1、机械原理课程设计计算说明书设计题目： 牛头刨床设计 学校： 广西工学院 院（系）： 机械工程系 班级： 机自 Y102 班 姓名： 姚海培学号： 201000103057指导教师： 罗玉军 时间：2 月 13 日至 2 月 24 日 共两周2012 年 2 月 24 日- 1 -目录：一、 课程设计的目的与要求 (2)二、 设计正文 (2)1、设计题目 (2)2、牛头刨床机构简介 (2)3、机构简介与设计数据 (4)4、设计内容 (5)三、摆动滚子从动件盘形凸轮机构的设计(11)四、飞轮转动惯量的确定(14)五、齿轮机构的设计(15)六、参考文献(16)七、心得体会(16)八、附件(17)-
2、2 -一、课程设计的目的与任务1、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，他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涉及的步骤及方法，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。2、任务本课程设计的任务是对牛头刨床的机构选型、运动方案的确定；对导杆机构进行运动分析和静力分析。并在此基础上确定飞轮的
3、转动惯量，设计牛头刨床上的凸轮机构和齿轮机构。二、设计正文(详情见 A1 图纸)1、设计题目：牛头刨床1)为了提高工作效率，在空车回程时刨刀快速退回，即要有急回运动，行程速比系数在 1.4 左右。2）为了提高刨刀的使用寿命和工件的表面加工质量，在工作行程时，刨刀要速度平稳，切削阶段刨刀应近似匀速运动。3）曲柄转速在 60r/min，熬到的行程在 300mm 左右为好，切削阻力约为7000N，其运动规律如图所示。2、 牛头刨床机构简介牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图 4-1。电动机经皮带- 3 -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-
4、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 与棘轮带动螺旋机构（图中未画） ，使工作台连同工件作一次进给运动，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（在切削的前后各有一段约 5H的空刀距离，见图 4-1，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
5、转，故需安装飞轮来减小主轴的速度波动，以提高切削质量和减小电动机容量。3、机构简介与设计数据 3.1.机构简介牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床。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，称工作切削。此时要求速度较低且均匀，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，- 4 -以提高生产效率。为此刨床采用急回作用得导杆机构。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 与棘轮机构带动螺旋机
6、构，使工作台连同工件作一次进给运动，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，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，故需装飞轮来减小株洲的速度波动，以减少切削质量和电动机容量。3.2 设计数据设计数据（方案的数据）n2 lo2o4 lo2A lo4B lBC lo4s4 xs6 ys6 G4 G6 P yp Js4r/min mm N mm kgm2 64 350 90 580 0.3lo4B 0.5lo4B 200 50 220 800 9000 80 1.2方案飞轮转动惯量的确定 凸轮机构的设计 no z1 zoz1
7、 Jo2 Jo1 JoJomax lo9D s r/min kgm2 mm 0.16 1440 15 19 50 0.5 0.3 0.2 0.2 15 130 42 75 10 65- 5 -齿轮机构的设计do do m12 mo1 mm 100 300 6 4 204、设计内容导杆机构的运动分析4.1、 已知：曲柄每分钟转数 n2，各构件尺寸及重心位置，且刨头导路x-x 位于导杆端点 B 所作的圆弧高的平分线上。要求：做机构的运动简图，并作机构两位置的速度、加速度多边形以及刨头的运动线图。以上内容与后面的动静力分析一起画在 1 号图纸上。4.2、画机构的运动简图1）以 O4为原点定出坐标系，
