长安大学机械原理课程设计说明书牛头刨床方案三7点11点(用office2007以上版本打开-不要用wps).doc

机械原理课程设计说明书设计题目：牛头刨床的设计机构位置编号：7；11方案号：III班 级：2012250404姓 名：杨波学 号：201225040407二一五年一月二十三日设计题目：牛头刨床的设计一 机构简价与设计数据1机构简介牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图1（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作往复运动。刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程，此时要求速度较低并且均匀，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，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产率。为此刨床采用有急回作用的导杆机构。刨刀每切削完一次，利用空回行程的时间，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1（b），而空回行程中则没有切削阻力。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1 牛头刨床机构简图及阻力曲线图2设计数据 见表1。表1 设 计 数 据案方位单号符容内计设导杆机械的运动分析导杆机构的动态静力分析n2lO2O4lO2AlO4BlBClO4S4xS6yS6G4G6PyPJS4r/minmmNmmkgm2603801105400.250.5240502007007000801.164350905800.30.5200502208009000801.2724301108100.360.51804022062080001001.2案方位单号符容内计设飞轮转动惯量的确定凸轮机构的设计齿轮机构的设计nO5z1zOz1JO2JO1JO3JO5maxlO9D0010dO5 dO3m12mO31r/minkgm2mmmm0.1514401020400.50.30.20.2151254075107510030063.5200.1514401316400.50.40.250.2151353870107010030064200.1614401519500.50.30.20.2151304275106510030063.520二、设计内容1导杆机构的运动分析已知： 曲柄每分钟转数，各构件尺寸及重心位置，且刨头导路位于导杆端点B所作圆弧高的平分线上（见图2）。要求: (1) 作机构的运动简图。(2) 并作机构两个位置的速度、加速度多边形以及刨头的运动线图。以上内容与后面动态静力分析一起画在1号图纸上（参考图例1）。曲柄位置图的作法为（见图2），取1和为工作行程起点和终点所对应的曲柄位置，和为切削起点和终点所对应的曲柄位置，其余2、312等，是由位置1起，顺方向将曲柄圆周作12等分的位置。2导杆机构的动态静力分析已知：各构件的重量G（曲柄2、滑块3和连杆5的重量都可忽略不计），导杆4绕重心的转动惯量及切削力的变化规律（图1，）。要求：按表2所分配的第二行的一个位置，求各运动副中反作用力及曲柄上所需的平衡力矩。以上内容作在运动分析的同一张图纸上（参考图例1）。表2 机构位置分配表学生编号123456789101112131415位置编号1234567891011121237868121131174789学生编号161718192021222324252627282930位置编号456789101112123456101211252738645910113飞轮设计（略）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，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（参见表1）。驱动力矩为常数。要求：用惯性力法确定安装在轴上的飞轮转动惯量。以上内容作在2号图纸上（参考图例2）。