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1、机械原理课程设计指导书、课程设计的目的机械原理课程设计是高等工科院校机械类专业学生第一次较全面的机械运动学和 动力学分析与设计的训练，其目的在于进一步加深学生所学的理论知识，培养学生独立 解决有关实际问题的能力，使学生对于机械动力学与运动学的分析与设计有一较完整的 概念。二、课程设计的内容与步骤1、插床机构简介与设计数据插床机构由齿轮、导杆和凸轮等组成，如图 1 1所示（齿轮、凸轮未画出）。电动机 经过减速装置，使曲柄1转动，再通过导杆机构使装有刀具的滑块沿导路 y-y作往复运动， 以实现刀具切削运动，并要求刀具有急回运动。刀具与工作台之间的进给运动，是由固 结于轴02上的凸轮驱动摆动从动杆和
2、其它有关机构（图中未画出）来完成的。插床设计 数据如表1 1所示。爛I捕从机构简图图1 1插床机构及其运动简图表1-1插床设计数据表量计枚据1.紂丫该t1及运官M冲i凸用2机构的iti*1帕恫构的说计H*1 /0 -中e1斗 JjiattninmmnnmnimHirn屮 rl. ,tT IJQO |15017j60_1601 n4Ca202、插床机构的设计内容与步骤(1)导杆机构的设计与运动分析步骤1) 设计导杆机构。按已知数据确定导杆机构的各未知参数，其中滑块5导路y-y的位置可根据连杆4传力给滑块5的最有利条件来确定，即y-y应位于B点所画圆弧高的 平分线上(见参考图例1)2) 作机构运动
3、简图。选取长度比例尺卩i(m/mm)，按表1-2所分配的加速度位置用粗线画出机构运动简图。曲柄位置的作法如图1-2；取滑块5在下极限时所对应的曲柄位置为起始位置1,按转向将曲柄圆周十二等分，得12个曲柄位置，位置5对应于滑块5处于上极限位置。再作出开始切削和终止切削所对应的5/和12 /两位置。共计14个机构位 置，可以14个学生为一组5,切削始点图1-2曲柄位置图表1-2机构位置分配表3) 作滑块的运动线图。为了能直接从机构运动简图上量取滑块位移，取位移比例尺卩s=y i,根据机构及滑块5上C点的各对应位置，作出滑块的运动线图sc(t)、然后根据sc(t)线图用图解微分法(弦线法)作滑块的速
4、度vc(t)线图(图1-2)，并将其结果与4）相对运动图解法的结果比较Sfm）/*! 每个学生都要画图1-2用图解微分法求滑块的位移与速度线图4）用相对运动图解法作速度、加速度多边形。选 取速度比例尺卩v（m s-1）/mm和加 速度比例尺卩a（m s-2）/mm，作该位置的速度和加速度多边形（见图 1-3）。求VaVar i其中12 n-i / 60 (rad/s)列出向量方程,求Va3和aA3VA3VA2VA3A2ntkraA3aA3aA2aA3 A2aA3A2用速度影像法求Vb和aB列出向量方程,求vC和aCVCVBVCBntacaBacBacBa）速度图b）加速度图图1-3位置7的速度
5、与加速度图（2）导杆机构的动态静力分析已知各构件重力G及其对重心轴的转动惯量Js、阻力线图（图1 1 ）及已得出 的机构尺寸、速度和加速度。1）绘制机构的力分析图（图1-4）。力分析的方法请参考机械原理教材图1-4位置7的力分析图已知各构件重力G及其对重心轴的转动惯量Js、阻力线图（图1 1 ）及已得出 的机构尺寸、速度和加速度，求出等效构件 1的等效阻力矩Mr。（注意：在切削始点 与切削终点等效阻力矩应有双值）2）选取力矩比例尺卩M（N.mm/mm），绘制等效阻力矩Mr的曲线图（图1-4）图1-4等效阻力矩Mr和阻力功Ar的曲线图利用图解积分法对Mr进行积分求出Ar- 曲线图，假设驱动力矩M