8、根据尺寸分别定出 O2点，B 点，C 点。确定机构运动时的左右极限位置。 曲 柄 位 置 图 的 作 法 为 ： 取 1和 8为 工 作 行 程 起 点 和 终 点 所 对 应 的 曲 柄 位 置 ， 1和7为 切 削 起 点 和 终 点 所 对 应 的 曲 柄 位 置 ， 其 余 2、 312等 ， 是 由 位 置 1 起 ， 顺 2 方 向 将 曲 柄 圆 作 12 等 分 的 位 置（ 如 下 图 ） 。- 6 -取 第 方 案 的 第 “4”位 置 （ 详 情 见 A1 图 纸 ） 。4.3、机构运动分析4.3.1 速度分析（1）曲柄位置“4”速度分析，加速度分析（列矢量方程，画速度图
9、，加速度图）取曲柄位置“4”进行速度分析。因构件 2 和 3 在 A 处的转动副相连，故 VA2=VA3，其大小等于 W2lO2A，方向垂直于 O2 A 线，指向与 2 一致。2=2n2/60 rad/s=6.69rad/s- 7 -A3=A2=2lO2A=6.690.09m/s=0.602m/s（O 2A）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 A4= A3 + A4A3大小 ? ?方向 O 4B O 2A O 4B取速度极点 P，速度比例尺 v=0.005(m/s)/mm ,作速度多边形（如图 A1图纸上的速度多边形图）由速度多边行可知， A4=Pa4v=118
10、0.005=0.59m/sA4A3=a3a4 v=230.005=0.115m/s 用速度影像定理求得，b5=b4=A4O4B/O4A=0.59580436=0.7848m/s又 4=A4/L04A=0.590.436=1.3532rad/s取构件五作为研究对像，列速度矢量方程，得C5 = B5 + C5B5 大小 ? ?方向 XX O 4B BC取速度极点 P，速度比例尺 v=0.005(m/s)/mm, 由速度多边形图可知，C5=Pc5v=1530.005=0.765m/sC5B5 =b5c5v=90.005=0.045m/scb=C5/LCB=0.765(0.580.3)=4.3965r
11、ad/s- 8 -4.3.2、 加速度分析取曲柄位置“4”进行加速度分析。因构件 2 和 3 在 A 点处的转动副相连，故 = ,其大小等于 22lO2A,方向由 A 指向 O2。anA232=6.69rad/s, = =22LO2A=6.69 0.09 m/s2=4.028049m/s2nA3取 3、4 构件重合点 A 为研究对象，列加速度矢量方程得：aA4 = + aA4= aA3n + aA4A3K + aA4A3r n4大小: ? 42lO4A ? 24A4 A3 ?方向：? BA O 4B AO 2 O 4B O 4B 取 5 构件为研究对象,列加速度矢量方程,得ac5= aB5 +
12、 ac5B5n + a c5B5大小 ? w42Lbo4 w52 Lbc ?方向 XX a4 cb BC取加速度极点为 ,加速度比例尺 a=0.02（m/s 2）/mm,做加速度多变行（图如 A1 图上的加速度多边行图） ，由加速度多边形得，4=A4/ lO4A=0.590.436=1.352rad/sC5B5= v=90.005=0.045m/s5cb=4Lo4A=1.3532 0.436=0.798m/s anAaA4A3k=24A4A3=21.35320.115=0.310m/s - 9 -aB5=4 O4B=1.3532 0.58=1.060m/sac5B5n= w5 BC=4.396
13、5 0.174=3.36m/s aA4= aA3 =a 4 a=430.02m/s=0.86m/s2,4= a A4 / LO4A=0.860.436=1.972477rad/s2用加速度影象法求得 aB5 = aB4 =630.02=1.26 m/s2所以 ac=0.02(c)=350.02=0.60m/s 4.3.3、 总 结 4 点 的 速 度 和 加 速 度 值 以 速 度 比 例 尺=(0.005m/s)/mm 和 加 速 度 比 例 尺 a=(0.02m/s)/mm 用 相 对运 动 的 图 解 法 作 该 两 个 位 置 的 速 度 多 边 形 和 加 速 度 多 边 形 如 下
