机械原理_课程设计_SI_240B活塞车床_椭圆靠模的CAD

机械原理课程设计----SI-240B活塞车床椭圆靠模的CAD说明书姓名：学院：专业：班级：学号：指导老师：成绩：序表一：课程设计的目的和要求..................................................................3 二：课程设计的内容和步骤..................................................................3 三：方案设计 (4)1．提出方案 (4)1.1 方案一 (4)1.2 方案二 (4)1.3 方案三 (5)2．方案比较....................................................................................6 四：机构分析 (6)1．主机构（前刀架）的工作原理 (6)2．前刀架的结构分析 (7)3．前刀架的运动分析 (8)3.1 刀架3的摆动规律)(αφφ= (8)3.2 摆杆2的运动规律 (9)4．椭圆靠模轮廓曲线方程的推导......................................................11 五:程序设计 (13)1．编程 (13)2．程序结果................................................................................. 15 六：椭圆靠模轮廓曲线CAD 程序设计......................................................16 七：参考文献....................................................................................16 八：结束语 (17)一：课程设计的目的和要求机械原理课程设计的是机械专业学生在学完机械原理课程基本内容之后，进行较全面的机构分析与综合及应用计算机的训练，以便加深所学理论知识，和培养独立解决工程中属机械原理方面的实际问题的能力。

具体要求：在老师的指导下，顺序按时完成有关机构的组成和运动分析；凸轮轮廓用解析法设计公式的推导以及CAD 程序设计的各阶段的任务，并对其具体实例上机计算靠模轮廓；最后编写设计计算说明书。

二：课程设计的内容和步骤“SI-240B 活塞车床”是国内据79年从国外引进的“TPO-150金刚石靠模车”仿制的车用发动机活塞裙部曲面加工的专用机床。

近年来，随着对活塞使用性能要求的提高，国外新型汽车活塞裙部截面形状多由以往的“单椭圆”改变为“双椭圆”(如图1)对于单椭圆有：))cos(2-)(12e ()(αα=∆ 而对与双椭圆则为：[]{}.)cos(4-1k )cos(2-1)2e ()(ααα+=∆ 其中2e 为“椭圆度”——即最大的直径缩减量，k 为双椭圆特有的修正系数。

由于“TOP-150”及仿制的“SI-240B活塞车床”均只能加工截面为单椭圆的活塞裙部曲面，因而无法适应活塞曲面改型的要求，为此某生产汽车配件的厂家提出了研究该机床的关键零件——椭圆靠模的理论设计方法的课题。

三：方案设计1．提出方案为了得到最科学，最合理的设计方案，在此提出多钟方案加以讨论，以便最终得到所需方案。

1.1方案一：如图所示，凸轮1为该椭圆靠模，杆3由1支撑，可作垂直移动。

使用机床的动链保证凸轮1与活塞2同步转动。

凸轮1转动时将带动3做往复垂直运动。

配合活塞自身的转动，以实现活塞椭圆截面的加工。

1.2方案二：如图杆1即为椭圆靠模高副低带后成杆，绕固定点转动。

杆4水平移动并支撑杆3运动。

这样可以使A点作确定的运动，在A点装刀具，即可实现活塞椭圆截面的加工。

1.3方案三：如图，其中凸轮1 为椭圆靠模；5 为要加工的汽车活塞；3 为刀架；摆杆2 与靠模凸轮1 保持高副接触，其右端由支架杆4 的尖端C 支撑(高副接触)；支架杆4 受另外一个纵向模板(移动凸轮) 控制，作横向左右移动(其移动量x 可据其上指针位置从标尺上读出)，以使加工的活塞不同截面有不同的椭圆度。

在加工活塞5 时，机床的传动链保证椭圆靠模1 与要加工的活塞5 同步转动，即α1 = α5 = α. 凸轮1 转动将带动摆杆2 作平面运动，2 的平面运动通过铰链B 带动刀架3 (即车刀) 绕A 点摆动，配合活塞5 自身的转动，实现活塞椭圆截面的加工。

