毕业设计-牛头刨床机构的综合设计与分析说明书.doc

辽宁工业大学课程设计说明书（论文）

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（系）：机械工程与自动化学院
专业班级： 数控071

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………………………………………………………………………22 1．导杆机构设计………………………………………………………………22
2．机构运动分析………………………………………………………………22
3．机构动态静力分析…………………………………………………………25
4．凸轮设计 ………………………………………………………….………26
十、本设计的思想体会 …………………………………………….…………29
十一、参考文献…………………………………………………………………29
十二、附录 …………………………………………………………….………29

一、设计题目与原始数据
1、题目： 牛头刨床的综合与分析
2、原始数据：
刨头的行程 H=550mm
行程速比系数 K=1.6
机架长 LO2O3=400mm
质心与导杆的比值 LO3S4/LO3B=0.5
连杆与导杆的比值 LBF/LO3B=0.3
刨头重心至F点距离 XS6=160mm
导杆的质量 m4=15Kg
刨头的质量 m6=58Kg
导杆的转动惯量 JS4=0.7Kgm
切割阻力 FC=1300N
切割阻力至O2的距离 YP=175mm
构件2的转速 n2=80rpm
许用速度不均匀系数 [δ]=1/40
齿轮Z1、Z2的模数 m12=15mm
小齿轮齿数 Z1=18
大齿轮齿数 Z2=46
凸轮机构的最大摆角 φmax=16
凸轮的摆杆长 LO4C=140mm
凸轮的推程运动角 δ0=60°
凸轮的远休止角 δ01=10°
凸轮的回程运动角 δ0'=60°
凸轮机构的机架长 Lo2o4=150mm
凸轮的基圆半径 ro=55mm
凸轮的滚子半径 rr=15mm

二，牛头刨床示意图：

4

三、导杆机构设计
1、已知：行程速比系数 K=1.6
刨头的行程 H=550mm
机架长度 LO2O3=400mm
Lo2o3=400mm 连杆与导杆的比　 　 LBF／LO3B=0.3
２、各杆尺寸设计如下
A、 求导杆的摆角：
　 ψmax =180°*（k-1）/（k+1）
=180°*（1.6-1）/（1.6+1）
=41.54°
B、 求导杆长：
LO3B1=H/[2sin(ψmax/2)]
=550/[2sin(41.54°/2)]
=775.48mm
C、 求曲柄长：
LO2A=LO2O3*sin(ψmax/2)
=400*sin20.77°
=141.85mm
D、求连杆长：
LBF=LO3B*LBF/LO3B
=775.48*0.3
=232.64mm
E 、求导路中心至的距离：
LO3M=LO3B-LDE/2
=LO3B{1-[1-cos(ψmax/2)]/2}
=750.28mm
F、取比例尺
цL=0.005m/mm
在1号图纸右侧画机构位置图，大致图形如下：

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
37

第4’点: A. 速度分析
求VA3
VA3= VA2= LO2πn/30
=141.85×80π/30
=1.19m/s
求VA4
→ → →
VA4= VA3 +VA4A3
大小： ？ 1.19 ？
方向： ⊥O3A ⊥O2A ∥O3A
取μv= VA3/Pa3=0.025(m/s)/mm
作速度多边形
求VB
用速度影像法求VB
求VF
→ → →
VF = VB +VFB
大小： ？ √ ？
方向： ∥导路 ⊥BO3 ⊥BF
接着速度多边形，由速度多边形求得
VF=pf×μv＝1.75m/s
求ω4
ω4=ω3= VA4/ LO3A =2.19rod/s 方向：顺时针
求VA4A3
VA4A3=a3a4×μv=0m/s 方向如图所示