14、 图1-2， 1-3， 并 将 其 结 果 列 入 表 格 （ 1-2）表 格 1-1位 置 未 知量结 果VA4 0.59m/sVC 0.765m/saA 0.86m/s2 4ac 0.60m/s2- 10 -4、机构动态静力分析2）导杆机构机构运态静力分析已知 各构件的重量 G（曲柄 2、滑块 3 和连杆 5 的重量都可忽略不计） ，导杆 4 绕重心的转动惯量 Js4及切削力 P 的变化规律。要求 求各运动副中反作用力及曲柄上所需要的平衡力矩。以上内容做在运动分析的同一张图纸上。动态静力分析过程：取“4”点为研究对象，分离 5、6 构件进行运动静力分析，作阻力体受力图如 A1 图所示，已知
15、 P=9000N，G 6=800N，又 ac=0.6m/s ,那么我们可以计算FI4=-m6ac =- G6/gac=-800/100.60=-56N又 F = P + G6 + F14 + F45 + FRI6 =0方向： x 轴 y 轴 与 ac 反向 BC y 轴大小： 9000 800 -m 6a6 ? ? 作力多边行如图 1-7 所示，选取力比例尺 P=100N/mm。由力多边形得：F R45=CDN=93100=9300NFR16= ADN=4100N=400N分离 3,4 构件进行运动静力分析，杆组力体图如 A1 图上所示已 知 ：F R54=-F R45=9300N，G 4=2
16、20NaS4=aA4lO4S4/lO4A=0.96290/436=0.6385m/s S4=4=1.260.58=2.1724 rad/s2可得构件 4 上的惯性力 FI4=-G4/gaS4=-220/102.1724=-47.7928N方向与 aS4 运动方向相反- 11 -惯性力偶矩 MS4=-JS4S4=-1.22.1724= -2.60688Nm方向与 4 运动方向相反（逆时针）将 FI4 和 MS4 将合并成一个总惯性力 FS4（=F I4）偏离质心 S4 的距离为hS4= MS4/ FI4=-2.60688-47.7928=0.05454m其对 S4 之矩的方向与 4 的方向相反（
17、逆时针）取构件 4 为受力平衡体，对 A 点取矩得：在图上量取所需要的长度 lAB=144 mm lS4A=144 mm lO4A=436mmMA=FR54cos2。 lAB+MS4+ FI4cos50。 lS4A +G4sin4。 lS4A +FRO4lO4A =0=1338.3814-2.60688-4.3247+2.2098+0.436FRO4=0代入数据， 得 FRO4 =-3058.8 N 方向垂直 O4B 向右F = FR54 + FR34 + FS4 + G4 + FRO4 + FRO4n=0方向: BC O 4B 与 aS4 同向 y 轴 O 4B（向右）O 4B大小： ? ?
18、作力的多边形在 A1 图上，选取力比例尺 P=50N/mm。 由图得：F R23 = 24250=12100N对曲柄 2 进行运动静力分析，作组力体图如 A1 图上所示 因为曲柄 2 滑块 3 的重量可忽略不计，有 F R34 = F R23= FR23由图知，曲柄 2 为受力平衡体，对 O2 点取矩得：F R12= FR32MO2=121000.09con14=1057.65Nm即 M=1057.65 Nm三、摆动滚子从动件盘形凸轮机构的设计（详情见 A2 图纸）- 12 -（一）已知条件、要求及设计数据1、已知：摆杆为等加速等减速运动规律，其推程运动角 ，远休止角 s，回程运动角 ，如图
19、8 所示，摆杆长度 lO9D，最大摆角 max，许用压力角 （见下表） ；凸轮与曲柄共轴。2、要求：确定凸轮机构的基本尺寸，选取滚子半径 T，画出凸轮实际廓线。3、设计数据：设计内容 符号 数据 单位 max 15 lOqD 135 mm 38 70 S 10 70 r0 60 mm凸轮机构设计lO2O9 156, mm（二）设计过程选取比例尺，作图 l=1mm/mm。1、取任意一点 O2 为圆心，以作 r0=60mm 基圆；2、再以 O2 为圆心，以 lO2O9/l=150mm 为半径作转轴圆；3、在转轴圆上 O2 右下方任取一点 O9;4、以 O9 为圆心，以 lOqD/l=135mm 为
20、半径画弧与基圆交于 D 点。O 9D 即为摆动从动件推程起始位置，再以- 13 -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 11.6对推程段等分、11.6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 ：先用目测法估min计凸轮理论廓线上的
