1、* 工 业 大 学机械设计课程设计说明书题目：牛头刨床机构的综合设计与分析院（系）：机械工程与自动化学院专业班级： 数控 071 学 号： 070104024 学生姓名： * 指导教师： * * 教师职称： 高级工程师 起止时间：2009.6.292009.7.10辽宁工业大学课程设计说明书（论文）1目 录一、设计题目与原始数据2 二、牛头刨床示意图3 三、导杆机构设计4 四、机构运动分析5五、机构动态静力分析11六、飞轮设计16七、设计凸轮轮廓曲线18八、齿轮设计及绘制啮合图19九、解析法22 1导杆机构设计222机构运动分析223机构动态静力分析254凸轮设计 .26十、本设计的思想体会
2、.29十一、参考文献29 十二、附录 .29辽宁工业大学课程设计说明书（论文）2一、设计题目与原始数据1、题目： 牛头刨床的综合与分析2、原始数据：刨头的行程 H=550mm行程速比系数 K=1.6机架长 L O2O3=400mm质心与导杆的比值 L O3S4/LO3B=0.5连杆与导杆的比值 L BF/LO3B=0.3刨头重心至 F 点距离 X S6=160mm导杆的质量 m 4=15Kg刨头的质量 m 6=58Kg导杆的转动惯量 J S4=0.7Kgm切割阻力 F C=1300N切割阻力至 O2的距离 Y P=175mm构件 2 的转速 n 2=80rpm许用速度不均匀系数 =1/40齿轮
3、 Z1、Z 2的模数 m 12=15mm小齿轮齿数 Z 1=18大齿轮齿数 Z 2=46凸轮机构的最大摆角 max=16凸轮的摆杆长 L O4C=140mm凸轮的推程运动角 0=60凸轮的远休止角 01=10凸轮的回程运动角 0=60凸轮机构的机架长 L o2o4=150mm凸轮的基圆半径 r o=55mm凸轮的滚子半径 r r=15mm辽宁工业大学课程设计说明书（论文）3二，牛头刨床示意图：三、导杆机构设计辽宁工业大学课程设计说明书（论文）41、已知：行程速比系数 K=1.6刨头的行程 H=550mm机架长度 LO2O3=400mm Lo2o3=400mm 连杆与导杆的比 LBFLO3B=0
4、.3、各杆尺寸设计如下A、 求导杆的摆角：max =180*（k-1）/（k+1）=180*（1.6-1）/（1.6+1）=41.54 B、 求导杆长： LO3B1=H/2sin(max/2)=550/2sin(41.54/2)=775.48mm C、 求曲柄长：LO2A=LO2O3*sin(max/2)=400*sin20.77=141.85mm D、求连杆长： LBF=LO3B*LBF/LO3B=775.48*0.3=232.64mm E 、求导路中心至的距离：LO3M=LO3B-LDE/2=LO3B1-1-cos(max/2)/2=750.28mm F、取比例尺L=0.005m/mm 在
5、 1 号图纸右侧画机构位置图，大致图形如下：辽宁工业大学课程设计说明书（论文）5滑块尺寸：7*10 节圆半径：r1=mz1/2=13*18/2=135mm r2=mz2/2=13*56/2=345mm 四、 机构的运动分析已知：曲柄转速 n2=80rpm 辽宁工业大学课程设计说明书（论文）- 6 -第 4点 : A. 速度分析 求 VA3 1VA3= VA2= LO2n/30=141.8580/30=1.19m/s 求 VA4 2 VA4= VA3 +VA4A3大小： ？ 1.19 ？ 方向： O3A O2A O3A取 v= VA3/Pa3=0.025(m/s)/mm 3作速度多边形 求 VB
6、 4用速度影像法求 VB求 VF 5 VF = VB +VFB大小： ？ ？ 方向： 导路 BO3 BF接着速度多边形，由速度多边形求得VF=pfv1.75m/s 求 4 64=3= VA4/ LO3A =2.19rod/s 方向：顺时针 求 VA4A3 7VA4A3=a3a4v=0m/s 方向如图所示B. 加速度分析求 akA4A3 1akA4A3=24VA4A3=22.190=0m/s2 方向如速度图所示求 aA3 aA3= aA2=22L02A=9.96m/s 2anA4 3anA4=32L03A=2.192 *542*0.005=2.6辽宁工业大学课程设计说明书（论文）7求 Aa4 4
