牛头刨床的综合与分析--课程设计论文说明书--大学毕业设计论文.doc

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文）
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一、设计题目与数据
1．题目
牛头刨床的综合与分析
2.原始数据
刨头的行程 H=600mm
行程速比系数 K=1.8
机架长 LO2O3=370mm
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=210mm
导杆的质量 m4=20
刨头的质量 m6=52
导杆的转动惯量 JS4=0.9
切割阻力 FC=1400N
切割阻力至O2的距离 YP=165mm
构件2的转速 n2=80
许用速度不均匀系数 [δ]=1/30
齿轮Z1、Z2的模数 m12=16
小齿轮齿数 Z1=18
大齿轮齿数 Z2=42
凸轮机构的最大摆角 φmax=18º
凸轮的摆杆长 LO4C=130mm
凸轮的推程运动角 δ0=60º
凸轮的远休止角 δ01=10º
凸轮的回程运动角 δ0'=60º
凸轮机构的机架长 Lo2o4=140mm
凸轮的基圆半径 ro=50mm
凸轮的滚子半径 rr=15mm
二、牛头刨床示意图

图1
牛头刨床工作原理：牛头刨床是一种靠刀具的往复直线运动及工作台的间歇运动来完成工件的平面切削加工的机床。电动机经过减速传动装置（皮带和齿轮传动）带动执行机构（导杆机构和凸轮机构）完成刨刀的往复运动和间歇移动。

三、导杆机构设计
1、已知：行程速比系数 K=1.8
刨头的行程 H=600mm
机架长度 LO2O3=370mm
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°×（1.8-1）/（1.8+1）=51.4°
B、求导杆长：
LO3B=H/[2sin（ψmax/2）]=600/[2sin（51.4°/2）]=697mm
C、求曲柄长：
LO2A =LO2O3×sin（ψmax/2）=370×sin25.7°=160mm
D、求连杆长
LBF=LO3B×LBF/LO3B=692×0.3=207mm
E、求导路中心到O3的距离
LO3M =LO3B-LDE/2=LO3B{1-[1-cos(ψmax/2)]/2}=657mm
F、取比例尺
μL=0.005m/mm
在1#图纸中央画机构位置图，大致图形如下：

图2
四、机构的运动分析
已知：曲柄转速n2=80rpm
各构件的重心： 构件6的重心：XS6=210mm
第7点：A、速度分析
求VA3
VA3 =VA2=LO2Aπn/30=0.160×80π/30=1.344m/s
求VA4
= +
大小： ？ 1.34 ？
方向：⊥O3A ⊥O2A ∥O3A
取μV=VA3/Pa3=0.050 在1#图的左下方画速度多边形，图形如1#图左下方所示
=0.93 m/s 方向：如1#图左下方速度图所示
求VB
用速度影像求VB=30×0.05=1.5m/s 方向：如1#图左下方速度图所示
求VF
= +
大小： ？ 1.5 ？
方向： 水平 ⊥O3A ⊥BF
接着画速度多边形，图形如1#图左下方所示
由速度多边形求得：
VF=pf(———)μV=1.29m/s 方向：如1#图左下方速度图所示
求ω4
ω4=ω3=VA4/LO3A=1.98 rad/s 方向：顺时针
求VA4A3
VA4A3= ×μV=0.93m/s 方向：如1#图左下方速度图所示
B、加速度分析
①求aKA4A3
aKA4A3=2ω4VA4A3=3.68m/s2
②求aA3
aA3=aA2=ω22×LO2A=11.29m/s2 方向：A→O2
③求anA4
anA4=ω23×LO3A=1.84m/s2 方向：A→O3
④求aA4
+ = + +
大小：1.08 ？ 11.3 3.68 ?
方向：A→O3 ⊥O3A A→O2 ⊥O3A ∥O3A
取μa=aA3/pa3=0.15
在1#图的左下方画加速度多边形
aA4=pa4×μa=4.59m/s2 方向：如1#图左下方加速度图所示
⑤求aB
用加速度影像求aB=6.74m/s2 方向：如1#图左下方加速度图所示
= + +
大小： ？ 6.75 ?
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=5.6m/s2 方向：如1#图左下方速度图所示

第8’点：A、速度分析
求VA3
VA3 =VA2=LO2Aπn/30=0.159×80π/30=1.344m/s

= +
大小： ？ 1.344 ？
方向：⊥O3A ⊥O2A ∥O3A
取μv=VA3/Pa3=0.050 在1#图的左下方画速度多边形
求VB
用速度影像求VB=0m/s 方向：如1#图左下方速度图所示
求VF
= +
大小： ？ 2.92 ？
方向：水平 ∥导路 ⊥BF
VF =pf(——) μV=0m/s 方向：如1#图左下方速度图所示

