)