机械原理课程设计

PAGEPAGE17长安大学机械原理课程设计位置编号：11方案号：方案一设计题目：牛头刨床设计专业：车辆工程班级：1班姓名：蒋凯东学号：201222010111目录：课程设计任务书…………………2(1)工作原理及工艺动作过程……………2(2)原始数据及设计要求…………32、设计（计算）说明书……………3（1）画机构的运动简图…………3（2）机构运动分析…………………6①对位置11点进行速度分析和加速度分析……6②对位置7’点进行速度分析和加速度分析……8（3）对位置11点进行动态静力分析………………113、摆动滚子从动件盘形凸轮机构的设计……………124、齿轮机构的设计……………………174、参考文献…………225、心得体会…………226、附件…………………23一、课程设计任务书1.工作原理及工艺动作过程牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床。刨床工作时,如图(1-1）所示，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，称工作行程，此时要求速度较低并且均匀；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。切削阻力如图(b）所示。OO2AO4xys6s3Xs6CBYs6234567n2FrYFr图（1-1）2．原始数据及设计要求设计内容导杆机构的运动分析符号n2单位r/minmm方案1603801105400.250.524050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所作圆弧高的平分线上。要求作机构的运动简图，并作机构两个位置的速度、加速度多边形以及刨头的运动线图。以上内容与后面动态静力分析一起画在1号图纸上。二、设计说明书(详情见A1图纸)1．画机构的运动简图1、以O4为原点定出坐标系，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、3…12等，是由位置1起，顺ω2方向将曲柄圆作12等分的位置（如下图）。取方案1的第11位置和第7’位置（如下图）。２、机构运动分析（1）曲柄位置“11”速度分析，加速度分析（列矢量方程，画速度图，加速度图）1．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O2A线，指向与ω2一致。υA3=υA2=2πn/60×lO2A=2π×0.11m/s=0.6908m/s（⊥O2A）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υA4=υA3+υA4A3大小?√?方向⊥O4A⊥O2A∥O4B取速度极点P，速度比例尺uv=0.01(m/s)/mm,作速度多边形如图则由知，υA4=·μ1=63.0×0.01m/s=0.63m/sω4=υA4/lO4A=0.63/0.282rad/s=2.23rad/sυB=ω4lO4B=2.23×0.54=1.26m/svA4A3=·μv=25×0.01m/s=0.25m/s取5构件作为研究对象，列速度矢量方程，得υC=υB+υCB大小?√?方向∥XX⊥O4B⊥BC则由图2-2知，υC=·μ1=125.5×0.01m/s=1.255m/sω5=υCB/lCB=0.01×13/0.135rad/s=0.963rad/s2.加速度分析：取曲柄位置“11”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ω22lO2A,方向由A指向O2。==ω22·LO2A=4π×0.11m/s2=4.338m/s=ω4lO4A=2.23×0.282=1.40m/saA4A3K=2ω4vA4A3=2×2.23×0.25＝1.115m/saCB=ω5×LBC=0.963×0.135=0.1252m/s取3、4构件重合点A为研究对象，列加速度矢量方程得：aA4=+aA4t=aA3n+aA4A3K+aA4A3r大小:ω42lO4A?√2ω4υA4A3?方向：A→O4⊥O4AA→O2⊥O4B（向右下）∥O4A取加速度极点为P＇,加速度比例尺ua=0.10（m/s）/mm,作加速度多边形2-3则由图aA4=·ua=16×0.1m/s2=1.6m/s用加速度影象法求得aB=0.1×30.6=3.06m/sas4=0.5aB=0.5×3.06m/s=1.53m/sα4=aA4t/LO4A=0.1×4/0.282=1.418rad/s（顺时针）取5构件为研究对象,列加速度矢量方程,得ac=aB+acBn+acBt大小?√√？方向∥XX√C→B⊥BCac=·ua=37×0.1m/s2=3.7m/sa5=aCBt/ιCB=0.1×4∕0.135rad/s2=2.963rad/s（2）3、曲柄位置“7’”速度分析，加速度分析（列矢量方程，画速度图，加速度图）取曲柄位置“7’”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O2A线，指向与ω2一致。ω2=2πn2/60rad/sυA3=υA2=ω2·lO2A=0.69115m/s（⊥O2A）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υA4=υA3+υA4A3大小?√?