机械原理课程设计计算说明书(牛头刨床).doc

目 录1 牛头刨床机构简介及设计原始数据 . 2 2 导杆机构的尺寸综合. 3 3 导杆机构的运动简图 . 4 4 导杆机构的运动分析 . 5 4.1 已知数据 . 5 4.2 设计步骤 . 5 4.2.1 位置划分 . 5 4.2.2 4、8、11位置的运动图解分析 . 6 4.2.3 运动分析结果汇总表 . 9 5 导杆机构动态静力分析 . 10 5.1 已知数据 . 10 5.2 设计步骤 . 10 5.2.1 惯性力及力矩结果汇总表 . 10 5.2.2 求齿轮5的重量 . 10 5.2.3 4、8、11位置动态静力图解分析 . 11 5.2.4 动力分析结果汇总表 . 146 齿轮机构设计计算 . 15 6.1 已知数据 . 15 6.2 设计步骤 . 15 6.2.1 确定变位系数 . 15 6.2.2 计算齿轮几何尺寸 . 15 1. 牛头刨床机构简介及设计原始数据牛头刨床是一种常见的用于平面切削加工的机床。其主要机构传动过程为：电动机经行星齿轮减速器带动齿轮机构Z4和Z5，再经导杆机构2-3-4-5-6使刨头6作往复移动，刨刀6安装在刨头6上（以上机构将在运动简图中简标明）。刨头右行时，刨刀切削工件，受到切削阻力，此时为工作行程；要求刨头速度较慢且近似等速运动。刨头左行时，刨刀退回，不受切削阻力，称作空回行程；要求速度较快，以提高生产效率。此外，刨刀每切削一次，利用空回行程的时间，通过与齿轮5，曲柄2连接在一起的凸轮7带动摆杆8将运动传给棘爪棘轮机构和螺旋机构（运动简图中未标明），使工作台连同工件做一次进给运动。由于刨头在工作行程中受到很大的切削阻力，而在空回行程时无切削阻力，故机构在一个运动循环中，受力变化很大，引起主轴转速的周期性波动，从而影响工件质量，为此牛头刨床上应装有飞轮（未标明）进行调速。原始数据方案HmmL02o3mmP1P2P3LFS6mmm4kgm5kgm6kg4304500.50.350.518018572 KJS4Kgm2JS5Kgm2FCNYPmmn2rpmmmmZ4Z51.41.60.04120017080131456其中:H;刨头的最大行程； K;导杆机构行程速度变化系数； LO2O3：导杆转动副O3至曲柄转动副O2的距离； P1：导杆4质心S4至转动副O3之距与导杆长之比，即LBS5/LBF; P2：LBF/LO3B导杆5与导杆4的长度比； P3：连杆5质心S5到转动副B之距与杆5长之比，即LBS5/LBF; LFs6：刨头6质心到转动副F之距； m4、m5、m6：分别为构件4、5、6的质量； JS4、JS5：分别为构件4、5对各自质心的转动惯量； FC：刨头所受切削阻力；YP:切削阻力FC至O2的垂直距离； n2：曲柄2，齿轮5及凸轮7的转速； m：齿轮4、5的模数； Z4、Z5:分别为齿轮4、5的齿数。2 导杆机构的尺寸综合a、 导杆机构的极位夹角与导杆的最大摆角 = =180(K+1)/(K-1) =30b、 导杆长LO3B =H2sin(2) = 830.7 mmc、 曲柄长LOA =LO2O3sin(/2) = 116.47 mm d、 连杆长LBF =LO3BP2 = 290.745 mm e、 刨头导路xx至O3点的距离LO3M LO3M =LO3B-DE/2 = LO3B(1+cos(/2)/2 = 816.547 mm f、 导杆质心到转动副B之距LO3O4 =LO3BP1 = 415.35 mm g、到转动副B之距LBS5 =LBFP3 = 145.37 mm 3 机构运动简图图14 导杆机构的运动分析4.1 已知数据a、由机构综合确定各构件长度和质心位置 b、曲柄转速 n2 = 80 r p m 4.2 设计步骤4.2.1 位置划分将机构运动简图选定17个位置，其中1对应导杆的左极限位置，112每个位置间隔为30,1 对应滑块距离左极限位置0.05H时曲柄所在位置，7 为滑块距离右极限位置0.05H时曲柄所在位置，4，10 对应于曲柄与导杆共线的两个位置， 8对应导杆的右极限位置。其中4，8，11具体位置划分如图1所示，本计算说明书将主要对此三点进行动力学分析。4.2.2 4、8、 11位置的运动分析4.2.2.1 4位置运动分析4位置速度向量方程 VA4 = VA3 + VA4A3 大小： ? ? 