B. 加速度分析
求akA4A3
akA4A3=2ω4VA4A3=2×2.19×0=0m/s2 方向如速度图所示
求aA3 aA3= aA2=ω22×L02A=9.96m/s
anA4
anA4=ω32×L03A=2.192 *542*0.005=2.6
求Aa4
→ → → → →
anA4 + atA4 = aA3 + akA4A3+ arA4A3
大小：1.188　？ 9.96　 0 ？
方向：A→O3 ⊥AO3 A→O2 如图 ∥O3A
取μa =0.1(m/s2)/mm画加速度多边形
求aB
如图所示 用加速度影象法求aB=3.7m/s2
求AF
→ → → →
aF = aB + anFB + atFB
大小： ？ 3.7 Vfb2/lFB ？
方向：水平 √ F→B ⊥BF
接着画加速度多边形，由加速度多边形求得 ：
aF =p，f，×μa=0.35m/s2
第7点：A速度分析
求VA3
VA3= VA2= LO2Aπn/30
=1.188m/s
求VA4
→ → →
VA4= VA3 +VA4A3
大小： ？ 1.19 ？
方向： ⊥O3A ⊥O2A ∥O3A
取μv= VA3/Pa3=0.025(m/s)/mm
作速度多边形
求VB
用速度影像法求VB
求VF
→ → →
VF = VB +VFB
大小： ？ 1.4 ？
方向： 水平 如图 ⊥BF
接着速度多边形，由速度多边形求得：
VF=pf×μv＝1.32m/s
求ω4
ω4=ω3= VA4/ LO3A =1.6rod/s 方向：顺时针
求VA4A3
VA4A3=a3a4*μv =0.95m/s 方向如图所示
B. 加速度分析
求akA4A3
akA4A3=2ω4VA4A3=2×1.6×0.95=3.04 m/s2 方向如速度图所示
求aA
aA3= aA2=ω22×L02A= 10.0m/s2
anA4
anA4=ω32×L03A=1.22 m/s2
求Aa4
→ → → → →
anA4 + atA4= aA3 + akA4A3 + arA4A3
大小：√　 ？ 10.0 3.04 ？
方向：A→O3 ⊥AO3 √ 如图 ∥O3A
取μa=0.1(m/s2)/mm做力的的多边形：
aA4=pa4×μa=4.8m/s2
求aB
用加速度影象法求aB=9.8m/s2
求AF
→ → → →
aF = aB + anFB + atFB
大小：？ 9.8 Vfb2/LFB ？
方向：水平 √ F→B ⊥BF
接着画加速度多边形，由加速度多边形求得：
aF =p，f，×μa=9.1m/s2
第12点: A. 速度分析
求VA3 VA3= VA2= LO2πn/30=1.19m/s
求VA4
→ → →
VA4= VA3 +VA4A3
大小： ？ 1.19 ？
方向： ⊥O3A ⊥O2A ∥O3A
取μv= VA3/Pa3=0.02(m/s)/mm 作速度多边形
求VB 用速度影像法求VB
求VF
→ → →
VF = VB +VFB
大小： ？ 1.38 ？
方向： ∥BF √ ⊥BF
接着速度多边形，由速度多边形求得
VF=pf×μv＝1.3m/s
求ω4
ω4=ω3= VA4/ LO3A =2.1rod/s 方向：逆时针
求VA4A3
VA4A3=a3a4×μv=0.98m/s
方向如图所示
B. 加速度分析
求akA4A3
akA4A3=2ω4VA4A3=4.12 m/s2
方向如速度图所示
求aA3
aA3= aA2=ω22×L02A=10.0m/s2
anA4 anA4=ω32×L03A=1.39m/s2
求Aa4
→ → → → →
anA4 + atA4 = aA3+ akA4A3+ arA4A3
大小：√　　？ 10.0 √ ?
方向A→O3 ⊥AO3 √ 如图 ∥O3A
取μa =0.2(m/s2)/mm画加速度多边形:
求aB 如图所示 用加速度影象法求aB=31m/s2
求AF
→ → → →
aF = aB + anFB + atFB
大小：？ 31 Vfb2/LFB ？
方向：水平√ F→B ⊥BF
接着画加速度多边形，由加速度多边形求得：aF =p，f，×μa=31.4m/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

1

2

3

4

4’

5

6
SF
0
0.03
0.1
0.2
0.28
0.31
0.41
VF
0
0.9
1.45
1.65
1.75
1.69
1.52
AF
18.5
10.9
6.21
1.95
-0.35
-1.3
-4.2
曲
柄
位
名
称

7
8（8’）

9

10

10’

11

12
SF
0.49
0.55

0.53
0.42
0.28
0.21
0.04
VF
1.18
0.42
-0.95
-2.86
-3.6
-3.5
-1.3
AF
-8.5
-15.8

-27.7
-28.6
-1.9
15.4
31.6
刀头运动曲线：

五、机构的动态静力分析已知： m=58Kg m=15Kg
（ 其余质量忽略不计）
导杆绕重心的转动惯量 J=0.7kgm
切削主力为常数大小为 Fc=1300N
确定惯性力、惯性力矩
第7点
P=-m*a=-58*-8.03=493N
P= -m*a=-15*4.9=-73.5N
M=-J*α=-0.7*-4.8/0.475=7.1NM
h= M/ P=7.1/73.5=0.1M
第12点
P=-m*a=-58*31=-1832.8N
P= -m*a=-15*15.5=-232.5N
M=-J*α=-0.7*1.72/0.305=-28NM
h= M/ P=28/232.5=0.12M
将计算结果汇总在如下表中
曲 柄

位 置
导杆4
刨头
P
M
h
P
7点
-73.5
7.1
0.1
493
12点
-232.5
-28
0.12
-1832.8
2、确定齿轮2的重量
查指导书得齿轮2的重量
G=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=0.005m/mm

