机械基础实训2牛头刨床的设计样本解析.docx
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机械基础实训2牛头刨床的设计样本解析
《机械基础》综合实训
班级
姓名
学号
题号
组员
课题二牛头刨床执行机构分析与设计
设计要求与设计数据
1）电动机轴与曲柄轴2平行，刨刀刀刃E点与铰链点C的垂直距离为50mm，使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。
2）为了提高工作效率，在空回程时刨刀快速退回，即要有急回运动，行程速比系数在1.4左右。
为了提高刨刀的使用寿命和工件的表面加工质量，在工作行程时，刨刀要速度平稳，切削阶段刨刀应近似匀速运动。
允许曲柄2转速偏差为±5％。
要求导杆机构的最大压力角应为最小值；
3）凸轮机构的最大压力角应在许用值[α]之内，摆动从动件9的升、回程运动规律均为等加速等减速运动。
4）执行构件的传动效率按0.95计算，系统有过载保护。
按小批量生产规模设计。
5）曲柄转速在60r/min，刨刀的行程H在300mm左右为好，具体数据见下表。
（从教材第12页表中选取）
已知条件
题号
1
导杆机构运动分析
机架lO2O4
380
工作行程H
310
行程速比系数K
1.46
连杆与导杆之比lBC/lBO4
0.28
凸轮机构设计
从动件最大摆角δmax
15°
从动件杆长lO9D
125
许用压力角[α]
40°
推程运动角Φ
75°
远休止角Φs
10°
回程运动角Φ’
75°
[任务实施]
（以教材第12页表中题号1的数据为例。
）
任务一平面机构的结构分析
图4-2所示为牛头刨床的结构图，已知滑枕6的导轨高lh=1000mm，大齿轮2的中心高lh1=540mm，滑块销3的回转半径rx=240mm。
绘制主体运动机构的运动简图，并通过自由度的计算，判断其运动的确定性。
解：
1、机构分析。
牛头刨床主体运动机构由齿轮传动机构、导杆机构、凸轮机构、棘轮机构等组成，机构示意图如图4-17（a）所示。
图4-17（a）牛头刨床主体运动机构示意图
2、为了简单地说明问题，下面仅取导杆机构和凸轮机构这部分进行运动简图绘制和自由度计算。
1）确定运动副类型。
原动件曲柄与凸轮都固结在大齿轮2上，用轴通过轴承与机架7铰接成转动副O2；凸轮2与滚子之间形成高副G1，滑块3通过销子与大齿轮铰接成转动副A；滑块3与导杆4用导轨联接为面接触成移动副Y
；导杆分别与连杆5和机架铰接成转动副B和O4；连杆5与滑枕6铰接成转动副C；滑枕6与机架1用导轨联接以面接触成移动副Y2。
推杆7分别与机架1和连杆8铰接成转动副O9和E，摇杆9分别与连杆8和机架铰接成转动副F和G。
这里有1个高副、9个转动副和2个移动副共12个运动副。
2）确实视图平面，以平行于凸轮运动平面作为视图平面。
3）计算长度比例和图示长度。
设图样最大尺寸为50mm，则长度比例尺
=
/50=1000mm/50mm=20
=1/0.02=50mm
=0.54/0.02=27mm
=0.24/0.02=12mm
4）绘制机构运动简图。
①先绘制机架上的运动副铰链，根据h值绘制滑枕的导路；②选择适当的瞬时位置，按各运动副间的图示距离和相对位置，用规定的符号表示各运动副；③用直线将同一构件上的运动副连接起来，并标上件号、铰点名和原动件的运动方向，表示出机架，即得所求的机构运动简图。
如图4-17b）所示。
图4-17（b）牛头刨床导杆机构和凸轮机构
5）自由度分析计算
该机构有一加装滚子的局部自由度，除去不算，共有8个活动构件，9个转动副，2个移动副，1个高副，无复合铰链。
故根据机构自由度计算公式可以求得机构的自由度为
该机构有一个原动件，原动件的数目等于自由度，故该机构有确定运动。
任务二连杆机构设计
第一部分：
牛头刨床执行机构传动方案的确定
（a）
（b）
（c）
图4-39执行机构传动方案
图4-39中，方案（a）采用偏置曲柄滑块机构。
结构最为简单，能承受较大载荷，但其存在有较大的缺点。
一是由于执行件行程较大，则要求有较长的曲柄，从而带来机构所需活动空间较大；二是机构随着行程速比系数K的增大，压力角也增大，使传力特性变坏。
方案（b）由曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构串联而成。
该方案在传力特性和执行件的速度变化方面比方案（a）有所改进，但在曲柄摇杆机构ABCD中，随着行程速比系数K的增大，机构的最大压力角仍然较大，而且整个机构系统所占空间比方案（a）更大。
方案（c）由摆动导杆机构和摇杆滑块机构串联而成。
该方案克服了方案（b）的缺点，传力特性好，机构系统所占空间小，执行件的速度在工作行程中变化也较缓慢。
比较以上三种方案，从全面衡量得失来看，方案（c）作为刨削主体机构系统较为合理。
第二部分：
导杆机构的设计
一、尺寸参数确定依据及过程：
已知条件：
机架lO2O4=380mm，刨刀的行程H=310mm，行程速比系数K=1.46，连杆与导杆之比lBC/lBO4=0.28
