机械原理课程设计摇摆式输送机.docx

机械原理课程设计机械原理课程设计 摇摆式输送机摇摆式输送机说明书说明书 负负 责责 人：人：何竞飞何竞飞 学学 院：院：机电工程学院机电工程学院 班班 级：级：机械机械 11021102 班班 学学 号：号：日日 期：期：20232023 年年 7 7 月月 1 1 日日 目录 1设计任务及原始参数 2运动方案设计 2.1 主机构方案 2.2 电动机主机构（齿轮传动机构方案）2.3 总体方案图 3.电动机选择.3.1 电动机型号 3.2 电动机的功率 4.传动比分派 5.齿轮机构设计 5.1 齿轮参数选择 5.2 变位齿轮设计 6.主机构设计 7.主机构运动分析 8.主机构受力分析 9.主机构速度波动调节 9.1 等效力矩拟定 9.2 最大盈亏功计算 9.3 等效转动惯量计算 9.4 飞轮转动惯量计算 10.设计总结 1.1.课程设计的任务课程设计的任务 机械原理课程设计的任务是对机器的主体机构进行运动分析、动态静力分析，求出所有的运动副反力及平衡力矩。规定学生根据设计任务，绘制必要的图纸（或编制计算程序），编写设计计算说明书。要达成课程设计的目的，必须配以课程设计的具体任务：按照选定的机械总功能规定，分解成分功能，进行机构的选型与组合；设计该机械系统的几种运动方案，对各运动方案进行对比和选择；对选定方案中的机构连杆机构、凸轮机构、齿轮机构，其他常用机构，组合机构等进行运动分析与参数设计；通过计算机编程，将机构运动循环图在计算机屏幕上动态地显示出来，并给出相应的运动参数值。原始数据：原始数据：参数项目参数项目 物料重量 G（Kg）曲柄转速 n4(r/min)行程速比系数 K 位置角 1()3120 114 1.2 60 摇杆摆角角2()l (mm)h (mm)lCD (mm)60 220 360 270 2.2.运动方案设计运动方案设计 2.1 主机构方案 通过查询分析几种经典的运送机结构并分析其优缺陷，结合自己的改动拟定了 机构的基本结构位置和转动方式。2.2 电动机主机构方案 2.3 总体设计方案 3.电动机选择 3.1 电动机型号 结合功率及转速可以拟定电动机型号为 Y18L-4 选自 秦大同现代机械设计手册P25-24“Y 系列三相异步电动机数据”3.2 电动机的功率 设通过皮带齿轮传动后加于主机构的功率为 Pr，地面 与小车之间的摩擦系数 f=0.01，一个周期滑杆行进的路程为 H。每次小车获得的动能为车，一秒完毕的周期数为 n 根据公式：磨=2FrH，(3-1)f=0.1 Fr=fG,(3-2)G=3120Kg 车=0.5m(3-3)H=0.27m W=n(车+磨)(3-4)n=1.9 Pr=W/T,=2.1m/s 可以求得:Pr=16.272Kw 选择 V 带传动和二级齿轮传动，传动装置 1=0.94 的总效率=12345 2=3=4=0.98 5=0.99 其中1为皮带传动效率，234为轴承传动 数据取自毛炳秋机械设计 效率，5为齿轮传动效率。课程设计P20 2-13 得到=0.8711 实际电动机功率 P=Pr/P=18.6Kw,结合功率及转速可以拟定电动机型号为 Y18L-4 （选自 秦大同 现代机械设计手册 P25-24“Y系列三相异步电动机数据”）4.主机构设计 主机构的设计及各杆尺寸的拟定通过 CAD 作图测量得到。重要过程：1.取一点 D 作为一个机架，过D做两条与水平线分别成60和120长为270mm的直线，直线端点为 C，BD=0.6CD=162mm，即可拟定 B 点。行 程 速 比 系 数 K=1.2，由 公 式 =180（K+1）/（K 1）可以求出角度为 16.36 以 B1，B2 点为角的边做角度 16.36，角的顶点记为 D 点。以 B1，B2，D 三点画圆，以 D 点水平向左做一条长为 220mm 的线段，垂直向上与圆交与 O 点，连接 OB1 和 OB2,可以测量的 OB1=166.22mm，OB2=314.14mm，根据主机构结构特点，B1，B2 为两极限位置，则 OA+AB=314.14mm，AB-OA=166.22mm。根 据 此 方 程 求 解 得OA=74.09mm，AB=240.31mm。由 h=360mm 可知，另一机架与D 点竖直距离为 360mm。测得最小传动角为43，符合传动规定。主机构构件长度及位置拟定完毕。参考 4.传动比的分派 计算总传动比：公式：i=可以得到 i=12.6，本机构采用皮带轮加二级圆柱齿 轮减速器构成。皮带轮传动比为皮=2，则齿轮机构传 =1440r/min 为动比齿=12.6/2=6.2，齿轮机构设计图如下：=114r/min 公式：齿=2312,设齿轮 1 和 2 间的传动比为1，齿轮 2 和 3 之间的传动比为2.