7、 anA4 + atA4 = aA3 + akA4A3+ arA4A3大小：1.188 ？ 9.96 0 ？方向：AO3 AO3 AO2 如图 O3A取 a =0.1(m/s2)/mm 画加速度多边形 5求 aB 6如图所示 用加速度影象法求 aB=3.7m/s2求 AF 7 aF = aB + anFB + atFB大小： ？ 3.7 Vfb2/lFB ？方向：水平 FB BF 接着画加速度多边形，由加速度多边形求得 ： 8aF =p，f，a=0.35m/s2 第 7 点：A 速度分析 求 VA3 1VA3= VA2= LO2An/30=1.188m/s 求 VA4 2 VA4= VA3 +
8、VA4A3大小： ？ 1.19 ？ 方向： O3A O2A O3A取 v= VA3/Pa3=0.025(m/s)/mm 3作速度多边形求 VB 4用速度影像法求 VB 求 VF 5 辽宁工业大学课程设计说明书（论文）8VF = VB +VFB大小： ？ 1.4 ？ 方向： 水平 如图 BF接着速度多边形，由速度多边形求得： VF=pfv1.32m/s 求 4 64=3= VA4/ LO3A =1.6rod/s 方向：顺时针 求 VA4A3 7VA4A3=a3a4*v =0.95m/s 方向如图所示B. 加速度分析求 akA4A3 1akA4A3=24VA4A3=21.60.95=3.04 m/
9、s2 方向如速度图所示求 aA 2aA3= aA2=22L02A= 10.0m/s2 anA4 3anA4= 32L03A=1.22 m/s2 求 Aa4 4 anA4 + atA4= aA3 + akA4A3 + arA4A3大小： ？ 10.0 3.04 ？ 方向：AO 3 AO 3 如图 O 3A取 a=0.1(m/s 2)/mm 做力的的多边形： 5aA4=pa4a=4.8m/s 2 求 aB 6用加速度影象法求 aB=9.8m/s2求 AF 7 aF = aB + anFB + atFB大小：？ 9.8 Vfb 2/LFB ？辽宁工业大学课程设计说明书（论文）9方向：水平 FB BF
10、接着画加速度多边形，由加速度多边形求得： 8aF =p， f， a=9.1m/s 2 第 12 点: A. 速度分析 求 VA3 VA3= VA2= LO2n/30=1.19m/s 1求 VA4 2 VA4= VA3 +VA4A3大小： ？ 1.19 ？方向： O3A O2A O3A取 v= VA3/Pa3=0.02(m/s)/mm 作速度多边形 3求 VB 用速度影像法求 VB 4求 VF 5 VF = VB +VFB大小： ？ 1.38 ？方向： BF BF接着速度多边形，由速度多边形求得VF=pfv1.3m/s 求 4 64=3= VA4/ LO3A =2.1rod/s 方向：逆时针 求
11、 VA4A3 7VA4A3=a3a4v=0.98m/s方向如图所示 B. 加速度分析求 akA4A3 1akA4A3=2 4VA4A3=4.12 m/s2方向如速度图所示 求 aA3 2aA3= aA2= 22L02A=10.0m/s2辽宁工业大学课程设计说明书（论文）10anA4 anA4= 32L03A=1.39m/s2 3求 Aa4 4 anA4 + atA4 = aA3+ akA4A3+ arA4A3大小： ？ 10.0 ? 方向 AO 3 AO 3 如图 O 3A取 a =0.2(m/s 2)/mm 画加速度多边形: 5求 aB 如图所示 用加速度影象法求 aB=31m/s2 6求
12、AF 7 aF = aB + anFB + atFB大小：？ 31 Vfb 2/LFB ？方向：水平 FB BF接着画加速度多边形，由加速度多边形求得：a F =p， f， a=31.4m/s 2 8收集同组同学的位移、速度、加速度的数据并汇编如下页表：1 2 3 4 4 5 6SF 0 0.03 0.1 0.2 0.28 0.31 0.41VF 0 0.9 1.45 1.65 1.75 1.69 1.52AF 18.5 10.9 6.21 1.95 -0.35 -1.3 -4.278（8 ） 9 10 10 11 12SF 0.49 0.55 0.53 0.42 0.28 0.21 0.04
