机械原理课程设计牛头刨床.doc

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1、09机械原理课程设计牛头刨床(速度分析与受力分析附于最后)说 明 书 姓名： 分析点：4,10点 组号： 第3组 2011 年 7 月 15日工作原理3一.设计任务4二.设计数据4三.设计要求51、运动方案设计52、确定执行机构的运动尺寸53、进行导杆机构的运动分析54、对导杆机构进行动态静力分析5四.设计方案选定5五. 机构的运动分析71. 4点速度分析,加速度分析82. 10点速度,加速度分析10六.机构动态静力分析12七.数据总汇并绘图14九.参考文献17工作原理牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图a）所示。电动机经过皮带和齿轮传动，带动曲柄2和固结在其上的凸轮8。刨床工作时，由导

2、杆机构23456带动刨头6和刨刀7作往复运动。刨头左行时，刨刀不切削，称为空回行程，此时要求速度较高，以提高生产率。为此刨床采用有急回运动的导杆机构。刨刀每切削完一次，利用空回行程的时间，凸轮8通过四杆机构191011与棘轮带动螺旋机构（图中未画），使工作台连同工件作一次进给运动，以便刨刀继续切削。刨头在工作过程中，受到很大的切削阻力（在切削的前后各有一段0.05H的空刀距离，见图b），而空回行程中则没有切削阻力。因此刨头在整个运动循环中，受力变化是很大的，这就影响了主轴的匀速转动，故需安装飞轮来减小主轴的速度波动，以提高切削质量和减少电动机容量。(a) (b) 图d 一.设计任务1、运动方案

3、设计。2、确定执行机构的运动尺寸。3、进行导杆机构的运动分析。4、对导杆机构进行动态静力分析。5、汇总数据画出刨头的位移、速度、加速度线图以及平衡力矩的变化曲线。二.设计数据 本组选择第六组数据表1方案123456789导杆机构运动分析转速n2（r/min）484950525048475560机架lO2O4(mm)380350430360370400390410380工作行程H(mm)310300400330380250390310310行程速比系数K1.461.401.401.441.531.341.501.371.46连杆与导杆之比lBC/ lO4B0.250.30.360.330.30.

4、320.330.250.28表2方案导杆机构的动态静力分析lO4S4xS6yS6G4G6PypJS4mmNmmkg.m21，2，30.5lO4B240502007007000801.14，5，60.5lO4B200502208009000801.27，8，90.5lO4B1804022062080001001.2三.设计要求1、运动方案设计根据牛头刨床的工作原理，拟定12个其他形式的执行机构（连杆机构），给出机构简图并简单介绍其传动特点。2、确定执行机构的运动尺寸根据表一对应组的数据，用图解法设计连杆机构的尺寸，并将设计结果和步骤写在设计说明书中。注意：为使整个过程最大压力角最小，刨头导路 位

5、于导杆端点B所作圆弧高的平分线上(见图d)。3、进行导杆机构的运动分析根据表一对应组的数据，每人做曲柄对应2个位置的速度和加速度分析，要求用图解法画出速度多边形，列出矢量方程，求出刨头6的速度、加速度，将过程详细地写在说明书中。4、对导杆机构进行动态静力分析根据表二对应组的数据，每人确定机构对应位置的各运动副反力及应加于曲柄上的平衡力矩。作图部分与尺寸设计及运动分析画在同一张纸上（2号或3号图纸）。提示：如果所给数据不方便作图可稍微改动数据，但各组数据应该一致，并列出改动值。5、数据总汇并绘图最后根据汇总数据画出一份刨头的位移、速度、加速度线图以及平衡力矩的变化曲线。6、完成说明书每人编写设计

