机械原理课程设计牛头刨床设计.doc

机械原理 课程设计牛头刨床设计目录一、运动方案设计2二、执行机构的运动尺寸设计3问题分析3尺寸设计5三、导杆机构的运动分析6位置 16位置 69位置 711位置 1214四、导杆机构的动态静力分析16解题分析16位置1 作图计算17位置6 作图计算17位置7 作图计算18位置12 作图计算19五、飞轮转动惯量的计算20六、数据汇总23七、附加题目（洗瓶机设计）26参考文献29附录一30一、运动方案设计设计1：如图（1）采用双曲柄六杆机构ABCD，曲柄AB和CD不等长。方案特点：（1） 主动曲柄AB等速转动时，从动曲柄DC做变速运动，并有急回特性。（2） 在双曲柄机构ABCD上串联偏置式曲柄滑块机构DCE，并在滑块上固结刨头，两个连杆机构串联，使急回作用更加显著。同时回程有较大的加速度，提高了刨床的效率。 图（1） 图（2）设计2：如图（2）此方案为偏置曲柄滑块机构，机构的基本尺寸为a，b，e。图（3）方案特点：（1） 是四杆机构，结构简单。（2） 极位夹角，所以机构有急回特性，但急回作用不明显。增加和或减小，均能使k增大到所需值，但增加e或减小b会使滑块速度变化剧烈，最大速度、加速度和动载荷增加，且使最小传动角减小，传动性能变坏。若该牛头刨床使用该机构，满足第九组数据，工作行程中最小传动角为，空回行程中最小传动角为。显然，此方案传动角不符合要求。同时，横向尺寸约为纵向尺寸的2倍，结构欠均匀。二、执行机构的运动尺寸设计问题分析机构分析和注意：（1）传动机构采用摆动导杆机构1-2-3-4，连杆滑块机构1-4-5-6组成；（2）为使整个过程最大压力角最小，刨头导路位于导杆端点B所作圆弧高的平分线上。机构所需确定必要尺寸：不妨令点为基点用以确定尺寸，滑块6导程回路距基点距离；摆动导杆运动所绕圆心距基点距离；导杆的长度；导杆的长度；连杆长度。已知尺寸及相互关系：机架 ； 工作行程；连杆与导杆之比 ； 行程速比系数。尺寸设计方法（一）：图解法 图形参见 附录 一（1）取， 导杆机构的极位夹角，因为， 所以，解得。（1）、过点作竖直线，是满足，以为基点，以一边向一侧做角度为的一条直线；（2）、过作该直线的垂线，垂足为A，测量并计算两点间的距离；（3）、过向左作水平线，长度为，向上平移，使得水平线与所作斜边刚好在端点处相交，令交点为B，另一点为G，测量并计算B和间的距离；（4）、以为圆心以B为半径作圆，与竖直线交与点P，作线段PG的中线，测量并计算该线距的距离L；（5）、由图上所测距离乘以已得实际长度，由连杆与导杆之比 ，计算可得连杆长度。所作图形及相关计算见 附录 一 1方法（二）：解析法快行程导杆2对应转动角度，慢行程导杆2对应转动角度，极位夹角； 当位于位置1时，由几何关系得： ； ； ； 三、导杆机构的运动分析位置 1在图（4）中构件3和构件4组成移动副，构件3上点与构件4上点组成移动副两构件的重合点，根据相对运动原理列出相对速度和相对加速度矢量方程式，作速度多边形和加速度多边形；再利用在同一构件上点间的速度加速度求法解得B点的速度、加速度；再利用同样方法求得C点的速度和加速度。图（4） 位置1处的运动简图取该位置的位置简图。见附录 一 2-0（1） 确定构件的速度及角速度 已知构件2上A点的速度，方向垂直于而指向与转向一致；因为构件3与构件2用转动副相连接，所以，构件3、4组成移动副，其重合点A的相对速度矢量方程式为式中；，仅和的大小为未知，用图解法求解。任取一点p为极点，取，作速度多边形。由图像可知，=0，所以，点B和点之间速度关系有所以，；点B和点C之间速度关系有由速度多边形图像可得由速度多边形图像可得序号数值/（m/s）00.691000方向-与相反-规定向右为正方向，则 。