机械原理课程设计牛头刨床吴春阳范本.doc

机械原理课程设计牛头刨床吴春阳

２５
2020年4月19日
文档仅供参考

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：机械类11（3） _____
设 计 者：吴春阳
学 号：
指导教师： 胡明
设计时间： -6-23到 -6-30

机械与自动控制学院
机械原理课程设计任务书
姓 名：吴春阳 专 业： 机械类
班 级：机械11（3）班 学 号：3
任务起至日期： 年 6月 23日 至 年 6月 30日
课程设计题目：牛头刨床设计
已知技术参数和设计要求：
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
47
390
110
540
0.33
0.5
240
50
310
1.40
导杆
机构
的
动态
静力
分析

260
800
4200
80
1.2
飞轮
转动
惯量
的
确定

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
126
41
65
10
65
齿轮
机构
的
设计

100
600
3
3.5
20

工作量：
完成4张A2图纸，1份计算说明书

指导教师签字： _
年 月 日

目 录

1.牛头刨床的工作原理和机构组成····································5

2.导杆机构························································6

2.1.导杆机构尺寸的确定 ··········································6

2.2.导杆机构的运动分析 ··········································6

2.3导杆机构的动态静力分析·······································13

3.凸轮机构的设计 ················································16

4.齿轮机构的设计·················································18

5.飞轮机构的设计·················································19

6.设计小结·······················································20

参考文献·························································20

1.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。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，此时要求速度较低而且均匀，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，此时要求速度较低而且均匀，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，利用空回行程的时间，凸轮8经过四杆机构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），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1-1 牛头刨床机构简图及阻力曲线图

2.导杆机构
2.1.导杆机构尺寸的确定
表2-1 导杆设计数据
导杆
机构 运动
分析

工作
行程
H
行程
速比
系数 K
47
390
110
540
0.33
0.5
240
50
310
1.40
导杆
机构
的
动态
静力 分析

260
800
4200
80
1.2

2.2.导杆机构的运动分析
2.2.1.设计步骤
做机构的运动简图，并作机构两位置的速度、加速度多边形。以上内容画在1号图纸上。
曲柄位置图的作法为取1和8为工作形成起点和终点对应的曲柄位置，1′和8′为切削起点和终点所对应的位置，其余2，3…12等，是由位置1起顺时针方向将曲柄圆周作12等分的位置。
步骤：
1） 设计导杆机构。按已知条件确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的最有利条件来确定，即x-x应位于B点所画圆弧高的平分线上（见图1-1）。
2） 作机构运动简图。选取比例尺按表2－1所分配的两个曲柄位置
作出机构的运动简图，其中一个位置用粗线画出。曲柄位置的做法如图2－2；取滑块6在上极限时所对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对应于滑块6处于下极限的位置。再作出开始切削和中止切削所对应的1’和8’两位置。共计14个机构位置。
图2-2 曲柄位置图
3）作速度，加速度多边形。选取速度比例尺=0.1（）和加速度比例尺=100（），用相对运动图解法作该两个位置的速度多边形和加速度多边形.
2.2.2.分析步骤
1).选取长度比例尺µ，作出机构在位置1 的运动简图。
如一号图纸所示，选取µ=l/OA（)进行作图，l表示构件的实际长度，OA表示构件在图样上的尺寸。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、清楚的表示，另外应在图面上留下速度多边形、加速度多边形等其它相关分析图形的位置。
取曲柄位置“2”进行速度分析
取构件3和4的重合点A进行速度分析。列速度矢量方程，得
υA4 = υA3 + υA4A3
大小 ? √ ?
方向 ⊥O4A ⊥O2A ∥O4B
取速度极点P，速度比例尺µv=10，作速度多边形。如图2-3。
A2