6、说明书一份。写明组号，对应曲柄的角度位置。四.设计方案选定如图2所示，牛头刨床的主传动机构采用导杆机构、连杆滑块机构组成的5杆机构。采用导杆机构，滑块与导杆之间的传动角r始终为90o，且适当确定构件尺寸，可以保证机构工作行程速度较低并且均匀，而空回行程速度较高，满足急回特性要求。适当确定刨头的导路位置，可以使 图2压力角尽量小。 五. 机构的运动分析=180(k-1/k+1)=30当曲轴位于4点时lO4S4 =5lO4B=0.3865mlbc=0.278mlo2A=0.111mLo4B=0.77274m1. 4点速度分析,加速度分析取曲柄位置“4”进行速度分析。因构件2和3在A处的转动副相连，

7、故A3=A2，其大小等于2 lO2A，方向垂直于O2 A线，指向与2一致。vA2=vA3=w2lO2A=(2*n2/60)*lO2A=0.58m/s 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A4 = A3 + A4A3 大小 ? ?方向 O4A O2A O4B取速度极点P，速度比例尺v=0.05(m/s)/mm ,作速度多边形如图则由图1-2知：vA4=vPA4=0.58m/s 4=vA4/lO4A=1.08rad/s vB=4lO4B=0.595m/s vA4A3=A4A3=0.123m/s取5构件作为研究对象，列速度矢量方程，得 B = C + BC大小 ? ?方向 O4B

8、XX BC作速度多边行如图1-2，则由图1-2知V C=v Pc=0.5975m/s5=v CB/l BC=0.11rad/s由速度已知曲柄上A(A2 A3 A4)点开始，列两构件重合点间加速度矢量方程，求构件4上A点的加速度aA4,因为 aA2=aA3=W2 lo2A =3.01 m/s2 a n A4=W42 lo4A=0.439 m/s2a KA4A3=2W3VA4A3=0.265 m/s2 a n CB=W52 l CB=0.003 m/s2 取3、4构件重合点A为研究对象，列加速度矢量方程得：aA4 = aA4n + aA4 = aA3n + aA4A3K + aA4A3r大小: ?

9、 42 lO4A ? 24A4 A3 ?方向： ? /BA O4B /AO2 O4B O4B取加速度极点为,加速度比例尺a=0.01（m/s2）/mm,作加速度多边形如图1-3所示.则由图1-3知 aA4= uapa4=0.5661m/s2 aB=uapb=0.827m/s2 a S4=0.5aB=0.413m/s2 = a A4/ lO4B =0.68rad/s2 ac = acBn + a cB + aBn + a B大小 ? ? 方向 XX /CB BC /AB AB其加速度多边形如图13所示,有aC= lca=0.55 m/s2 取曲柄位置“10”进行速度分析。当曲轴位于10点时lO4

10、S4 =5lO4B=0.3865mlbc=0.278mlo2A=0.111mLo4B=0.338m2. 10点速度,加速度分析取曲柄位置“10”进行速度分析。因构件2和3在A处的转动副相连，故A3=A2，其大小等于2 lO2A，方向垂直于O2 A线，指向与2一致。vA2=vA3=w2lO2A=(2*n2/60)*lO2A=0.58m/s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A4 = A3 + A4A3 大小 ? ?方向 O4A O2A O4取速度极点P，速度比例尺v=0.05(m/s)/mm ,作速度多边形如图vA4=vPA4=0.55m/s 4=vA4/lO4A=1.63ra

11、d/s vB=4lO4B=1.26m/s vA4A3=A4A3=0.204m/s取5构件作为研究对象，列速度矢量方程，得 B = C + BC大小 ? ?方向 O4B XX BCV C=v Pc=1.235m/s5=v CB/l BC=0.4rad/s由速度已知曲柄上A(A2 A3 A4)点开始，列两构件重合点间加速度矢量方程，求构件4上A点的加速度aA4,因为 aA2=aA3=W2 lo2A =3.01 m/s2 a n A4=W42 lo4A=0.9 m/s2a KA4A3=2W3VA4A3=0.665 m/s2 a n CB=W52 l CB=0.045 m/s2 取3、4构件重合点A为

