牛头刨床的综合设计与分析论文机械原理论文课程设计说明书--学士学位论文.doc

目 录
一、设计题目与原始数据 ………………………………………………………………1
二、牛头刨床示意图 ……………………………………………………………………1
三、导杆机构设计 ………………………………………………………………………2
四、机构的运动分析 ……………………………………………………………………3
五、机构的动态静力分析 ………………………………………………………………9
六、飞轮设计………………………………………………………………………………14
七、凸轮设计………………………………………………………………………………15
八、齿轮设计………………………………………………………………………………17
九、解析法…………………………………………………………………………………19
1.导杆机构设计………………………………………………………………………………19
2.机构的运动分析……………………………………………………………………………19
3.机构的动态静力分析………………………………………………………………………22
4.凸轮设计……………………………………………………………………………………23
十、本设计的思想体会 …………………………………………………………………27
十一、参考文献……………………………………………………………………………36

一、设计题目与数据
1．题目
牛头刨床的综合设计与分析
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
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°
B、求导杆长：
LO3B1=H/[2sin（ψmax/2）]=600/[2sin（51°/2）]=691.43mm
C、求曲柄长：
LO2A =LO2O3×sin（ψmax/2）=370×sin25.5°=161mm
D、求连杆长
LBF=LO3B×LBF/LO3B=691.43×0.3=207.4mm
E、求导路中心到O3的距离
LO3M =LO3B-LDE/2=LO3B{1-[1-cos(ψmax/2)]/2}=658mm
F、取比例尺
μL=0.005m/mm
在A1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3点：A、速度分析
求VA3
VA3 =VA2=LO2Aπn/30=0.161×80π/30=1.34m/s
求VA4
= +
大小： ？ 1.34 ？
方向：⊥O3A ⊥O2A ∥O3A
取μV=VA3/Pa3=0.02 在A1图的左下方画速度多边形
求VB
用速度影像求VB=75×0.02=1.50m/s
求VF
= +
大小： ？ 1.50 ？
方向： 水平 ∥导路 ⊥BF
接着画速度多边形
由速度多边形求得：
VF=pf(———)μV=72×0.02=1.44m/s
方向水平向右
求ω4
ω4=ω3=VA4/LO3A=2.17rad/S
求VA4A3
VA4A3= ×μV=42×0.02=0.84m/s
方向如速度图A1 左下B 4’所示
B、加速度分析
①求aKA4A3
aKA4A3=2ω4VA4A3=2.19m/s2
②求aA3
aA3=aA2=ω22×LO2A=11.28m/s2 方向：A→O2
③求anA4
anA4=ω23×LO3A=2.86m/s2 方向：A→O3
④求aA4
+ = + +
大小：2.86 ？ 11.28 2.19 ?
方向：A→O3 ⊥O3A √ ⊥O3A ∥O3A
取μa=aA3/pa3=0.11
在A1图的左下方画加速度多边形
大致图形如A1图C 4’
aA4=pa4×μa=3.74m/s2
⑤求aB
方向如A1图C 4’所示
用加速度影像求aB=3.8m/s2
= + +
大小： ？ 10.4 0.01 ?
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=10.53m/s2 水平向右
第4点：A、速度分析
求VA3
VA3 =VA2=LO2Aπn/30=0.0927×80π/30=0.78m/S
= +
大小： ？ 0.78 ？
方向：⊥O3A ⊥O2A ∥O3A
取μv=VA3/Pa3=0.015 在A1图的左下方画速度多边形