求ω4
ω4=ω3=VA4/LO3A=0 m/s 方向：逆时针
求VA4A3
VA4A3 = a3a4(———)×μV=0m/s 方向：如1#图左下方速度图所示
B、加速度分析
①求aKA4A3
aKA4A3=2ω4VA4A3=0m/s2 方向： 如1#图左下方加速度图所示
②求aA3
aA3=aA2=ω22×LO2A=11.29m/s2 方向：A→O2
③求anA4
anA4=ω23×LO3A=0m/s2 方向：A→O3
④求aA4
+ = + +
大小 4.1 ？ 11.3 7.4 ?
方向：A→O3 ⊥O3A √ ⊥O3A ∥O3A
取μa=aA3/pa3(———)=0.3 在1#图的左下方画加速度多边形
aA4=pa4×μa=10.6m/ s2 方向：如1#图左下方加速度图所示
⑤求aB
用加速度影像求aB=75×0.3=22.5m/s2 方向： 如1#图左下方加速度图所示
⑥求aF
= + +
大小： ？ 22.5 390.3 ?
方向：水平 √ F→B ⊥BF
接着画加速度多边形
由加速度多边形得：
aF=p′f′(————)×μa=21.6m/s2 方向： 如1#图左下方加速度图所示
第10点 速度分析
求VA3
VA3 =VA2=LO2Aπn/30=0.1418×80π/30=1.344m/s 方向：如1#图左下方速度图所示
求VA4
= +
大小 ? 1.344 0
方向：⊥O3A ⊥O2A ∥O3A
取μV=VA3/Pa3=0.05
VA4= 1.1 m/s
在1#图的左下方画速度多边形，大致图形如1#图所示
求VB
用速度影像求VB=3 m/s
求VF
= +
大小： ? 3 ?
方向：水平 ⊥O3A ⊥BF
VF=pf(——)μV=2.9 m/s
求ω4
ω4=ω3=VA4/LO3A=4.5 rad/s
求VA4A3
VA4A3=×μV=0.85 m/s
B、加速度分析
①求aKA4A3
aKA4A3 =2ω4VA4A3=8.4 m/s2
②求aA3
aA3=aA2=ω22×LO2A=11.1m/s2 方向：A→O2
③求anA4
anA4 =ω23×LO3A=5.4 m/s2 方向：A→O3
④求aA4
+ = + +
大小： 5.4 ？ 11.1 8.4 ?
方向：A→O3 ⊥O3A √ ⊥O3A ∥O3A
取μa=aA3/pa3 =0.30
在1#图的左下方画加速度多边形 大致图形如1#图所示
aA4= ×μa=16.2m/s2 方向：如1#图左下方加速度图所示
⑤求aB
用加速度影像求aB=150×0.3=45m/s2 方向：如1#图左下方加速度图所示
⑥求aF
= + +
大小： ？ 45 3 ？
方向：水平 √ F→B ⊥BF
接着画加速度多边形
由加速度多边形得：
aF= ×μa =41.7m/s2 方向：如1#图左下方加速度图所示
在1#图纸左上角绘制刨头的运动线图。
大致图形如1#图左上角所示
表1
曲柄位置
名称 结果
1
2
3
4
4’
5
6
SF
0
0.04
0.11
0.213
0.3
0.36
0. 41
VF
0
0.85
1.475
1.71
1.70
1.73
1.51
aF
18.6
17.85
10.6
1.8
-0.45
-01.3
-5.2
曲柄位置
名称 结果
7
8
8’
9
10
10’
11
12
SF
0.5
0.575
0.64
0.595
0.505
0.29
0.265
0.05
VF
1.29
0.9
0
-0.46
-2.5
-4.4
-4.40
-1.8
aF
-5.6
-8.8
-27
-28.4
-42
-3.6
3.6
42
五、机构的动态静力分析
已知:导杆的质量 m4=20Kg
刨头的质量 m6=52Kg
(其余质量忽略不计)
导杆绕重心的转动惯量 JS4=0.9Kgm
切削阻力为常数大小为 FC=1400N
1.确定惯性力、惯性力矩
第7点：
P16=-m6×aF=-52×5.6=-291.2N
P14=-m4×as=-20×4.6=-92N
M14=-0.9×α4=-7.66N·m
h =M14/F14=-8/-60=0.0833m
第10点：
P16=-m6×aF=-52×42=-2184N
P14=-m4×aS=-20×16.5=-330N
M14=-JS4×α4 =-57.3N·m
h =M14/F14=-57.3/330=0.17m
将计算结果汇总在如下表中：
表2
曲柄
位置
导杆4
刨头
P14
M14
Lh4
P16
7点
-92
-7.66
0.0833
-291.2
12点
-330
-54.34
0.17
-2184
2.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1#图右下方绘制示力体图
比例尺为：μL=0.005m/mm
大致图形如图：
+ + + + =0
上式中只有FR45、FR76的大小未知
取力比例尺：μP=Fc/bc=40N/mm 在1#图右下方画力多边形 大致图形如1#图所示
求得：
FR45=de(——)×μP=1950N 方向：与力多边形中的方向一致
FR76=ea(——)×μP=23×40=690N 方向：垂直导路向上
∑MF=0：
FC（LO2M-YP）+G6×XS6=FR76h76
h76=[Fc×(LO2M-YP)+G6×XS6]/R76 =0.41m
B、取构件3、4为示力体
在机构位置图上方绘制示力体图,比例尺为：μL=0.005m/mm 大致图形如1#图
其平衡方程为： + + + + = 0
∑MO3=0 (确定FR23的大小)：
FR23h23+F14hp+G4h4=FR54h54
量得:hp =0.475m ；h4=0.145m； h54=0.615m
FR23=(FR54h54+F'14hP+G4h4)/h23=3000N
矢量式中FR74的大小和方向未知 仍取力比例尺μP=40N/mm
接着画力多边形图求得:
FR74=gh×μP=47×40=1410N 方向：与力多边形中gh的方向一致
B、取构件2为示力体
在机构位置图下方绘示力体图，比例尺为:μL=0.005m/mm
大致图形如1#图所示
其平衡方程为：
+ + + = 0
∑MO2=0 （确定Pb的大小）：
FR32h32=Pbrb
量得:h32=0.07m
算得:rb =0.325m
Pb=FR32h32/rb=646.2N
式中的R72大小和方向未知
仍然取力比例尺μP=40N/mm
接着画力多边形图，求得：
FR72=ij(——)×μP=78.7×40=3150N 方向：与为多边形中ij的方向一致
第10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, 如1#图所示：
比例尺为：μL=0.005m/mm
+ + + =0
上式中只有R45、R76的大小未知
取力比例尺：μP=PI6/ab(——)=40N/mm
在机构位置图右下方画力多边形图，大致图形如1#图所示
求得：
FR45=cd×μP=55×40 =2200N 方向：与力多边形中的方向一致
FR76=da×μP=21×40 =840N 方向：垂直导路向上
∑MF=0：
G6×XS6=FR76h76
h76=G6×XS6/FR76=0.13m
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：μL=0.005m/mm 大致图形如1#图所示
其平衡方程为：
+ + + + = 0
∑MO3=0 (确定FR23的大小)：
FR54h54+PI4’hp+G4h4=FR23L23
量得:hp =0.5m； h4=0.115m； h54=0.62m
FR23=(FR54h54+ P’14hP+G4h4)/LO3A=6649N 方向：如1#图下方力多边形图所示
矢量式中FR74的大小和方向未知 仍取力比例尺μP=40N/mm
接着画力多边形图,求得:
FR74=fg×μP=3920N 方向：与力多边形中fg的方向一致
B、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:μL=0.005m/mm
大致图形如1#图所示：
其平衡方程为：
+ + + = 0
∑MO2=0 （确定Pb的大小）：
FR32h32=Pbrb
量得:h32=0.115m
算得:rb =0.33m
Pb=FR32h32/rb=2200N
仍然取力比例尺μP=40N/mm
接着画力多边形图,求得：
FR72=5520 N 方向：与为多边形中ih的方向一致
4、将各运动副反力汇总如下：
表3
位置
反力
指定的两个位置
第2点
第10点
FR72
3150
5520
FR74
1410
3960
FR76
690
840
FR45
1950
2200
FR23
3000
6649
FR32
3000
6649
5、计算平衡力偶矩并汇总如下：
表4
曲柄位置
1
2
3
4
5
6
Mb
0
225.5
301
312.5
195
212.49
曲柄位置
7
8
9
10
11
12
Mb
154.38
-55
86.82
787.5
-504
-483.14