13、VF 1.18 0.42 -0.95 -2.86 -3.6 -3.5 -1.3AF -8.5 -15.8 -27.7 -28.6 -1.9 15.4 31.6曲 柄位名称曲 柄位名称辽宁工业大学课程设计说明书（论文）11刀头运动曲线： SfVfafUs=0.006Us=0.07Ua=0.4五、机构的动态静力分析已知： m =58Kg m =15Kg64（ 其余质量忽略不计）导杆绕重心的转动惯量 J =0.7kgm 4S切削主力为常数大小为 Fc=1300N 确定惯性力、惯性力矩第 7 点P =-m *a =-58*-8.03=493N 6IF辽宁工业大学课程设计说明书（论文）12P = -m
14、*a =-15*4.9=-73.5N 4ISM =-J * =-0.7*-4.8/0.475=7.1NM I4h= M / P =7.1/73.5=0.1M II第 12 点P =-m *a =-58*31=-1832.8N 6IFP = -m *a =-15*15.5=-232.5N 4ISM =-J * =-0.7*1.72/0.305=-28NM I4h= M / P =28/232.5=0.12M II将计算结果汇总在如下表中导杆 4 刨头曲 柄位 置PIM 4Ih P 6I7 点 -73.5 7.1 0.1 49312 点 -232.5 -28 0.12 -1832.82、确定齿轮
15、2 的重量 查指导书得齿轮 2 的重量G =500N 23、确定各运动副反力第 7 点：A、取构件 5、6 为示力体在机构位置图上方绘制示力体图比例尺为： =0.005m/mm LError!45+Error!76+Error!I6+Error!6+Error!C=0上式中只有 R 、R 的大小未知4576取力比例尺： =F / =20N/mm pCab在机构位置图下面画力多边形大致图形如图，求得：R = * =42*20 =840N 45dep方向与力多边形中 de 的方向一致 辽宁工业大学课程设计说明书（论文）13R = * =20*32=640N 方向：垂直导路上76eap=0FMF （
16、L -Y ）+G X = R hCO2P6x76h = F （L -Y ）+G X / R 76 x76B、取构件 3、4 为示力体： 在机构位置图右侧绘制示力体图比例尺为 =0.005m/mm LError!54+Error!4 +Error!23+Error!I4 + =0 74R=0 （确定 R 的大小）3oM23R L +PI4 h + G h = R h2OP454量得 h =0.11m 4h =0.475 m ph =0.76m 54R =(R h -P h -G h )/L =1140N 23541p4AO3矢量式中 R 的大小和方向未知 7仍取力比例尺 =20N/M p接着力比
17、例尺多边形图，求得：R = * =28*20=560N 74hep方向与力多边形中 的方向一致heC、取构件 2 为示力体 在机构位置图右下方绘示力体图比例尺为： =0.005m/mm LError!32+Error!72+Error!b+Error!2=0=0(确定 R 的大小)：R32h32=Pbrb 2OM23量得： =0.085M =0.31M 3hbr= / =617N bP2br式中 的大小和方向未知7辽宁工业大学课程设计说明书（论文）14仍然取比例尺 =20N/m P接着画力多边形图，求得： = =6020=1200N 72RjiP方向与力多边形中 ij 的方向一致 第 12 点
18、： A、 取构件 5、6 为示力体在机构位置图十方绘制势力题示力体图， 比例尺为 =0.005m/mm L+ + + =06GIP45R76上式中只有 、 的大小未知取比例尺 = F / =20N/mm PCabR =cd* =1800N 方向与力多边形中 cd 的方向一致45pR =ad* =660N 方向：垂直导路上76=0FMF （L -Y ）+G X = R hCO2P6x 76h = F （L -Y ）+G X / R =0.14m76 67B、取构件 3、4 为示力体在机构位置图右侧绘制示力体图 比例尺为 =0.005m/mm LError!54+Error!4 +Error!23
