机械原理课程设计——压床.doc

Z S T U
Zhejiang Sci-Tech University

机械原理课程设计
说明书

设计题目: 压床机构设计

专业班级： XXX

姓名学号： XXX

指导教师： XXX

完成日期： 2013年X月X日

目录
一. 设计要求-------------------------------------------------------3

1. 压床机构简介---------------------------------------------------3
2. 设计内容--------------------------------------------------------3
(1) 机构的设计及运动分折----------------------------------------3
(2) 机构的动态静力分析-------------------------------------------3
(4) 凸轮机构设计---------------------------------------------------3

二．压床机构的设计: --------------------------------------------4

1. 连杆机构的设计及运动分析-------------------------------4
(1) 作机构运动简图---------------------------------------------4
(2) 长度计算-----------------------------------------------------4
(3) 机构运动速度分析-------------------------------------------5
(4) 机构运动加速度分析----------------------------------------6
(5) 机构动态静力分析-------------------------------------------8

三．凸轮机构设计-------------------------------------------------11

四．飞轮机构设计-------------------------------------------------12

五．齿轮机构设计-------------------------------------------------13

六．心得体会-------------------------------------------------------14

七、参考书籍 -----------------------------------------------------14

一、压床机构设计要求
1.压床机构简介
图9—6所示为压床机构简图。其中，六杆机构ABCDEF为其主体机构，电动机经联轴器带动减速器的三对齿轮z1-z2、z3-z4、z5-z6将转速降低，然后带动曲柄1转动，六杆机构使滑块5克服阻力Fr而运动。为了减小主轴的速度波动，在曲轴A上装有飞轮，在曲柄轴的另一端装有供润滑连杆机构各运动副用的油泵凸轮。

2.设计内容：
（1）机构的设计及运动分折
已知：中心距x1、x2、y, 构件3的上、下极限角，滑块的冲程H，比值
CE／CD、EF／DE，各构件质心S的位置，曲柄转速n1。
要求：设计连杆机构 , 作机构运动简图、机构1～2个位置的速度多边形和加速度多边形、滑块的运动线图。以上内容与后面的动态静力分析一起画在l号图纸上。
（2）机构的动态静力分析
已知：各构件的重量G及其对质心轴的转动惯量Js(曲柄1和连杆4的重力和转动惯量（略去不计)，阻力线图(图9—7)以及连杆机构设计和运动分析中所得的结果。
要求：确定机构一个位置的各运动副中的反作用力及加于曲柄上的平衡力矩。作图部分亦画在运动分析的图样上。
（3）凸轮机构构设计
已知：从动件冲程H，许用压力角[α ]．推程角δ。，远休止角δı，回程角δ'，从动件的运动规律见表9-5，凸轮与曲柄共轴。

要求：按[α]确定凸轮机构的基本尺寸．求出理论廓
线外凸曲线的最小曲率半径ρ。选取滚子半径r，绘制凸轮实际廓线。以上内容作在2号图纸上

二、压床机构的设计
1、连杆机构的设计及运动分析
设计内容
连杆机构的设计及运动分析
单位
mm
（º）
mm

r/min

符号
X1
X2
y
ρ'
ρ''
H
CE/CD
EF/DE
n1
BS2/BC
DS3/DE
数据
70
200
310
60
120
210
1/2
1/4
90
1/2
1/2
（1） 作机构运动简图：

（2）长度计算：
已知：X1＝70mm，
X2＝200mm，Y＝310mm，
＝60°，＝120°，
H＝210mm，
CE/CD=1/2, EF/DE=1/2, BS2/BC=1/2, DS3/DE=1/2。

