机械原理课程设计计算说明书 聂一舟

1、机械原理课程设计设计计算说明书设计题目： 专用精压机院 （系）： 汽车学院专 业： 车辆工程（汽车）班 级： 09汽车6班学 号： 092194设 计 人： 聂一舟指导教师： 虞红根完成日期： 2011年6月2日目 录第一部分：机构设计要求2第二部分：机构工作原理3第三部分：机械运动方案的拟定5第四部分：精压机构的设计计算和校验9第五部分：送料机构设计29第六部分：工作循环图拟定34第七部分：心得与体会36第八部分：参考文献37第一部分：机构设计要求专用精压机的设计要求和主要参数：本机可用于薄壁铝合金制作（如易拉罐类）精压深冲工艺，上模先以逐渐加快的速度接近原料，以匀速进行拉延成型，上模继续下

2、行将成品推出模腔，快速返回。上模推出固定不动的下模后，送料机构的退料杆2从侧面将新的原料送至待加工位置，如图1所示图1（1） 冲压执行机构，具有快速接近工件，等速（近似）下行拉延和快速返回等运动特性。（2） 制成品生产率约每分钟70件。（3） 上模移动总行程为280mm，其拉延行程置于总行程中部，约100mm。（4） 行程速比系数K1.32。（5） 坯料输送最大距离200mm。（6） 电动机功率可选用1.5kW，1440r/min 左右（如Y90L-4）。专用精压机主要完成3个动作：1、加原料；2、冲头将原料压制成形；3、冲头将成品推出型腔，冲头快速返回。注意事项：1、送料机构是辅助工作机构，

3、需要与冲压机构协调工作，实现间歇送料运动。2、各机构及传动系统的布局应该紧密且合理，特别应该注意原料与成品在本机范围内互不干涉。3、所有未给定的参数由设计者自行确定。4、本机冲压机构应该进行方案对比，其设计方案评价的重点是机构的运动功能质量，并定性的考虑机构的动力特性和加工制造的容易性等因素。第二部分：机构工作原理我组设计的精压机可分为三个部分：精压机构，送料机构和传动机构。在精压机构中，我们使用了类似牛头刨床的机构。首先以较快的速度接近坯料，在接近坯料时逐渐接近匀速以对坯料进行拉延成形，并将成品推出模腔，最后再利用机构的急回特性，使冲头快速返回。在送料机构中，我们采用环形流水线的构思。主动的

4、拨杆匀角速度转动，当冲头完成冲压离开上模后，拨杆带动槽轮转动60角，槽轮与流水线通过分别固连于两者之上的一对内外齿轮啮合传动，使得流水线转至下一待加工坯料，稳定后，冲头下行冲压，完成一次送料循环。传动及装配说明电动机输出轴转速为1440r/min，精压机构和送料机构原动件转速为70r/min，故需对发动机输出转速进行减速。发动机输出轴外接2级同轴式减速机，减速机传动比i=10。减速机输出轴与图中小圆柱直齿轮连接，小齿轮与两个等大的大圆柱直齿轮外啮合，齿轮传动比i=2.05。图中锥齿轮间的传动比均为1，只起改变传动方向的作用。各机构间装配的相对位置如图2所示。图2第三部分：机械运动方案的拟定分到

5、设计任务之后，我们小组成员根据已有的知识和其他书籍、网络上的资料进行了一次头脑风暴，初选出若干个精压机构，然后根据设计要求对其一一进行分析，筛选。方案一： 该机构拟用齿条连接冲头，并通过齿轮转速控制齿条移动速度，进而控制冲头运动。但考虑到冲压过程中会产生很大的作用力，引起齿条弯曲，降低传动精度，甚至无法完成运动。方案二：该机构采用不完全齿轮传动，可以较好地控制精压和推料的时间。但是，精压部分采用地曲柄滑块机构过于简单，不能按要求实现匀速运动；不完全齿轮受力状态不好，所受冲击载荷过大时，轮齿易折断从而整体失效。方案三：精压部分采用肘杆机构，可用较小的力产生很大的锻压力，获得较大的机械效益；但只能

6、达到近似的等速运动，不能满足设计要求。推料机构采用凸轮机构，可以精确地实现运动需求；但是设计和制造困难，耐磨性差，要求尺寸过大。故不采用凸轮机构。方案四：该机构的精压机构和推料机构通过涡轮蜗杆传动连接，外廓尺寸小，可以更好地利用空间，且传动比准确，平稳安静。但是效率低，要求制造精度高，需用昂贵的表铜。而且当蜗杆转速达到70rad/s时，滑动速度过大，超过发热条件限制；否则蜗杆半径将达到0.5m，尺寸过大。方案五：方案六：经过多次讨论和层层筛选，我们创造性地选用了流水线形式的送料机构；精压机构初选为方案五和方案六，下面对这两个方案的优缺点做详细讨论。方案最终确定：冲头方案经过一系列的筛选，我们保

