机械原理课程设计经典.doc

浙江理工大学

机械原理课程设计计算说明书

设计题目：牛头刨床设计
专 业：10机制（5）班
设 计 者：朱 开 杰
学 号：B10310517
指导教师：钱 萍
设计时间：2023-6-28-- 2023-7-5

机械与自动控制学院

目 录

1、课程设计的任务与规定………………………………………………………… 3
1.1、机械原理课程设计任务书 ………………………………………………… 3
1.2、机械原理课程设计的参考数据……………………………………………… 5
1.3、机械原理课程设计的目的与规定…………………………………………… 5
1.3.1、机械原理课程设计的目的…………………………………………… 5
1.3.2、牛头刨床的工作原理与机构组成 ………………………………… 6
2、课程设计的机构 ………………………………………………………………… 7
2.1、导杆机构的运动分析………………………………………………………… 7
2.2、导杆机构的动态静力分析…………………………………………………… 13
2.3、齿轮机构设计………………………………………………………………… 14
2.4、凸轮机构设计………………………………………………………………… 16
2.5、飞轮设计 ……………………………………………………………………… 18
3、设计小结…………………………………………………………………………… 18
4、参考文献…………………………………………………………………………… 19

1、课程设计的任务与规定

1.1、机械原理任务书：

姓 名：朱 开 杰 专 业：机械设计制造及其自动化
班 级：10机制 （5） 班 学 号：B10310517
任务起至日期：2023年 6 月 28 日 至 2023 年 7 月5日
课程设计题目：牛头刨床设计
已知技术参数和设计规定：
1.已知技术参数

图1 牛头刨床机构简图及阻力线图
表1 设计数据

导杆
机构 运动
分析

工作
行程
H
行程
速比
系数 K
56
370
90
540
0.26
0.5
240
50
310
1.40
导杆
机构
的
动态
静力 分析

220
600
5500
80
1.2
飞轮
转动
惯量
的
拟定

1440
10
20
40
0.5
0.3
0.2
0.2
凸轮
机构
的
设计
从动件最大摆角

推程
远休止
回程
15
132
45
74
10
74
齿轮
机构
的
设计

100
300
6
3.5
20

2.设计规定

（1）连杆机构的设计及运动分析，用图解法/解析法进行连杆机构的动态静力分析
（2）安装在O2轴上的飞轮设计，转动惯量的拟定。
（3）凸轮机构的设计，拟定凸轮机构基本尺寸，选取滚子半径，画出凸轮实际廓线
（4）齿轮机构设计

工作量：
完毕4张A2图纸，1份计算说明书
工作计划安排：
（1）设计准备阶段，1天
（2）连杆机构的设计和连杆机构的动态静力分析，1天
（3）连杆机构运动和连杆机构的动态静力图纸绘制，1天
（4）飞轮机构的设计和绘图，1天
（5）凸轮机构的设计和绘图，1天
（6）齿轮机构设计，1天
（7）设计说明书的编写，1天
（8）答辩：1天

指导教师签字： _

年 月 日
1.2、机械原理课程设计的参考数据

表1 机械原理课程设计数据表2023.6.14

导杆机构 运动分析

r/min
56

370

90

540

0.26

0.5

240

50
工作行程H
310
行程速比系数 K

1.40
导杆机构的动态静力分析

220

600

5500

80

1.2
飞轮转动惯量的
拟定

0.15

r/min
1440

10

20

40

0.5

0.3

0.2

0.2
凸轮机构的
设计
从动件最大摆角

15

mm
132

45
推程φ1
74
远休止φS
10
回程φ´
74
齿轮机构的设计

mm
100

300

6

3.5

20

1.3、机械原理课程设计的目的与原理
1.3.1、机械原理课程设计的目的
机械原理课程设计是机械类专业学生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机械原理课程实际问题的能力，使学生对于机械运动学和动力学的分析与设计有一较完整的概念，具有计算、制图和使用技术资料的能力。在此基础上，初步掌握运用计算机来解决工程技术问题。
1.3.2、牛头刨床的工作原理与机构组成
牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图2(a)。电动机经皮带和齿轮传动，带动曲柄2和固结在其上的凸轮8。刨床工作时，由导杆机构2-3-4-5-6带动刨头6和刨刀7做往复运动。刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程，此时规定速度较低并且均匀，以减少电动机容量和提高切削质量；刨头左行时，刨刀不切削，称回行程，此时规定速度较低并且均匀，以提高生产效率。为此刨刀采用有急回作用的导杆机构。刨刀每切削完一次，运用空回行程的时间，凸轮8通过四杆机构1-9-10-11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。刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力（在切削的前后各有一段约0.05H的空刀距离，见图(b)），而空回行程中则没用切削阻力。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运转，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。