公式：1=1.42=1.4齿（毛炳秋机械设计课程设计P19 2-6 1=3，2=2.1 5.齿轮系的设计 1.齿轮基本数据的拟定 由第四步已经拟定了齿轮间的传动比，根据公式可以拟定各个齿的齿数。根据公式12=21可以得到：1=20 2=60 2=20 3=40 取齿轮的模数 m=5，可以得到齿轮的基本参数：项目 代号 小齿轮 大齿轮 模数 m 5 5 压力角 20 20 分度圆直径 d 100mm 300mm 齿顶高 5mm 齿根高 6.25mm 齿全高 h 11.25mm 齿顶圆直径 110mm 310mm 齿根圆直径 87.5mm 287.5mm 基圆直径 94mm 282mm 齿距 p 15.7mm 基圆齿距 14.75mm 齿厚 s 7.85mm 齿槽宽 e 7.85mm 顶隙 c 1.25mm 标准中心距 a 200mm 公式来源 孙恒机械原理P180 10-2 2.变位齿轮的选取 由于变速后使齿轮的的转速减少，加大了低速齿轮间的作用力，为了 避免因应力过大而导致齿轮的磨损和破坏，将低速齿轮设计为变位齿轮以 提高齿轮的承载能力。资料来源 孙恒机械原理P191 根据上表公式 a=m(3+2)/2 a=150mm 可以求得标准中心距，可以取变位后的 2=40 中心距,=152mm m=5 公式：,=arccos(acos,)3=20 得到,=21 变位系数1+2=(inv,inv)(3+2)/(2tan)得到1+2=0.2 查表可得1=0.15，2=0.05 参考公式 孙恒机械原理P191 10-28 变位齿轮基本参数：名称 符号 不等变位齿轮传动 变位系数 x 1+2=0.2 节圆直径 ,1,=201mm 2,=100.6mm 啮合角 ,21.2 齿顶高 3.75mm 3.25mm 齿根高 5.5mm 6mm 齿顶圆直径 208.5mm 107.1mm 齿根圆直径 190mm 88.6mm 中心距 a 150.8 中心距变动系数 y 0.4 齿顶高减少系数 y -0.2 参考公式 孙恒机械原理P192 10-4 6.主机构运动分析 使用 CATIA 完毕 1.构件的建立：使用 CATIA 将各个构件按照长度比例画出。OA 杆：AB 杆：CD 杆：滑块：滑杆：机架：整体效果图：对主机构进行运动分析：采用 CATIA 进行 DMU 运动仿真，选取 OA 杆的转动角度为横坐标，以滑杆的速度加速度为纵坐标画出图像并进行导出。滑杆位移图像：滑杆的速度图像：滑杆的加速度图像：摆杆位移图像：摆杆角速度图像：摆杆角加速度图像：7，机构的受力分析 机构分析环节：1.进行速度分析，画出每个点的速度矢量图。2.进行加速度分析，画出加速度矢量图。3.将角加速度及加速度化为等效惯性力。4.取单个构件进行力矢量求解得到各个力并求出等效力矩 （孙恒 机械原理P57）对当=150时的机构进行力分析：7.1 速度分析：根据机构特点可以列出速度矢量方程：=+(7-1)=0.88m/s =21/60(7-2)画出速度矢量图：=0.5m/s =0.6m/s 选定比例系数测量出三个速度大小 =1.5 m/s 7.2 加速度分析 根据公式=v2/l(7-3)=1.54 m/s 求出 =10.45m/s 根据加速度矢量方程式：=0 +=+CD CD OA OA AB AB 做出加速度矢量图：2 =11.1m/s =6.8m/s 2=8.4m/s =5.6m/s 选取比例系数可以测量出2 7.3 加惯性力 公式 M=J.(7-4)=2Kg.m 可以求出 AB 杆上的惯性力矩 F=M/L(7-5)2=403.2N F=ma(7-6)h=13mm 求出加在 AB 杆上的惯性力2及偏移量 h 7.4 对机构进行力分析 取滑块进行分析：=10.7m/s 将 C 的加速度沿水平和竖直方向分解可以得到：=3.1m/s 对滑块进行受力分析：滑块受到的力：34 34 54 4 4 列出方程：34-54=m(7-7)34=562N 34-4=m(7-8)34=749N 对 CD 杆进行受力分析：CD 杆受到的力有：43 43 23 63 63 3 =100mm 对 D 点取矩得到公式：=253mm =50mm 43+43+3=23+/(7-9)=162mm 可以得到23 23=753N 对 AB 杆进行分析 AB 杆受到的力有2 2 32 12 12 2=480N 可以画出力的矢量图：12 12 2 2 32 12=300N 选取比例系数可以求出12 12 12=990N 对 OA 杆进行分析 将12 12反向并沿平行和垂直方向分解于 OA 杆上 21 21 1 对 O 点求矩可以得到方程：=21+121 用此方法分析其余两位置可得到其余参数。