1、1机械原理课程设计（2010-2011 学年第二学期）论文题目 牛头刨床主运动机构的设计 课程名称 机 械 原 理 班 级 09 机 械 设 计（5）班 学 号 0901105015 姓 名 黄 健 斌 指导老师 张 春 红 华侨大学厦门工学院机械工程系2011 年 6 月 23 日成 绩2机械原理课程设计任务书学生姓名：_黄健斌_ 专业班级：_机械 5 班_指导教师：_张春红_设计题目：牛头刨床主运动机构设计设计任务：1.主运动机构的选型及分析2.主运动机构的尺度综合计算未知尺寸，定长度尺寸比例尺 l ，画机构工作循环图（绘制在一张3 号图纸上） 。3.主运动机构的运动分析按学号要求分组，绘
2、制两位置机构运动简图，并用矢量方程图解法做这两个位置的运动分析；绘制机构位移线图、速度线图和加速度线图。此部分绘制在一张 1 号图纸上。4.主运动机构的力分析按学号要求做一个位置的力分析，绘制机构运动简图，用图解法求各运动副中反作用力及曲柄上所需的平衡力矩。此部分绘在一张 2 号图纸上。编写设计说明书1.简要介绍设计任务并根据设计任务，结合牛头刨床的特点及要求，至少提出 3 种能实现牛头刨床运动基本要求的机构型式，绘制所选机构的机构简图，阐述所选机构的特点，并进行比较。2.将设计任务中 2、3、4 的设计计算过程书写在说明书上并对设计过程进行总结。时间安排：设计资料成绩： 指导教师签名： 设
3、计 阶 段 时间安排 备注1. 看懂指导书并完成主运动机构的尺度综合 第 1 天2. 主运动机构的运动分析 第 2 天3. 主运动机构的力分析 第 3 天4. 编写设计说明书 第 4 天5. 设计答辩 第 5 天3目录一、概述（一） 课程设计的题目-4（二） 课程设计的任务和目的-4（三） 课程设计的要求-4二、各运动方案的分析与评价（一） 方案一的运动分析和评价-5（二） 方案二的运动分析和评价-7三、主传动机构的分析（一）尺度综合-11（二）运动分析-12（三）动态静力分析-14四、小结-17五、参考文献-174一、引言（一）课程设计的题目此次课程设计的题目是：牛头刨床的主传动结构的设计。
4、（二）课程设计的任务和目的 1.任务：（1）牛头刨床的机构选型、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；根据要求发挥自己的创新能力，设计 3 种牛头刨床的主传动机构，使其可以满足牛头刨床的传动需要。 2.目的：机械原理课程设计是培养学生掌握机械系统运动方案设计能力的技术基础课程，它是机械原理课程学习过程中的一个重要实践环节。其目的是以机械原理课程的学习为基础，进一步巩固和加深所学的基本理论、基本概念和基本知识，培养学生分析和解决与本课程有关的具体机械所涉及的实际问题的能力，使学生熟悉机械系统设计的步骤及方法，其中包括选型、运动方案的确定、运动学和动力学的
5、分析和整体设计等，并进一步提高计算、分析，计算机辅助设计、绘图以及查阅和使用文献的综合能力。（三）课程设计的要求牛头刨床的主传动的从动机构是刨头，在设计主传动机构时，要满足所设计的机构要能使牛头刨床正常的运转，同时设计的主传动机构的行程要有急回运动的特性，以及很好的动力特性。尽量是设计的结构简单，实用，能很好的 实现传动功能。5二、设计方案和分析（一）方案一1、方案一的设计图2.方案一的运动分析及评价（1） 运动是否具有确定的运动该机构中构件 n=5。在各个构件构成的的运动副中 Pl=6,Ph=1.凸轮和转子、2 杆组成运动副中有一个局部自由度，即 F=1。机构中不存在虚约束。.由以上条件可知
6、：机构的自由度 F=3n-(2Pl+Ph-p)-F=1机构的原动件是凸轮机构，原动件的个数等于机构的自由度，所以机构具有确定的运动。（2） 机构传动功能的实现6在原动件凸轮 1 带动杆 2 会在一定的角度范围内摇动。通过连杆 3 推动滑块 4 运动，从而实现滑块(刨刀)的往复运动。（3） 主传动机构的工作性能凸轮 1 的角速度恒定，推动 2 杆摇摆，在凸轮 1 随着角速度转动时，连杆3 也随着杆 2 的摇动不断的改变角度，使滑块 4 的速度变化减缓，即滑块 4 的速度变化在切削时不是很快，速度趋于匀速；在凸轮的回程时，只有惯性力和摩擦力，两者的作用都比较小，因此，机构在传动时可以实现刨头的工作