图2 牛头刨床机构简图及阻力线图

2、课程设计的机构
2.1、导杆机构的运动分析
已知： 曲柄每分钟转速n2，各构件尺寸及中心位置，且刨头导路x – x 位于导杆端点B所作圆弧高的平分线上（参见图4-2）
规定： 作机构的运动简图，并作机构两个位置的速度、进速度多边形以及刨头的运动线图。以上内容与后面的动态静力分析一起画在2号图纸上
曲柄位置图的做法为取1和8ˊ为工作行程起点和终点所相应的曲柄位置，1ˊ和7ˊ…12等，是由位置1起，顺ω方向将曲柄圆周作12等分的位置。
表2.导杆机构运动尺寸数据
导杆
机构 运动
分析

工作
行程
H
行程
速比
系数 K
56
370
90
540
0.26
0.5
240
50
310
1.40
导杆
机构
的
动态
静力 分析

220
600
5500
80
1.2

图3 导杆机构运动简图

作图方法：
1）设计导杆机构。 按已知条件拟定导杆机构的未知参数。其中滑块6的导路x-x的位置可根据连杆5传力给滑块6的最有利条件来拟定，即x-x应位于B点所画圆弧高的平分线上。
2）作机构运动简图。选取比例尺=1/3 ()
按表1所分派的两个曲柄位置作机构的运动简图，其中一个位置用粗线画出。曲柄位置的做法如图3；取滑块6在上极限时所相应的曲柄位置为起始位置1，按转向将曲柄圆周十二等分，得十二个曲柄位置，显然位置8’相应于滑块6处在下极限的位置。再作开始切削和中止切削所相应的1’和7’两位置。共计14个机构位置。
3）作速度，加速度多边形。选取速度比例尺=0.01（）和加速度比例尺=0.04（），用矢量方程图解法作该两个位置的速度多边形和加速度多边形。
作图环节：
1、作导杆机构的简图。
选取长度比例尺=1/3，作机构在位置2 的运动简图。作图时，必须注意µ的大小应选得适当，以保证对机构运动完整、准确、清楚的表达，此外应在图面上留下速度多边形、加速度多边形等其他相关分析图形的位置。
2、进行导杆机构的速度分析。
对滑块3在[4]、[8]、[12]位置进行速度、加速度分析，作速度、加速度多边形图。

2.2、速度、加速度分析
所用理论力学公式：

列加速度矢量方程，得

大小 √ ? √ √ ?
方向 ∥AO2 ⊥O4B ∥O4B ⊥O4B ∥O4B

大小 ? √ √ √ ?
方向 X-X ⊥O4B ∥O4B C→B ⊥BC
列速度矢量方程，得

大小 √ ? ?
方向 ⊥O2A ⊥O4B ∥O4B

大小 ? √ ?
方向 X-X ⊥O4B ⊥BC

滑块3在[4]位置速度、加速度计算分析：

做速度多边形，得到：
、、？、

做加速度多边形，得到：
、

做加速度多边形，得到：
取速度极点P，速度比例尺µv=0.01(m/s)/mm，作速度多边形
取加速度极点P，速度比例尺µa=0.04(m/s)/mm，作加速度多边形，如图

图4 [4]点速度

图5 [4]点加速度
滑块3在[8]位置速度、加速度计算分析：

做速度多边形，得到：
、、？、

（忽略）

做加速度多边形，得到：
、

做加速度多边形，得到：
取速度极点P，速度比例尺µv=0.01(m/s)/mm，作速度多边形
取加速度极点P，速度比例尺µa=0.04(m/s)/mm，作加速度多边形，如图

图6 [8] 点速度、加速度
滑块3在[12]位置速度、加速度计算分析：

做速度多边形，得到：
、、、

做加速度多边形，得到：、
、
做加速度多边形，得到：
取速度极点P，速度比例尺µv=0.01(m/s)/mm，作速度多边形
取加速度极点P，速度比例尺µa=0.04(m/s)/mm，作加速度多边形，如图

图7 [12] 点速度、加速度
2.2、导杆机构的动态静力分析
对导杆机构的动态静力分析，就需要用到上面的加速度分析的结果。具体分析方法如下：
取杆组5、6进行动态静力分析。如图10为杆组5、6的示力体
F I6
P
F 45

图8 杆组5、6的示力体图
F N16

G 6

由已知条件，最终可以得到： G 6=600 N ，P = 5500 N ， F I6=39.2 N
并且由受力分析可得，阻力P左右于水平向左，G 6 作用于竖直向下，F N16
作用于竖直向上，F I6 作用于水平向左，F 45 作用于沿杆件5向外。
根据这些数据和方向，力的比例尺μQ=50 N/mm ，可画出杆组5、6的力多边形图11

