中南大学课程设计 何竞飞老师的插床.doc

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1、机 械 原 理 课 程 设 计 插 床 说 明 书 负责人： 李勇男 学院： 机电工程学院 班级： 机械1101班 学号： 0806110202 日期： 2013年7月11日 目录第1章1.1机构简介.21.2设计任务.21.3原始数据.3第2章2.1机构运动方案设计.32.2电动机、齿轮传动机构方案.42.3总体方案图.6第3章3.1电动机的选择.73.2传动比分配.83.3齿轮机构设计.83.4主机构的设计.103.5主机构的运动分析.123.6主机构的受力分析.153.7主机构的速度波动.21第4章4.1课程设计小结.23参考文献.25第1章1.1机构简介 插床是一种用于加工键槽、花键槽

2、、异形槽和各种异性表面的金属切削机床。如图所示，装有插刀的滑枕沿铅垂方向（也可调有一定倾角）作往复直线主切削运动。工件装夹在工作台上，工作台可作前后、左右、和圆周方向的间歇进给运动。进给运动可手动，也可机动但彼此独立。进给运动必须与主切削运动协调，即插刀插削时严禁进给，插刀返回时进给运动开始进行，并于插刀重新切入工件之前完成复位。插床的主切削运动的行程长度、拄复运动速度以及进给量大小等均应手动可调。 1.2设计任务 （1）插床的机构选型、运动方案的确定； （2）导杆机构进行运动分析； （3）导杆机构进行动态静力分析； 1.3原始参数（1）曲柄转速n（r/min)：60；（2）行程速比系数K：1

3、.5；（3）插程H（mm）：200。第2章2.1机构运动方案设计（1） 机构设计要求 插刀进给运动必须与主切削运动协调，即插刀插削时严禁进给，插刀返回时进给运动开始进行，并于插刀重新切入工件之前完成复位。在插刀工作行程时要求要使插刀的速度比较慢，而且变化平缓，符合切削要求。 所以，在给定行程比系数的情况下，传动机构选用四杆机构，进行传动，可使机构具有急回作用。设计方案如下图。 、是一种平面连杆机构，结构简单，加工方便，能承受较大载荷。 、具有急回作用，其行程速比系数。根据K可求出，画出方案。 、方案要求加工简单，占用面积比较小，传动性能好，能够有效节省空回时间。 所以，选用四杆机构带动插刀，进

4、行工作。2.2电动机的选择 电动机类型和结构型式的选择：按已知的工作要求和条件，选用Y系列三相交流笼型异步电动机（JB/T10391-2002），全封闭自扇冷式结构，电压380V。 齿轮传动机构方案： （1）、普通V带传动允许的传动比较大，结构紧凑，并且大多数V带已经标准化，便于设计。 （2）、齿轮减速器的特点是效率及可靠性高，工作寿命长，维护简便，因而应用范围很广泛。齿轮减速器按其减速齿轮的级数可分为单级、两级、三级和多级的；按其轴在空间分布可分为立式和卧式；按其轴运动简图的特点展开式、同轴式和分流式等。 （3）、综上所述本次设计的传动比约为25，选用普通V带和二级展开式圆柱齿轮减速器进行调

5、速。总传动比较大，结构简单，应用最广。由于齿轮相对于轴承为不对称布置，因而沿齿轮宽载荷分布不均匀，要求轴具有较大刚度。 （4）、标准齿轮传动虽然具有设计简单、互换性好等一系列优点，但其中还有一些不足之处。在安装过程中，可能产生根切现象；由于与的差异，可能产生无法安装抑或间隙过大，影响传动的平稳性，重合度也随之降低。另外，在一对相互啮合的标准齿轮中，由于小齿轮齿廓渐开线的曲率半径较小，齿根厚度也较薄，参与啮合的次数又较多，强度较低，影响整个齿轮传动的承载能力。所以为了克服此限制，采用变位齿轮，设计图如下。2.3整体方案图第3章3.1电动机的选择选择电动机的容量：插床插刀的有效功率： ； （3.1

6、.1） ; （3.1.2） ; （3.1.3）普通V带传动效率=0.96；滚动轴承效率=0.99；圆柱齿轮传动（8级精度、油润滑）效率=0.97；弹性联轴器效率=0.99；执行机构的传动效率=0.95，则 （3.1.4） 故; （3.1.5）因 （3.1.6）故。 （3.1.7）查机械设计课程设计指导书选定电机型号为Y90S-4，额定功率，满载转速。 其主要性能如下表所示：电动机型号额定功率/kw满载转速r/min堵转转矩额定转矩最大转矩额定转矩Y90S-41.114002.32.33.2传动比分配总传动比为： （3.2.1） 取普通V带传送比为：， （3.2.2）因， (3.2.3) (3.