（2）确定构件的加速度 由理论力学可知，点的绝对加速度和其重合点的绝对加速度之间的关系为式子中科氏加速度，方向是将沿的转动方向转。在矢量方程式中只有和的大小未知，利用加速度影像法进行求解，任取一点，取，作加速度多边形。名称数值/(m/s/s)04.3434.34300B点和点的加速度之间的关系为在图上作出B点的加速度，B点与C点的加速度之间关系为由加速度多边形得名称数值/(m/s/s)6.3921.85605.976规定向右为正方向，则 。位置 6在图（5）中构件3和构件4组成移动副，构件3上点与构件4上点组成移动副两构件的重合点，根据相对运动原理列出相对速度和相对加速度矢量方程式，作速度多边形和加速度多边形；再利用在同一构件上点间的速度加速度求法解得B点的速度、加速度；再利用同样方法求得C点的速度和加速度。取该位置的位置简图。见附录 一 3-0（1） 确定构件的速度及角速度 图（5） 位置6处的运动简图已知构件2上A点的速度，方向垂直于而指向与转向一致；因为构件3与构件2用转动副相连接，所以，构件3、4组成移动副，其重合点A的相对速度矢量方程式为式中；，仅和的大小为未知，用图解法求解。任取一点p为极点，取，作速度多边形。由图像可知，=0.574 m/s，所以，顺时针方向，点B和点之间速度关系有所以， ；点B和点C之间速度关系有由速度多边形图像可得序号数值/（m/s）0.5740.3850.6590.6500.106规定向右为正方向，则 。（2）确定构件的加速度 由理论力学可知，点的绝对加速度和其重合点的绝对加速度之间的关系为式子中科氏加速度，方向是将沿的转动方向转。在矢量方程式中只有和的大小未知，利用加速度影像法进行求解，任取一点，取，作加速度多边形。名称数值/(m/s/s)0.7061.4734.3430.9472.899B点和点的加速度之间的关系为在图上作出B点的加速度，B点与C点的加速度之间关系为由加速度多边形得名称数值/(m/s/s)1.8750.5250.0751.724若规定向右为正方向，则 位置 7在图（6）中构件3和构件4组成移动副，构件3上点与构件4上点组成移动副两构件的重合点，根据相对运动原理列出相对速度和相对加速度矢量方程式，作速度多边形和加速度多边形；再利用在同一构件上点间的速度加速度求法解得B点的速度、加速度；再利用同样方法求得C点的速度和加速度。取该位置的位置简图。见附录 一 2-0（1） 确定构件的速度及角速度 图（6） 位置7处的运动简图已知构件2上A点的速度，方向垂直于而指向与转向一致；因为构件3与构件2用转动副相连接，所以，构件3、4组成移动副，其重合点A的相对速度矢量方程式为式中；，仅和的大小为未知，用图解法求解。任取一点p为极点，取，作速度多边形,。由图像可知，=0.358 m/s，所以，点B和点之间速度关系有所以，；点B和点C之间速度关系有由速度多边形图像可得序号数值/（m/s）0.3580.59104510.4410.112规定向右为正方向，则 。（2）确定构件的加速度 由理论力学可知，点的绝对加速度和其重合点的绝对加速度之间的关系为式子中科氏加速度，方向是将沿的转动方向转。在矢量方程式中只有和的大小未知，利用加速度影像法进行求解，任取一点，取，作加速度多边形。名称数值/(m/s/s)0.2962.7294.3430.9871.798B点和点的加速度之间的关系为在图上作出B点的加速度，B点与C点的加速度之间关系为由加速度多边形得名称数值/(m/s/s)3.4470.4780.0923.338规定向右为正方向， 则 。