7、留了两个方案，于是我们对这两个方案进行了进一步的分析。图3方案六机构原型由五个杆件组成（如图3所示），加速度计算较为繁琐，用ADAMS等专业软件才可较为方便的进行运算。而且部分杆件在满足近似等速和加速急回运动的条件下，杆件尺寸较大，任意性较差，只能达到有限个精确位置。且加速度峰值较高。而方案五机构（如图4所示），在C+、MATLAB等环境下运算可以十分方便地得出运动参数，于是我们对其进行了深入分析。图4第四部分：精压机构的设计计算和校验 （一）冲压执行机构的分析计算图5对于图5所示机构，由于结构比较复杂，如果单纯运用瞬心法或矢量方程图解法对其进行速度和加速度分析显得比较复杂，可以用解析法对机构

8、做运动分析。如图5，建立直角坐标系，设原动件1的长度为l1,构件3的长度为l3,构件4的长度为l4,原动件1的方位角1=003600和等角速度1=n/30=7.33rad/s(转速n为70转/min)，构件3、4的方位角分别是3、4。图6如图6，构造向量a=CA,设向量CB长S，由矢量封闭图形ABC可得封闭矢量方程（1） 即：由欧拉公式ei=cos+isin,将（1）式的实部虚部分离，得：（1-0）由于l1、a为已知，由上述方程组可以求出：，（1-0） 式对时间t求导可得： (1-1） （1-2）(1-2)式再对时间t 求导得： 图7如图7，构造向量XE、b（2） 由欧拉公式分离实部虚部得：

9、（2-0）式 因为；可以得到滑块位移：所以上述方程组消去，得到由确定的的公式。还可以得到；（-0）式对时间求导可得：（）式；由上述方程组可以得到滑块E的速度：（3）式对时间t求导可得：实部和虚部分别相等，可以得到： 从而得到：进一步可以得到滑块E的加速度：至此，计算部分基本完毕，接下来的问题就是大概确定杆长参数，带入各式进行校核。（二）由已知条件确定杆长以及支座位置(a)设定初始参数参数有固定支座距离a、b，杆长L1、L3、L4，滑块行程H，参数个数多，变量复杂，我们先确定一系列“初始参数”，然后通过调整滑块行程H=280mm，使机构满足要求。初始参数：a=180mm,b=460mm,H=39

10、8mm,L3=360mm,L4=290mm,然后本应该假设一个参数L1，但由于L1可通过现有其他参数导出，可通过计算得L1，图8如图8由几何关系得出，H大小与D点的水平位移相等。根据三角形相似原理可以得出：其中，H=398mm, L3=360mm, a=180mm,可以得到L1=99.5mm.（b）验算行程速比系数另外，L1的长度还受到行程速比系数的制约，必须在得出杆长L1之后进行验算，具体如下：图9如图9，对于摆动导杆机构，滑块处在两个极限位置线的极位夹角与摆杆在两极限位置的夹角O相等，即： =O;当K=1.3，=180X(K-1)/(K+1)=23.47826o=23.4o,O=23.4o

11、,O/2=11.7o,L1=a*sin11.7o=0.203*a;题目要求K=1.3，故L1应满足大于0.203*a。原始参数L1=99.50.203*180=36.54,K=1.3符合行程速比系数要求。（c）调整滑块行程及其他参数由于机构运动仿真软件MAD绘制机构方便形象，容易操作，这里我们先利用此软件进行初步的校核。图10如图10，根据初始参数画出机构运动简图（注：右边所加凸轮机构是作为临时代替的推料机构）后，通过导出滑块节点速度，加速度数据（MAD的线图分析不是很精确，参考性不大，通过数据观察可以进行一些初步的调整），我们设定一次完整运动由原动件杆1的36步瞬时针转动（每步10度）构成。

12、以下是原始数据测试过程中的一组滑块的加速度数据。计算步骤16.0788726.0105235.7193645.2663854.7110764.1011173.4719682.8486992.24762101.67721111.13811120.62255130.1126614-0.422415-1.031616-1.789817-2.811418-4.269219-6.421120-9.637721-14.40922-21.27723-30.6224-42.18825-54.01726-58.76427-36.8342824.62072972.57393064.25723136.1943321

13、6.9438338.45721345.90111355.63359365.90404其中1016步加速度基本在0左右小幅度波动，使滑块近似匀速运动，但作为拉延过程（应该占总步数的617步），只有7步的匀速还是有些不够，容易造成压料不充分。另外2430步的加速度稍微偏大，对杆铰接出的刚性冲击比脚大。还需继续调整。经过一系列的测试与调整，初步确定了杆件参数为：a=183mm,b=472mm,H=280mm,L3=356mm,L4=285mmL1=73.2mm其中L1=73.2mm0.203*a=0.203*183=37.149mm,符合行程速比系数要求，极位夹角=2*sin-1（L1/a）=47.

