机械原理课程设计说明书-牛头刨床设计说明书-毕业论文5

机械原理课程设计说明书-牛头刨床设计说明书-毕业论文5

xx理工大学

机械原理课程设计计算说明书

设计题目：

专业：

设计者：

学号

指导教师：

设计时间：

机械与自动控制学院

目录

1. 牛头刨床的工作原理和机构组成 (4)

2. 导杆机构 (4)

2.1.导杆机构尺寸的确定 (4)

2.2.导杆机构的运动分析 (5)

2.3导杆机构的动态静力分析 (11)

3. 凸轮机构的设计 (13)

4. 齿轮机构的设计 (15)

5. 设计小结 (17)

参考文献 (19)

机械原理课程设计任务书

姓名：专业：机械类班级：10机械（1）班学号：

任务起至日期：2012年6月30日至2012年7月8日

课程设计题目：牛头刨床设计

已知技术参数和设计要求：

1.已知技术参数

图1 牛头刨床机构简图及阻力线图

表1 设计数据

导杆机构运动分析

2

n

24

O O

l

2

O A

l

4

O B

l

BC

l

44

O S

l

6

S

x

6

S

y

工作

行程

H

行程

速比

系数

K 7

2

43

11

81

0.36

4

O B

l

0.5

4

O B

l

18

40

31

1.5

3

导杆

机构的动态静力分析

4

G

6

G p

p

y

4

S

J 2

20

620

80

00

100 1.2

飞轮转动惯量的确定

'

O

n

1

z''

O

z

1'

z

2

O

J

1

O

J

''

O

J

'O

J 14

40

10 20 40 0.5 0.3 0.2 0.2

凸轮机构的从动件最大摆角

max

ψ9O D

l[]

α推程φ远休止

S

φ回程'φ

设计15 130 42 75 10 65 齿轮

机构的设计

'

O

d

''

O

d

12

m''

1'

O

m 100 300 6 3.5 20

2.设计要求

（1）连杆机构的设计及运动分析，用图解法/解析法进行连杆机构的动态静力分析

（2）安装在O2轴上的飞轮设计，转动惯量的确定。（3）凸轮机构的设计，确定凸轮机构基本尺寸，选取滚子半径，画出凸轮实际廓线

（4）齿轮机构设计

工作量：

完成4张A2图纸，1份计算说明书

工作计划安排：

（1）设计准备阶段，1天

（2）连杆机构的设计和连杆机构的动态静力分析，2~2.5天

（3）连杆机构运动和连杆机构的动态静力图纸绘制，1~1.5天

（4）飞轮机构的设计和绘图，1.5~2天

（5）凸轮机构的设计和绘图，1.5~2天

（6）齿轮机构设计，1天

（7）设计说明书的编写，1.5~2天

（8）答辩：1天

指导教师签字：_

年月日

1.牛头刨床的工作原理与机构组成

牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图1-1.电动机经皮带和齿轮传动，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，以减少电动机容量和提高切削质量；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1-9-10-11一棘轮带动螺旋机构（图中未画），使工作台连同工作杆件作一次进给运动，以便刨刀继续切削。刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力（在切削的前后个有一段约0.05H的空刀距离，见图1-1，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运转，故需安装飞轮来减小主轴速度波动，以提高切削质量和减少电动机容量。

a

b

图1-1 牛头刨床机构简图及阻力线图

2.导杆机构

2.1.导杆机构尺寸的确定：

导

杆

机构

2

n

24

O O

l

2

O A

l

4

O B

l

BC

l

44

O S

l

6

S

x

6

S

y

工

作

行

程

行

程

速

比

运动分析

H系

数

K

72 430 110 810 0.36

4

O B

l

0.5

4

O B

l180 40 310 1.53

导杆机构的动态静力分析

4

G

6

G p

p

y

4

S

J 220 620 8000 100 1.2

2.2.导杆机构的运动分析

2.2.1.设计步骤

设计导杆机构。按已知条件确定导杆机构的未知参数。其中滑块6的导路X-X 的位置可根据连杆5传力给滑块6的最有利条件来确定，即X-X应位于B点所画圆弧高的平分线上（见图2-1）。