21、 的大致位置（可记为 A 点） ；以 A 点位圆心，任min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 9 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 ；此次设计中，Amin凸轮理论廓线的最小曲率半径 。min图 9（2）凸轮滚子半径的选择（r T）凸轮滚子半径的确定可从两个方向考虑：几何因素应保证凸轮在各个点车的实际轮廓曲率半径不小于 15mm。对于凸轮的凸曲线处- 14 -，TCr对于凸轮的凹轮廓线
22、（这种情况可以不用考虑，因为它不会发TCr生失真现象） ；这次设计的轮廓曲线上，最小的理论曲率半径所在之处恰为凸轮上的凸曲线，则应用公式： ；mrTT255inmin 力学因素滚子的尺寸还受到其强度、结构的限制，不能做的太小，通常取 及 。综合这两方面的考虑，选择滚子半0)5.1(rrTrT5.2.4径为 rT=7mm。得到凸轮实际廓线，如 A2 图上所示。四、飞轮转动惯量的确定 （图见 A2 图纸上）已知 及其运动的速度不均匀系数，由动态静力分析所得的平衡力矩 My,具有定转动比的各构件的转动惯量 J，电动机、曲柄的转速 no、n2 及某些齿轮的齿数。驱动力矩为常数。要求 用惯性立法确定安装
23、在轴 O2 上的飞轮转动惯量 JF。以上内容做在 2 号图纸上。步骤：1） 列表汇集同组同学在动态静力分析中求得的个机构位置的平衡力矩 M ，以力矩比例尺 和角度比例尺 绘制一个运动循环的y m动态等功阻力矩 M = M （）线图。对 M （）用图解积分法求出*c *c在一个运动循环中的阻力功 A = A （）线图。*c2） 绘制驱动力矩 M 所作的驱动功 A = A （）线图。因 Maa为常数，且一个运动循环中驱动功等于阻力功，故将一个循环中的 Aa- 15 -= A （）线图的始末两点 以直线相连，即为 A = A （）线图。*c a3） 求最大动态剩余功A 。将 A = A （ ）与 A
24、 = A （） a*c两线图相减，即得一个运动循环中的动态剩余功线图 A = A （） 。该线图的纵坐标最高点与最低点的距离，即表示最大动态剩余功A 。4） 确定飞轮的转动惯量 J 。由所得的A ，按下式确定飞轮的F转动惯量J =900Emax / n2F按照上述步骤得到飞轮的转动惯量为 JF=0.38kgm五、齿轮机构的设计一、计算过程因为 no/ no=d o/d o 得 no=480r/minZ o(16) Z1(40) Z1(13) Z2(39)分度圆直径 64 160 78 234基圆直径 60.1 150.4 73.3 219.9齿顶圆直径 72 168 90 246齿根圆直径 5
25、9 155 70.5 226.5分度圆齿厚 6.3 6.3 9.4 9.4分度圆齿距 12.6 12.6 18.8 18.8中心距 112 156no/n2=Z2 Z1/ZoZ1 , 得 Z2=ZoZ1 no/Z1n2 所以 Z2=39- 16 -六、参考文献1、机械原理/高中庸，孙学强，王建晓主编 第一版 华总科技大学出版社，2011,32、工程力学/龚良贵主编 第一版 北京航空航天大学出版社，2010,8 七、心得体会通过本次课程设计，加深了我对机械原理这门课程的理解，同时我也对机械运动学和动力学的分析与设计有了一个较完整的概念，培养了我的表达，归纳总结的能力。从中我知道要学好这门课不但要
26、掌握好课本的知识，在作图的时候和计算的时候要很细心，要不很容易算错数或是画错图，一旦中间有某个环节出错，下面很多东西就会搞错，很浪费时间去做修改和检查工作。在设计过程中，我与同学们的交流协作，让我深刻的感受到“团结就是力量”这句话的真实意义，只有同学们都认真的把自己要计算的点的数据快速的算出来，这样才能又快又准确的把设计图画好。一次实践就有一次收获，我很感谢学校能给我们这些机会体验锻炼自己，让我们将来更有信心在社会立足。最后，我还要感谢我们的罗玉军指导老师，要不是有他的指导我们是不可能完成的！当然，作为自己的第一次设计，其中肯定有太多的不足，希望在今后的设计中，能够得到改正，使自己日益臻于成熟，专业知识日益深厚。- 17 -八、附件1、设计图纸共 3 张（A1 ，A2，A2 共三张）其中包括：导杆机构的运动分析与动态静力分析（在 A1 图上） ；摆动从计动件凸轮机构的设计（在 A2 图上） ；牛头刨床飞轮转动惯量的确定（在 A2 图上）2、设计说明书电子文档（1 份）指导老师签名：年 月 日
