牛头刨床机构的综合设计与分析.docx
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牛头刨床机构的综合设计与分析
牛头刨床机构的综合设计与分析
**工业大学 机械设计课程设计说明书 题目：
牛头刨床机构的综合设计与分析 院：
机械工程与自动化学院专业班级：
数控071 学 号：
070104024 学生姓名：
******** 指导教师：
** 教师职称：
高级工程师 起止时间：
～ 辽宁工业大学课程设计说明书 目录 一、设计题目与原始数据………………………………………………………2二、牛头刨床示意图……………………………………………………………3 三、导杆机构设计………………………………………………………………4 四、机构运动分析………………………………………………………………5五、机构动态静力分析…………………………………………………………11六、飞轮设计……………………………………………………………………16七、设计凸轮轮廓曲线…………………………………………………………18八、齿轮设计及绘制啮合图……………………………………………………19九、解析法………………………………………………………………………221．导杆机构设计………………………………………………………………222．机构运动分析………………………………………………………………223．机构动态静力分析…………………………………………………………254．凸轮设计………………………………………………………….………26十、本设计的思想体会…………………………………………….…………29十一、
辽宁工业大学课程设计说明书 滑块尺寸：
7*10 节圆半径：
r1=mz1/2=13*18/2=135mm r2=mz2/2=13*56/2=345mm 四、机构的运动分析 已知：
曲柄转速n2=80rpm 5 辽宁工业大学课程设计说明书 第4’点:
A.速度分析 ○1求VA3 VA3=VA2=LO2πn/30=×80π/30=/s ○2求VA4 → →→VA4=VA3+VA4A3 大小：
？
？
方向：
⊥O3A⊥O2A∥O3A ○3取μv=VA3/Pa3=（m/s）/mm 作速度多边形 ○4求VB 用速度影像法求VB○5求VF → →→VF=VB+VFB 大小：
？
√？
方向：
∥导路⊥BO3⊥BF接着速度多边形，速度多边形求得 VF=pf×μv＝/s ○6求ω4 ω4=ω3=VA4/LO3A=/s ○7求VA4A3 VA4A3=a3a4×μv=0m/s B.加速度分析 ○1求akA4A3 akA4A3=2ω4VA4A3=2××0=0m/s2 ○2求aA3 aA3=aA2=ω22×L02A=/s ○3anA4 anA4=ω32×L03A=*542*= -6- 方向：
顺时针 方向如图所示方向如速度图所示 辽宁工业大学课程设计说明书 ○4求Aa4 →→→→ → anA4 +atA4=aA3+akA4A3+arA4A3大小：
？
0 ？
方向：
A→O3⊥AO3A→O2如图∥O3A○5取μa=（m/s2）/mm画加速度多边形○6求aB 如图所示用加速度影象法求aB=/s2○7求AF →→→ →aF=aB+anFB +atFB大小：
？
Vfb2/lFB？
方向：
水平√F→B ⊥BF ○8接着画加速度多边形，加速度多边形求得：
aF=p，f，×μa=/s2 第7点：
A速度分析 ○1求VA3 VA3=VA2=LO2Aπn/30 =/s ○2求VA4 →→→VA4=VA3+VA4A3 大小：
？
？
方向：
⊥O3A⊥O2A∥O3A ○3取μv=VA3/Pa3=（m/s）/mm 作速度多边形○4求VB 用速度影像法求VB ○5求VF →→→ 7 辽宁工业大学课程设计说明书 VF=VB+VFB 大小：
？
？
方向：
水平如图⊥BF 接着速度多边形，速度多边形求得：