4凸轮机构设计已知：摆杆9为等加速等减速运动规律，其推程运动角0，远休止角01，回程运动角0（见图3），摆杆长度，最大摆角，许用压力角（参见表1）；凸轮与曲柄共轴。要求：确定凸轮机构的基本尺寸，选取滚子半径，画出凸轮实际廓线。以上内容作在2号图纸上（参考图例5）。图2 曲柄位置图 图3 摆杆加速度线图5齿轮机构的设计已知：电动机、曲柄的转速、，皮带轮直径、，某些齿轮的齿数，模数，分度圆压力角（参见表1）；齿轮为正常齿制，工作情况为开式传动。要求：算齿轮的齿数，选择齿轮副的变位系数，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（参考图例3）。三、牛头刨床的运动分析1、设计数据方案2、导杆运动简图的画法曲柄位置图的作法为：任取位置O4，沿Y轴正向取lO2O4长即可取得位置O2，以O2为圆心，lO2A长度为半径做一个圆，此圆即为曲柄2的运动轨迹。过O4点做曲柄运动轨迹的切线，在切线上取lO4B，左右两切线段即为摇杆4的极位位置。以左极位与曲柄运动轨迹的切点为1点，顺时针沿圆周每隔30取一点，将圆周12等分，取其中7、11点即为我所做位置。以O4为圆心，lO4B长为半径做圆弧，连接11点与O4、7点与O4，其延长线与圆弧交点分别为B、B点。以B、B为圆心，lBC长为半径做圆，与圆弧高的垂直平分线的交点分别为C、C点，连接BC、BC。再画出各运动副与滑块，即为导杆机构运动简图。运动简图如下：取l=2mm/mm图1 导杆运动简图3、导杆的运动分析取速度比例尺v=0.01(m/s)/mm,加速度比例尺a=0.1(ms2)/mm。、7点：1、速度根据“点的速度合成定理”vA = v4 + vA4 大小 ？ ？方向 O2A O4A O4A做出速度分析图：如图2由速度分析图可得：v4=0.387957m/s，vA4=0.733049m/s；由以上结果可得4= v4/lO4A=0.824115rad/s从而可得vB=4lO4B=0.667533m/s。根据“点的速度合成定理” vC = vB + vCB大小 ？ ？方向 x-x O4B CB做出速度分析图：如图2图2 7点位置速度分析由速度分析图可得：vC=0.653986m/s；进而可求得：5=0.517651rad/s。2、加速度根据“点的加速度合成定理”aA = aen + aet + ar + ak大小 22lO2A 42lO4A ？ ？ 24vA4方向 O2A O4A O4A O4A O4A做出加速度分析图：如图3。由已知条件以及加速度分析图可得：aA=6.25338m/s2；aen=0.319424m/s2；ak=1.208233m/s2；ar=2.60542m/s2；aet=4.31771m/s2。根据“基点法”aC = aBt + aBn + aCBt + aCBn大小 ？ 4lO4B 42lO4B ？ 52lBC方向 x-x O4B O4B BC BC其中：4=aetlO4A=9.180386rad/s2,做出加速度分析图：如图3。图3 7点位置加速度分析由已知条件以及加速度分析图可得：aBt=7.436113m/s2；aBn=0.550124m/s2；aCBn=0.078138m/s2；aCBt=1.14683m/s2；aC=7.31939m/s2。、11点分析过程同7点1、速度根据“点的速度合成定理”vA =v4 + vA4大小 ？ ？方向 O2A O4A O4AvC = vB + vCB大小 ？ ？方向 x-x O4B BC做出速度分析图：如图4。图4 11点位置速度分析由已知条件和以上速度分析图可得：vA=0.829380m/s；v4=0.778065m/s；vA4=0.287204m/s；4=v4lO4A=2.393196rad/s；vB=4lO4B=1.938488m/s；vC=1.936931m/s；vCB=0.171828m/s；5=vCBlCB=0.589259rad/s。2、加速度根据“点的加速度合成定理”以及“基点法”aA = aen + aet + ar + ak大小 22lO2A 42lO4A ？ ？ 24v4方向 O2A O4A O4A O4A O4AaC = aBt + aBn + aCBt + aCBn大小 ？ 4lO4B 42lO4B ？ 52lBC方向 x-x O4B O4B BC BC做出加速度分析图：如图5。