7、2.4) 则，。由于，所以传动比满足直齿圆柱齿轮的传动比，故符合要求。3.3齿轮机构设计 主要选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数。 （1）、按传动方案选用直齿圆柱齿轮传动。 （2）、由于金属切削机床速度不高，故选用8级精度。 （3）、材料选择：查表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质）硬度为280HBS，大齿轮材料45钢（调质）硬度为240HBS。二者材料硬度差为40HBS。对于高速齿轮1、2，选用标准直齿圆柱齿轮。由于 (3.3.1)取圆柱齿轮模数为4，假设最小齿轮的齿数为，由于， (3.3.2) 故，所以； (3.3.3) 所以； 齿轮名称模数齿数分度圆直径（mm）齿轮厚度（mm）大齿轮

8、248132438.4小齿轮14249638.4 对于低速齿轮3、4，采用一对等变位齿轮保证机构的平稳运转。由于高速齿轮1、2的模数为4，所以对于低速齿轮模数假设为6，同时选取变位系数为0.6。 由于， （3.3.4） 假设，则； （3.3.5） 所以，。（3.3.6） 齿轮名称模数齿数变位系数节圆直径（mm）齿厚（mm）等变位齿轮36200.612048等变位齿轮46540.632448 由于齿数均大于17，所以不会发生根切现象，同时硬度符合高速齿轮和低速齿轮的要求。对于发动机的皮带轮结构设计: 查机械设计课程设计指导书得：Y90S-4电动机轴伸直径D=24mm，轴伸长度E=60mm。所以假

9、设小带轮基准直径做成实心式，大带轮基准直径做成腹板式。则最终设计尺寸图如下：3.4主机构的设计 因为，K=1.5， （3.4.1） 所以极位夹角为：。 （3.4.2） 假设CE的长为462mm，根据E、E的位置做出CE，是其与CE相等，根据CC点做出D点，并根据极位夹角可得曲柄AB为81mm，连杆BC为246mm，同时可得最小的传动角为，所以如图所示机构可以符合要求。如图中，做EE点为200mm，然后取CE=CE，根据CC，与EE的延长线交与D点，所以以D点为圆心，CC为圆D的两点，求出CD的长度为472mm。使曲柄AB与BC处于一条直线上，作为极限位置1；使AB与BC处于一条直线上，作为极限

10、位置2。则AB与AB的夹角为，得曲柄AB长度为81mm，连杆BC长度为246mm。同时可得最小的传动角为。CE的长为462mm，曲柄AB长度为83mm，连杆BC为246mm，摇杆CD的长度为472mm，满足机构运转条件。3.5主机构的运动分析（1） 主机构的速度分析 如图所示标注，则 (3.5.1) 故； (3.5.2) ； (3.5.3) ； (3.5.4) ； (3.5.5) 对上四式求导得： ； (3.5.6) ； (3.5.7) ； (3.5.8) ； (3.5.9) 根据已知化简方程，移项得矩阵： （2）主机构的加速度分析 由（1）得速度关系为： ； (3.5.10) ； (3.5.

11、11) ； (3.5.12) ； (3.5.13) 由于，故对上式求导的： ； (3.5.14) ；(3.5.15) ； (3.5.16) ； (3.5.17) 所以加速度矩阵图为： （3） 速度、位移、加速度图象 根据catia软件，将各零件图画出，然后将其装配，将其安装上传感器，运行，画出速度、位移和加速度图象，可以利用其求得功率。（机构装备图）（位移-角度图象）（速度-角度图象）（加速度-角度图象）3.6主机构的受力分析（1）速度分析： (3.6.1) 大小： 方向： 沿CD切线 大小： 已知 (3.6.2) 方向：沿直线CE （2）加速度分析对于D点：大小： 已知 (3.6.3) 方向

12、：沿杆CD 切于CD 沿BD杆 切于BD 已知对于E点： 大小： 已知 方向： 沿直线CE 已知 沿DE杆 已知 (3.6.4) （3）画速度矢量和加速度矢量图，运用图解法求的各杆的速度和加速的。 （4）根据速度和加速度的大小，将机构分为三个部分，分别求其杆所受的力和力矩，并在图纸上画出受力图。 I.当曲柄由左极限位置转过30(位置1）时，分析各杆的内力，并画出受力分析图。机构简图如下所示，根据机构简图可画出速度矢量图，并根据速度的大小画出加速度矢量图，并进行求解。 （机构结构简图）（图解法速度矢量图）因为， (3.6.5) 则比例尺为： 则由图解法求得：； ；。所以可得：； 。 (3.6.6