图2-1曲柄位置图

选取比例尺μl 按表1-2所分配的两个曲柄位置作出机图，其中一个位置用粗线画出。曲柄位置的做法如图1-2；取滑块6在上极限时对应的曲柄位置为起始位置1，按转向将曲柄圆周十二等分，得十二个曲柄位置，显然位置8对应于滑块6处于下极限的位置。再作出开始切削和中止切削所对应的1'和8'两位置。共计14个机构位置。

作速度、加速度多边形。选取速度比例尺μv 和加速度比例尺μa ，用相对运动图解法作该两个位置的速度多边形和加速度多边形。 2.2.2.分析步骤：

取曲柄位置“1'”速度分析，加速度分析（列矢量分析，画速度图，加速度图）。

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：

V A4 = V A3 + V A4A3

大小 ？ √ ？

方向 ⊥O 4A ⊥O 2A ∥O 4B

取速度基点P ，速度比例尺 μv =0.02763(m/s)/mm ，作速度多边形，如图2-2 1’，则可知：V A4=0.304m/s ，V A4A3=0.746m/s, V B5 = V B4 = V A4 * L O4B / L O4A =0.535 m/s 。

图2-2 1’点速度多边形图

取5构件为研究对象，列速度矢量方程，得：

V C = V B5 + V CB5

大小 ? √ ? 方向 ∥XX ⊥O 4B ⊥BC 根据其速度多边形，有可得： V C =0.58m/s 。

取曲柄位置“1'”进行加速度分析。取曲柄构件3和4的重合点A 进行加速度分析。列矢量方程，得

a A4 = a A4n + a A4t = a A3n + a A4A3K + a A4A3 大小 ? √ ? √ √ ? 方向 ? A →O 4 ⊥O 4B A →O 2 ⊥O 4B （向左） ∥O 4B （沿导路）

取加速度基点为 P,加速度比例尺 μa=0.125（m/s2）/mm,作加速度多边图，如图

2-3 1’。

由已知条件可求得：

a A3=a A3n =6.247m/s 2，a A4A3K =0.986m/s 2，a A4n =0.2m/s 2。 根据加速度多边形可以求得： a B5 = a B4 = a A4 ×l O4B /l O4A =8.125m/s 2，

图2-3 1’点加速度多边形图

取5构件为研究对象，列加速度矢量方程，得：

a C = a B5 + a CB5n + a CB5t 大小 ? √ √ ? 方向 ∥xx 同a A4 C →B ⊥BC 有上述计算可得 a C =8.125m/s 2 。

取曲柄位置“6”进行速度分析

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：

V A4 = V A3 + V A4A3

大小 ？ √ ？ 方向 ⊥O 4A ⊥O 2A ∥O 4A

取速度基点P ，速度比例尺μv =0.02763(m/s)/mm ，作速度多边形，如图

2-4

6。

则由图知：

V A4=0.636m/s ，V A4A3=0.525m/s ， V B5=V B4=V A4 * L O4B / L O4A =1.0m/s 。

图2-4 6点速度多边形图

取5构件为研究对象，列速度矢量方程，得：

V C = V B5 + V CB5

大小 ? √ ? 方向 ∥XX ⊥O 4B ⊥BC 由其速度多边形，可得： V C =80.9x0.01=0.9576m/s 。

取曲柄位置6进行加速度分析。取曲柄构件3和4 的重合点A 进行加速度分析，列加速度矢量方程，得

a A4 = a A4n + a A4t = a A3n + a A4A3K + a A4A3 大小 ? √ ? √ √ ?