19、+Error!I4 =0=0 （确定 R 的大小）3oM23R L +PI4 h + G h = R h2OP454R =(R h -P h -G h )/L =4640N 3541pAO3矢量式中 R 的大小和方向未知 仍取力比例尺 =20N/M 7 p接着力比例尺多边形图，求得：R =gf* =2740N 方向与力多边形中 fg 的方向一致74pC、取构件 2 为示力体 在机构位置图右下方绘示力体图辽宁工业大学课程设计说明书（论文）15比例尺为： =0.005m/mm L其平衡方程为 + + + =0 32RbP2G7=0（确定 的大小）： 2OM+ = b3hr量得： =0.08m =0
20、.32 = / =1160N 2b bP32Rhbr上式中只有 的大小和方向未知 7R仍然取比例尺 =20N/m P接着画力多边形图，求得： =id =21020=4200N 72RP方向与力多边形中 id 的方向一致4、将各运动副反力汇总如下：指定的两个位置 位置 反力 第 7 点 第 12 点72R1200 41804560 270076620 66045R820 182031140 464021140 46405、计算平衡力偶矩并汇总如下：曲柄位置 1 2 3 4 5 6Mb（MN） 0 210 285 284 246 188曲柄位置 7 8 9 10 11 12辽宁工业大学课程设计说明
21、书（论文）16Mb（MN） 98 -50 176 596 -380 -3786、绘制平衡力偶矩曲线 - 该曲线在 图纸右上角bM2#1六、飞轮设计已知：许用速度不均匀系数 =1/40平衡力矩曲线 Mb-2驱动力矩为常数 曲柄的转数 n2=80rpm飞轮装在齿轮 Z1 的 O1 轴上1、作等效阻力矩曲线 Mr-r由于飞轮准备装在 Z1 的 O1 轴上，因此|Mr|=|Mb/i12|可由 Mb-2 曲线直接画出 Mr-1 曲线（见 A1 图） 。为了使图形一样，其比例尺选为： Mr=Mb/i12=10/2.6=3.91Nm/mm 大致图形如图所示。2、求功曲线 Wr- 1取极距 H=50mm图解积
22、分 Mr- 1得 Wr- 1曲线。纵坐标比例尺为： W = M H/180=17.8J/mm 3、求功曲线 Wd- 1根据一个稳定运转循环中能量变化为零，以及 Md=常数的条件可作出 Wd- 1曲线。比例尺仍为： W=17.8J/mm4、求驱动力矩曲线 Md- 1仍取极距 H=50mm 图解微分 Wd- 1得 Md- 1曲线。纵坐标比例尺为： W=10Nm/mm 得驱动力矩：M d =h M=113.91=43.01Nm5、确定最大盈亏功为：W=2517.8=445J 6、求飞轮的转动惯量JF=900W/ 2 n21 =90044530/ 2(802.56)2=29.05kgm 辽宁工业大学课
23、程设计说明书（论文）177、确定飞轮尺寸b=4gJF/D 3H材料用灰铸铁 =710 4N/m3取飞轮直径 D=1m D=0.5m取轮缘的高宽比为 H/b=1.5 H/b=1.5b2=4gJF/D 3H=49.87.7/3.140.5 31.57104b=0.167m=167mm H=1.5b=1.5167=250mm 取 H=250mm图形如下：七、设计凸轮轮廓曲线已知：推杆的运动规律为等加速等减速上升和等加速等减速下降，凸轮与曲柄共轴，顺时针回转； 推程运动角 0=60 远休角 01=10回程运动角 0=60最大摆角 max=16 摆杆长 L o4c=140mm机架长 L o2o4=150
24、mm基圆半径 r 0=55mm滚子半径 r r=15mm摆杆的角位移曲线以及凸轮轮廓曲线的设计已绘制在 2#图纸上.辽宁工业大学课程设计说明书（论文）18八、齿轮设计及绘制啮合图已知：齿轮 1 的齿数 Z 1=18齿轮 2 的齿数 Z 2=46模数 m 12=15mm压力角 =20齿顶高系数 h a*=1径向间隙系数 c*=0.251、列表计算几何尺寸辽宁工业大学课程设计说明书（论文）192、绘制齿廓啮合图 取比例尺 L=1mm/mm 名称 符号 计算公式 计算结果小齿轮分度圆直径 d1 d1=mz1 270大齿轮分度圆直径 d2 d2=mz2 690小齿轮齿顶圆直径 da1 da1=d1+2