7、行程速度较低，而返程的速度较高的急回运动。传动过程中会出现最小传动角的位置，设计过程中应注意增大基圆半径，以增大最小传动角。机构中存在高副的传动，降低了传动的稳定性。（4） 机构的传力性能 要实现机构的往返运动，必须在凸轮 1 和转子间增加一个力，使其在回转时能够顺利的返回，方法可以是几何封闭或者是力封闭。几何封闭为在凸轮和转子设计成齿轮形状，如共扼齿轮，这样就可以实现其自由的返回。机构在连杆的作用下可以有效的将凸轮 1 的作用力作用于滑块 4。但是在切削过程中连杆 3 和杆 2 也受到滑块 4 的作用反力。杆 2 回受到弯力，因此对于杆2 的弯曲强度有较高的要求。同时，转子与凸轮 1 的运动
8、副为高副，受到的压强较大。所以该机构不适于承受较大的载荷，只使用于切削一些硬度不高的高的小型工件。该机构在设计上不存在影响机构运转的死角，机构在运转过程中不会因为机构本身的问题而突然停下。（5） 机构的动力性能分析。由于凸轮的不平衡，在运转过程中，会引起整个机构的震动，会影响整个机构的寿命。所以在设计使用的过程中应处理好机械的震动问题，可以增加飞轮减少机械的震动，以免造成不必要的损失和危险。（6） 机构的合理性此机构使用凸轮和四连杆机构，设计简单，维修，检测都很方便。同时，机构的尺寸要把握好，如杆 2 太长的话，弯曲变形就会很大，使杆 2 承受不了载荷而压断，如果太短的话，就不能有效的传递凸轮
9、 1 的作用力和速度。同时。凸轮具有不平衡性，在设计中尽量使凸轮的重量小一些，减小因为凸轮引起的整个机构的不平衡和机器的震动。（7）机构的经济性该机构使用的连杆和凸轮都不是精密的结构，不需要特别的加工工艺，也不需要特别的材料来制作，也不需要满足特别的工作环境，所以该机构具有好的经济效益，制作方便，实用。不过机器的运转可能会造成一定的噪音污染；凸轮机构为高副机构，不宜承受较大的载荷。7（二）方案二1、方案二的设计图2、方案二的运动分析和评价（1）运动是否具有确定的运动该机构由齿条、扇形齿轮 3、滑块 2 和杆 1 组成，其中杆 1 为主动件。滑块 2以移动副的方式和扇形齿轮 3 连在一起。机构具
10、有 3 个活动构件。机构中的运动副有原动件 1 的铰接，1 和 2 的转动副以及 2 和 3 的移动副。机构中的运动副全都是低副，且 Pl=4.在该机构中没有高副，也不存在局部自由度和虚约束。由此可知：F=3n-(2Pl+Ph-p)-F=1机构中有一个原动件，原动件的个数等于该机构的自由度。所以，该机构具有确定的运动。（2）机构功能的实现根据机构图可知，整个机构的运转是由原动件 1 带动的。杆 1 通过滑块2 带动扇形齿轮 3 的运动。扇形齿轮 3 和与刨头连接的齿条啮合。从而实现刨刀的往复运动。（3）机构的工作性能该机构中原动件 1 对滑块 2 的压力角一直在改变。但是原动件 1 的长度较小
11、，扇形齿轮的半径较大，即原动件 1 的变化速度对于扇形齿轮 3 的影响不是很大，同时机构是在转速不大的情况下运转的，也就是说，在扇形齿轮作用下的齿条的速度在切削过程中变化不大。趋于匀速运行。8原动件 1 在滑块 2 上的速度始终不变，但是随着原动件 1 的运转，在一个周期里，BC 的长度由小到大，再变小。而 BC 的长度是扇形齿轮 3 的回转半径，也就是说，在机构的运行过程中，推程的速度趋于稳定，在刨头回程时，由于扇形齿轮受到齿条的反作用力减小。还有扇形齿轮 3 的回转半径减小，使扇形齿轮的回程速度远大于推程时的速度。即可以达到刨床在切削时速度较低，但是在回程时有速度较高的急回运动的要求。在刨