方向 ? A →O 4 ⊥O 4B A →O 2 ⊥O 4B （向右） ∥O 4B （沿导路） 取加速度极点为 P,加速度比例尺 μa=0.125（m/s 2）/mm,作加速度多边形图，如图

2-5 6。

由已知条件可求得：

a A3n

= a A3 =6.247m/s 2

，a A4A3K

=1.297m/s 2

，a A4n

=0.7855m/s 2

，

用加速度影像法求得： a B5=a B4=a A4*L O4B /L O4A =4.125m/s 2，

图2-5 6点加速度多边形图

取5构件为研究对象，列加速度矢量方程，得：

a C = a B5 + a B5c n + a B5c t 大小 ? √ √ ? 方向 ∥xx 同a A4 C →B ⊥BC 根据其加速度多边形，同理有

a B5cn = W B5c2 *l B5c = 0.06m/s 2，a B5ct = 10.0*0.05=0.5m/s 2， a C =34.0*0.125=4.25m/s 2 。 取曲柄位置9进行速度分析

取构件3和4的重合点进行速度分析。列速度矢量方程，得

V A4 = V A3 + V A4A3

大小 ？ √ ？ 方向 ⊥O 4A ⊥O 2A ∥O 4B

取速度基点P ，速度比例尺μv =0.02763(m/s)/mm ，作速度多边形，如图

2-6

9，则由图可得：

V A4=0.47m/s ，V A4A3=0.69m/s ， V B5=V B4=V A4*L O4B /L O4A =1.05m/s 。

图2-6 9点速度多边形图取5构件为研究对象，列速度矢量方程，得：

V

C = V

B5

+ V

CB5

大小 ? √ ?

方向∥XX ⊥O

4

B ⊥BC

由其速度多边形，可知:

V

C

=1.0m/s。

取曲柄位置9进行加速度分析。取曲柄构件3和4 的重合点A进行加速度分析，列加速度矢量方程，得：

a

A4 = a

A4

n + a

A4

t= a

A3

n+ a

A4A3

K+ a

A4A3

大小 ? √ ? √√ ?

方向 ? A→O

4⊥O

4

B A→O

2

⊥O

4

B

（向右）

∥O

4

B

（沿导路）

取加速度极点为 P＇,加速度比例尺μa=0.125（m/s2）/mm,作加速度多边形，如图2-7 9。

由已知条件可求得：

a A3n =a A3=6.247/s 2，a A4A3K =1.79m/s 2，a A4n =0.6m/s 2。 用加速度影像法求得： a B5=a B4=a A4*L O4B /L O4A =8.125m/s 2。

图2-7 9点加速度多边形图

取5构件为研究对象，列加速度矢量方程，得：

a C5= a B5 + a CB5n + a CB5t 大小 ? √ √ ? 方向 ∥xx 同a A4 C →B ⊥BC 由上述条件可算得： a CB5n =W CB52*L CB5=0.076m/s 2 。

根据加速度多边形，同理有： a C =68×0.125=8.5m/s 2。

2.3.导杆机构的动态静力分析

选取1’位置导杆机构的动态静力分析： 已知P=8000N ，G 6=620N ，

又a c =a c5=8.125m/s 2,则可得出： F I6= - G 6/g ×a c =-620/9.8×8.125=-514N

又ΣF= P + G 6 + F I6t + F 45 + F N =0 方向 //x 轴 ↓ ← B →C ↑ 大小 8000 620 √ ？ ？

图2-7 构件5,6受力图

F 45=8600N ，F N =200N 。

aS 4=a A4 * l O4S4/l O4A =4.07m/s 2 αS4=α4=4.75rad/s 2

F 54=-F 45=8600N ，

G 4=220N 。 由此可得：

F I4t =-

G 4/g ×a S4 =-220/9.8×4.75N=-106.6N F I4n =-w 42×L o4s =-0.12610242N(由于1’的法向惯性力远远小于其他各力，在力多变形中无法表示出，所以在计算和力多边形中忽略该力) M Ie =-M S4=-J S4·a S4=-5.7N.m 。 其构件3,4受力图如