方向：O3A O3A O3A 由速度影像法可得VBVF = VB + VFB 大小： ? ？ 方向：水平向右 O3B BF 作4位置速度多边形如下图24位置加速度向量方程 aA4 = aA4 n + aA4 t = aA3 + aA4A3 + a kA4A3 大小： ？ ? ? 方向： ？ A O3 O3A A O2 O3A O3A向左 由加速度影像法得aBaF = aB + aFB n+ aFB t 大小： ? ? 方向： 水平 已求得 F B BF 作4位置加速度多边形图34.2.2.1 8位置运动分析8位置速度向量方程 VA4 = VA3 + VA4A3 大小： ? ? 方向：O3A O3A O3A 由速度影像法可得VBVF = VB + VFB 大小： 0 ？ 方向：水平 O3B BF 作8位置速度多边形如下图48位置加速度向量方程 aA4 = aA4 n + aA4 t = aA3 + aA4A3 + a kA4A3 大小： ？ ? ? 0 方向： ？ A O3 O3A A O2 O3A O3A 由加速度影像法得aBaF = aB + aF n + aFB t 大小： ? ? 方向： 水平 已求得 F B BF 作8位置加速度多边形图54.2.2.1 11位置运动分析11位置速度向量方程 VA4 = VA3 + VA4A3 大小： ? ? 方向：O3A O3A O3A 由速度影像法可得VBVF = VB + VFB 大小： ? ？ 方向：水平向右 O3B BF 作11位置速度多边形如下图611位置加速度向量方程 aA4 = aA4 n + aA4 t = aA3 + aA4A3 + a kA4A3 大小： ？ ? ? 方向： ？ A O3 O3A A O2 O3A O3A向右由加速度影像法得aBaF = aB + aFB n+ aFB t 大小： ? ? 方向： 水平 已求得 F B BF 作11位置加速度多边形图74.2.3 运动分析结果汇总本人数据综合各量数值 名称位置4rad/s5rad/sVfm/s4rad/s25rad/s2a4m/s2a5m/s2afm/s241.6990.0211.41.868.251.52.05+1.7800022.0716.519.318.2-18.2110.9140.55-2.1612.56+17.25.911.210.9本组(第2组)数据汇总位置112344567888910101112S021.53085167.5230265340397.5403420430345305217.514050V00.620.781.301.41.441.41.180.740.74001.181.982.422.162.156a1510.19.2851.70.181.74.69.259.681516.219.611.60.610.920.92根据以上数据，在同一坐标系绘制导杆机构的SF-、VF-、aF-运动线图，其中为曲柄转角，SF、VF、aF分别为刨头的位移、速度、加速度。作图如下图85 导杆机构的动态静力分析5.1 已知数据a、有运动分析确定加速度与角加速度as4、as5、af 、4、5 ; b、各构件的质量m4=18kg、m5=5kg、m6=72kg（滑块3质量不计）； c、各构件的转动惯量JS4=1.6 kg m2、JS5=0.04 kg m2 ； d、切削阻力FC=1200N及其线图； e、模数m=13mm，齿数z4=14，z5=56，两齿轮中心线与X轴夹角=305.2 设计步骤5.2.1 计算各构件的惯性力及其力矩，并将数值填入下表导杆4导杆5刨头6FI4NMI4N mmHI4mmFI5NMI5N mmHI5mmFI6N42.72976110.2210.2533032.2122.48167.435312210.9491660.472.61310.411106.220096189.285668812.29784.85.2.2 根据图计算切削越程长度0.05H，进而确定切削阻力FC的对应位置；其中，4点处有FC，8、11点处无Fc ,（即FC = 0）。