图9 杆组5、6的力多边形图

S O4

图10 杆件4的示力体图

结合已知条件，可以得出：G 4 =220 N ，F I4 =37 N ，F54 =6100 N ，F34 = 11876N 。并且由受力分析可得，重力G 4 作用于竖直向下，惯性力F I4 作用于垂直连杆4向左，滑块3的作用力F 34 作用于垂直连杆4向右，F54 作用于沿连杆5向外。
根据这些数据和方向，力的比例尺μQ=100 N/mm ，可画出构件4的力多边形图13
G 4
P

F 34

F 14

图11 杆件4的力多边形图

F 12
可根据构件4与杆组5、6的力多边形图，力的比例尺μQ=100 N/mm，可直接得到曲柄2与滑块3组件的力多边形图14。
图12 杆组2、3的力多边形图

F 43
O 2
M 2

以上是曲柄在[4]位置的动态静力分析。
2.3、齿轮机构的设计
已知：电动机、曲柄的转速 、N2，皮带轮直径、，某些齿轮的齿数z，模数m，分度圆压力角α（参见表1）；齿轮为正常齿制，工作情况为开式传动。
规定： 计算齿轮z2的齿数，选择齿轮副z1~z2的变位系数，计算该对齿轮传动的各部分尺寸，以2号图纸绘制齿轮传动的啮合图。
根据齿轮传动比的公式：i12 = n1/n2 = z2/z1 = d2/d1 ,参考数据表1中的已知齿轮数，计算出z2 = 39。由于z1 =13＜zmin =17，所以必须进行正变位x1 ，才干使齿轮z1 不发生根切，为了使齿轮z1 、z2 为等变位啮合，所以齿轮z2 必须进行负变位x2 。且形成等变位：x1 + x2 =0。而变位系数的公式为：。将数据代入，可得到x1≥0.235 mm，x2≥-1.294 mm。所以，我选取了x1 =0.3、x2 =-0.3。 任意圆齿厚,分别将齿轮z1 、z2 变位后的数据代入公式中，可分别得到齿轮z1 、z2 的齿顶圆的齿厚。满足变位后齿轮齿顶厚≥0.25 m（此处m表达为分度圆模数）=1.5mm。
由于是正变位齿轮机构，所以中心距不变，，代入数据得a=207mm。
绘制环节如下：
1、取的比例进行作图。
2、根据中心距a=207mm，定出两齿轮的中心位置O1、O2 ，分别以O1、O2为圆心分别作两个齿轮的基圆、分度圆、节圆、齿根圆、齿顶圆。
3、作两齿轮基圆内的公切线，交点分别为N1、N2 ，N1N2 为理论啮合线 。N1N2 分别与齿轮z1 、z2 的齿顶圆相交于B1B2 ，则B1B2 为实际啮合线，测量得B1B2=25.5mm。它与连心线O1O2的交点为节点P，而P点又与两分度圆的切点相重合，基圆内公切线与过P点的节圆切线间的夹角为啮合角，同时也等于分度圆压力角。
4、根据渐开线形成原理，分别画出两齿轮在顶圆与根圆之间的齿一边的齿廓曲线，然后以此为模板，左右对称进行复制描述，齿轮的齿顶圆的齿厚，并结合齿轮变位后的齿顶圆齿厚，画出完整的齿廓。
5、在连心线处画一个完整的齿廓，然后根据齿轮啮合的规定，连续画出两齿轮的3个齿廓。

2.4、凸轮机构设计
已知： 摆杆9为等加速等减速规律，其推程运动角φ1=74º，远休止角φs=10º，回程角φ´=74º，摆杆长度=132mm，最大摆角=15º，许用压力角 [α]=45º；凸轮与曲柄共轴。
规定： 拟定凸轮机构的基本尺寸，选取滚子半径，画出凸轮实际轮廓。
1)根据给定的从动件运动规律ψ=ψ（φ），逐点计算每一个凸轮转角φ所相应的从动件角位移ψ、角速度ω、角加速度α。应视凸轮转角φ在不同的运动区间，用相应的运动方程式来计算。
a) ψ＜φ1 /2，属于升程加速区，其运动方程式为
ψ=2（/），ω= 4（/） ，α=4/
b）ψ1 /2＜φ＜φ1 ，属于升程减速区，其运动方程式为
ψ=－2
ω=4
α=﹣4/
c） ＜＜，属于远休止区，其运动方程式为
ψ=， ω=0， α=0
d）＜φ＜）, 属于回程加速区，其运动方程式为
ψ=－2[－（）]²/
ω=﹣4[－（）]/
α=﹣4/
e) ＜φ＜, 属于回程减速区，其运动方程式为
ψ=2（－φ）²/
ω=﹣4（－φ）/
α=4/
f）（φ1+φS+φ´）＜φ＜360º，属于近休止区，其运动方程式为
ψ=0， ω=0， α=0