1=150N 备注：若考虑小车及物料质量，在小车和物料存在时 =32mm 等效力矩将极大。=21.8N.m 9主机构速度波动调节 9.1 matlab 求解平衡力矩 取曲柄 OA 为等效构件，根据机构位置和切削阻力 Fr 拟定一个运动循环中 的等效阻力矩 Mr（）。通过 MATLAB 建模可以得到整个机构的等效组力矩的图像，可以运用积分求 出平均阻力矩，函数源代码如下：clear all;clc;%初始条件 theta1=linspace(-25.72,334.28,100);%单位度 theta1=theta1*pi/180;%转换为弧度制 W1=52.2*pi/30;%角速度 单位rad/s H=0.4;%行程 单位m L1=0.074;%O2A的长度 单位m L3=0.24721;%O3B的长度 单位m L4=0.2718;%BF的长度 单位m L6=0.38833;%O2O3的长度 单位m L6u=0.62132;%O3D的长度 单位m Z=pi/180;%角度与弧度之间的转换 dT=(theta1(3)-theta1(2)/W1;%时间间隔 for j=1:100 t(j)=dT*(j-1);%时间因素 end%求解S3、Theta3、Theta4和SE四个变量 S3=(L6)2+(L1)2-2*L6*L1*cos(theta1+pi/2).0.5;%求出O3A的值 for i=1:100%求解角度theta3、Theta4和SE的长度 theta3(i)=acos(L1*cos(theta1(i)/S3(i);theta4(i)=asin(L6u-L3*sin(theta3(i)/L4);SE(i)=L3*cos(theta3(i)+L4*cos(theta4(i);end%求解完毕%求解完毕%求解VS3、W3、W4和VE四个变量 for i=1:100 J=inv(cos(theta3(i),-S3(i)*sin(theta3(i),0,0;sin(theta3(i),S3(i)*cos(theta3(i),0,0;0,-L3*sin(theta3(i),-L4*sin(theta4(i),-1;0,L3*cos(theta3(i),L4*cos(theta4(i),0);K=J*W1*-L1*sin(theta1(i);L1*cos(theta1(i);0;0;VS3(i)=K(1);W3(i)=K(2);W4(i)=K(3);VE(i)=K(4);end%求解完毕%求解aS3、a3、a4、aE四个变量 for i=1:100 J=inv(cos(theta3(i),-S3(i)*sin(theta3(i),0,0;sin(theta3(i),S3(i)*cos(theta3(i),0,0;0,-L3*sin(theta3(i),-L4*sin(theta4(i),-1;0,L3*cos(theta3(i),L4*cos(theta4(i),0);P=W1*W1*-L1*cos(theta1(i);-L1*sin(theta1(i);0;0;M=-W3(i)*sin(theta3(i),-VS3(i)*sin(theta3(i)-S3(i)*W3(i)*cos(theta3(i),0,0;W3(i)*cos(theta3(i),VS3(i)*cos(theta3(i)-S3(i)*W3(i)*sin(theta3(i),0,0;0,-L3*W3(i)*cos(theta3(i),-L4*W4(i)*cos(theta4(i),0;0,-L3*W3(i)*sin(theta3(i),-L4*W4(i)*sin(theta4(i),0;N=VS3(i);W3(i);W4(i);VE(i);K=J*(-M*N+P);aS3(i)=K(1);a3(i)=K(2);a4(i)=K(3);aE(i)=K(4);end%求解完毕%动态静力分析%初始条件 M4=194.1;M5=48.54;M6=62;Js4=6.775;Js5=0.106;Fc=4000;Ls4=0.5*L3;Ls5=0.5*L4;%给摩擦力赋值 for i=1:100 if(abs(SE(1)-SE(i)0.05*H&abs(SE(1)-SE(i)0.95*H)&(theta1(i)1.05*H&abs(SE(1)-SE(i)1.95*H)&(theta1(i)pi)Fc(i)=200;else Fc(i)=0;end end end%赋值完毕%求解平衡力矩 J4=Js4+M4*(0.5*L3)*(0.5*L3);%导杆对点O3的转动惯量 for i=1:100 