位置 12在图（7）中构件3和构件4组成移动副，构件3上点与构件4上点组成移动副两构件的重合点，根据相对运动原理列出相对速度和相对加速度矢量方程式，作速度多边形和加速度多边形；再利用在同一构件上点间的速度加速度求法解得B点的速度、加速度；再利用同样方法求得C点的速度和加速度。取该位置的位置简图。见附录 一 3-0（1） 确定构件的速度及角速度 图（7） 位置12处的运动简图已知构件2上A点的速度，方向垂直于而指向与转向一致；因为构件3与构件2用转动副相连接，所以，构件3、4组成移动副，其重合点A的相对速度矢量方程式为式中；，仅和的大小为未知，用图解法求解。任取一点p为极点，取，作速度多边形。由图像可知，=0.374 m/s， 所以，点B和点之间速度关系有所以，；点B和点C之间速度关系有由速度多边形图像可得序号数值/（m/s）0.3740.5810.6480.6220.158若规定向右为正方向，则 。（2）确定构件的加速度 由理论力学可知，点的绝对加速度和其重合点的绝对加速度之间的关系为式子中科氏加速度，方向是将沿的转动方向转。在矢量方程式中只有和的大小未知，利用加速度影像法进行求解，任取一点，取，作加速度多边形。名称数值/(m/s/s)0.4522.2464.3431.4062.801B点和点的加速度之间的关系为在图上作出B点的加速度，B点与C点的加速度之间关系为由加速度多边形得名称数值/(m/s/s)3.971.370.174.13规定向右为正方向，则 。四、导杆机构的动态静力分析解题分析将导杆机构分为三部分进行画图求解计算，（1） 第一部分由连杆5和滑块6组成，取滑块6的质心进行受力分析，作力的多边形，其中工作阻力P和惯性力已知；驱动力方向已知；重力和支持力的合力方向已知，沿竖直方向。（2） 第二部分由滑块3和摆杆4组成，取摆杆4为研究对象，其中方向已知，大小未知，大小方向均未知，所以不能用作图法一步解得，须先对点取矩计算得到的大小，再作图解得。（3） 第三部分由滑块3和导杆2组成，和大小相等，方向相反；平衡力矩平衡对的矩。位置1 作图计算（1） 第一部分力的分析图像见附录一4-1；力的多边形见附录一4-2。相关计算 ，与方向相反；。（2） 第二部分力的分析图像见附录一4-3；力的多边形见附录一4-4。相关计算 ；大小相等方向相反以杆4为研究对象，列相对于点的平衡方程：其中 ；解得 通过力的多边形求解得到 的大小和方向。（3） 第三部分力的分析图像 见附录一4-5。相关计算 ，大小相同方向相反；位置一为特殊位置，此时与平行，计算加在曲柄上的平衡力矩。位置6 作图计算（1）第一部分力的分析图像见附录一5-1；力的多边形见附录一5-2。相关计算 ，与方向相反；由图像可得 。（2）第二部分力的分析图像见附录一5-3；力的多边形见附录一5-4。相关计算 ；大小相等方向相反以杆4为研究对象，列相对于点的平衡方程：其中 ；解得 通过力的多边形求解得到 的大小和方向。（3）第三部分力的分析图像 见附录一5-5。相关计算 ，大小相同方向相反；在图上作出到的距离d，计算加在曲柄上的平衡力矩。位置7 作图计算（1）第一部分力的分析图像见附录一6-1；力的多边形见附录一6-2。相关计算 ，与方向相反；由图像可得 。（2）第二部分力的分析图像见附录一6-3；力的多边形见附录一6-4。相关计算 ；大小相等方向相反以杆4为研究对象，列相对于点的平衡方程：其中 ；解得 通过力的多边形求解得到 的大小和方向。（3）第三部分力的分析图像 见附录一6-5。相关计算 ，大小相同方向相反；在图上作出到的距离d，计算加在曲柄上的平衡力矩。位置12 作图计算（1）第一部分力的分析图像见附录一7-1；力的多边形见附录一7-2。相关计算 ，与方向相反；由图像可得 。（2）第二部分力的分析图像见附录一7-3；力的多边形见附录一7-4。