25、ha 300大齿轮齿顶圆直径 da2 da2=d2-2ha 720小齿轮齿根圆直径 df1 df1=d1-2hf 232.5大齿轮齿根圆直径 df2 df2=d2-2hf 652.5小齿轮基圆直径 db1 db1=d1cos 253.7大齿轮基圆直径 db2 db2=d2cos 648分度圆齿距 P P=m 47.1基圆齿距 Pb Pb=Pcos 44.3分度圆齿厚 s s=p/2 23.55分度圆齿槽宽 e e=p/2 23.55径向间隙 c c=c*m 3.75标准中心距 a a=m(z1+z2)/2 480实际中心距 a a=a 480传动比 i i=z2/z1 2.56重合度 =B1B
26、2/Pb 1.44辽宁工业大学课程设计说明书（论文）4辽宁工业大学课程设计说明书（论文）21九、解析法1导杆机构设计已知：（1）行程速比系数 K；（2）刨头和行程 H；（3）机架长 LO2O3（4）连杆与导杆的比 LBF/LO3B求解:(1)求导杆的摆角： max=180（K-1）/（K+1）(2)求导杆长：LO3B1=H/2sin（ max/2）(3)求曲柄长：LO2A=LO2O3sin（ max/2）(4)求连杆长LBF=LO3BLBF/LO3B(5)求导路中心到 O3的垂直距离 LO3M：从受力情况（有较大的传动角）出发，刨头导路 O3B 线常取为通过 B1B2 挠度 DE 的中点 M.
27、即： L O3M=LO3B-LDE/2 将上述已知条件和公式编入程序：源程序及运行结果（见附表）2机构的运动分析已知： (1)曲柄转速2；(2)各构件的长度。求解：、建立机构的运动方程式如图所示：选定直角坐标系 XOY。辽宁工业大学课程设计说明书（论文）22标出各杆的矢量和转角。各构件矢量所组成的封闭矢量方程式为: Ll + L2 = S a Y + X= L4 + L5 b其中令：Ll=LO2O3；Y=L03M；S=L03A；将 a 式分别投影在 x 和 y 轴上得L2cosF2=S cos F4 cLl+L2 sin F2=S sin F4 d两式相除则得tgF4=(Ll+L2sinF2)
28、L2cosF2 (1)在三角形 A0203 中S2=LlLl+L2L22L1L2cos(90+F2) (2)将 c d 两式对时间求导一次得L2W2sinF2=SW4sinF4+VrcosF4 eL2W2cosF2=SW4cosF4+VrsinF4 f将坐标 XOY 绕 O 点转 F4 角(也就是将 e f 两式中的 F2 角 F4 角分别减去 F4)，经整理后可分别得到Vr=L2 W2sin(F2F4) (3)W4=L2 W2 cos(F2-F4)S (4) 再将 e f 二式方别对时同求导一次后，同样将坐标 XOY 绕 0 点转 F4 角(也就是将式中的 F2 角 F4角分别成去 F4)，
29、经整理后可分别得到ar=SW4W4L2W2W2cos(F2F4) (5)ak=2 Vr W4 (6)e4=2 Vr W 4+ L2W2W2sin(F2 一 F4) (7)将 b 式分别投|影在 x 和 y 轴上得X：L4 cos F4 十 L5 cos F5 (8)Y：L4 sin F4 十 L5 sin F5 (9)由(9)式可直接得辽宁工业大学课程设计说明书（论文）23sin F5=（YL4sinF4）L5 （10）对(9)式求导，一次可得L4W4cosF4=L5W5cosF5 于是由 g 式可得W5=(L4W4cosF4)L5cosF5 （11）对 g 式求导一次经整理可得e5=（L4e