VB

VCB

VC
P

A4杆

P1

图2-3 曲柄位置2速度多边形
则由图2-3知，υA4=0.2525 υA4A3=0.4786
υB5=υB4=υA4·O4B/ O4A=0.3178
取5构件为研究对象，列速度矢量方程，得
υC5 = υB5 + υC5B5
大小 ? √ ?
方向 ∥XX ⊥O4B ⊥BC
其速度多边形如图2-3所示，有υC5=0.305
取曲柄位置“2”进行加速度分析.取曲柄构件3和4的重合点A进行加速度分析.列加速度矢量方程,得
aA4 = a A4n + a A4τ = a A3n + a A4A3k + a A4A3
大小 ? √ ? √ √ ?
方向 ? A→O4 ⊥O4B A→O2 ⊥O4B（向左）∥O4B（沿导路）
取加速度极点为P,加速度比例尺μa=200,作加速度多边形。如图2-4所示

图2-4 曲柄位置2加速度多边形
由已知条件可求得：
a A3=ω22×lO2A4·µl =5.3254
a A4A3k =2ω1υA4A3=1.127
a A4n =ω12×lO4A4·µl=0.2972
用加速度影像法求得：
a A4t=3.5 a A4A3=2.4
取5构件的研究对象，列加速度矢量方程，得
aC = aB5 n + aB5τ + aCB5n + aCB5τ
大小 ? √ √ √ ?
方向 ∥xx B→A ⊥AB C→B ⊥BC
其加速度多边形如图2-4所示，同理有 aC =5.95
取曲柄位置“4”进行速度分析
取构件3和4的重合点A进行速度分析。列速度矢量方程，得
υA4 = υA3 + υA4A3
大小 ? √ ?
方向 ⊥O4A ⊥O2A ∥O4B
取速度极点P1，速度比例尺µv=10，作速度多边形如图2-5。

A4

VCB
VB
P

P1
VC
A4杆

图2-5 曲柄位置4速度多边形
则由图2-5知，υA4=0.5277 υA4A3=0.112
υB5=υB4=υA4·O4B/ O4A=0.5739
取5构件为研究对象，列速度矢量方程，得
υC5 = υB5 + υC5B5
大小 ? √ ?
方向 ∥XX ⊥O4B ⊥BC
根据其速度多边形如图2-5所示，有 υC5= 0.58
取曲柄位置“4”进行加速度分析.取曲柄构件3和4的重合点A进行加速度分析.列加速度矢量方程,得
aA4 = a A4n + a A4τ = a A3n + a A4A3k + a A4A3
大小 ? √ ? √ √ ?
方向 ? A→O4 ⊥O4B A→O2 ⊥O4B（向左）∥O4B（沿导路）
取加速度极点为P,加速度比例尺μa=200,作加速度多边形图如图2-6所示

图2-6 曲柄位置4 加速度多边形
由已知条件可求得：aA4n=ω12×lO4A4·µl=11.2
a A3n =ω22×lO2A4·µl=5.3254
a A4A3k =2ω1υA4A3 =0.51
取5构件的研究对象，列加速度矢量方程，得
aC = aB5 n + aB5τ + aCB5n + aCB5τ
大小 ? √ √ √ ?
方向 ∥xx B→A ⊥AB C→B ⊥BC
其加速度多边形如图2─6所示，同理有 aC =2
取曲柄位置“ 6”进行速度分析
取构件3和4的重合点A进行速度分析。列速度矢量方程，得
υA4 = υA3 + υA4A3
大小 ? √ ?
方向 ⊥O4A ⊥O2A ∥O4B
取速度极点P1，速度比例尺µv=10，作速度多边形如图2-7所示。
P1

VC
A4杆

VCB
P

VB

A6

图2-7 曲柄位置6速度多边形
则由图2-7知，υA4=0.4462 υA4A3= 0.3062
υB5=υB4=υA4·O4B/ O4A=0.5065
取5构件为研究对象，列速度矢量方程，得
υC5 = υB5 + υC5B5
大小 ? √ ?
方向 ∥XX ⊥O4B ⊥BC
其速度多边形如图2-7所示，有υC5= 0.5
取曲柄位置“6”进行加速度分析.取曲柄构件3和4的重合点A进行加速度分析.列加速度矢量方程,得
aA4 = a A4n + a A4τ= a A3n + a A4A3k + a A4A3
大小 ? √ ? √ √ ?
方向 ? A→O4 ⊥O4B A→O2 ⊥O4B（向右）∥O4B（沿导路）
取加速度极点为P,加速度比例尺μa=200,作加速度多边形。如图2-8所示。

