牛头刨床机构的综合设计与分析课程设计说明书

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 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、齿轮设计与绘制啮合图19九、解析法22 1导杆机构设计22 2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 .29十一、参考文献29 十二、附录 .29一、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 LO

2、2O3=400mm质心与导杆的比值 LO3S4/LO3B=0.5连杆与导杆的比值 LBF/LO3B=0.3刨头重心至F点距离 XS6=160mm导杆的质量 m4=15Kg刨头的质量 m6=58Kg导杆的转动惯量 JS4=0.7Kgm切割阻力 FC=1300N切割阻力至O2的距离 YP=175mm构件2的转速 n2=80rpm许用速度不均匀系数 =1/40齿轮Z1、Z2的模数 m12=15mm小齿轮齿数 Z1=18大齿轮齿数 Z2=46凸轮机构的最大摆角 max=16凸轮的摆杆长 LO4C=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

3、'=60°凸轮机构的机架长 Lo2o4=150mm凸轮的基圆半径 ro=55mm凸轮的滚子半径 rr=15mm二，牛头刨床示意图：36 / 37三、导杆机构设计1、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=0.3、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°

4、/2)=775.48mmC、 求曲柄长：LO2A=LO2O3*sin(max/2) =400*sin20.77°=141.85mmD、求连杆长： LBF=LO3B*LBF/LO3B=775.48*0.3=232.64mmE 、求导路中心至的距离： LO3M=LO3B-LDE/2=LO3B1-1-cos(max/2)/2=750.28mmF、取比例尺L=0.005m/mm 在1号图纸右侧画机构位置图，大致图形如下：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 第

5、4点: A. 速度分析 求VA3VA3= VA2= LO2n/30=141.85×80/30=1.19m/s 求VA4VA4= VA3 +VA4A3大小： ？ 1.19 ？ 方向： O3AO2AO3A取v= VA3/Pa3=0.025(m/s)/mm 作速度多边形 求VB用速度影像法求VB求VFVF = 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=pf×v1.75m/s 求44=3= VA4/ LO3A =2.19rod/s 方向：顺时针 求VA4A3VA4A3=a3a4×v=0m/s 方向如图所示B. 加速度分析

6、求akA4A3 akA4A3=24VA4A3=2×2.19×0=0m/s2 方向如速度图所示求aA3 aA3= aA2=22×L02A=9.96m/s anA4 anA4=32×L03A=2.192 *542*0.005=2.6求Aa4 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 求aB如图所示 用加速度影象法求aB=3.7m/s2求AFaF = aB + anFB + atFB大小： ？ 3.7 Vfb2

7、/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 ： aF =p，f，×a=0.35m/s2 第7点：A速度分析 求VA3 VA3= VA2= LO2An/30=1.188m/s 求VA4 VA4= VA3 +VA4A3大小： ？ 1.19 ？ 方向： O3AO2AO3A取v= VA3/Pa3=0.025(m/s)/mm 作速度多边形求VB用速度影像法求VB 求VFVF = 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=pf×v1.32m/s 求44=3= VA4/ LO3A =1.6rod

8、/s 方向：顺时针 求VA4A3VA4A3=a3a4*v =0.95m/s 方向如图所示B. 加速度分析求akA4A3 akA4A3=24VA4A3=2×1.6×0.95=3.04 m/s2 方向如速度图所示求aA aA3= aA2=22×L02A= 10.0m/s2 anA4 anA4=32×L03A=1.22 m/s2 求Aa4 anA4 + atA4= aA3 + akA4A3 + arA4A3大小： ？ 10.0 3.04 ？ 方向：AO3AO3 如图 O3A取a=0.1(m/s2)/mm做力的的多边形： aA4=pa4×a=4.8m/

9、s2 求aB用加速度影象法求aB=9.8m/s2求AFaF = aB + anFB + atFB大小：？ 9.8 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：aF =p，f，×a=9.1m/s2 第12点: A. 速度分析 求VA3 VA3= VA2= LO2n/30=1.19m/s 求VA4VA4= VA3 +VA4A3大小： ？ 1.19 ？方向： O3AO2AO3A取v= VA3/Pa3=0.02(m/s)/mm 作速度多边形求VB 用速度影像法求VB求VFVF = VB +VFB大小： ？ 1.38 ？方向： BF BF接着速度多边形，由

10、速度多边形求得VF=pf×v1.3m/s 求44=3= VA4/ LO3A =2.1rod/s 方向：逆时针 求VA4A3VA4A3=a3a4×v=0.98m/s方向如图所示 B. 加速度分析求akA4A3akA4A3=24VA4A3=4.12 m/s2方向如速度图所示 求aA3 aA3= aA2=22×L02A=10.0m/s2 anA4 anA4=32×L03A=1.39m/s2 求Aa4 anA4 + atA4 = aA3+ akA4A3+ arA4A3大小：？ 10.0 ? 方向AO3AO3 如图 O3A取a =0.2(m/s2)/mm画加速度多