R(→)45+R(→)76+P(→)I6+G(→)6+F(→)C=0
上式中只有R、R的大小未知
取力比例尺： μ=F/=20N/mm
在机构位置图下面画力多边形大致图形如图，求得：R=*μ=42*20 =840N
方向与力多边形中de的方向一致
R=*μ=20*32=640N 方向：垂直导路上
=0
F（L-Y）+GX= Rh

h= [F（L-Y）+GX]/ R
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=0.005m/mm
R(→)54+G(→)4 +R(→)23+P(→)I4 +=0
=0 （确定R的大小）
RL+PI4 h+ Gh= Rh
量得h=0.11m
h=0.475 m
h=0.76m
R=(Rh-P’h-Gh)/L=1140N
矢量式中R的大小和方向未知
仍取力比例尺μ=20N/M
接着力比例尺多边形图，求得：R=*μ=28*20=560N
方向与力多边形中的方向一致
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=0.005m/mm　
R(→)32+R(→)72+P(→)b+G(→)2=0
=0(确定R的大小)：R32h32=Pbrb
量得：=0.085M =0.31M
=/=617N
式中的大小和方向未知
仍然取比例尺=20N/m
接着画力多边形图，求得：=×=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=0.005m/mm
+++=0
上式中只有、的大小未知
取比例尺= F/=20N/mm
R=cd*μ=1800N 方向与力多边形中cd的方向一致
R=ad*μ=660N 方向：垂直导路上
=0
F（L-Y）+GX= Rh
h= [F（L-Y）+GX]/ R =0.14m

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=0.005m/mm
R(→)54+G(→)4 +R(→)23+P(→)I4 =0
=0 （确定R的大小）
RL+PI4 h+ Gh= Rh
R=(Rh-P’h-Gh)/L =4640N
矢量式中R的大小和方向未知 仍取力比例尺μ=20N/M
接着力比例尺多边形图，求得：
R=gf*μ=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=0.005m/mm　
其平衡方程为 +++=0
=0（确定的大小）：
+=
量得：=0.08m =0.32 =/=1160N
上式中只有的大小和方向未知
仍然取比例尺=20N/m
接着画力多边形图，求得：=id×=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
反力
指定的两个位置
第7点
第12点

1200
4180

560
2700

620
660

820
1820

1140
4640

1140
4640

5、计算平衡力偶矩并汇总如下：

曲柄位置
1
2
3
4
5
6
Mb（MN）
0
210
285
284
246
188

曲柄位置
7
8
9
10
11
12
Mb（MN）
98
-50
176
596
-380
-378
6、绘制平衡力偶矩曲线-该曲线在图纸右上角

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
由于飞轮准备装在Z1的O1轴上，
因此|Mr|=|Mb/i12|可由Mb-δ2曲线直接画出Mr-δ1曲线（见A1图）。
为了使图形一样，其比例尺选为： μMr=μMb/i12=10/2.6=3.91Nm/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=17.8J/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=17.8J/mm
4、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。
纵坐标比例尺为：μW=10Nm/mm
得驱动力矩：Md =h×μM=11×3.91=43.01Nm
5、确定最大盈亏功为：
[W]=25×17.8=445J
6、求飞轮的转动惯量
JF=900[W]/π2 n21 [δ]=900×445×30/π2(80×2.56)2=29.05kgm
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=0.5m
取轮缘的高宽比为H/b=1.5 H/b=1.5
b2=4gJF/πD3Hγ=4×9.8×7.7/3.14×0.53×1.5×7×104
b=0.167m=167mm
H=1.5b=1.5×167=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 φmax=16°
摆杆长 Lo4c=140mm
机架长 Lo2o4=150mm
基圆半径 r0=55mm
滚子半径 rr=15mm
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*=0.25
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
符号
计算公式
计算结果
小齿轮分度圆直径
d1
d1=mz1
270
大齿轮分度圆直径
d2
d2=mz2
690
小齿轮齿顶圆直径
da1
da1=d1+2ha
300
大齿轮齿顶圆直径
da2
da2=d2-2ha
720
小齿轮齿根圆直径
df1
df1=d1-2hf
232.5
大齿轮齿根圆直径
df2
df2=d2-2hf
652.5
小齿轮基圆直径
db1
db1=d1cosα
253.7
大齿轮基圆直径
db2
db2=d2cosα
648
分度圆齿距
P
P=πm
47.1
基圆齿距
Pb
Pb=Pcosα
44.3
分度圆齿厚
s
s=p/2
23.55
分度圆齿槽宽
e
e=p/2
23.55
径向间隙
c
c=c*m
3.75
标准中心距
a
a=m(z1+z2)/2
480
实际中心距
a’
a=a’
480
传动比
i
i=z2/z1
2.56
重合度
ε
ε=B1B2/Pb
1.44

九、解析法
1．导杆机构设计
已知：（1）行程速比系数K；
（2）刨头和行程H；
（3）机架长LO2O3
（4）连杆与导杆的比LBF/LO3B
求解:(1)求导杆的摆角：
ψmax=180°×（K-1）/（K+1）
(2)求导杆长：
LO3B1=H/[2sin（ψmax/2）]
(3)求曲柄长：
LO2A=LO2O3×sin（ψmax/2）
(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（有较大的传动角）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（见附表）
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。

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