2-8下所示：

对O 4点取矩得：

M O4= M Ie + F I4*L o4s4 + F 23*L o4A + F 54*L 54 + G 4*L 4 = 0

L o4s4=0.405m L o4A =0.4925m L 54=0.785m L 4=0.0875m 代入数据，得：

MO 4=-5.04-38.2×0.405+F 23×0.4925+4100×0.785+220×0.0875=0 故F 23=5720N

对4杆受力分析可知：

F x + F y +

G 4 + F I4 t + F I4n + F 23 + F 54 = 0

大小？？√√√√√

方向√√↓⊥ O

4B ∥O

4

B ⊥ O

4

B √

由力多边形可得：F

x =2000N，F

y

=1600N 。

图2-8 构件3,4受力图

对曲柄分析，共受2个力，分别为F

32,F

12

和一个力偶M

Y

，由

于滑块3为二力杆，所以F

32=F

34

，方向相反，因为曲柄2只受两

个力和一个力偶，所以F

32与F

12

等大反力。其受力分析如下图

2-9所示：

图2-9 构件2受力分析图由此可对曲柄2列方程有:

ΣM

O2=M

Y

-F

32

·h=0

由所画的图可知h=0.035m，即：M-0.035*5720 =0

可得：M=200.2 N·m 。

3.凸轮机构的设计

确定凸轮机构的基本尺寸，选取滚子半径，划出凸轮轮廓线。以上内容做在

2号图纸上。

设计过程

选取比例尺，作图μl=1.0mm/mm。

1、确定基圆的半径和中心距；

以摆杆长为半径，以摆动中心为圆心，以φma角为圆心角作圆弧。自摆动中心作一系列辐射线按预定摆角分割φma，所对应的弧，得到相应的分割点。在摆动中心相应辐射线上由各分割点分别向左或右截取各线段，线段所代表的实

际长度就等于

29./

lo o d d

φδ，截取方向根据D点速度方向顺着凸轮转向转过90o 后所指的方向来确定。然后过各线段的末点作与相应辐射线的法线的夹角成为[α]（许用压力角）的直线，即一系列直线确定凸轮中心的安全区域，然后在安全中心确定凸轮中心，分别取相应的凸轮基圆半径和中心距。如图6-1

O 9

1

1432124111056798[α]

[γ]

O 2

最小基圆半径的确定（μl =0.002m/mm

D

D

图6-1 凸轮基圆半径确定图

2、再以O 2为圆心，以l O2 O9/ μl =150mm 为半径作转轴圆；

3、在转轴圆上O 2右上方任取一点O 9;

4、以O 9为圆心，以l O9D /μl =130mm 为基圆交于D 点。O 9D 即为摆动从动件推程

起始位置，再以逆时针方向旋转并在转轴圆上分别画出推程、远休、回程、近休，这四个阶段。再以12.5?对推程段6等分、10.833°对回程段等分（对应的角位移如下表所示），并用A 进行标记，于是得到了转轴圆山的一系列的点，这些点即为摆杆再反转过程中依次占据的点，然后以各个位置为起始位置，把摆杆的相应位置

ψ画出来，这样就得到了凸轮理论廓线上的一系列点的位置，再用光滑曲线把

各个点连接起来即可得到凸轮的外轮廓。

5、凸轮曲线上最小曲率半径的确定及滚子半径的选择

（1）用图解法确定凸轮理论廓线上的最小曲率半径min ρ：先用目测法估计凸轮理论廓线上的min ρ的大致位置（可记为A 点）；以A 点位圆心，任选较小的半径r 作圆交于廓线上的B 、C 点；分别以B 、C 为圆心，以同样的半径r 画圆，三个小圆分别交于D 、E 、F 、G 四个点处，如下图

6-2

所示；过D 、E 两点作

直线，再过F 、G 两点作直线，两直线交于O 点，则O 点近似为凸轮廓线上A 点的曲率中心，曲率半径OA ≈m in ρ；此次设计中，凸轮理论廓线的最小曲率半