11、边形: 求aB 如图所示 用加速度影象法求aB=31m/s2 求AFaF = aB + anFB + atFB大小：？ 31 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：aF =p，f，×a=31.4m/s2 收集同组同学的位移、速度、加速度的数据并汇编如下页表：曲柄位名称1234456SF00.030.10.20.280.310.41VF00.91.451.651.751.691.52AF18.510.96.211.95-0.35-1.3-4.2曲柄位名称7 8（8）910101112SF0.490.550.530.420.280.210.04

12、VF1.180.42-0.95-2.86-3.6-3.5-1.3AF-8.5-15.8-27.7-28.6-1.915.431.6刀头运动曲线： 五、机构的动态静力分析已知： m=58Kg m=15Kg（ 其余质量忽略不计）导杆绕重心的转动惯量 J=0.7kgm 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 P= -m*a=-15*4.9=-73.5N M=-J*=-0.7*-4.8/0.475=7.1NM h= M/ P=7.1/73.5=0.1M第12点P=-m*a=-58*31=-1832.8N P= -m*a=-15*15

13、.5=-232.5N M=-J*=-0.7*1.72/0.305=-28NM h= M/ P=28/232.5=0.12M 将计算结果汇总在如下表中曲 柄位 置导杆4刨头PMhP7点-73.57.10.149312点-232.5-280.12-1832.82、确定齿轮2的重量 查指导书得齿轮2的重量 G=500N 3、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 45+76+I6+6+C=0上式中只有R、R的大小未知取力比例尺： =F/=20N/mm 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 方向

14、与力多边形中de的方向一致 R=*=20*32=640N 方向：垂直导路上=0F（L-Y）+GX= Rhh= F（L-Y）+GX/ RB、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 54+4 +23+I4 +=0 =0 （确定R的大小）RL+PI4 h+ Gh= Rh量得h=0.11mh=0.475 mh=0.76mR=(Rh-Ph-Gh)/L=1140N 矢量式中R的大小和方向未知 仍取力比例尺=20N/M 接着力比例尺多边形图，求得：R=*=28*20=560N 方向与力多边形中的方向一致C、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：=

15、0.005m/mm 32+72+b+2=0 =0(确定R的大小)：R32h32=Pbrb 量得：=0.085M=0.31M=/=617N 式中的大小和方向未知仍然取比例尺=20N/m 接着画力多边形图，求得：=×=60×20=1200N 方向与力多边形中ij的方向一致 第12点： 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 +=0上式中只有、的大小未知取比例尺= F/=20N/mm R=cd*=1800N 方向与力多边形中cd的方向一致R=ad*=660N 方向：垂直导路上=0 F（L-Y）+GX= Rhh= F（L-Y）+

16、GX/ R =0.14mB、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 54+4 +23+I4 =0=0 （确定R的大小）RL+PI4 h+ Gh= RhR=(Rh-Ph-Gh)/L =4640N 矢量式中R的大小和方向未知 仍取力比例尺=20N/M 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C、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 其平衡方程为 +=0 =0（确定的大小）： +=量得：=0.08m=0.32 =/=1160N 上式中只有的大小和方向未知仍然取比例尺=20N/m

17、 接着画力多边形图，求得：=id×=210×20=4200N 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： 位置 反力指定的两个位置第7点第12点120041805602700620660 8201820 1140 4640114046405、计算平衡力偶矩并汇总如下：曲柄位置123456Mb（MN）0210285284246188曲柄位置789101112Mb（MN）98-50176596-380-3786、绘制平衡力偶矩曲线-该曲线在图纸右上角六、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=80r

18、pm 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，以与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

19、=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：Md =h×M=11×3.91=43.01Nm5、确定最大盈亏功为：W=25×17.8=445J 6、求飞轮的转动惯量JF=900W/2 n21 =900×445×30/2(80×2.56)2=29.05kgm 7、确定飞轮尺寸b=4gJF/D3H材料用灰铸铁 =7×104N/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/D3H=4×9.8×7.7/3.14

20、5;0.53×1.5×7×104b=0.167m=167mmH=1.5b=1.5×167=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 Lo4c=140mm机架长 Lo2o4=150mm基圆半径r0=55mm滚子半径rr=15mm摆杆的角位移曲线以与凸轮轮廓曲线的设计已绘制在2#图纸上.八、齿轮设计与绘制啮合图已知：齿轮1的