图5 11点位置加速度分析由已知条件及以上加速度分析图可得：aA=6.25338m/s2；aen=1.862062m/s2；ak=1.374671m/s2；aet=3.54014m/s2；ar=7.72854m/s2；4=aetlO4A=10.888872rad/s2；aBt=8.819986 m/s2；aBn=4.639184m/s2；aCBn=0.1012511509m/s2；aCBt=3.83844m/s2；aC=9.16199m/s2。4、将C、C速度加速度汇总如下：vC=0.653986m/s；ac=7.31939m/s2；vC=1.936931m/s；aC=9.16199m/s2。四、牛头刨床的静力分析1、导杆机构的动态静力分析取力比例尺F=50N/mm，重力加速度g=9.8ms2。分析导杆在7位置时导杆机构的受力情况。根据“达朗伯原理”对构件6进行受力分析F = G6 + Fg6 + FR16 + FR56 + P = 0大小 620N aC(G6g) ？ ？ 6000N方向 BC 做出受力分析图：如图6图6 构件6受力分析由已知条件以及受力分析图可得：FG6=aCG6g=463.063449N；FR16=813.915N；FR56=7593.43N。将构件6的力系向C点取距，可得：M=MP+MFg6+MG6+MFR16=0其中MP=800Nm；MFg6=18.522538Nm；MG6=111.6Nm代入数据得：FR16作用点在距O6右侧水平1142.776012mm处。将构件4的力系向O4点取距，可得：M=Mg4+MFR34+MG4+MFR54=0其中Mg4=JS44=11.0164632Nm；MG4=20.145664Nm；MFR54=6106.9389Nm代入数据得：FR34=12918.41659N。根据“达朗伯原理”对构件4进行受力分析F = G4 + FR34 + FR54 + XO4 + YO4 = 0大小 220N 12918.41659N 7539.43N ？ ？方向 O4B BC 做出受力分析图：如图7图7 构件4受力分析由已知条件及受力分析图可得：XO4=5046.94N；YO4=2946.96N。将构件2的力系向O2点取距，可得M=M2+MFR32=0代入数据得：M2=664.709375Nm即曲柄上所加平衡力矩为M2=664.709375Nm，方向为顺时针方向。五、凸轮机构的设计1、凸轮机构的设计（1）、列运动方程，绘制从动件运动线图根据任务书要求的从动件等加速等减速运动规律，推导从动件等加速、等减速推程阶段运动方程，如教材式(9-5a)和式(9-5b)，等加速、等减速回程阶段运动方程，如教材式(9-6a)和式(9-6b)。需要注意的是，我们课程设计中是摆动从动件，而教材上的公式针对的是直动从动件，其差别仅在于将公式中的直动行程h换成摆动行程max，线位移、速度和加速度分别换成角位移、角速度和角加速度。根据运动方程，选择合适的横坐标和纵坐标比例尺，绘制从动件运动线图。摆杆等加速度推程：=2max202dd=4max/02d2d2=4max/02摆杆等减速度推程：=max-2max(0-)202dd=4max(0-)/02d2d2=-4max/02摆杆等加速度回程：=max-2max202dd=-4max/02d2d2=-4max/02摆杆等减速度回程：=2max(0-)202dd=-4max(0-)/02d2d2=4max/02得到以下数据：从而得到-、dd-以及d2d2-图像。（2）、确定基圆半径和凸轮回转中心O2到从动件摆动中心O9的距离lO2O9这里使用一种几何法确定基圆半径的方法。1）如图所示，选长度比例 l=1(mmmm),从任意点O9开始做一系列射线O9D1、O9D2、O9D3、O9D24（其中n=25，为凸轮推程和回程等分点数），每条射线与O9D1间夹角为该点对应的从动件摆角，各射线长度为任务书给出的从动件长度lO9D。2）在各射线上由Di点分别向左或向右截取各线段DiBi，线段DiBi所代表的实际长度等于该Di点的线速度，即lO9Ddd。截取方向可根据Di点速度方向顺着凸轮转向转过90度后所指的方向确定。3）过各Bi点做射线，与O9Bi夹角为90-，所有射线下方为凸轮轴心的安全区，在该区域确定点O2，则O2到D1距离为基圆半径。确定基圆半径的方法：如图8。