VF=pf×μv＝/s ○6求ω4 ω4=ω3=VA4/LO3A=/s ○7求VA4A3 VA4A3=a3a4*μv=/s B.加速度分析○1求akA4A3 akA4A3=2ω4VA4A3=2××=m/s2 ○2求aA aA3=aA2=ω22×L02A=/s2 ○3anA4 anA4=ω23×L03A=m/s2 ○ 4求Aa4 → →→→→ankrA4 +atA4=aA3+aA4A3+aA4A3 大小：
√ ？
？
方向：
A→O3⊥AO3√如图∥O3A ○ 5取μa=（m/s2）/mm做力的的多边形：
aA4=pa4×μa=/s 2 ○ 6求aB 用加速度影象法求aB=/s2○ 7求AF→→→ →aF=aB+anFB +atFB大小：
？
Vfb2/LFB？
方向：
水平√F→B ⊥BF 8 方向：
顺时针 方向如图所示方向如速度图所示 辽宁工业大学课程设计说明书 8接着画加速度多边形，加速度多边形求得：
○ aF=p，f，×μa=/s2 第12点:
A.速度分析 1求VA3 VA3=VA2=LO2πn/30=/s ○○ 2求VA4→→→VA4=VA3+VA4A3 大小：
？
？
方向：
⊥O3A⊥O2A∥O3A ○ 3取μv=VA3/Pa3=（m/s）/mm ○4求VB ○ 5求VF→→→VF=VB+VFB 大小：
？
？
方向：
∥BF √ ⊥BF接着速度多边形，速度多边形求得 VF=pf×μv＝/s ○ 6求ω4ω4=ω3=VA4/LO3A=/s方向：
逆时针○ 7求VA4A3VA4A3=a3a4×μv=/s 方向如图所示 B.加速度分析○ 1求akA4A3ak2A4A3=2ω4VA4A3=m/s 方向如速度图所示 ○ 2求aA3a2A3=aA2=ω2×L02A=/s2 9 作速度多边形用速度影像法求VB
辽宁工业大学课程设计说明书 3anA4 anA4=ω32×L03A=/s2 ○ 4求Aa4 ○ →→→ → →anA4+atA4=aA3+akA4A3+arA4A3 大小：
√？
√ ?
方向A→O3⊥AO3√如图∥O3A 5取μa=（m/s2）/mm画加速度多边形:
○ 6求aB 如图所示用加速度影象法求aB=31m/s2 ○7求AF○ →→→ →aF=aB+anFB+atFB大小：
？
31Vfb2/LFB？
方向：
水平√F→B⊥BF 8接着画加速度多边形，加速度多边形求得：
aF=p，f，×μa=/s2 ○ 收集同组同学的位移、速度、加速度的数据并汇编如下页表：
曲柄位名称1007 2 8 3 9 4 4’ 5-11-6-12-SFVFAF曲柄位名称-1010’SFVFAF--------10 辽宁工业大学课程设计说明书 刀头运动曲线：
SfUs=== 五、机构的动态静力分析已知：
m6=58Kgm4=15Kg 导杆绕重心的转动惯量 JS4= 切削主力为常数大小为 Fc=1300N 确定惯性力、惯性力矩第7点 PI6=-m6*aF=-58*-=493N 11 辽宁工业大学课程设计说明书 PI4=-m4*aS=-15*=- MI4=-JS4*α 4=-*-/= h=MI4/PI4=/= 第12点 PI6=-m6*aF=-58*31=- PI4=-m4*aS=-15*=- MI4=-JS4*α 4=-*/=-28NM h=MI4/PI4=28/= 将计算结果汇总在如下表中曲柄位置7点12点---28493-导杆4PI4MI4h刨头PI62、确定齿轮2的重量 查指导书得齿轮2的重量 G2=500N 3、确定各运动副反力第7点：
A、取构件5、6为示力体在机构位置图上方绘制示力体图比例尺为：
μ → → → L=/mm → → R45+R76+PI6+G6+FC=0 上式中只有R45、R76的大小未知取力比例尺：
μ p=FC/ab=20N/mm p在机构位置图下面画力多边形大致图形如图，求得：
R45=de*μ =42*20=840N 12 辽宁工业大学课程设计说明书 方向与力多边形中de的方向一致R76=ea*μ?