2．方案比较将三种方案进行比较，方案一对切削刀具的要求过高；方案二的机构运转复杂，机构的尺寸也不合适。

综合比较，最终取用方案三的设计方法进行设计。

四：机构分析1．主机构（前刀架）的工作原理SI-240B活塞车床0前刀架部分机构组成如图2所示、其中凸轮1为椭圆靠模；5为要加工的汽车活塞；3为刀架；摆杆2与靠模凸轮1保持高副接触，其右端由支架杆4的尖端C支撑(高副接触)；支架杆4受另外一个纵向模板(移动凸轮)控制，作横向左右移动(其移动量x可据其上指针位置从标尺上读出)，以使加工的活塞不同截面有不同的椭圆度(对此本论文不作研究)。

在加工活塞5时，机床的传动链保证椭圆靠模1与要加工的活塞5同步转动，即ααα==21.凸轮1转动将带动摆杆2作平面运动，2的平面运动通过铰链B 带动刀架3(即车刀)绕A 点摆动，配合活塞5自身的转动，实现活塞椭圆截面的加工。

由于椭圆靠模精度高，采用解析法设计。

2．前刀架的结构分析为了便于研究,假设支架杆4固定不动，只研究椭圆某一个截面的加工。

支架杆4与2在C 点高副接触，接触的小圆弧半径为r c ，对此高副低代，并作进一步等效代替，最后，前刀架部分结构图如图3.3．前刀架的运动分析运动分析的目的是推导出摆杆2的摆动规律, 以便设计靠模凸轮。

分析的顺序如下:先据活塞的径向缩减量α∆(双椭圆)导出刀架3的摆动规律)(αφφ=；再导出摆杆2的运动规律)]([)(αφψφψψ==.3．1 刀架3的摆动规律)(αφφ=活塞5转过α角时,产生的径向缩减量为:[]{}.)cos(4-1k )cos(2-1)2e ()(ααα+=∆ 则刀架3摆过的角度(如图4)为:[]{})cos(4-1k )cos(2-1)2h e ()()(ααααφ+=∆=h --------------------------------（1）3．2 摆杆2的运动规律由于3转过角度)(αφ，通过铰链B 带动摆杆2绕O 点摆动角度(如图5)为: )]([)(αφψφψψ==.下面确定其大小。

将OABC 看作一封闭的矢量多边形，可写出以下封闭矢量方程式: l OA +l AB =l OC +l CB ---------------------------------------------(2)式中:l OA 在x 、y 方向投影分别为b 、r c ；l AB 与x 轴夹角为φ-ο180；l OC 与y 轴夹角为ψ；l CB 与x 轴夹角为ψ-ο180.矢量方程(2)在x 、y 轴上的投影方程为：⎪⎩⎪⎨⎧-︒+=-︒+-︒+=-︒+.)180(sin l W cos r )180(sin l r ),180(cos l W sin r )180(cos l b CB C AB C CB C AB ψφψφ即 ⎪⎩⎪⎨⎧+=+=. sin lcos r sin l r , cos l -sin r cos l -b CB C AB C CB C AB ψψφψψφ -----------------------(3) 式(3)中l AB =(b+x)为常量,消去l CB 得0sin ]cos )([cos ]sin )([=-+-+++C C r x b b x b r ψφψφ---------------(4) 令⎪⎩⎪⎨⎧=+=++=C C r r -C cos x)(b -b B sin x)(b A φφ---------------------------------------------------------------------------（5）则方程(4)为0sin cos =++C B A ψψ---------------------------------------------(6) 用万能公式代入方程(6)得关于)2tan(ψ的一元二次方程,由此解出)CA 222B (arctan 2-++±=C B A ψ-----------------------------------(7) 式(7)中A 、B 均为α的函数,故ψ也为α的函数.为了计算方便,先求 αφφψαψd d d d d d ⨯= ---------------------------------------------------(8) 式(4)两边对φ求导并化简得)cos()(cos sin )cos()(ψφψψψφφψ-++--+=x b b r x b d d c -------------------(9) 式(1)两边对α求导得))2k(sin(4))(sin(2he (αααψ+=d d ---------------------------(10) 由式(8)、(9)、(10)得h )(k )(e )(x)(b b r )(x)(b d d C]4sin 22[sin cos cos sin cos ααψφψψψφφψ+⨯-++--+=（11） 4．椭圆靠模轮廓曲线方程的推导导出与椭圆靠模相接触的摆动从动件的运动规律后,就可以按平底摆动从动件盘形凸轮的设计方法来设计椭圆靠模轮廓的曲线方程.用/反转法0给整个凸轮机构加一个与靠模凸轮转动反向的运动,此时摆杆在图6所示任一位置的G 点与靠模凸轮高副接触,假设此时反转的角度为A.下面求靠模凸轮上任意一点G 的极坐标(ρ,θ)，过G 点作接触处的公法线PG 交OD 连线于P 点，则P 为靠模凸轮1与摆杆2的相对速度瞬心。