图8 确定基圆半径（3）、确定滚子半径滚子半径应小于凸轮廓线上的最小曲率半径，以避免凸轮实际廓线变尖产生运动失真。滚子半径rr=(0.10.5)r0，,在这里取rr=0.25r0。（4）、作图方法采用反转法将凸轮的理论廓线近似拟合，之后再通过在理论廓线上做出滚子的一系列圆，继而确定出实际廓线。最终得到的凸轮形状：如图9。图9 凸轮轮廓六、齿轮机构的设计1、齿轮机构的设计（1）、通过计算传动比，确定出齿轮2的齿数。已知：nO5=1440r/min，n2=72 r/min，dO5=300mm，dO3=100mm， z1=15,z1=50,zO=19，m12=6，=20。首先分析，整个轮系为定轴轮系，皮带轮3和5之间为带传动，齿轮O和1之间和齿轮1和2之间为齿轮啮合传动。带传动部分：i带=dO5dO3=31；齿轮O和1部分：iO1=z1/zO=50/19；齿轮1和2部分：i12= z2/ z1= z2/15；且已知总传动比：i52=nO5/n2=1440/72=20；i52=i带iO1i12=(3/1)(50/19)( z2/15)=20；解得： z2=38（2）、选择齿轮副的变位系数。传动形式属于开式齿轮传动，变位系数选择在不发生根切前提下，应使两齿轮最大滑动系数尽可能小且相等，本方案采用等变位齿轮传动（高度变位），简单，且综合性能较好。高度变位齿轮传动又称为等移距变位齿轮传动，其变位系数之和x=x1+x2=0，即x1=-x2。考虑到其啮合特点：由于x1+x2=0，因此可得a=a，y=0，y=0。从啮合传动角度看，高度变位齿轮传动和标准齿轮传动一样，两分度圆相切且与节圆重合作纯滚动。A、不发生根切的齿数限制：高度变位齿轮传动的变位系数，一个为正，一个为负。从提高强度、改善传动质量或避免根切的角度考虑，小齿轮变位系数为正，大齿轮变位系数为负。不发生根切的条件：x1ha*zmin-z1zmin，x2ha*zmin-z2zmin还需保证x1+x2=0，则有：z1+z22zmin。已知 z1=15， z2=38。可以计算出：x1117-1517 =0.1176 x2117-3817=-1.235z1+z2=15+38=532zmin=34B、 两齿轮最大滑动系数传动形式属于开式齿轮传动，应使两齿轮最大滑动系数尽可能小且相等，由于采用高度变位，x=0。且传动比i12= z2/ z1。查阅书籍得出最大滑动系数的计算公式：1max=tana2-tan1+z1z2tan-tana2（i+1i） 2max=tana1-tan1+z2z1tan-tana1(i+1)tana1=（da12-db12）/db1 tana2=（da22-db22）/db2式中：da1=m（2ha*+2x1+ z1），db1=d1cos20=m z1cos20=84.57 db1=m(2ha*+2x2+ z2)，db2=d2cos20= m z2cos20=214.25其中：=20 a1、a2分别为齿轮1、2的齿顶圆压力角。只需解出1max=2max即可，但是，联立方程之后存在超越函数，无法解出确切的数值解。由于x1=-x2，不妨设x1=x，那么可以对进行赋值，对x在0到1划分为100份，利用excel求出每个x所对应的tana1以及tana2，进而通过画出图像找出交点，寻找两齿轮最大滑动系数尽可能小而且相等的点。然后可以以变位系数x1为x轴，以1max和2max为y轴作出图像，找到二者的交点，进而初步确定出变位系数。作出图像如下：可以观察出大概在0.35到0.36之间比较合适，通过观察数据，初步确定变位系数为0.35，满足（1）中取值范围，所以暂定x1=0.35，x2=-0.35。（3）、根据选择变位系数的基本原则进行进一步修正A. 保证无侧隙啮合的几何条件：inv=inv+2（x1+x2）z1+Z2tan由于采用高度变位，所以=20，所以上式满足，所以无论x取何值均满足条件。B. 保证齿轮加工时不发生根切现象（在1中已经进行分析，在此不进行赘述）C. 保证必要的重合度为了保证齿轮传动的稳定性，重合度必须大于1，一般多要求1.2。外啮合齿轮传动的重合度计算公式为:=12z1（tana1- tan）+z2（tana2- tan）根据表中数据可以进行计算=1215（0.759-0.364）+38（0.459-0.364）=1.518=1.5181.2，所以符合条件。D. 