13、) 由此种做法可得，位置3和位置6处的速度，如下表：位置(m/s)(m/s)(m/s)(m/s)10.58080.73940.82180.572530.11320.08410.56530.113060.87220.72700.43670.8710 根据速度图，做加速度矢量图如下：对于D点： 根据， 可得比例尺为：； 可得：； ； ； 则： ； (3.6.7)对于E点：同上图，比例尺为： 由于：， 可得：； 则：； (3.6.8) 由上述求加速度方法可求得位置3和位置6出的各点的加速度。 如下表：位置11.6853.8271.5153.051.5831.0322.8731.1021.171.33

14、463.8954.3231.8445.9670.867 根据上述速度与加速度，做杆的受力分析： （杆1所受的力）（杆2、3与杆4、滑块所受的力） 对各杆受力分析做平衡方程： 取杆线密度为300kg/m，滑块的重量为500N，对于细杆，由于M较少，计算时可以忽略不计。则： 对杆4与滑块5分析： ; ； (3.6.9) 则可得： 对杆2、3受力分析的： (3.6.10) 则可得： . 对曲柄1受力分析的： (3.6.11) 则 则 ; 。 将杆2、3分别分析的： 可得杆3中：; 杆2中：.由上述方式可得到位置3和位置6出各杆的内力，如下表：位置112552052285519442503103565

15、38687361156984841923216658112028691766697124748 3.7主机构的速度波动曲线 利用matlab软件，根据程序并运行，可得到关于M的图象，根据图象求得，并求得飞轮的J。 根据上述程序，由matlab作图： 同时可得数据，对数据进行整理得：7.5630147411.4164647511.4436221949.2596266116.40768165 47.34168766 188.565040522.9851693165.8287819491.65978726 140.955875144.93809416 41.1941012975.8835793222

16、5.3930265 248.932093476.8567134 70.56728685 41.443305820.098593384根据动能图象可知：(3.7.1) (3.7.2) 则 （3.7.3）第4章4.1课程设计小结 机械设计是机电类专业的主要课程之一，它要求我们能结合课本的学习，综合运用所学的基础和技术知识，联系生产实际和机器的具体工作条件，去设计合用的零部件及简单的机械，起到从基础课程到专业课程承先启后的桥梁作用，有对机械设计工作者进行基础素质培养的启蒙作用。 机械设计课程设计的过程是艰辛的，在这短暂的两个星期里，我们不仅对机械的设计的基本过程有了一个初步的认识和了解，接触到了一个

17、真机器的计算和结构的设计，也通过查阅大量的书籍，对有关于机械设计的各种标准有了一定的认识，也加强了对课本的学习和认识。 通过这次的设计，我认识到一些问题是我们以后必须注意的。 第一，设计过程决非只是计算过程，当然计算是很重要，但只是为结构设计提供一个基础，而零件、部件、和机器的最后尺寸和形状，通常都是由结构设计取定的，计算所得的数字，最后往往会被结构设计所修改。结构设计在设计工作中一般占较大的比重。 第二，我们不能死套教材，教材中给出的一些例题或设计结果，通常只是为表明如何运用基础知识和经验资料去解决一个实际问题的范例，而不是唯一正确的答案。所以我们必须要学会查阅各种书籍和手册，利用现有的资源

18、再加上自己的构想和创新，才能真正完成一个具有既有前景和使用价值又能普遍推广，价格低廉的新产品。因此，全力追索不断增殖的设计能力才是学习机械设计的中心思想。 第三，虽然在这次的设计过程当中大部分都是参照教材和手册所设计，只有小部分是通过自己创新所形成，但在选用各种零部件时是个人根据标准选定的，以使各种零部件组装成最好的一个减速器。 此次课程设计让我学到了许多，让我感悟了许多，经过自己的不懈努力，取得了较好的成果，让我印象深刻！参考资料：1 孙恒,陈作模，葛文杰编著.机械原理.高等教育出版社 ， 2006.82 曲继方.机械原理课程设计.机械工业出版社，1998.103 邹慧君.机械运动方案设计手册.上海交通大学出版社， 2001.35 申永林.机械原理教程.清华大学出版社 ， 1999.86 陆风仪.机械原理课程设计.机械工业出版社，2002.77王昆，何小柏，汪信远.机械设计基础.高等教育出版社，2003.5