30、4cosF4+L4W4 W4sinF4+L5W5W5sinF5)L5cosF5 （12）(8)式中的 X 是坐标值，要想得到 F 点的位移 XF应该是 XF=XX0XF=L4 cos F4+L5 cos F5 g一(L4 cos F40+L5 cos F50) （13）式中 F40 F50 是导杆 4 处在左极限位置 l 时。导杆 4 和连杆 5 与坐标的正向夹角对（13）式求导一次可得：VF=L4W4sinF4L5 W5sinF5 （14）对（14）式求导一次可得aF=L4cosF4W4W4L4sinF4e4L5cosF5 W5W5L5sinF5e5 (15)角度的分析关于 F4 和 F5
31、两个角度的分析当曲柄 2 运动到第一象限和第四象限时，导杆 4 在第一象限。此时得出的 F4 就是方位角。当曲柄 2 运动到第二象限和第三象限时导杆 4 是在第二象限，得出的 F4 是负值，所以方位角应该是 F4=180+F4 由于计算机中只有反正切，由（10）式是不能直接求出F5因此要将其再转换成反正切的形式F5=atn(gsqr(1g*g) （16）式中 g=sin F5=(YL4*sin F4) L5无论曲柄 2 运动到第几象限。连杆 5 都是在第二第三象限，由于在第二象限时 F5 是负值，在第三象限时 F5 是正值，因此在转换方位角时可以用一个公式来表示即：F5=180+F5 （17）
32、开始计算是在左极限 l 的位置。因此 F2 的初值应该是： F2=Fq=195(Fq 为起始角)辽宁工业大学课程设计说明书（论文）24运行到 8时导杆处在右极限终止位置，因此 F2 的数值应该是：F2=FZ=345 (FZ 为终止角)源程序及运行结果（见附表）3机构动态静力分析 已知:(1)各构件的质量； (2)导杆绕自身 t 心曲转动惯量为 J ； (3)切削阻力 F的变化规律； (4)齿轮 2 的重量 G=500 N。求解：一、建立直角坐标系(与运动分析时的坐标相一致如图所示)二、求出刨头 6 和导杆 4 质心点的加速度和导杆 4 的角加速度。三、确定刨头 6 和导杆 4 的惯性力和导杆
33、4 的惯性力矩。四、远离原动件拆基本杆组建立机构的力方程式根据已知条件求出各运动副反力及加在原动件上的平衡力和平衡力矩。1取构件 56 为示力体可得到方程式：R45 + R76 + P16 + G6 + FC = O(在回程和工作行程的两端 0.05H 处 FC=0)向 X 轴投影 R45cos(f45)+P16FC=0向 Y 轴投影R45sin（f45）+R76G6=0向 F 点取距R76h76=FC(L02mY p)+G6*Xs62取构件 34 为示力体可得到方程式：辽宁工业大学课程设计说明书（论文）254R54f54BR23 3 PI4fi4G4AR74MI4 f4O3R45 + R23
34、 + PI4 + G4 + R74 = O向 O3 点取矩求 R23 R23LO3+P14hP+G4h4=R54h543取构件 2 为示力体可得到方程式：R32 f32f2R72G2O2PbfpbPAR32 + Pb + G2 + R72=0源程序及运行结果（见附表）4凸轮设计已知：（1）从动件8的运动规律及0、01、；（2）从动件8的长度Lo4c;（3）从动件的最大摆角max（4）从动件与凸轮的中心距L O2O4;辽宁工业大学课程设计说明书（论文）26（5）凸轮理论轮廓的基圆半径r 0；（6）滚子半径rr；（7）凸轮与曲柄共轴，顺时针回转。1.建立数学模型a-wyBrB0 LAA0Xr0O选
35、取OXY坐标系如图所示，B 0 点为凸轮起始点。开始时推杆滚子中心处于B 0点处，当凸轮转过角度时，推杆相应地产生角位移。根据反转法原理，此时滚子中心应处于B点，其直角坐标为：y = a sin- Lsin（- 0） ax = a cos- Lcos（- 0） b式中 a 为凸轮轴心O与摆动推杆轴心A之间的距离，L为摆动推杆的长度。在OA OB0中 0=arc cos（a 2+L2-r20）/2aL c a式和b式即为凸轮理论廓线的方程式。凸轮的实际廓线与理论廓线的距离处处相等，为其理论廓线的等距曲线且等于滚子半径r r，故当以知理论廓线上任意一点B（x，y）时，只要沿理论廓线在该点的法线方向取距离为r r，即得实际廓线上的相应点B（X、Y）。由高等数学知，理论廓线 B 点处法线 nn 的斜率（与切线斜率互为负到数），应为：tg= -