6、绘制平衡力偶矩曲线Mb-δ2
该曲线在A1图的右上角
纵坐标比例尺：μMb=10Nm/mm
横坐标比例尺：μδ2=2度/毫米 见1#图右上方
六、飞轮设计
已知：许用速度不均匀系数 [δ]=1/30
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Mr1-δ1
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Mr1δ1曲线（见1#图）。
为了使图形一样，其比例尺选为：μMr=μMb/i12=12/2.3=4.28Nm/mm
i12=Z2/ Z1=42/18=2.3
2、求功曲线Wr1-δ1
取极距H=30mm
图解积分Mr1-δ1得Wr1-δ1曲线。
纵坐标比例尺为：μW =μMr×μδ1×H×π/180°=5×4.6×30×π/180°=10.47J /mm
3、求功曲线Wd1-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Wd1-δ1曲线。比例尺仍为：μW=10.47J/mm
4、求驱动力矩曲线Md1-δ1仍取极距H=30mm
图解微分Wd1-δ1得Md1-δ1曲线。
纵坐标比例尺为：μMr=4.28Nm/mm
得驱动力矩：Md1=h×μMr=32.1Nm
5、确定最大盈亏功
将功曲线变成动能曲线。
量取：[W]，=53 mm
最大盈亏功为：[W]=33×16=528J
6、求飞轮的转动惯量
n1= n2×i12=80×2.3=184 rpm
JF=900[W]/π2n12[δ]=900×528×30/(π2×1842)=42.71 Kgm
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=0.5m
取轮缘的高宽比为H/b=1.5
b=4gJF/1.5πD3γ=4×9.8×42.71/（3.14×1.5×0.53×7×104) =406mm
H=1.5b=609mm