MFp=20*32=640N 方向：
垂直导路上 =0 FC+G6Xx6=R76h76 h76=[FC+G6Xx6]/R76 B、取构件3、4为示力体：
在机构位置图右侧绘制示力体图比例尺为μ → → → L=/mm → ?
?
?
?
?
R54+G4+R23+PI4+R74=0 o3?
M=0 R23LO3+PI4hP+G4h4=R54h54 量得h4= hp=m h54= R23=（R54h54-P14’hp-G4h4）/LO3A=1140N 矢量式中R74的大小和方向未知 仍取力比例尺μ p=20N/M p接着力比例尺多边形图，求得：
R74=he*μ方向与力多边形中he的方向一致C、取构件2为示力体在机构位置图右下方绘示力体图比例尺为：
μ → → → L=28*20=560N =/mm → R32+R72+Pb+G2=0 ?
M O2=0（确定R23的大小）：
R32h32=Pbrb 13 辽宁工业大学课程设计说明书 r量得：
h32=b= PbR32h32rb=/=617N 式中 R72的大小和方向未知 仍然取比例尺?
P=20N/m 接着画力多边形图，求得：
R72ij?
P=×=60×20=1200N 方向与力多边形中ij的方向一致 第12点：
A、取构件5、6为示力体 在机构位置图十方绘制势力题示力体图， 比例尺为?
L=/mm ?
?
?
?
G6PI6R45R76+++=0 ?
?
RR上式中只有45、76的大小未知 取比例尺?
P=FC/ab=20N/mm R45=cd*μR76=ad*μ?
MFp=1800N 方向与力多边形中cd的方向一致=660N 方向：
垂直导路上 p=0 FC+G6Xx6=R76h76h76=[FC+G6Xx6]/R76=B、取构件3、4为示力体 在机构位置图右侧绘制示力体图 比例尺为μ → L=/mm R54+G4+R23+PI4=0 o3→→→ ?
M=0 R23LO3+PI4hP+G4h4=R54h54 R23=（R23h54-P14’hp-G4h4）/LO3A=4640N 14
辽宁工业大学课程设计说明书 矢量式中R74的大小和方向未知 仍取力比例尺μ接着力比例尺多边形图，求得：
R74=gf*μ pp=20N/M =2740N 方向与力多边形中fg的方向一致 C、取构件2为示力体在机构位置图右下方绘示力体图比例尺为：
μ =/mm ?
?
?
?
RPR其平衡方程为32+b+G2+72=0 L?
MO2=0：
R32h32Pbrb+= 量得：
h32rPRhr=b= b=3232/b=1160N R72上式中只有的大小和方向未知 仍然取比例尺?
P=20N/m 接着画力多边形图，求得：
R72=id×?
P=210×20=4200N 方向与力多边形中id的方向一致4、将各运动副反力汇总如下：
位置 指定的两个位置反力第7点1200560620820 11401140第12点418027006601820 46404640?
R72R74?
R76?
R45 R34R23 15 辽宁工业大学课程设计说明书 5、计算平衡力偶矩并汇总如下：
曲柄位置Mb曲柄位置Mb7988-5091761059611-38012-37810221032854284524661886、绘制平衡力偶矩曲线 #Mb?