由条件可得；∠EDE’=60°
∵DE=DE’
∴△DEE’等边三角形
过D作DJ⊥EE’，交EE’于J，交F1F2于H
∵∠JDI=90°
∴HDJ是一条水平线，
∴DH⊥FF’
∴FF’∥EE’
过F作FK⊥EE’ 过E’作E’G⊥FF’，∴FK＝E’G
在△FKE和△E’GF’中，KE＝GF’，FE=E’F’,
∠FKE=∠E’GF’=90°
∴△FKE≌△E’GF’
∴KE= GF’
∵EE’=EK+KE', FF’=FG+GF’
∴EE’=FF’=H
∵△DE'E是等边三角形
∴DE=EF=H=210mm
∵EF/DE=1/2, CE/CD=1/2
∴EF=DE/4=180/4=52.5mm CD=2*DE/3=2*180/3=140mm
连接AD,有tan∠ADI=X1/Y=70/310
又∵AD=mm
∴在三角形△ADC和△ADC’中，由余弦定理得：
AC=mm
AC’=mm
∴AB=(AC-AC’)/2=69.015mm BC=(AC+AC’)/2=314.425mm
∵BS2/BC=1/2, DS3/DE=1/2
∴BS2=BC/2=314.46/2=157.2125mm DS3=DE/2=210/2=105mm
由上可得：
AB
BC
BS2
CD
DE
DS3
EF
69.015mm
314.425mm
157.2125mm
140mm
210mm
105mm
52.5mm
比例尺 0.05mm/(m/s)

（3）机构运动速度分析：
已知：n1=90r/min；
= rad/s = =9.425 逆时针
= ·lAB = 9.425×0.069015=0.650m/s
= +
大小 ? 0.65 ?
方向 ⊥CD ⊥AB ⊥BC

选取比例尺μv=0.004m/(mm/s)，作速度多边形
＝· ＝0.03/0.05=0.600m/s
＝· ＝0.009/0.05=0.180m/s
＝· ＝0.45/0.05=0.900m/s
＝· ＝0.44/0.05=0.880m/s
＝·＝0.01/0.05=0.200m/s
＝·＝0.031/0.05mm＝0.620m/s
＝·＝0.022/0.05mm＝0.440m/s
∴＝＝0.18/0.314425=0.572rad/s (逆时针)
ω＝＝0.60/0.140=4.290rad/s (顺时针)
ω＝＝0.20/0.0525=3.809rad/s (顺时针)

项目

数值
0.650
0.600
0.900
0.880
0.620
0.44
9.425
0.572
4.290
3.809
单位
m/s
Rad/s

（4）机构运动加速度分析：
aB=ω12LAB=9.4252×0.069015=6.130m/s2
anCB=ω22LBC=0.5722×0. 314425=0.103m/s2
anCD=ω32LCD=4.2902×0.14=2.577m/s2
anFE =ω42LEF=3.8092×0.0525=0.762m/s2

= anCD+ atCD= aB + atCB + anCB
大小： ？ √ ？ √ ？ √
方向： ？ C→D ⊥CD B→A ⊥BC C→B
选取比例尺μa=0.04m/ (mm/s2),作加速度多边形图

aC=·=0.0033/0.01=3.300m/s2
aE=·=0.05/0.01=5.000m/s2
atCB=· =0.031/0.01=3.100m/s2
atCD=·=0.019/0.01=1.900m/s2
aF = aE + anEF + atEF
大小： ? √ √ ?
方向： √ √ 　F→E ⊥EF
aF=·=0.032/0.01=3.200m/s2
as2=·=0.042/0.01=4.200m/s2
as3=·=0.025/0.01=2.500m/s2
= atCB/LCB=3.100 /0.314425=9.859 m/s2
= atCD/LCD=1.900/0.14=13.571 m/s2

项目

数值
6.130
3.300
5.000
3.200
4.200
2.500
9.859
13.571
单位
m/s
rad/s

（5）机构动态静力分析

G2
G3
G5
Frmax
Js2
Js3
方案Ⅲ
1600
1040
840
11000
1.35
0.39
单位
N
Kg.m2
1）．各构件的惯性力，惯性力矩：
FI2=m2*as2=G2*as2/g=1600×4.200/9.8=685.714N（与as2方向相反）
FI3=m3*as3= G3*as3/g=1040×2.500/9.8=265.306N（与as3方向相反）
FI5= m5*aF=G5*aF/g=840×3.200/9.8=274.286N（与aF方向相反）
Fr=11000*0.1=1100 N.m（返回行程）
MS2=Js2*α2=1.35×9.859=13.310N.m （顺时针）
MS3=Js3*α3=0.39×13.571=5.293N.m （逆时针）
LS2= MS2/FI2=13.310/685.714×1000=19.410mm
LS3= MS3/FI3=5.293/265.306×1000=19.951mm
2）．计算各运动副的反作用力
(1)分析构件5
对构件5进行力的分析，选取比例尺
μF=20N/mm，作其受力图