Ekk(i)=(M6*VE(i)*VE(i)+Js5*W4(i)*W4(i)+M5*VE(i)*VE(i)+J4*W3(i)*W3(i)/2;%计算总动能 end dEkk(1)=Ekk(1)-Ekk(100);%动能的改变量 for i=2:100 dEkk(i)=Ekk(i)-Ekk(i-1);%动能的改变量 end for i=1:100 MM(i)=(dEkk(i)+Fc(i)*abs(VE(i)/W1;%求平衡力矩 end%画图%画运动图 figure(1);plot(t,theta3,r);hold on;plotyy(t,theta4,t,SE);grid on;xlabel(时间t/s);ylabel(theta3、theta4(rad);title(角度Theta3、theta4和位移SE);axis(0,0.75,-0.2,2);figure(2);plot(t,W3,r);hold on;grid on;plotyy(t,W4,t,VE);xlabel(时间t/s);ylabel(W3、W4(rad/s);title(角度速度W3、W4和速度VE);axis(0,0.75,-5,3);figure(3);plot(t,a3,r);hold on;plotyy(t,a4,t,aE);grid on;xlabel(时间t/s);ylabel(a3、a4(rad/s/s);title(角度加速度a3、a4和加速度aE);axis(0,0.75,-80,80);%运动图画完%画反力图 figure(4);plotyy(theta1,Fc,theta1,SE);xlabel(Theta1（时间t）);ylabel(Fc);axis(theta1(1),theta1(100),-50,1400);title(切削阻力Fc与位移SE);grid on;figure(5);plotyy(theta1,MM,theta1,Fc);xlabel(Theta1（时间t）);ylabel(力矩);axis(theta1(1),theta1(100),-50,700);title(平衡力矩);grid on;figure(6);plotyy(theta1,Ekk,theta1,SE);xlabel(Theta1（时间t）);ylabel(Fc);title(导杆、滑杆和滑块的总动能);grid on;theta1(1)theta1(100)得到阻力矩的变化图像如下：9.2 等效力矩 采用数值积分的方法运用公式：0()=()9-1 可以计算出()=34906J 计算出等效力矩=5500N.m 9.3 最大盈亏功 由 M（）MdM（）拟定等效力矩 M（）。根据 M（）的值采用数值积分中的梯形法，计算一个运动循环中曲柄处在计算位置时等效力矩 M（）的功 W（），将一个周期分为 18 等份，选出其中 最大的盈亏功 =440J 9.4 等效转动惯量 根据公式：=1+2(21)+3(31)9-2 可以得到：=2.26Kg.m 9.5 外加飞轮转动惯量 根据公式：=/()-9.3 得=2442Kg.m 公式取自 孙恒机械原理 P101 10.课程设计总结 作为一名机械自动化专业的大二学生，我觉得做机械原理课程设计是十分故意义的，并且是十分必要的。在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是公共和专业基础课，在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，而做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台，使我们能把所学的专业基础课理论知识运用到实践中去。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属用 AutoCAD 画图和用 CATIA 建模仿真。在制作过程中，我对以前学过的技术更加纯熟，同时又学到了更多的技术。两周的课程设计虽然已经结束了，但是从中学到的知识会让我受益终身。相信这次设计带给我们的严谨的学习态度和一丝不苟的科学作风将会给我们未来的工作和学习打下一个更坚实的基础。发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。附录：参考文献 1龚溎义 罗圣国 主编机械设计课程设计指导书 高等教育出版社 1990年 4 月第二版机械设计课程设计图册 2 孙桓 陈作摸 葛文杰 机械原理（第七版）主编 高等教育出版社，2023.5 3沈乃勋主编 机械原理课程设计高等教育出版社 公开出版 1998 年。4秦大同主编现代机械设计手册化学工业出版社 2023 年