5.2.3 求齿轮的重量齿轮5的重量近似计算：Gz5 =1.27410-5 df S（N）式中：齿根圆直径df = m（Z5-2.5） = 695.5 mm 齿圈横断面积S = 3 mB =4800 mm2 B : 齿轮宽，取100mm； ：齿轮材料密度，钢的密度为7.8 g/cm3 得：Gz5= 846 N 5.2.4 4、8、11位置的动态静力分析5.2.4.1 4位置的动态静力分析杆组65力方程：R45n+R45t + G5 + FI5 + G6 + FI6 + FC + R16 = 0 大小： ? ? ?方向：BF BF 竖直 与aS5 竖直 与aS6 水平 竖直向下 反向 向下 反向 向左 向上对F点取矩，易得R45 t，从而作力多边形可得R45 、R16.杆组34力方程：R23 + R54 + G4 + FI4 + R14 = 0大小： ? ?方向：BO3 已求 竖直向下 与aS4相反 ？对O3点取矩，易得R23 ，从而可得R14.曲柄2力方程Rz4z5 + R32 + Gz5 + R12 = 0 大小： ? ?方向：与基圆内切 O3B 竖直向下 ？对O2点取矩，易得Rz4z5 ，从而可得R12.作4 位置动态静力图图9齿轮Z4上对O1点取矩rb4=(m z4cos20)/2= 85.5由Mb+Rz4z5 rb4=0 得Mb=60.9 N mm5.2.4.1 8位置的动态静力分析杆组65力方程：R45n+R45t + G5 + FI5 + G6 + FI6 + R16 = 0 大小： ? ? ?方向：BF BF 竖直 与aS5 竖直 与aS6 竖直向下 反向 向下 反向 向上对F点取矩，易得R45 t，从而作力多边形可得R45 、R16.杆组34力方程：R23 + R54 + G4 + FI4 + R14 = 0大小： ? ?方向：BO3 已求 竖直向下 与aS4相反 ？对O3点取矩，易得R23 ，从而可得R14.曲柄2力方程Rz4z5 + R32 + Gz5 + R12 = 0 大小： ? ?方向：与基圆内切 O3B 竖直向下 ？对O2点取矩，易得Rz4z5 ，从而可得R12.作8 位置动态静力图图10齿轮Z4上对O1点取矩rb4=(m z4cos20)/2= 85.5 由Mb+Rz4z5 rb4=0 得Mb= 05.2.4.1 11位置的动态静力分析杆组65力方程：R45n+R45t + G5 + FI5 + G6 + FI6 + R16 = 0 大小： ? ? ?方向：BF BF 竖直 与aS5 竖直 与aS6 竖直向下 反向 向下 反向 向上对F点取矩，易得R45 t，从而作力多边形可得R45 、R16.杆组34力方程：R23 + R54 + G4 + FI4 + R14 = 0大小： ? ?方向：BO3 已求 竖直向下 与aS4相反 ？对O3点取矩，易得R23 ，从而可得R14.曲柄2力方程Rz4z5 + R32 + Gz5 + R12 = 0 大小： ? ?方向：与基圆内切 O3B 竖直向下 ？对O2点取矩，易得Rz4z5 ，从而可得R12.作11 位置动态静力图图11齿轮Z4上对O1点取矩rb4=(m z4cos20)/2= 85.5 由Mb+Rz4z5 rb4=0 得Mb= 66.7 N mm4.2.5 运动分析结果汇总本人数据综合单位：N , N m各量数值 名称位置FCR16R65R54R43R14R12Rz5z4Mb4120068013501960600210071360.98070014002600100029400011070084022401300278078066.7本组(第2组)数据汇总单位N m位置112344567888910101112Mb38.937.577.860.930.332.013.616.6053.957.83.366.789.8根据以上数据，在同一坐标系绘制导杆机构的Mb -运动线图，其中为齿轮4转角 =Z5Z4 ,作图如下（为齿轮5即曲柄的转角）。图126 齿轮机构设计6.1 已知数据a、齿数z4、z5； b、模数m； c、齿顶高系数ha*=1，径向间隔系数c*=0.25； d、压力角=200 e、齿轮传动采用等变位传动 6.2 设计步骤6.2.1 参阅附录二确定变位系数X1= - X2 = 0.4306.2.2 计算齿轮几何尺寸名称符号计算公式计算结果分度圆直径d4d4=m z4182d5d5=m z5728基圆直径db4d4=m z4cos171.02db5d5=m z5cos684.09