构件5力平衡：F45+F65+FI5+G5=0
则F45= 1140.0N；F65=160.0N
F43=F45（方向相反）

(2)对构件2受力分析
对构件2进行力的分析，选取比例尺
μF=20N/mm，作其受力图

杆2对B点求力矩，可得： FI2*LI2+G2*L2 -Ft32*LBC =0
864.222×120.2776+1600×1.6873- Ft32×314.425=0
Ft32= 339.1786N
杆2对S2点求力矩，可得：Ft12*LBS2 -FI2*LS2 -Ft32*LCS2 =0
Ft12×157.2125-864.222×11.0243-339.1786×157.2125=0
Ft12=399.781N
(3) 对构件3受力分析
对构件2进行力的分析，选取比例尺
μF=0.05mm/N，作其受力图

杆3对点C求力矩得：Ft63*LCD –F43*LS3- FI3*LI3+G3*COS15º*LG3 =0
Ft63×140-572.604×17.153-365.242×34.3066+ G3*COS15º*17=0
Ft63=77.6N
构件3力平衡：Fn23+ Ft23+F43+FI3+Ft63+Fn63+G3=0
则 Fn23=2401.0N ；Fn63=172.1N
构件2力平衡：F32 +G2+FI2+Ft12+Fn12=0
则 Fn12=1752.458N ；F12=1798.258N

(4)求作用在曲柄AB上的平衡力矩Mb
F61=F21=1798.258N.
Mb=F21* L =1798.258×67.3219×0.001
=121.062N.m（逆时针）

项目
FI2
FI3
FI5
MS2
MS3
Mb
Fn63
Ft63
数值
685.714
265.306
274.286
13.310
5.293
40.68
172.1
77.6
单位
N
N.m
N

项目
Fn12
Ft12
Fn23
Ft23
F34
F45
F65
F61
数值
3575.0
38.68
2401.0
298.9
1140.0
1140.0
160.0
3575.0
单位
N

三、凸轮机构设计
符号
h
[α]
δ
δs
δ＇
单位
mm
（0）
方案3
19
30
65
35
75
有基圆半径R0=40mm e=8mm 滚子半径 R=8mm
在推程过程中：
由a=2πhω2 sin(2πδ/δ0)/δ02得
当δ0 =650时，且00<δ<32.50,则有a>=0,即该过程为加速推程段,
当δ0 =650时,且δ>=32.50, 则有a<=0,即该过程为减速推程段
所以运动方程S=h [(δ/δ0) -sin(2πδ/δ0)/(2π)]
在回程阶段，由a=-2πhω2 sin(2πδ/δ0’)/ δ0’ 2得
当δ0’ =750时，且00<δ<37.50,则有a<=0,即该过程为减速回程段,
当δ0’ =750时,且δ>=37.50, 则有a>=0,即该过程为加速回程段
所以运动方程S=h[1-(δ/δ0’)+sin(2πδ/δ0’) /(2π)]
当δ0 =650时，且00<δ<32.50,则有a>=0,即该过程为加速推程段,
当δ0 =650时,且δ>=32.50, 则有a<=0,即该过程为减速推程段
所以运动方程S=h [(δ/δ0) -sin(2πδ/δ0)/(2π)]
δ
00
50
100
150
200
250
300
350
S
0
0.06
0.43
1.38
3.02
5.30
8.05
10.95
单位
(mm)
δ
400
450
500
55
600
650
S
13.70
15.98
17.62
18.57
18.94
19.00
单位
(mm)
δ
1000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
1350
S
19.00
18.96
18.71
18.08
16.94
15.29
13.18
10.76
δ
1400
1450
1500
1550
1600
1650
1700
1750
S
8.24
5.82
3.71
2.06
0.92
0.04
0
0
单位
(mm)
凸轮廓线如下:

四、飞轮设计
Mb
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
N．m
-28.6
-51.3
-63.5
-37.6
-71.6
-50.0
-9.4
-1.1
45.4
0.52
51.5
-160.4