6、d为恒定，由于 插床机构在一个运动循环周期内做功相等，所以驱动力矩在一个周期内的做功曲线为一 斜直线并且与Ar曲线的终点相交如图1-4中Ad所示，根据导数关系可以求出Md曲线(为 一水平直线)。3)作动能增量一线。取比例尺 e ia K( J / mm )，动 能变化 E A d A r，其值可直接由图1-4 上 A d ( )与A r ( )曲线对应纵坐标线段相减得到，由此可作出 动能变化曲线Ad与Ar相减的曲线图(如图1-5)。图1-5作动能增量一线图4）计算飞轮的转动惯量Jf已知 机器运转的速度不均匀系数S,机器在曲柄轴 1上转速ni,在图1-5中， E的最大和最小值，即3咤和3mh位置
7、，对应纵坐标 Emax和厶Emin之间的距离gf，则AmaxEmaxEmin (gf ) E所以Jf为:900 Amax22ni三、图解微分法与图解积分法简介1、图解微分法F面以图1-6为例来说明图解微分法的作图步骤，图1-6为某一位移线图,曲线上任一点的速度可表示为图1-6位移线图dsdtsdytdxtanG切线法stb）弦线法其中dy和dx为s=s(t)线图中代表微小位移ds和微小时间dt的线段,a为曲线s=s(t) 在所研究位置处切线的倾角。上式表明，曲线在每一位置处的速度v与曲线在该点处的斜率成正比，即v*tga，为了 用线段来表示速度，引入极距K(mm),则v 空sdyStanS K
8、 tanvK tandt tdx ttK式中卩v为速度比例尺,卩v =卩s/卩tK ( m/s/mm )。该式说明当K为直角三角形 中a角的相邻直角边时,(Ktg a )为角a的对边。由此可知，在曲线的各个位置，其速度V 与以K为底边，斜边平行于s=s(t)曲线在所研究点处的切线的直角三角形的对边高度 (Ktg a )成正比。该式正是图解微分法的理论依据，按此便可由位移线图作得速度线图 (v-v(t)曲线)，作图过程如下：先建立速度线图的坐标系v=v(t)(图1-7a),其中分别以卩v和卩t作为v轴和t轴的比例 尺,然后沿轴向左延长至o点,oO=K(mm),距离K称为极距，点o为极点。过o点作
9、s=s( t) 曲线(图1-6)上各位置切线的平行线01、o2、03.等，在纵坐标轴上截得线段01、02、 03.等。由前面分析可知，这些线段分别表示曲线在2、3、4.等位置时的速度，从而很 容易画出位移曲线的速度曲线(图1-7a)。上述图解微分法称为切线法。该法要求在曲线的任意位置处很准确地作出曲线的切 线，这常常是非常困难的，因此实际上常用“弦线”代替“切线”，即采用所谓弦线法 作图方便且能满足要求，现叙述如下：依次连接图1-6中s =s(t)曲线上相邻两点，可得弦线12、23、34等，它们与相应区 间位移曲线上某点的切线平行。当区间足够小时，该点可近似认为在该区间(例2,3)中点的垂直线
10、上。因此我们可以这样来作速度曲线：如图1-7b所示，按上述切线法建立坐标系 v=v(t)并取定极距K及极点o,从o点作辐射线o1、o2、o3、04.等，使分别平行于弦线01、12、23、34.并交纵坐标轴于1、2、3.等点。然后将对应坐标点投影相交 得到一个个小矩形(例图1-7b中矩形2233),则过各矩形上底中点(例图1-7b中e,f点等) 的光滑曲线，即为所求位移曲线的速度线图(v=v(t)曲线)。2、图解积分法解积分法为图解微分法的逆过程。由于M极距K ( mm),用的功A r 曲线dA/dAdy/ dx图解积分法(图 1-4 )K Ktan由力矩M r 曲线求得力矩所m K tan其中