1、尺度确定的综合过程如下：
⑴由K=1.46求得极位夹角；
⑵由导杆机构特性知道，导杆摆角等于极位夹角，即max=；
⑶由行程H和可求出导杆长lBO4；
⑷由刨刀的行程H和可求出曲柄长lAO2；
⑸由连杆与导杆之比lBC/lBO4=0.28，可求出连杆长lBC；
⑹为使杆组的压力角较小，滑块C的导路x-x位于导杆端点B所作的圆弧高的平分线上，依此确定导路的高度yCO4。
2、确定传动机构的尺寸
1）根据所给数据确定机构尺寸
极位夹角：
导杆长度：
连杆长度：
=0.28
=150mm
曲柄长度：
已知刨头导路x-x位于导杆端点B所作的圆弧高的平分线上。
（这样才能保证机构运动过程的最大压力角具有最小值，使机构在运动过程中具有良好的传动力特性）所以
即导轨滑块C到O4的垂直距离为524.5mm。
2）机构运动简图的绘制
选取一长度比例尺，机构运动简图的绘图工作要求在计算机上使用AutoCAD完成，如图4-40所示。
图4-40牛头刨床结构简图
任务三凸轮机构设计
设计牛头刨床中的凸轮机构
一．凸轮机构的设计要求：
如图4-81所示，已知该凸轮机构的从动件摆杆9的运动规律为等加速等减速运动，要求确定凸轮机构的基本尺寸，将凸轮实际轮廓和推杆画在图纸上。
图4-81凸轮机构
原始数据如表：
符号
δmax
lO9D
lO9O2
rb
rT
Φ
Φs
Φ’
数据
15°
125mm
150mm
61mm
15mm
75°
10°
75°
二.从动件运动规律角位移线图的画法：
①、绘制坐标轴。
取凸轮转角的比例尺
，在
轴上分别量取Φ=75°、Φs=10°、Φ’=75°；取螺杆摆角的比例尺
，在
轴上量取
；
②、将Φ=75°、Φ’=75°分别等分成6等分，则得各等分点1、2…13。
③、绘制推程的位移线图。
过3点作
轴的平行线，在该平行线上截取线段高度为
，将该线段等分成6等分（注意应与角Φ的等分数相同），得各等分点，如前半推程的1＇、2＇、3＇；将坐标原点分别与点1＇、2＇、3＇相连，得线段O1＇、O2＇和03＇，分别与过1、2、3点且平行与
轴的直线交于1＂、2＂和3＂；将点0、1＂、2＂、3＂连成光滑的曲线，即为等加速运动的位移曲线的部分，后半段等减速运动的位移曲线的画法与之相似，只是弯曲方向反过来，见图4-82所示。
同理可得回程的位移曲线。
图4-82摆动推杆角位移线图
三、摆动从动件盘形凸轮轮廓设计：
⑴设计原理
设计凸轮轮廓依据反转法原理。
即在整个机构加上公共角速度（－ω）（ω为原凸轮旋转角速度）后，将凸轮固定不动，而从动件连同机架将以（－ω）绕凸轮轴心O2逆时针方向反转，与此同时，从动件将按给定的运动规律绕其轴心O9相对机架摆动，则从动件的尖顶在复合运动中的轨迹就是要设计的凸轮轮廓。
⑵设计凸轮轮廓的步骤如下：
在图所示的摆动从动件角位移曲线中，其纵坐标表示从动件角位移
，它按角度比例尺
画出。
1将
曲线图（见图4-82）的推程运动角和回程运动角各分成4等份，按式求出各等分点对应的角位移值：
，
，……。
其数值见表
（1）。
表1各点的角位移数值
序号
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
偏角
0°
1.875°
7.5°
13.125°
15°
15°
13.125°
7.5°
1.875°
0°
2选取适当的长度比例尺μl，定出O2和O9的位置。
以O2为圆心，以rb/μl为半径作基圆。
以O9为圆心，以lO9D/μl为半径，作圆弧交基圆于DO（D’O）点。
则O9DO便是从动件的起始位置，如图4-83所示。
注意，图示位置DO位于中心连线O2O9的左侧，从动件在推程中将按顺时针方向摆动。
3以O2为圆心，以lO9O2/μl为半径作圆，沿（-ω）[即为逆时针方向]自O2O9开始依次取推程运动角Φ0=75°，远休止角Φs=10°，回程运动角Φo’=75和远休止角Φs’=200°，并将推程和回程运动角各分成4等份（与角位移线图相对应的等份），得O91，O92，O93……O99各点。
它们便是逆时针方向反转时，从动体轴心的各个位置。
4分别以O91，O92，O93……O99为圆心，以lO9D/μl为半径画圆弧，它们分别与基圆相于D1，D2，……D9，并作∠D1O91D’1，∠D2O92D’2……分别等于摆杆角位移δ1、δ2……。
并使O91D’1=O91D1，O92D’2=O92D2，……。
则得D’1，D’2，D’3……D’9（与D9重合）各点。
将这些点连成光滑的曲线，便是凸轮的理论轮廓。
5在上述求得的理论轮廓线上，分别以该轮廓线上的点为圆心，以滚子半径为半径，作一系列滚子圆。
作该系列圆的内包络线，即为凸轮的实际轮廓，如图4-84所示。
（6）校核凸轮机构的压力角.应保证凸轮机构的最大压力角
=40°。
如图所示所求的压力角
满足要求。
图4-83摆动推杆盘形凸轮的理论轮廓（
）
图4-84摆动推杆盘形凸轮的实际轮廓（
）
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