图3
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,顺时回转；
凸轮机构的最大摆角 φmax=18°
凸轮的摆杆长 LO4C=130mm
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=140mm
凸轮的基圆半径 ro=50mm
凸轮的滚子半径 rr=15mm
在2#图纸上绘制摆杆的角位移曲线和凸轮轮廓曲线图。
摆杆的角位移曲线和凸轮轮廓曲线图形见2#图纸。
八、齿轮设计及绘制啮合图
已知：齿轮1的尺数 Z1=18
齿轮2的尺数 Z2=42
模数 m12=16
压力角 α=20°
齿顶高系数 h*a=1
径向间隙系数 c*=0.25
1、 列表计算几何尺寸等
（见表5）
2、绘制齿廓啮合图
在2#图纸上绘制齿廓啮合图。
取比例尺为：μL=0.001m/mm
齿廓啮合图见2#图纸。
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。（源程序和运行结果见附录A）
结果分析：
与图解法比较，误差在毫米以下，不用修改。
2．机构运动分析
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
表5
名称
符号
计算公式
计算结果
小齿轮分度圆直径
d1
d1=mz1
288
大齿轮分度圆直径
d2
d2=mz2
672
小齿轮齿顶圆直径
da1
da1=d1+2ha
320
大齿轮齿顶圆直径
da2
da2=d2+2ha
704
小齿轮齿根圆直径
df1
df1=d1-2hf
248
大齿轮齿根圆直径
df2
df2=d2-2hf
632
小齿轮基圆直径
db1
db1=d1cosα
271
大齿轮基圆直径
db2
db2=d2cosα
631
分度圆齿距
P
P=πm
50
基圆齿距
pb
pb=pcosα
47
分度圆齿厚
s
s=p/2
25
分度圆齿槽宽
e
e=p/2
25
径向间隙
c
c=c*m
4
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
2.3
重合度
ε
ε=B1B2/Pb
1.57

图4
方程式为:
+ = a
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=S cos F4 c
Ll+L2 sin F2=S sin F4 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c d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e f两式中的F2角F4角分别减去F4)，
经整理后可分别得到
Vr=－L2 W2sin(F2－F4) (3)
W4=［L2 W2 cos(F2-F4)］／S (4)
再将e f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=2 Vr W4 (6)
e4=－［2 Vr W 4+ L2W2W2sin(F2一F4) ］ (7)
将b式分别投|影在x和y轴上得
X：L4 cos F4十L5 cos F5 (8)
Y：L4 sin F4十L5 sin F5 (9)
由(9)式可直接得
sin F5=（Y－L4sinF4）／L5 (10)
对(9)式求导，一次可得
－L4W4cosF4=L5W5cosF5
于是由g式可得
W5=(－L4W4cosF4)／L5cosF5 (11)
对g式求导一次经整理可得
e5=（－L4e4cosF4+L4W4 W4sinF4+L5W5W5sinF5)／L5cosF5 (12)
(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=L4 cos F4+L5 cos F5
一(L4 cos F40+L5 cos F50) (13)
式中F40 F50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（13）式求导一次可得：
VF=－L4W4sinF4－L5 W5sinF5 (14)
对（14）式求导一次可得：
aF=－L4cosF4W4W4－L4sinF4e4
－L5c