14、156oK=（180+）/（180-）=（180+47.156）/（180-47.156）=1.711.3（d）利用已知参数计算冲头（滑块）位移，速度，加速度线图由步骤（a）算出的滑块计算式首先考虑是否可以把由位移求一阶导数、二阶导数得到的三个方程组写成矩阵形式，用求矩阵特征值的方法来求解位移、速度、加速度的关系式，但考虑到计算量比较大，改用直接求解复数矢量方程的方法。前期：利用mathematicaMathematica是一款科学计算软件，很好地结合了数值和符号计算引擎、图形系统、编程语言等。对于解方程，求导，绘制图像有专项的功能。对于加速度aE的表达式其中的变量有3，4以及其一阶导数和3的

15、二阶导数，共5个变量，最终试想将各个变量代换成1的函数，从而得到加速度与原动杆1角度的函数关系式。先从3入手， 由以上方程组（1），可得出3与1的隐函数关系（y=3 ，x=1）73.2*Cosx*Tany=183+73.2*Sinx利用Mathematica绘图得：较为理想，但再往后继续代换变量的工作就变的很艰难，于是考虑用语言更加灵活的MATLAB软件进行后续的计算和变量代换,c语言由于其与图像的交互性一般，故没有做为列选项。后期：利用MATLAB利用MATLAB计算的关键是利用for循环语句计算每步变化10度时各个参数的值，以下是具体的编程代码： a=0.183;H=0.280;b=0.4

16、72;l3=0.350;l4=0.285;n1=70;w1=n1*pi/30;l1=1/2*H*a/l3;i=1; for phi1=0:pi/18:2*pi if phi1=pi/2&phi1=3*pi/2phi32=atan(a+l1*sin(phi1)./(l1*cos(phi1);else phi32=phi1; end if phi320phi31=pi+phi32;else phi31=phi32; endS=(l1*cos(phi1).2+(l1*sin(phi1)+a).2).0.5;w3=(l1*w1.*cos(phi1-phi31)./S;a3=(l1*w1.2.*sin(

17、phi31-phi1)-2*w3.*(-l1*w1.*sin(phi1-phi31)./S;phi4=pi-asin(b-l3*sin(phi31)/l4);w4=-l3*w3.*cos(phi31)./(l4*cos(phi4);a4=l3*w3.2.*sin(phi31)./(l4*cos(phi4)+w4.2.*tan(phi4)-l3/l4*a3.*cos(phi31)./cos(phi4);vE=-l3*w3.*sin(phi31-phi4)./cos(phi4); acrE=-(l3*a3.*sin(phi31-phi4)+l3*w3.2.*cos(phi31-phi4)-w4.2

18、*l4)./cos(phi4); xE=l3*cos(phi31)-l4*cos(phi4); x(i)=-xE; v(i)=-vE; acr(i)=-acrE; i=i+1;endphi1=0:pi/18:2*pi;plot(phi1,x); plot(phi1,v); plot(phi1,acr); 注：x(i)=-xE; v(i)=-vE; acr(i)=-acrE;之所以加负号，是因为开始假设机构的原动杆件1的运动方向是逆时针的，故加负号使其顺时针运动。由此，可以方便地生成滑块的位移，速度，加速度线图：用Inventor验证冲压机构正确性在我们组通过手工计算以及MATLAB计算的尝试后

19、，终于得出了比较好的冲压机构运动图线。然而这些数据只是理论上证明了我们计算结果的正确性，可能在某些环节上我们会有一些疏忽大意，导致计算结果不严谨甚至错误，所以建立一个可靠的模型来验证我们的设计就显得十分重要了。Inventor是一款集建模、仿真、分析于一体的软件，并且对于有AUTOCAD基础的我们来说比较容易上手，因而我们选用Inventor进行仿真。首先画出机构的草图来做设计参考。进行单个零件的建模。完成整个部件的装配。进行运动仿真。进行数据分析。MATLAB滑块位移图线由于函数式的参数定义域的原因，位移图像会出现部分尖锐突起,但不影响整体运动趋势Inventor滑块运动仿真位移图线MATL