12、研究对象，列加速度矢量方程得：aA4 = aA4n + aA4 = aA3n + aA4A3K + aA4A3r大小: ? 42 lO4A ? 24A4 A3 ?方向： ? /BA O4B /AO2 O4B O4B取加速度极点为,加速度比例尺a=0.01（m/s2）/mm,aA4= uapa4=1.04m/s2 aB=uapb=2.4m/s2 a S4=0.5aB=1.2m/s2 = a A4/ lO4B =1.57rad/s2 ac= acBn + a cB+ aBn + a B大小 ? ? 方向 XX /CB BC /AB AB其加速度多边形如图13所示,有aC= lca=1.76 m/s

13、2六.机构动态静力分析1. 4点静力分析取S6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14所示。已知G6=700N，又ac5=0.55m/s2,那么我们可以计算FS6= G6/gac =700/100.55=38.5N 又F=P+G6+FS6+F45+FN=0代入尺寸解得:F45=3474.722N FN=-264.34N对导杆4受力分析如图1-5所示，加上惯性力，和惯性力矩Fs4n =42 lO4S4G4/g =9.02N Fs4=lO4S4 G4/g =5.26N Mi=JS4=0.748Nm由静力平衡条件对O4点取矩有：Mo4=0 G4lO4S4cos85+F34 lO

14、4A-FS4lo4s4-Mi-F54cos5lO4SB=0代入数据解得：F34=5065.6N画出力矩图从图中量出尺寸求得Fo4=1847N对曲柄受力分析F34和F02大小相等方向相反即F02= F32=5065.6N，因曲柄平M=F32lO2A=-562.215Nm,平衡力矩Mr=M=562.215Nm（逆时针为正）2 . 10点静力分析取S6点为研究对象，分离5、6构件进行运动静力分析，作阻力体如图已知G6=700N，又ac5=1.76m/s2,那么我们可以计算FS6= G6/gac =700/101.76=123.2N 又F= G6+FS6+F45+FN=0从受力图中量出尺寸代入得 F4

15、5=123.7N FN=689.2N对导杆4受力分析如图1-5所示，加上惯性力，和惯性力矩，用静力平衡分析法解。Fs4n =42 lO4S4G4/g =12.6N Fs4=lO4S4 G4/g =19N Mi=JS4=1.727Nm由静力平衡条件对O4点取矩有：Mo4=0 -G4lO4S4cos85+F 34 cos20lO4A+FS4lo4s4+Mi-F54cos5lO4SB=0代入数据解得：F34=292.5N 做力矩图如图所示，从图中量出尺寸求出FO4=324.8N对曲柄受力分析F34和F02大小相等方向相反即F02= F32=292.5N，因曲柄平M=F32lO2A=32.2Nm,平衡

16、力矩Mr=-M=-32.2Nm（逆时针为正）七.数据总汇并绘图统计12人的数据得到如下表位置123456789101112c(m/s)00.430.7280.600.8070.70.44-0.15-0.60-1.24-1.29-0.638ac(m/s2)5.43.260.6460.55-1.35-3.66-5.24-5.15-2.72-1.7644.941s(mm)023.586.9167241.3317.9378.1400357.4267131.262Mr(Nm)069500562.2564.5504.37256.512.620.8632.2-67.3-26.03平衡力矩位置变化曲线速度位置

17、变化曲线加速度位置变化曲线位移位置变化曲线八飞轮的设计1.确定Wmax 1将各点的平衡力矩画在坐标纸上，如下图。平衡力矩所做的功可以通过数据曲线与横坐标之间所夹得面积之和求的。依据在一个周期内及360内，曲柄驱动力矩所做的功等于阻力力矩所做的功，即可求的驱动力矩Md。在下图中，横坐标为曲柄转角，一个周期2，将一个周期变成180份，纵坐标轴为力矩： Md=Si/2=【(x1+ x2)/2+ (x2+x3)/2】2/180/2=199.7 N.m2根据盈亏功的原理，求得各盈亏功值，并做能量指示图，以曲柄的平均驱动力矩为分界线，求出各区段盈亏功值W1=104.72 N.m W2=733.03 N.m