相关计算 ；大小相等方向相反以杆4为研究对象，列相对于点的平衡方程：其中 ；解得 通过力的多边形求解得到 的大小和方向。（3）第三部分力的分析图像 见 附录 一 7-5。相关计算 ，大小相同方向相反；在图上作出到的距离d，计算加在曲柄上的平衡力矩 。五、飞轮转动惯量的计算1、取曲柄为等效构件，根据机构位置和受力分析确定一个运动循环的等效阻力矩Mr（）。对Mr()进行四次差值曲线的拟合，其拟合曲线如图所示：图(8)2、 根据Mr（）值，采用MATLAB中的数值积分，计算曲柄处于各个位置时Mr（）的功。因为驱动力矩为常数，所以按照公式 确定等效驱动力矩。对Mr（）进行积分运算后可知,等效阻力矩与等效驱动力矩如图所示：图(9) 最大盈亏功的确定：图(10)由图可知最大剩余功： 3、 求集中在A点的等效转动惯量由公式：可知等效转动惯量：题目给出：又由定轴轮系的传动比：可得： 4、飞轮的转动惯量： 六、数据汇总综合5人12组位移、速度、加速度、平衡力矩数据，见下表：位置123456位移（mm）017.8061.98119.86182.46241.04速度（）00.400.700.730.740.65加速度（）5.983.512.050.37-1.23-1.72平衡力矩（）0270404.31477.77449.67398.93位置789101112位移（mm）287.27309.42290.90216.41106.3324.94速度（）0.440.06-0.58-1.21-1.29-0.62加速度（）-3.34-5.62-4.99-1.470.654.13平衡力矩（）248.6533.84-36.56-35.86-23.80-32.58图(11)图(12)图(13)图(14)七、附加题目（洗瓶机设计）基本要求：当待洗的瓶子放在两个转动着的导轨上，导轨带动瓶子旋转。当推头M把瓶子推向前进时，转动着的刷子就把瓶子外面洗净。当前一个瓶子将洗刷完毕时，后一个待洗的瓶子已送入导轨待推。 图（15）问题分析和方案设计：为提高洗瓶机推瓶机构的推瓶效率，设计该机构应有急回特性，利用已有的牛头刨床机构设计进行改造。推瓶机构采用导杆机构、连杆机构组成的6杆机构。采用导杆机构，滑块与导杆之间的传动角始终为90°。适当确定刨头的导路位置，可以使压力角尽量小。图（16）原始数据和设计要求：设计推瓶机构时的原始数据和要求为：1） 瓶子尺寸： 大端直径d=80mm，长200mm。2） 推进距离l=600mm。推瓶机构应使推头M以接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后，推头快速返回原位，准备第二个工作循环。3） 按生产率的要求，推程平均速度为v=45mm/s，返回时的平均速度为工作行程的3倍。4） 机构传动性能良好，结构紧凑，制造方便。尺寸设计： 尺寸设计数据见下表，机构简图如图（17）机架(mm)连杆(mm)导杆（mm）曲柄（mm）工作行程l（mm）170200424.26120.2600转速n（r/min）行程速比系数K推程角回程角-3.3753- 图（17）因为 ； 所以 由推程 因为 ； ；所以 取 则所以 ； 为减小压力角，应尽量将的长度放大，考虑到实际情况，取此时连杆与导杆之比。参考文献【1】 郑文纬 吴克坚 机械原理 北京：高等教育出版社 2010.11【2】 邹炎飚 翟敬梅 机械原理课程设计 北京：中国轻工业出版社 2010.2【3】 裘建新 机械原理课程设计 北京：高等教育出版社 2010.7【4】 陆凤仪 机械原理课程设计 北京：机械工业出版社 2006.1【5】 李瑞琴 乔峰丽 机械原理课程设计 北京：电子工业出版社 2010.6