2-该曲线在1图纸右上角 六、飞轮设计 已知：
许用速度不均匀系数 [δ]=1/40 平衡力矩曲线 Mb-δ2 驱动力矩为常数 曲柄的转数 n2=80rpm 飞轮装在齿轮Z1的O1轴上1、作等效阻力矩曲线Mr-δr于飞轮准备装在Z1的O1轴上， 因此|Mr|=|Mb/i12|可Mb-δ2曲线直接画出Mr-δ1曲线。
为了使图形一样，其比例尺选为：
μMr=μMb/i12=10/=/mm 大致图形如图所示。
2、求功曲线Wr-δ1 取极距H=50mm 图解积分Mr-δ1得Wr-δ1曲线。
纵坐标比例尺为：
μW=μM×μδ×H×π/180=/mm 3、求功曲线Wd-δ1 根据一个稳定运转循环中能量变化为零，以及Md=常数的条件可作出Wd-δ1曲线。
比例尺仍为：
μW=/mm4、求驱动力矩曲线Md-δ1仍取极距H=50mm 图解微分Wd-δ1得Md-δ1曲线。
16 辽宁工业大学课程设计说明书 纵坐标比例尺为：
μW=10Nm/mm 得驱动力矩：
Md=h×μM=11×=5、确定最大盈亏功为：
[W]=25×=445J6、求飞轮的转动惯量 JF=900[W]/π2n21[δ]=900×445×30/π2（80×）2=7、确定飞轮尺寸 b=4gJF/πD3Hγ 材料用灰铸铁 γ=7×104N/m3取飞轮直径D=1m D=取轮缘的高宽比为H/b= H/b= b2=4gJF/πD3Hγ=4××/×××7×104 b==167mm H==×167=250mm 取H=250mm图形如下：
七、设计凸轮轮廓曲线 已知：
推杆的运动规律为等加速等减速上升和等加速等减速下降，凸轮与曲柄共轴，顺 时针回转； 推程运动角 δ0=60° 远休角 δ01=10°回程运动角 δ0′=60°最大摆角 φ max =16° 摆杆长 Lo4c=140mm机架长 Lo2o4=150mm基圆半径 r0=55mm滚子半径 rr=15mm 17 辽宁工业大学课程设计说明书 摆杆的角位移曲线以及凸轮轮廓曲线的设计已绘制在2#图纸上. 八、齿轮设计及绘制啮合图 已知：
齿轮1的齿数 Z1=18 齿轮2的齿数 Z2=46模数 m12=15mm压力角 α=20°齿顶高系数 ha*=1径向间隙系数 c*= 18 辽宁工业大学课程设计说明书 1、列表计算几何尺寸 2、绘制齿廓啮合图 取比例尺цL=1mm/mm 名称小齿轮分度圆直径大齿轮分度圆直径小齿轮齿顶圆直径大齿轮齿顶圆直径小齿轮齿根圆直径大齿轮齿根圆直径小齿轮基圆直径大齿轮基圆直径分度圆齿距基圆齿距分度圆齿厚分度圆齿槽宽径向间隙标准中心距实际中心距传动比重合度符号d1d2da1da2df1df2db1db2PPbsecaa’iε计算公式d1=mz1d2=mz2da1=d1+2hada2=d2-2hadf1=d1-2hfdf2=d2-2hfdb1=d1cosαdb2=d2cosαP=πmPb=Pcosαs=p/2e=p/2c=c*ma=m（z1+z2）/2a=a’i=z2/z1ε=B1B2/Pb计算结果270690300720 648 480480 19
辽宁工业大学课程设计说明书 20 辽宁工业大学课程设计说明书 九、解析法 1．导杆机构设计 已知：
行程速比系数K； 刨头和行程H；机架长LO2O3 连杆与导杆的比LBF/LO3B 求解:
（1）求导杆的摆角：
ψmax=180°×/
（2）求导杆长：
LO3B1=H/[2sin]（3）求曲柄长：
LO2A=LO2O3×sin（4）求连杆长LBF=LO3B×LBF/LO3B （5）求导路中心到O3的垂直距离LO3M：
从受力情况出发，刨头导路O3B线常取为通过B1B2挠度DE的中点M.即：
LO3M=LO3B-LDE/2 将上述已知条件和公式编入程序：
源程序及运行结果2．机构的运动分析已知：
（1）曲柄转速ｎ2；
（2）各构件的长度。
求解：
①、建立机构的运动方程式 如图所示：
选定直角坐标系XOY。
21 辽宁工业大学课程设计说明书 标出各杆的矢量和转角。