18、 W3=471.23 N.m 曲柄的平均驱动力矩Md= 199.7 N.m曲柄的最大驱动力矩Md=570 N.mWmax=733.03N.mJC=JO2+JO”.i2o”o2+JO1.i2oo2=10.4(N.m2)由最大盈亏功可以求得飞轮的转动惯量JF=900Wmax/(2n2) JC=167.93(N.m2)因此可以设计出所需要求的飞轮。九.参考文献1.机械原理（第七版） 吴克坚 等 主编 高等教育出版社2.机械原理课程设计曲继方主编，机械工业出版社3.机构分析与设计华大年等主编，纺织工业出版社4.机械运动方案设计手册邹慧君主编，上海交通大学出版社 曲轴在4点时受力分析（u=10N/mm）

19、 曲轴在10点时受力分析 4点速度矢量图，加速度矢量图 运动静力分析 u v=0.05m /s u a=0.01m/s2 图14 10点速度，加速度图，运动静力分析 曲轴4点受力分析,力矩图 图15 曲轴10点受力分析 力矩图 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

20、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。O2AO4xys6s3Xs6CBYs6234567n2FrYFr图（1-1）、设计说明书 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、312等，是由位置1起，顺2方向将曲柄圆作12等分的位置（如下图）。 图1-2 取第I方案的第4位置和第9位置（如下图1-3）。 图 1-32. 对位置4点进行速度分析和加速度分析 （a） 速度分析 取速度比例尺=对A点：

21、= + 方向： /大小： ？ ？=V= V=对于C点： = + 方向： / 大小： ？ ？ = = = = 速度分析图： 图 1-4(b)加速度分析 选取加速度比例尺为=对于A点：= + = + + 方向： A A / 大小： ？ ?由于= =2= 已知，根据加速度图1-5可得：=， =。=, =/=0.363626。另外还可得出：= =对于C点 = + + 方向：/ B CB 大小： ？ ？ 由= ,=已知，根据根据加速度图可得：=，=加速度分析图： 图 1-53对位置9点进行速度分析和加速度分析 （a） 速度分析 取速度比例尺=对A点： = + 方向： /大小： ？ ？=V= V=对于C点

22、： = + 方向： / 大小： ？ ？ = = = =速度分析图： 图 1-6(b)加速度分析 选取加速度比例尺为=对于A点：= + = + + 方向： A A / 大小： ？ ?由于= =2= 已知，根据加速度图1-7可得：=， =另外还可得出：= =对于C点 = + + 方向：/ B CB 大小： ？ ？ 由= ,=已知，根据根据加速度图可得：=，=加速度分析图： 图 1-74. 对位置9点进行动态静力分析 取“9”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18所示。图 1-8已知G6=700N，又ac=ac5=4.2475055m/s2,那么我们可以计算FI6=- G6/

23、gac = - (700/9.84.2475055)= - 303.393565N设与水平导轨的夹角为，可测得的大小为由 , 可计算出 , 分离3,4构件进行运动静力分析，杆组力体图如图1-9所示 图 1-9已知： FR54=FR45=303.717328N，G4=200N由此可得： FI4 = - G4/g a4 = - 44.99051 根据，其中，分别为,作用于的距离（其大小可以测得），可以求得：=609.753093N。作力的多边形如图1-10所示 图 1-10由图1-10可得： = 250.04 N对曲柄2进行运动静力分析，作组力体图如图1-11所示， 图 1-11作用于的距离为h，其大小为0.0523612m所以曲柄上的平衡力矩为：，方向为逆时针。