方向⊥O4A⊥O2A∥O4B取速度极点P，速度比例尺µ1=0.001(m/s)/mm,作速度多边形如图υA4=0.29846m/sυA4A3=0.62328m/s取7’构件作为研究对象，列速度矢量方程，得υC6=υB5+υC6B5大小?√?方向∥XX⊥O4B⊥BC取速度极点P，速度比例尺μ1=0.001(m/s)/mm,作速度多边行如图。υB5=υB4=υA4×O4B/O4A=0.38899m/sυC6=0.37651m/s方向向右。4.加速度分析：取曲柄位置“7’”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ω22lO2A,方向由A指向O2。取3、4构件重合点A为研究对象，列加速度矢量方程得：aA4=+aA4τ=aA3n+aA4A3K+aA4A3r大小:ω42lO4A?√2ω4υA4A3?方向：B→A⊥O4BA→O2⊥O4B（向左）∥O4B（沿导路）取加速度极点为P＇,加速度比例尺µ2=0.01（m/s2）/mm,作加速度多边形如图aA3n=ω42lO4A=4.34262m/s2由上得aA4A3K=2ω4υA4A3=0.89797m/s2=lO4A(υA4/lO4A)2=0.215m/s2作加速度多边形，取比例尺，如图所示得aA4=4.8196m/s2又有aB5=aA4×lO4B/lO4A=6.28158m/s2取7’构件的研究对象，列加速度矢量方程，得aC6=aB5+aC6B5n+aC6B5τ大小?√√?方向∥xx√C→B⊥BCaC6B5n=υC6B52/lCB=0.07642m/s2，作加速度分析，如图所示：得aC6=6.1271m/s2,方向向左。机构动态静力分析取“11”点为研究对象�.分离5、6构件进行运动静力分析作阻力体如图所示已知P=0NG6=800N又ac=ac5=5.907m/s2那么我们可以计算FI6=-G6/g×ac=-800/10×5.907=-472.56N又ΣF=P+G6+FI6+F45+FRI6=0作为多边行如图所示由力多边形可得�.F45=CD·μN=42.5×10N=425NFR16=AD·μN=78×10N=780N在图中对c点取距有ΣMC=-P·yP-G6XS6+FR16·x-FI6·yS6=0代入数据得x=0.176m分离3,4构件进行运动静力分析杆组力体图如所示�.μL=4。已知F54=-F45=425NG4=220NaS4=aA4·lO4S4/lO4A=2.2919×290/264.149m/s2=2.516m/s2,βS4=β4=7.45rad/s2由此可得�.FI4=-G4/g×aS4=-220/10×2.516N=-55.352NMS4=-JS4·αS4=-1.2×7.45N·m=-8.94N·m在图中。对A点取矩得。ΣMA=G4×8.5+FI4×72.5+M+F54×144.5-F24×66.5=0代入数据�.得F24=1029.97N又ΣF=FR54+FR32+FS4'+G4+FO4n+FO4τ=0,作力的多边形如图所示�.由图可得�.F24=ED·μN=204×10N=2040NFO4n=BD·μN=115×10N=1150N对曲柄2进行运动静力分析�.作组力体图如图所示由图可知h2=85mm,则对曲柄列平行方程有�.ΣMO2=M-F42·h2=0即M-2040×85×10-3=0即M=173.4N·M三、摆动滚子从动件盘形凸轮机构的设计（详情见A2图纸）（一）已知条件、要求及设计数据1、已知：摆杆９为等加速等减速运动规律，其推程运动角Φ，远休止角Φs，回程运动角Φ'，如图8所示，摆杆长度lO9D，最大摆角ψmax，许用压力角〔α〕（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ｒT，画出凸轮实际廓线。3、设计数据：符号数据单位ψmax15°lOqD125mm[α]40°Ф075°Ф0110°Ф0’70°（二）设计过程选取比例尺，作图μl=1mm/mm。1、取任意一点O2为圆心，以作r0=45mm基圆；2、再以O2为圆心，以lO2O9/μl=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/μl=125mm为半径画弧与基圆交于D点。O9D即为摆动从动件推程起始位置，再以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：先用目测法估计凸轮理论廓线上的的大致位置（可记为A点）；以A点位圆心，任选较小的半径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，凸轮理论廓线的最小曲率半径。图9（2）凸轮滚子半径的选择（rT）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1~5mm。对于凸轮的凸曲线处，对于凸轮的凹轮廓线（这种情况可以不用考虑，因为它不会发生失真现象）；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：；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，选择滚子半径为rT=15mm。得到凸轮实际廓线，如图所示。四、齿轮机构的设计（一）齿轮变位系数的选择可知变位系数为0.529，所以，取x1=0.5,x2=-0.5。1）.齿轮不发生根切现象。在弯曲强度许可的条件下，允许有不侵入齿轮齿廓工作段的微量根切。