图2-8 曲柄位置6加速度多边形
由已知条件可求得： a A3=ω12×lO2A6·µl =53.2
aA4A3k=2ω1υA4A3=11.5
a A4n =ω12×lO4A·µl=8.37
用加速度影象法求得：a A4t=1.9
a A4A3=2.9
取5构件的研究对象，列加速度矢量方程，得
aC = aB5 n + aB5τ + aCB5n + aCB5τ
大小 ? √ √ √ ?
方向 ∥xx B→A ⊥AB C→B ⊥BC
其加速度多边形如图4-6所示，同理有aC =3.9
2.3.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JS4及切削力P的变化规律
要求：按表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。以上内容在运动分析的同一张图纸上。
选取5位置导杆机构的动态静力分析
其阻力体如图2-9，选取力比例尺µ=100
P

FRI6
FI6
G6
P

FR45

G6

y

FRI6
FR45
x

图2-9 曲柄位置5阻力体示图、力多边形图
已知P=4200，G6=800，又ac=3,那么我们能够计算
FI6=-m6×ac =- G6/g×ac =-800/9.81×3N=-244.9
又 ΣF = P + G6 + FI6 + FR45 + FRI6 =0
方向： ∥x轴 ∥y轴 与ac反向 ∥BC ∥y轴
大小： 4200 800 -m6a6 ? ?
作力多边行如图2-9所示，选取力比例尺µN=100。
由图2-10力多边形可得：
FR45=CD·µN=44.5×100N=4450 Fy= AD·µN=6×100N=600
分离3,4构件进行运动静力分析，杆组力体图如图2-10所示。
FR34

FR54

G4

FR14

图2-10杆组力体图
已知：FR54= FR45=4450 N
取构件4为受力平衡体，对A点取矩得：
ΣF = FR54 + FR34+ FR14+ G4 = 0
方向: ∥BC ⊥O4B ? 竖直向下
大小： √ ? ？ √
作力的多边形如图2-10所示，选取力比例尺µN=100。
FR34*LO4A= FR54sin（7.2°）*LO4B+G4 *sin（9.7°）*LO4S4
FR54=FR45=4450
解得：FR34=4780

FR34

FR14
G4
FR54

图2-11力多边形图
由图2-11得：
FR14=LGF·µN=8×100N=800N
因为曲柄2滑块3的重量可忽略不计，有FR12= FR32
对曲柄2进行运动静力分析，作组力体图如图2-13示：