21、齿数 Z1=18齿轮2的齿数 Z2=46模数 m12=15mm压力角 =20°齿顶高系数 ha*=1径向间隙系数 c*=0.251、列表计算几何尺寸2、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d1d1=mz1270大齿轮分度圆直径d2d2=mz2690小齿轮齿顶圆直径da1da1=d1+2ha300大齿轮齿顶圆直径da2da2=d2-2ha720小齿轮齿根圆直径df1df1=d1-2hf232.5大齿轮齿根圆直径df2df2=d2-2hf652.5小齿轮基圆直径db1db1=d1cos253.7大齿轮基圆直径db2db2=d2cos648分

22、度圆齿距PP=m47.1基圆齿距PbPb=Pcos44.3分度圆齿厚ss=p/223.55分度圆齿槽宽ee=p/223.55径向间隙cc=c*m3.75标准中心距aa=m(z1+z2)/2480实际中心距aa=a480传动比ii=z2/z12.56重合度=B1B2/Pb1.44九、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=LO2O3×si

23、n（max/2）(4)求连杆长LBF=LO3B×LBF/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.即： LO3M=LO3B-LDE/2 将上述已知条件和公式编入程序：源程序与运行结果（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。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=Sa Y + X= L4 + L5 b 其中令：Ll=LO2O3； Y=L03M； S=L03

24、A； 将a式分别投影在x和y轴上得 L2cosF2=S cos F4 c Ll+L2 sin F2=S sin F4 d 两式相除则得 tgF4=(Ll+L2sinF2)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 e L2W2cosF2=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-

25、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)，经整理后可分别得到 ar=SW4W4L2W2W2cos(F2F4) (5) ak=2 Vr W4 (6) e4=2 VrW 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 sin F5=（YL4sinF4）L5 （10） 对(9)式求导，一次可得L4W4cosF4=L5W5cosF5 于是由g式可得 W5=(L4W

26、4cosF4)L5cosF5 （11） 对g式求导一次经整理可得 e5=（L4e4cosF4+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=XX0 XF=L4 cos F4+L5 cos F5g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=L4cosF4W4W4L4sinF4e4 L5cosF5 W5W

27、5L5sinF5e5 (15) 角度的分析关于F4和F5两个角度的分析 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=18

28、0+F5 （17） 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)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)源程序与运行结果（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4的惯性力矩。 四、远离原动件拆基本杆组建

29、立机构的力方程式根据已知条件求出各运动副反力与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 R45×cos(f45)+P16FC=0 向Y轴投影R45×sin（f45）+R76G6=0向F点取距R76×h76=FC·(L02mY p)+G6*Xs62取构件34为示力体可得到方程式：R45+R23+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 +

30、Pb + G2 + R72=0源程序与运行结果（见附表）4凸轮设计已知： （1）从动件8的运动规律与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LO2O4; （5）凸轮理论轮廓的基圆半径r0； （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 选取OXY坐标系如图所示，B0 点为凸轮起始点。开始时推杆滚子中心处于B0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） a x = a cos- Lcos（-0） b式中 a 为凸

31、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OAOB0中0=arc cos（a2+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rr，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rr，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= -dx/dy = -(dx/d)/(dy/d) d式中dx/d、dy/d可根据a式和b式求得： dy/d= acos- Lcos（-0 ）（1-

32、d/d） e dx/d= -asin+ Lsin（-0）（1-d/d） f代入 d 式可求出。此处应注意：角在00至3600 之间变化，当式中分子分母均大于 0 时，角在 00 至 900 之间；分子分母均小于 0 时，角在 1800 至 2700 之间；如果 dy/d< 0 ,(-dx/d)> 0 则角在 900 至1800 之间；又如(-dx/d)< 0,dy/d> 0,则角在 2700 至 3600 之间。 当求出角后，实际廓线上对应 B（x,y）的坐标可由下式求出： x= x rr cos g y= y rr sin h式中“-”号为等距曲线，“+”号为外等距曲

33、线。g式和h式即为凸轮的实际廓线方程式。 在 e 式和 f 式中的即为给定的运动规律中的摆动推杆的角位移, d/d为 对凸轮转角的导数,根据给定的等加速等减速上升和等加速等减速返回的运动规律其公式如下:1.推程推杆在等加速运动阶段的方程式(在 0 至0/2 之间变化)= 2max(/0)2 d/d= 4max/02推杆在等减速运动阶段的方程式(在0/2 至0 之间变化)=max - 2max(0-)2/02 d/d= 4max(0-)/022.回程推杆在等加速运动阶段的方程式(在 0 至 0/ 2 之间变化)= max- 2max(/0)2 d/d= - 4max/02推杆在等减速运动阶段的方程式(在0/ 2 至0 之间变化)=2max(0- )2 / 02 d/d= 4max(0-)/02 理论廓线的极坐标(向径)和理论廓线与实际廓线的直角坐标计算程序如下:( 程序中 F 代表; q 代表; st 代表 ;)源程序与运行结果（见附表）十、设计体会通过半个月来的课程设计，使我们将课本的知