对于齿条型刀具加工（a=200，h*=1）的齿轮，不根切的条件为Xmin=（17-Z）/17即x1(17-10)/17=0.412x2(17-40)/17=-1.35所以x1=0.5,x2=-0.5满足。2）.齿轮啮合不发生过渡曲线干涉，不允许过渡曲线延伸到齿廓工作段内。αa1=arccosrb1/ra1=arccos28.2/38=42.11°αa2=arccosrb2/ra2=arccos112.76/123=23.54°用齿条型刀具加工的齿轮啮合时，小齿轮齿根与大齿轮齿顶不产生干涉的条件为tanαˊ-Z2(tanαa2-tanαˊ)/Z1≥tanα-4（ha*-X1）/Z1sin2αtanαˊ-Z2(tanαa2-tanαˊ)/Z1=tan20°-40(tan23.54°-tan20°)/10=0.0773tanα-4（ha*-X1）/Z1sin2α=tan20°-4(1-0.5)/10sin40°=0.05280.0773大齿轮齿根与小齿轮齿顶不产生干涉的条件为tanαˊ-Z1(tanαa1-tanαˊ)/Z2≥tanα-4（ha*-X2）/Z2sin2αtanαˊ-Z1(tanαa1-tanαˊ)/Z2=tan20°-10(tan42.11°-tan20°)/40=0.2290tanα-4（ha*-X2）/Z2sin2α=tan20°-4(1+0.5)/40sin40°=0.13060.2290所以x1=0.5,x2=-0.5满足。3).保证有足够的重合度。应满足εα≥[εaα]，即εα=[Z1(tanαa1-tanαˊ)+Z2(tanαa2-tanαˊ)]/2π≥[εα]对于7-8级齿轮，取许用重合度[εα]=1.1-1.2。εα=[Z1(tanαa1-tanαˊ)+Z2(tanαa2-tanαˊ)]/2π=[10(tan42.11°-tan20)+40(tan23.54°-tan2°)]=1.3156>1.2所以x1=0.5,x2=-0.5满足。4).齿顶厚度不宜过薄。齿顶厚度Sa=Sa*m，Sa*齿顶厚度系数，其许用值[Sa*]一般取0.25-0.40，对硬齿面齿轮取大值，对软齿面齿轮取小值，要求Sa≥[Sa*]，其公式为Sa*=da（π/2z+2xtanα/z+invα-invαa）/m≥[Sa*]或者Sa=s×ra/r-2ra(invαa-invα)≥[Sa*]m其中invαa1=0.1689，invαa2=0.0248，invαa=0.0149S1=πm/2+2x1mtanα=11.6086S2=πm/2+2x2mtanα=22.9489所以Sa1=s1×ra1/r1-2ra1(invαa1-invα)=11.6086×38/30-2×38（0.689-0.0149）=3≥[Sa*]m=2.4Sa2=s2×ra2/r2-2ra2(invαa2-invα)=22.9489×123/120-2×（0.0248-0.0149）=21.0897≥[Sa*]m=2.4所以x1=0.5,x2=-0.5满足。5.2齿轮啮合图的绘制a).渐开线的绘制（20）如图（20）所示，根据渐开线的形成原理，绘制步骤如下:6.计算出各圆直径db，d,dˊ，df，da，画出相应的各圆。7.连心线与节圆的交点为节点P，过P点作基圆的切线，与基圆相切于N，则NP为理论啮合线段的一段。8.将NP分成若干等份P1,12,23,…9.由渐开线特性弧长=,再因弧长不易测量，故可按下式计算：=dbsin（1800/dbπ）=451sin(74×180°/451/π)mm=73.7mm将基圆上的弧长分成与线段同样的等份，得基圆上的对应点1ˊ，2ˊ，3ˊ…。过点1ˊ，2ˊ，3ˊ，…作基圆的切线，并在这些且线上分别截取线段=，=,=,…各点。光滑连接0ˊ，1ˊˊ，2ˊˊ，3ˊˊ，…各点的曲线即为齿廓上节圆以下部分的渐开线。将基圆上的分点向左延伸，作出5，6…，取=5,=6可得节圆以上渐开线各点5，，6，，…直至画过齿顶圆为止。当df=db时，基圆以下一段齿廓取为径向线，在径向线与齿根圆之间以r=0.2m为半径画过渡圆角；当df>db时,在渐开线与齿根圆之间直接画出过渡圆角.b)啮合图的绘制步骤选取适当的比例尺ul=0.002（m/mm），使齿全高在图纸上有30-50mm为宜。定出齿轮的中心距O1,O2.分别以O1,O2为圆心作基圆，分度圆，节圆，齿顶圆，齿根圆。画出两齿轮基圆内的公切线，它与连心线O1,O2的交点为节点P，而P点又是两节圆的切点，基圆内公切线与过P点的节圆切线间的夹角为啮合角aˊ，其值应与无侧隙啮合方程式计算之值相符。过节点P分别画出两齿轮在顶圆和根圆之间的齿廓曲线。按已算得的s和齿距p计算对应的弧长和=dsin（s180。/dπ）=240sin（7.24×180°/240/π）mm=7.24mm=dsin（p180。/dπ）=240sin（6π×180°/240/π）mm=18.83mm按和在分度圆上截取弦长得A,C点，则AB=,AC=。（5）取AB中点D，连02，D两点为轮齿的对称线。用描图纸描下对称线的右半齿形，以此为模板画出对称的左半齿形，及其他相邻的3-4个轮齿的齿廓。另一轮的作法相同。（6）作出齿廓工作段。B2为起始啮合点，B1为终止啮合点，以O2为圆心，O2B1为半径作圆弧交齿轮2的齿廓于b2点，则从b2点到齿顶圆上点a2一段为齿廓工作段。（7）对要求画出两齿轮啮合过程中的滑动系数变化曲线的齿轮啮合图，可按下述方法。滑动系数计算公式U1=1+Z1（1-L/Lx）/Z2U2=Z1/Z2+(1-L/L-Lx）在N1N2线段上，按计算值取点B1,P,B2,自N1点量起，按适当的间距取lx值，按上述两公式计算出对于不同lx的个位置