按照从动件的运动规律，分别把数据代入上面公式中，按公式分别计算推程和回程的（），然后用几何作图法直接绘出（φ）及ψ（φ）线图。
2)凸轮的基圆半径的设计
根据摆动推杆盘形凸轮机构，设已知推杆的运动规律、摆杆的长度=132mm、摆杆最大摆角=15º、凸轮转动的角速度ω（φ）及推程和回程的许用压力角[α]=45º、[α]´=45º。
（1）拟定摆杆转动中心O9的位置，并判断凸轮转动中心的大体方位。以O9为圆心，lo9D=132mm为半径作圆弧。按ψ（φ）线图划分角为1～16，可将其所对的弧近似的当作直线，然后根据三角形相似原理，用图解法按预定比例分割角所相应的弧，自从动杆摆动中心O9作辐射线与各割点相连，则角按所定比例分割了。
作图时，取=·μ =0.0158，则可以直接根据（φ）线图上的各纵坐标值，在点相应的辐射线由D点速度方向顺着凸轮转向转过90º后所指的方向来拟定。画出B1E1～B15E15 。升程阶段,过E1点做直线E1F1，时∠B1E1F1=90º－[α]=45º；同样过E2 、E3 …作类似的直线，回程阶段也同样。得到一系列直接后，在这些直线下方，就是应选凸轮直径的区域，此处选取r=60mm。
然后根据凸轮转向，摆杆长=132mm，角位移线图图，r=60mm，=132mm，画出凸轮理论廓线。然后找出理论轮廓线的弯曲限度最大的位置，画出其最小曲率半径ρmin=35mm。滚子半径的理论依据为r=0.1～0.5ro，次处选取。然后在理论轮廓线上画出一系列的以r为半径的圆，将这些圆的包络线以光滑曲线连起来，画出凸轮的实际廓线。
2.5、飞轮设计
已知 机器运转的速度不均匀系数，由动态静力分析所得的平衡力矩My,具有定传动比的各构件的转动惯量J，电动机、曲柄的转速及某些齿轮的齿数。驱动力矩为常数。
规定 用惯性立法拟定安装在轴O2上的飞轮转动惯量。
环节：
1） 列表汇集同组同学在动态静力分析中求得的每个机构位置的平衡力矩M ，以力矩比例尺μ和角度比例尺μ绘制一个运动循环的动态等功阻力矩线图。对用图解积分法求出在一个运动循环中的阻力功线图。
2） 绘制驱动力矩M 所作的驱动功线图。因M 为常数，且一个运动循环中驱动功等于阻力功，故将一个循环中的线图的始末两点以直线相连，即为线图。
3） 求最大动态剩余功[]。将与两线图相减，即得一个运动循环中的动态剩余功线图。该线图的纵坐标最高点与最低点的距离，即表达最大动态剩余功[]。
4） 拟定飞轮的转动惯量。由所得的[]，按下式拟定飞轮的转动惯量
按照上述环节得到飞轮的转动惯量为.
3、设计小结
这次机械原理课程设计，内容是牛头刨床的重要机构：导杆机构、凸轮机构、齿轮机构。这次的机械原理课程设计，很好的应用了这学期学习的《机械原理》中的知识。在这几天中，我有很多的体验，同时也有我也找到许多的毛病，比如：专业知识不能纯熟应用，作图时不是太合理。但是通过这次实践设计，我觉得我的能力有了很打的提高。比如：通过这次设计我学会了查找一些相关的工具书，并且巩固复习了一些设计数据的计算方法（速度、加速度、力）。
自己的第一次设计，其中肯定有很多的局限性，希望在此后的设计中，可以得到正真的提高，使自己的设计能力进一步趋向成熟。当然我也会努力学习让自己的专业知识日益深厚。我在这次设计中感到了团队合作的重要性。这将使我受益终生。
人生中会碰到很多的问题和坎坷，无论它们有多么的棘手，但我相信，只要努力，成功就一定会在眼前！大学中学习，还需要好多需要去学习和实践。
参考文献
[1] 罗洪田. 机械原理课程设计指导书[M]. 北京：高等教育出版社, 2023.
[2] 刘毅，杨家军. 机械原理课程设计[M]. 武汉：华中科技大学出版社, 2023. 6