于是摆杆2与靠模凸轮1的瞬时角速度之比为:αψαααφφψαψd d dt d dt d d d d d dt d dt d l l X X CP PD =⨯⨯===12 又由方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=ODCP PD OD PD l l l d d l l αψ 解得⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧+=+=)1()1(αψαψαψd d d d l l d d l l OD PD OD OP ---------------------------------------------（12） 其中αψd d 已由前式（11）求出，又⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+-=-++==])()(arctan[)()(00220x a r r r r x a l l C C D O OP ψ--------------------------------（13） 由图8])1()(sin [)sin(00αψψψψψd d l r l r l OD OP PG C C +++=++=--------(14) 在PDG ∆中,090ψψ++︒=∠DPG ,由余弦定理:DPG l l l l PGPD PG PD ∠-+=cos 222θ---------------------------(15) 此即为G 点的θ值,式中l PD ,l PG 分别由式(12), (14)求出.又在PDG ∆中,由正弦定理:PDG l DPGl PG DG ∠=∠sin sin PDGl DPG PG ∠=∠sin sin θ. 得]sin arcsin[θPDG l PDG PG ∠=∠. 则G 点ρ值为αψαψρ+∠--︒=-∠--︒=PDG PDG 0090)(90----------------------(16) 于是G 点的坐标由式(15)、(16)确定.五:程序设计1．编程这里我们用C 语言来对公式进行编制程序：#include <stdio.h>#include <math.h>#define pai 3.141592654main(){float a=65.0,b=25.0,x=40.0,rc=4.0,h=40.0,k=-0.12,e=0.4,r0=53.0,ksai ,ksai0,afa,fai,A,B,C,D,E,F,G,H,Z,y,pg,pd,po,od,rou,sta;od=sqrt((a+x)*(a+x)+(r0-rc)*(r0-rc));ksai0=atan((r0-rc)/(a+x));for (afa=0.0000000001;afa<=(2*pai+0.1);afa+=pai/18){fai=e*(1-cos(2*afa)+k*(1-cos(4*afa)))/(2*h);A=rc+a*sin(fai);B=b-a*cos(fai);C=-rc;D=B+sqrt(B*B-C*C+A*A);E=A-C;y=D/E;ksai=2*atan(y);F=(a*cos(fai-ksai))/(A*sin(ksai)-B*cos(ksai));G=(e/h)*sin(2*afa)+(2*e/h)*sin(4*afa);Z=F*G;pd=od/(1+(1/Z));po=od-pd;pg=rc+po*sin(ksai0+ksai);rou=sqrt((pd*pd)+(pg*pg)-2*pd*pg*cos(pai/2+ksai0+ksai));H=(pg*sin(pai/2+ksai0+ksai))/rou;sta=pai/2-ksai0-asin(H)+afa;printf("afa=%3.0f sta=%10.6f rou=%f\n",(afa*180/pai),(sta*180/pai), rou);}system("pause");}2．程序结果αθρ六：椭圆靠模轮廓曲线CAD程序设计七：参考文献[1] 郑文纬,吴克坚.机械原理(第七版)[M].北京:高等教育出版社,1997.[2] 孙桓.机械原理[M].北京:高等教育出版社,1982.[3] 曹惟庆,徐曾荫.机构设计(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2000.[4] 同济大学数学系.高等数学（第六版）.北京：高等教育出版社,2007.[5] 陈刚.C语言程序设计.北京：清华大学出版社,2010.[6] 罗洪田.机械原理课程设计指导书.北京：高等教育出版社.1986.八：结束语1．本文应用解析法先对机构进行位置分析,并推导出凸轮从动件的运动规律.然后用解析法对凸轮机构进行设计,确定凸轮轮廓上各点的坐标.这样一来可以在数控机床上很方便的制造出靠模凸轮.经过这样改型后的活塞车床是能适应汽车活塞改型后的加工要求的.同时,本文也是解析法设计四杆机构、凸轮机构一个很好的应用实例。