FR32
M

FR12

图2-13 曲柄2静力分析
曲柄2为受力平衡体，对O2点取矩得：FR12= FR32
ΣMO2= M- FR32 sin(78°)L O2 Aµl=0即M=514.31
3.凸轮机构的设计
确定凸轮机构的基本尺寸，选取滚子半径，划出凸轮轮廓线。以上内容做在2号图纸上。
设计过程
选取比例尺，作图μl=1.0。
推程角和回程角相等且φ0 =65°，凸轮角速度w=4.9
1)等加速推程阶段公式：
Ψ=2Ψmax * φ²/φ0 ²
dΨ/dφ=4Ψmax * φ * w/φ0 ²
dΨ²/dφ²=4Ψmax * w²/ φ0 ²
从凸轮上1点开始分别取φ=0°，10°，20°,30°，32.5°带入上面三个 公式，分别计算四个点的Ψ，dΨ/dφ，dΨ²/dφ²。这几个点分别记作点1、2、 3,4，4´。
2)等减速推程阶段公式：
Ψ=Ψmax—2Ψmax *（φ0—φ）²/φ0 ²
dΨ/dφ=4Ψmax * w（φ0 –φ） /φ0 ²
dΨ²/dφ²=—4Ψmax * w²/ φ0 ²
从凸轮上1点开始分别取φ=40°，50°,60°，65°带入上面三个公式，分别计算出四个点的Ψ，dΨ/dφ，dΨ²/dφ²。这几个点分别记作点5、6、7
7´。点8在70°处，位于远休止角处。
3)等加速回程阶段公式：
Ψ=Ψmax—2Ψmax * φ²/φ0 ²
dΨ/dφ=—4Ψmax * φ * w/φ0 ²
dΨ²/dφ²=—4Ψmax * w²/ φ0 ²
从凸轮上65°点开始分别取φ=10°，20°,30°，32.5°带入上面三个公式，分别计算四个点的Ψ，dΨ/dφ，dΨ²/dφ²。这几个点分别记作点9、10、11、
11´。
4)等减速回程阶段公式：
Ψ=2Ψmax *（φ0—φ）²/φ0 ²
dΨ/dφ=—4Ψmax * w（φ0 –φ） /φ0 ²
dΨ²/dφ²=4Ψmax * w²/ φ0 ²
从凸轮上65°点开始分别取φ=40°，50°,60°，65°带入上面三个公式，分别计算四个点的Ψ，dΨ/dφ，dΨ²/dφ²。这几个点分别记作点12、13、14、
14´。
根据上面的一系列点，画摆角Ψ随着凸轮的转φ变化的图像图像（纵坐标比例尺µ2=0.00374），dΨ/dφ随着凸轮的转φ变化的图像纵坐标比例尺（µ2=0.0454），dΨ²/dφ²随着凸轮的转φ变化的图像（µ2=0.438），
确定基圆的半径和中心距；
以摆杆长为半径，以摆动中心为圆心，以最大摆角Ψmax角为圆心角作圆弧。自摆动中心作一系列辐射线按预定摆角分割Ψmax，所对应的弧，得到相应的分割点。在摆动中心相应辐射线上由各分割点分别向左或右截取各线段，线段所代表的实际长度就等于lO2O9*dΨ/dφ，截取方向根据D点速度方向顺着凸轮转向转过90o后所指的方向来确定。然后过各线段的末点作与相应辐射线的法线的夹角成为[α]（许用压力角）的直线，即一系列直线确定凸轮中心的安全区域，然后在安全中心确定凸轮中心，找到最小基圆半径ΨωμΨρ；分别取相应的凸轮基圆半径r0=60和中心距O2O9=154.5。
以O2 为中心， r0 为半径，画出凸轮基圆
在凸轮基圆上面找一点D，以D点为圆心，以lO9D圆为半径画一段圆弧1。再以O2为圆心，以lO2O9为半径画一段圆弧2与圆弧1相交于点O9，则O9即为摆杆的中心。
连接点O9和D，O9D即为摆动从动件推程起始位置，再以逆时针方向旋转并在转轴圆上分别画出推程、远休、回程、近休，这四个阶段。再以10°对推程角前60°等分为6分，推程推程最后一段为5°、以10°对回程角前60°等分为6分，回程角最后一段为5°。将摆杆O9D对应的Ψmax =15°按照辐射线所分割出一系列的点，以O2为圆心，以O2到这些点的距离为半径分别做一系列圆弧。在这些圆弧对应的地方画出滚子圆，于是得到了滚子圆心所构成的一系列的点，这些点即为摆杆再反转过程中依次占据的点，再用光滑曲线把各个点连接起来即可得到凸轮的理论轮廓线。最后画出一条与各个滚子圆相切，这样就得到了凸轮的实际轮廓线。
4.齿轮机构的设计
4.1.计算步骤
确定Z1,Z2的齿数并根据图像法计算变位系数，根据渐开线的形成原理作图于A2纸上。
io'o''=do''/do'=3;no'=1440;no''=480;n2=47
io''o2=no''/n2=z2z1'/zo''z1=10.21;z1'=40;z1=10;zo''=20z2=51
根据计算得变位系数取X1=0.4 ; X2= -0.4
节圆：d1'=z1m12=60; d2'=z2m12=306;
尺顶圆： ha1= 8.4， da1=d1+2ha1=76.8;
ha2= 3.8, da2=d2+2ha2=313.2;
基圆： d基1=d1cos=56.4; d基2= d2'cos=287.5;
齿根圆： hf1=10.2 df1=d1-2hf1=49.8, hf2=9.9 df2=d2-2hf2=286.2
S1= m12π/2+2m12x1tan20=11.17
S2= m12π/2+2m12x2tan20=7.68
4.2.绘制步骤
1. 选取适当得比例后确定齿轮中心O1 O2。分别以O1O2为圆心做基圆、分度圆、节圆、齿根圆、齿顶圆。
2. 画两齿轮基圆内的公切线，它与连心线O1O2的交点为节点P，而P点又为两圆的切点，基圆内公切线N1N2与过P点的节圆切线间的夹角为啮合角α′。
3. 过节点P分别画出两齿轮在顶圆与根圆之间的齿廓曲线。
4. 按已算得的齿厚s和齿距p计算对应的弦长s′，p′。
s′= mπ/2+2mxtanα
P′= mπ/2-2mxtanα
按s′和p′在分度圆上截取弦长得A、C点，则AB=s′，AC=s′
5. 齿轮O1的齿顶圆与基圆内公切线N1N2的焦点即为B1，齿轮O1的齿顶圆与基圆内公切线N1N2的焦点即为B2，B1B2的长度即为齿轮黏合长度。
6. 做出齿廓工作段。B2为起始啮合点，以O2为圆心、O2B1为半径做圆弧交齿轮2的齿廓于b2点到齿顶圆上点a2一段为齿廓工作段。同理可做出齿轮1的齿廓工作段。