保证齿轮啮合时不发生干涉齿条型刀具加工的外齿轮啮合时，小齿轮z1齿根不产生干涉的条件是：tan- z2z1( tana2-tan) tan-4(ha*-x1)z1sin2大齿轮z2齿根不产生干涉的条件是：tan-z1z2( tana1-tan) tan-4(ha*-x2)z2sin2将=20，z1=15，z2=38，ha*=1以及x1=0.35，x2=-0.35带入上式中，可以得出：4(ha*-x1)z1sin2=0.2697z2z1( tana2- tan)=0.24074(ha*-x2)z2sin2=0.2211z1z2( tana1- tan)=0.1559根据计算结果，所选取变位系数满足不干涉条件。E. 保证有必要的齿顶厚sa为了保证齿轮的齿顶强度，齿顶厚sa不能太薄。对于软齿面的齿轮，要求sa0.25m；对于硬齿面的齿轮，要求sa0.4m；式中m为齿轮的模数。齿顶厚sa为：sa=da（+4xtan2z+inv-inva）式中齿顶圆直径da=m（z+2ha*+2x），可以分别计算出da1=6（15+21+20.35）=106.2mmda2=6（38+21-20.35）=235.8mm齿顶圆压力角：a=arcos（db/da）：a1=0.6489rad，a2=0.4301rad式中inv为渐开线函数，inv=tan-（弧度表示）inv=tan20-/9=0.0151radinva1=tana1-a1=0.759-0.6489=0.1101radinva2=tana2-a2=0.459-0.4301=0.0289rad从而可以计算出齿顶厚sa1和sa2：sa1=106.2（+40.35tan20）/（215）+0.0151-0.1101=2.83mmsa2=235.8（+4（-0.35）tan20）/（238）+0.0151-0.0289=4.91mm通过比较可以得出：sa1=2.830.46=2.4mm sa2=4.910.46=2.4mm对于硬齿面的齿轮条件满足，所以所选变位系数可以保证有必要的齿顶厚sa。F. 两齿轮的最大滑动系数较小且相等前文已将公式列出，这里不予以赘述，通过计算当变位系数x1=0.35，x2=-0.35时，可以得出： 1=2.61，2=2.67比较小且在误差允许范围内可以近似看做相等。（4）、进一步计算出齿轮绘制所需的基本参数变位系数：x1=-x2=0.35分度圆直径：d1=mz1=90mm d2= mz2=228mm分度圆半径：rb1=d1/2=45mm rb2=d2/=114mm基圆直径：db1=d1cos20=84.57mm db2=d2cos20=214.25mm基圆半径：rb1=d1/2=42.285mm rb1=d2/2=107.125mm齿顶高：ha1 =（ha*+x1）m=（1+0.35）6=8.1 ha2 =（ha*+x2）m=（1-0.35）6=3.9齿根高：hf1=（ha*+c1*-x1）m=（1+0.25-0.35）6=5.4 hf2=（ha*+c2*-x2）m=（1+0.25+0.35）6=9.6顶隙系数：c1*=c2*=0.25齿顶圆直径：da1=d1+2ha1=106.2mm da2=d2+2ha2=235.8mm 齿根圆直径：df1=d1-2hf1=79.2mm df2=d2-2hf2=208.8mm中心距：a=a=159mm。可用CATIA以及CAXA进行齿轮的啮合，保证不发生根切等现象。2、渐开线的画法1) 计算出各圆直径db、d、d、df、da，画出相应的各圆。2) 连心线与节圆的交点为节点P，过P点作基圆的切线，与基圆相切与N1，则NP为理论啮合线段的一段。3) 将NP线段分成若干等分P1、12、23、4) 由渐开线的特性可知，弧长=NP，同时因弧长不易测量，故可按下式计算N0=dbsinNPdb180按此弦长在基圆上找到0点。5) 将基圆上的弧长分成与线段NP同样的等份，得到基圆上的对应点1、2、36) 过点1、2、3作基圆的切线，并在这些切线上分别截取线段11=1P、22=2P、33=3P得1、2、3各点。光滑连接0、1、2、3各点的曲线即为齿廓上节圆以下部分的渐开线。7) 将基圆上分点向左延伸，做出5、6取55=51P，66=61P，可得节圆以上渐开线的各点5、6直至画出齿顶圆为止。8)当dfdb时，在渐开线与齿根圆之间直接画出过渡圆角。22