各构件矢量所组成的封闭矢量方程式为:
Ll+L2=S a Y+X=L4+L5 b 其中令：
Ll=LO2O3； Y=L03M； S=L03A； 将a式分别投影在x和y轴上得 L2cosF2=ScosF4 c Ll+L2sinF2=SsinF4 d 两式相除则得 tgF4=（Ll+L2sinF2）／L2cosF2
（1） 在三角形A0203中 S2=LlLl+L2L2－2L1L2cos（90+F2）
（2） 将cd两式对时间求导一次得 －L2W2sinF2=－SW4sinF4+VrcosF4 e L2W2cosF2=SW4cosF4+VrsinF4 f 将坐标XOY绕O点转F4角（也就是将ef两式中的F2角F4角分别减去F4），经整理后可分别得到 Vr=－L2W2sin（F2－F4） （3） W4=［L2W2cos（F2-F4）］／S （4） 再将ef二式方别对时同求导一次后，同样将坐标XOY绕0点转F4角（也就是将式中的F2角F4角分别成去F4），经整理后可分别得到 ar=SW4W4－L2W2W2cos（F2－F4） （5） ak=2VrW4 （6）e4=－［2VrW4+L2W2W2sin（F2一F4）］ （7） 将b式分别投|影在x和y轴上得 X：
L4cosF4十L5cosF5 （8） Y：
L4sinF4十L5sinF5 （9） （9）式可直接得 22 辽宁工业大学课程设计说明书 sinF5=／L5 对（9）式求导，一次可得－L4W4cosF4=L5W5cosF5 于是g式可得 W5=（－L4W4cosF4）／L5cosF5 对g式求导一次经整理可得 e5= （8）式中的X是坐标值，要想得到F点的位移XF应该是XF=X－X0 XF=L4cosF4+L5cosF5 g 一（L4cosF40+L5cosF50） 式中F40F50是导杆4处在左极限位置l时。
导杆4和连杆5与坐标的正向夹角对式求导一次可得：
VF=－L4W4sinF4－L5W5sinF5 对式求导一次可得 aF=－L4cosF4W4W4－L4sinF4e4 －L5cosF5W5W5－L5sinF5e5 （15） 角度的分析 ①关于F4和F5两个角度的分析 当曲柄2运动到第一象限和第四象限时，导杆4在第一象限。
此时得出的F4就是方位角。
当曲柄2运动到第二象限和第三象限时导杆4是在第二象限，得出的F4是负值，所以方位角应该是F4=180+F4于计算机中只有反正切，式是不能直接求出F5．因此要将其再转换成反正切的形式 F5=atn（－g／sqr（1—g*g）） 式中g=sinF5==（Y－L4*sinF4）／L5 无论曲柄2运动到第几象限。
连杆5都是在第二第三象限，于在第二象限时F5是负值，在第三象限时F5是正值，因此在转换方位角时可以用一个公式来表示即：
F5=180+F5 开始计算是在左极限l的位置。
因此F2的初值应该是：
F2=Fq=195°（Fq为起始角） 23 辽宁工业大学课程设计说明书 运行到8′时导杆处在右极限终止位置，因此F2的数值应该是：
F2=FZ=345°（FZ为终止角）源程序及运行结果3．机构动态静力分析 已知:
（1）各构件的质量；
（2）导杆绕自身t心曲转动惯量为J； （3）切削阻力F．的变化规律； （4）齿轮2的重量G=500N。
求解：
一、建立直角坐标系（与运动分析时的坐标相一致如图所示） 二、求出刨头6和导杆4质心点的加速度和导杆4的角加速度。
三、确定刨头6和导杆4的惯性力和导杆4的惯性力矩。
四、远离原动件拆基本杆组建立机构的力方程式．根据已知条件求出各运动副反力及加在原动件上的平衡力和平衡力矩。
1．取构件5—6为示力体可得到方程式：
R45+R76+P16+G6+FC=O （在回程和工作行程的两端处FC=0） 向X轴投影 R45×cos（f45）+P16－FC=0 向Y轴投影 R45×sin+
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