5、飞轮机构的设计
已知 ：机器运转的速度不均匀系数δ，平衡力矩M，飞轮安装在O2
处，驱动力矩Ma为常数。
阻力矩
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
M
/N•m
0
253.8
416.4
434.6
493.3
430.4
287.8
31.1
198.5
572.4
72.2
-303.5
1、根据2所算出来的的12个点的反力矩M绘制Mc（φ）和Ma（φ）的图像，数据如下：
2、根据图像Mc（φ），用积分法求一个循环中阻力功Ac=Ac（φ）的图像。
3、求最大动态剩余功[A´]。将Aa=Aa（φ）图像与Ac=Ac（φ）图像的纵坐标想减，即得到一个运动循环中的动态剩余功图像A´= A´（φ）。该线图的纵坐标最高点与最低点的距离，即表示最大动态剩余功[A´]。
4、根据公式
JF =900[A´]/(π²•n2²•δ)
由图已知：
[A´]=342.4 n2=47
解得：
JF =900×342.4/(π²×47²×0.15)=94.23

6.设计小结
将近一个星期的机械原理课程设计终于结束了，在这次实践的过程中我学到了上课无法领会的部分,而且领略到了室友在处理专业技能问题时显示出的优秀品质,更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制,最重要的还是自己能够提出一些问题然后解决它的快乐。
在实习设计当中依靠与被依靠对我的触及很大,比如室友很有责任感,把这样一种事情当成是自己的重要任务,并为之付出了很大的努力,不断的思考自己所遇到的问题。而我相对于她来说就比较不独立，不理解的都去问她，这也让我感受到了友谊的重要性。其实在生活中这样的事情也是很多的,当我们面对很多问题的时候所采取的具体行动也是不同的,这当然也会影响我们的结果。因此我们要端正自己的态度，有明确的目的，只有这样把自己身置于具体的问题之中,我们才能更好的解决问题.
在今后的学习中,我希望自己能够戒骄戒躁,端正,虚心认真，要永远的记住一句话:态度决定一切.

参考文献
[1] 孙桓，陈作模，葛文杰. 机械原理[M](第七版).北京：高等教育出版社， .
[2] 罗洪田. 机械原理课程设计指导书[M].北京：高等教育出版社，1986.