12、头往返运动的过程中，避免加减速度的突变的产生。（4）机构的传递性能该机构中除了有扇形齿轮和齿条接触的两个高副外，所有的运动副都是低副，齿轮接触的运动副对于载荷的承受能力较强，所以，该机构对于载荷的承受能力较强，适于加工一定硬度的工件。同时。扇形齿轮是比较大的工件，强度比较高，不需要担心因为载荷的过大而出现机构的断裂。在整个机构的运转过程中，原动件 1 是一个曲柄，扇形齿轮 3 只是在一定的范围内活动，对于杆的活动影响不大，机构的是设计上不存在运转的死角，机构可以正常的往复运行。（5）机构的动力性能分析该机构的主传动机构采用导杆机构和扇形齿轮，齿条机构。齿条固结于刨头的下方。扇形齿轮的重量较大，
13、运转时产生的惯量也比较大，会对机构产生一定的冲击，使机构震动，不过在低速运转情况下，影响不会很大。（6）机构的合理性该机构的设计简单，尺寸可以根据机器的需要而进行选择，不宜过高或过低。同时，扇形齿轮的重量有助于保持整个机构的平衡。使其重心稳定。由于该机构的设计较为简单。所以维修方便。，除了齿轮的啮合需要很高的精确度外没有什么需要特别设计的工件，具有较好的合理性。（7）机构的经济性能该机构中扇形齿轮与齿条的加工的精度要求很高，在工艺上需要比较麻烦的工艺过程，制作起来不是很容易。此方案经济成本较高。9三、主传动机构的分析（一）尺度综合项目 曲柄长度 lO2A刨头行程 H 行程速比系数K刨头驱动力的
14、压力角 a数量或条件 110 312.63 1.4599整个运动循环中的 amax 具有最小值单位 mm mm / 度符号 LO2O4 LO4B LBC amax L数量 379.92 539.90 134.98 4.91 528.34单位 mm mm mm 度 mm10（二）速度加速度分析7 点速度加速度分析1110点速度加速度分析121314（三）动态静力分析构件 6构件 415构件 2161、机构运动分析结果VCVA3A4 VB VS4 速度多边形法图解微分法w4/ 4akA3A4 arA3A4 aB aS4 aC aS项目位置O 4B O 4B 水平 水平 BO 4 O 4B BO 4
15、 水平 水平0.615 0.429 0.215 0.391 0.59 2.4 0.973 1.568 0.99 0.495 1.12单位 m/s m/s1/S22、机构力分析结果Fi4 Mi4 h4 Fi6 R16 LR16 R65 R45 R14 R12 Mb项目多边形法 杠杆法86.8 -2.5 0.415 78.4 1080 27 7120 7120 9750 8616 340 340单位 N Nm mm N N mm N N N N Nm Nm3、机构作用在曲柄上的平衡力矩 Mb(Nm)位置 1 1 2 3 4 4 5 6 7 7 8 8 9 10 10 11 12Mb 125 160
16、 176 183 195 223 246 253 239 224 163 152 146 137 11917四、小结心得体会：通过这次课程设计我有了很多收获。首先，我进一步巩固和加深了所学的基本理论、基本概念和基本知识，培养了自己分析与解决课程有关具体机械所涉及的实际问题的能力。对平面连杆机构有了更深的认识，为后续课程的学习奠定了坚实的基础。而且，这次课程设计过程中，与同学激烈讨论，团结合作，最终实现了预期的目的，大家都受益匪浅。其次，通过这次课程的设计，对牛头刨床的工作原理及内部各传动机构及机构选型、运动方案的确定以及导杆机构运动分析有了初步详细的精确的了解，这都将为我以后参加工作实践有了很大的帮助。有点成就感，培养了很深的学习兴趣。最后，很感谢张春红老师的的耐心指导，我们才能完成这次的课程设计。五、参考文献孙恒、陈作模、葛文杰 机械原理 高等教育出版社 2006.5 1959 年 6月第 1 版，2006 年 12 月第 13 次印刷盛冬发、刘军 理论力学 北京大学出版社 2007.8 2007 年 8 月第 1 版，2010 年 8 月第 2 次印刷