11、M故取A r 曲线纵坐标比例尺求A r的理论依据如下：2A M rd02M y0dx2K dx0KYii 1 KXinXitanM Kta n ii 1设计：一、确定各构件的运动尺寸，绘制机构简图1、插削机构的设计：由题知：杆1的极位夹角为e =180*( K-1 ) / ( K+1)；故有I =山 sin(g)4 = 4 = H121 sin(g)为了使构件4对构件5的平均传动角比较大，故应有：x- l3C0S(q)= I3- X则可得：x= 4(1+ cos()/2所得数据如下：设计数据x(mm)1401128456y(mm)75604530L3(mm)1501209060L4(mm)15
12、01209060L1(mm)807570652、送料机构(凸轮机构)的设计：四种方案的推程运动规律：J = 2/子任= 4/ w / 虫1、等加速等减a - Wj2 1余弦j = el- cos(prf/()/ 2 w = pf 叫 sin(p 川 ) / (2珂) a = pf 叫3$ 刃 4) / (2 爲)i二兔卜血(2卩刃如/(切)w=/w1l- cos(2p/4)/4a = 2pf Wj2 sm(2prf4、五次多项式j = q+ cm+ g才 + &/+ g+ c屛 w = qw十2(7*片刀一 3(?片才十4Cji/护十5(2严少 a = 2Gh + 6(7州专一 gw】皆 +
13、20Cj扌o回程运动规律：j 7(i d/%)W= - / Hj /ca = 0修正后的等速回程兔 = 15/i = 4/(2Q 2必】取C正弦加速度加速阶段(d 10):/=/+/( R/%i+sin(p刃JO) w = i(cos(pd/) I)/%】O 二-sin(/?rf/41)Ml2 等速阶段/ =fi+(f- 71)0-(办24J)-(f /”/(% 2%Jo=0正弦加速度减速阶段(d0-d?1O ):/ =/i(4-/比广 sinOC- d)/d0l)/p) w=/iwi(cos(p(4-小gJ 1”给a = Pfiw sin(4 - a)/%J/4：所得数据如下：设计数据中心距
14、Lo2o4(mm)1008510585滚子半径rt(mm)15151515基圆半径R0(mm)48544855设计简图：画自己的图在A1图纸上有、假设曲柄1等速转动，画出滑块1）位置分析建立封闭矢量多边形、uuuir戲0302 + 4U u 乱+1ll=S3 r u ur x+ y+ S5将机构的封闭矢量方程式C的位移和速度的变化规律曲线（插削机构的运动学分析）（式（i）2在两坐标上的投影式，并化简整理成方程左边仅含未知量项的形式，即得：护3cosq= I0302+ hcosq? 855 si n% = l1 si nq*扌I3 cos(p + q3)+ I4 cosq4 = - x (式 2
15、) ?lsin(p+ cb)+ Jsinq4-务=y解上述方程组得：S3 = V(lo3O2 + hcosq)2+ (liS inq)2q3 = arctan11 Sin qi1O3O2 + 11 C0Sqiq4 = arccos- x- 13 cos(p + q3)S5 = 13Si n(p + q3)+ Jsi n q4 - y2）角速度分析分别将（式2）对时间取一次导数3）角加速度分析分别将（式2）对时间取二次导数三、在插床工作过程中，插刀所受的阻力变化曲线如图2所示，在不考 虑各处摩擦、其他构件重力和惯性力的条件，分析曲柄所需的驱动力矩Ter =Jedwdtdj2djw2(Q+ G5M5 . G3VS3+ w1w1Je =m3Vs32w122J w_ +2w1mbVs52w12djedje dtdje23853 , 2Js3W3a 2m5Vs5as5=2+2+2dtdj dtwdtw1w1w1（Q+ G5）Vs5 , G3VS3 , m3Vs3as3 + W3J383 + mVs5as5Ted =+ + w1w1w1六、感想与建议。七、参考文献。