20、AB滑块速度图线Inventor滑块运动仿真速度图线MATLAB滑块加速度图线Inventor滑块运动仿真加速度图线由以上对比，我们可以清楚地看到，由分析法计算的机构冲头运动规律，与实际的运动仿真基本上完全吻合。同时，我们又对冲头进行了有限元分析，发现冲头受到的冲击载荷还是比较大的，因而在实际生产中应使用可更换的冲头，以确保机构工作的安全性和有效性。第五部分：送料机构设计送料机构设计计算说明（一）送料机构的选型1.流水线的构思由于在实际生产中，为了提高效率，易拉罐从坯料的剪切，送料，冲压成型，取料，再填充这一些列循环并不是彼此独立的，而是在流水线上一次完成的。因此，我们组决定结合生产实际，在送

21、料设计中，体现出流水线的思想。虽然我们的课题只涉及整个流水线中冲压这一环节，但是考虑到整个工序各种机构的布置紧凑，动力传递的高效便捷，我们选用了环形的流水线。2.槽轮机构的确定由题目要求，送料为间歇运动，70件/分。在机械原理中，我们学过的常见的间歇运动机构主要是凸轮、棘轮和槽轮三种，于是大家就这三种机构分别进行了思考和设计。最终，大家一致选择了槽轮机构，主要是考虑到以下几点：（1）为什么不选凸轮机构？凸轮是最常用的间歇运动机构，其力学性能良好，设计自由度大，可以精确实现很多人们希望的运动形式。但是凸轮实现的间歇运动多为往复式的，如果与环形流水线这样单朝一个方向转动的机构相配合，就显得不太便捷

22、了。（2）为什么不选棘轮机构？棘轮机构结构简单、制造方便、运动可靠，是应用很广的机构，在插齿机等机械中都有应用。但是棘轮主动件棘爪是连续的往复摆动，这需要我们的原动件经过降速后连接一个曲柄摇杆机构，不仅造成运动链的复杂化，同时由于送料的精度要求较高，止动时机与位置都有严格要求，而棘轮的主要缺点之一就是运动精度较差。再加上棘轮在工作时冲击和噪声较大，只能用于低速轻载的场合，故被我们排除。（3）为什么选择槽轮机构？槽轮机构结构简单、外形尺寸小、机械效率高，能够较平稳地、间歇地转位，广泛应用于自动车床、电影胶片输送送等机械中。由于流水线要求精确转动，故理想的动力传递就是多级齿轮降速后直接将匀速转动实

23、现为间歇转动，槽轮机构正符合了这种设计要求。只要经过恰当的设计，就能得到比较理想的结构与传动性能。故大家都同意了用槽轮机构来担负送料的重任。（二）送料机构的设计1.流水线设计我们按照实际生产中的流水线，并结合整体冲压机构的尺寸和布局，只是作为示意性质地模拟了一个较小的流水线。因加工为70件/分，为了计算的方便，圆周上分布的坯料数取了14，为7的倍数。2.槽轮机构的选型与几何尺寸计算右图为槽轮运动的角速度与角加速度的最大值与槽数z的关系曲线。可见，随着槽数z的增加，运动越来越平稳。由于在我们的送料机构中，槽轮的转动要带动一个较大的流水线，故为了改善动力性能，我们选用z=6，径向槽均匀分布的外槽轮

24、机构。而主动拨杆为单圆销式。根据机械安装的空间尺寸，确定中心距为L=43.3mm，对称安装。圆销半径r=2.5mm。拨杆半径 R=L2cos=43.32cos30=25mm槽轮槽口半径 s=L2cos=43.32cos30=25mm槽口深 hs-L-R-r=25-43.3-25-2.5=9.2mm取 h=15mm槽轮轮叶齿顶厚度 b=310mm ,取 b=5mm根据b确定拨盘锁止弧 R=20mm3.槽轮与流水线的传动我们采用内外齿轮传动的方法将动力均匀精确地传递到流水线上。主动外齿轮固连于槽轮，外齿圈固连于流水线。根据机械安装的空间尺寸，确定中心距a=40mm槽轮转1/6圈，流水线转1/14圈，故传动比i=1/61/14=73 则两齿轮分度圆直径 d1d2=1i=37又 d2-d1=2a=80mm ，得 d2=140mm ，d1=60mm（三）用Inventor做送料机构流水线的转角与时间关系分析流水线转角-时间图线由图线可知，流水线简谐运动，转动平稳而精确。第六部分：运动循环图拟定机械循环图的设计设计思路：按照实际精压的滑