将各点的平衡力矩（即等效阻力矩）画在坐标纸上，如下图所示，平衡力矩所做的功可通过数据曲线与横坐标之间所夹面积之和求得。依据在一个工作周期内，曲柄驱动力矩（设为常数）所做的功等于阻力矩所做的功，即可求得驱动力矩Md（常数）。在图纸中，横坐标为曲柄转角，一个周期为2π，将一个周期分为36等份；纵坐标轴为力矩。
②根据盈亏功的原理，求得各盈亏功，并根据图纸上的能量指示图，以曲柄的平均力矩为分界线，求出各区段盈亏功如下：

ΔW1=8.578 ΔW2=-22.124 ΔW3=1366.911
ΔW4=-939.895 ΔW5=8.750 ΔW6=-3981.715
ΔW7=647.629 ΔW8=-2048.790 ΔW9=4429.004
ΔW10=-568.770 ΔW11=1016.037

由此得到ΔWmax=ΔW9=4429.004
JF>=900ΔWmax/(π2 *n2 *[δ])
JF= 1495.84 kg.m2

五、 齿轮机构设计
已知:齿轮,齿轮为正常齿制，工作情况为开式传动，齿轮与曲柄共轴。
由于其中一齿轮齿数小于17，要避免产生根切现象必存在变位系数，必要增大其中心距，
取a’=130mm,求得’=21,142°
经计算后取变位系数 ：
x5=0.393 mm > Xmin5=0.3529 mm
x6=-0.222 mm > Xmin6=-0.8824 mm
分度圆直径：
d=m* Z=66.0mm
d=m* Z=192.0mm
基圆直径：
d= d*cos=62.024mm
d= d*cos= db6=180.433mm
齿厚：
S=（）*m= 10.961mm
S=（）*m= 8.628 mm
齿顶高：
h=（h+x）*m=8.329mm
h=（h+x）*m = 4.642mm
齿底高：
h=（ h+c- x）*m=4.62mm
h=（ h+c- x）*m=8.829mm
齿顶圆直径和齿底圆直径：
d= d+ 2h=83.618mm
d= d-2h=56.675mm
d= d+2h=200.325 mm
d= d-2h=173.382mm
重合度:
=1.390

六、心得体会
对于机械原理,我对其一直表示很害怕,因为我听学长学姐说机械原理这门课很难学，很多人都挂在这上面了。因此，我在平时花费在机械原理的时间也比其他课多很多，期末考试成绩也不错。
机械原理课程设计——这是我入大学的一次做课程设计。开始我不知道什么是课程设计，因此有些茫然和不知所措，但在老师的指导和同学的互相帮助下还是按时完成了设计。这次课程设计让我体会很深，也学到了很多新东西。“纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行”，不经过实践，我们又怎么能将书里的知识与实际联系在一起。
在这次课程设计中，充分利用了所学的机械原理知识，根据设计要求和运动分析，选用合理的分析方案，从而设计出比较合理的机构来。这次课程设计，不仅让我们把自己所学的知识运用到实际生活中去，设计一些对社会有用的机构，也让我们深刻体会到团体合作的重要性，因为在以后的学习和工作中，但靠我们自己个人的力量是远远不够的，必须积聚大家的智慧，才能创造出令人满意的产品来。
通过这次试验我才亲身体会到自己学的知识与实际动手之间还有一定的差距。首先在画图方面，如何布局才能使图让人清晰易懂，不显得空旷和不浪费纸张。其实要事先想好在哪一部分画什么，并确定相应的比例尺。在对结构进行力的分析的时候，首先要确定各杆的运动方向，再确定其受力方向。在画图的时候要力求精确，只有这样才能使计算结果与实际相差不大。在画图的过程中，间接的帮我们复习了以前的知识，比如机械制图，理论力学等。
同时，这次课程设计也为我们以后的毕业设计打下了一个基础，我相信，经过这次设计，我们毕业设计的时候不再会象现在这么茫然了，也一定能做好它。

七、参考书籍
1.《机械原理》（第七版）————孙恒,陈作模 等主编
2.《材料力学》（第五版）————刘鸿文主编
3.《机械原理课程设计指导书》————罗洪田主编
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