大致图形如A1图B 5所示
求VB
用速度影像求VB=3.74m/s;
求VF
= +
大小： ？ .1.275 ？
方向：水平 ∥导路 ⊥BF
VF =pf(——) μV=1.28m/s
求ω4
ω4=ω3=VA4/LO3A=1.03rad/s
求VA4A3
VA4A3 = a3a4(———)×μV=0.12m/s
B、加速度分析
①求aKA4A3
aKA4A3=2ω4VA4A3=0.3m/s2
②求aA3
aA3=aA2=ω22×LO2A=6.5m/s2 方向：A→O2
③求anA4
anA4=ω23×LO3A=0.77m/s2 方向：A→O3
④求aA4
+ = + +
大小 0.79 ？ 6.5 0.3 ?
方向：A→O3 ⊥O3A √ 如图6 ∥O3A
取μa=aA3/pa3(———)=0.035 在A1图的左下方画加速度多边形 大致图形如A1图C5所示
aA4=pa4×μa=1.05m/ s2
⑤求aB
用加速度影像求aB=44×0.035=1.54m/s2 方向如A1图C 5所示
⑥求aF
= + +
大小： ？ 1.5 0.05 ?
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=1.1m/s2 方向：水平向右
第9点：A、速度分析
求VA3
VA3 =VA2=LO2Aπn/30=0.0927×80π/30=0.78m/S
求VA4
= +
大小 ? 0.78 0
方向：⊥O3A ⊥O2A ∥O3A
取μV=VA3/Pa3=0.015
在A1图的左下方画速度多边形
大致图形如A1图B 11所示
求VB
用速度影像求VB=66×0.015=0.99m/s
求VF
= +
大小： ? 0.99 ?
方向：水平 ∥导路 ⊥BF
VF=pf(——)μV=0.98m/s 方向水平向左
求ω4
ω4=ω3=VA4/LO3A=0.8rad/S 方向：顺时针
求VA4A3
VA4A3=×μV=0.66m/s 方向如速度A1图B 11所示
B、加速度分析
①求aKA4A3
aKA4A3 =2ω4VA4A3=2×0.8×0.66=1.0m/s2
方向如速度A1图C 11所示
②求aA3
aA3=aA2=ω22×LO2A=6.5m/s2 方向：A→O2
③求anA4
anA4 =ω23×LO3A=0.45m/s2 方向：A→O3
④求aA4 图8
+ = + +
大小：0.45 ？ 6.5 1.0 ?
方向：A→O3 ⊥O3A √ 如图 ∥O3A
取μa=aA3/pa3 =0.05
在A1图的左下方画加速度多边形 大致图形如该A1图C 11所示
aA4= ×μa=5.5m/s2
⑤求aB
用加速度影像求aB=212×0.05=10.6m/s2 方向如A1图C 11所示
⑥求aF
= + +
大小： ？ 10.6 0.01 ?
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 =10.6m/s2 方向：水平向左
在A1图纸左上角绘制刨头的运动线图。
大致图形如A1图左上D所示
曲柄位置
名称 结果
1
2
3
4
4’
5
6
SF
0
0.02
0.068
0.140
0.16
0.212
0. 276
VF
0
0.6
1.0
1.28
1.2
1.12
0.92
aF
10.53
8.1
4.2
1.1
-0.03
-2.4
-0.6
曲柄位置
名称 结果
7
8
8’
9
10
10’
11
12
SF
0.304
0.312
0.32
0.264
0.188
0.2
0.100
0.016
VF
0.44
-0.28
0
-0.98
-1.4
-1.6
-1.28
-0.68
aF
-10.5
-12
-11.3
-10.6
-2.7
-0.04
7.2
12.6
五、机构的动态静力分析
已知:导杆的质量 m4=16Kg
刨头的质量 m6=68Kg
(其余质量忽略不计)
导杆绕重心的转动惯量 JS4=1.6Kgm
切削阻力为常数大小为 FC=1600N
1.确定惯性力、惯性力矩
第4点：
F16=-m6×aF=-68×1.1=-74.8N
F14=-m4×as=-16×0.77=-12.32N
M14=-1.6×α4=-1.1Nm
h =M14/F14=1.1/12.32=0.09m
第9点：
F16=-m6×aF=-68×10.6=720.8N
F14=-m4×aS=-16×5.5=-88N
M14=-JS4×α4 =-7.79Nm
h =M14/F14=7.79/88=0.09m
将计算结果汇总在如下表中：
曲柄
位置
导杆4
刨头
F14
M14
Lh4
F16
4点
12.32
1.1
0.09
74.8
9点
88
7.79
0.09
720.8
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4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，如右：
比例尺为：μL=0.005m/mm
大致图形如图10：
+ + + + =0
上式中只有FR45、FR76的大小未知
取力比例尺：
μP=Fc/ab(——)=20N/mm 在机构位置图下面画力多边形 大致图形如A1图H 5
求得：
FR45=de(——)×μP=1680N
方向与力多边形中的方向一致
FR76=ea(——)×μP=32×20=640N方向：垂直导路向上
∑MF=0：
FC（LO2M-YP）+G6×XS6=FR76h76
h76=[Fc×(LO2M-YP)+G6×XS6]/R76 =0. 0206m
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A1图F 5
其平衡方程为： + + + + = 0
∑MO3=0 (确定FR23的大小)：
FR23h23+F14hp+G4h4=FR54h54
量得:hI4 =0.078m ；h4=0.002m； h54=0.223m
FR23=(FR54h54+F'14hP+G4h4)/h23=2580N
矢量式中FR74的大小和方向未知 仍取力比例尺μP=20N/mm
接着画力多边形图求得:
FR74=hd(——)×μP=43×20=860N
方向与力多边形中he的方向一致
B、取构件2为示力体
在机构位置图右方绘示力体图，比例尺为:μL=0.005m/mm
大致图形如A1图G 5
其平衡方程为：
+ + + = 0
∑MO2=0 （确定Pb的大小）：
FR32h32=Pbrb
量得:h32=0.02m
算得:rb =0.06m
Pb=FR32h32/rb=860N
式中的R72大小和方向未知
仍然取力比例尺μP=20N/mm
接着画力多边形图，求得：
FR72=ij(——)×μP=140×20=2800N
方向与为多边形中ij的方向一致
第9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A1图E 11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=FI6/ab(——)=15N/mm
在机构位置图下面画力多边形图，大致图形如A1图H 11
求得：
FR45=cd(——)×μP=48×15=720N
方向与力多边形中的方向一致
FR76=bd(——)×μP=44.4×15=666N 方向：垂直导路向上

∑MF=0：
G6×XS6=FR76h76
h76=G6×XS6/FR76=0. 05m
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A1图F 11
其平衡方程为：
+ + + + = 0
∑MO3=0 (确定FR23的大小)：
FR54h54+FI4hI4+G4h4=FR23L23
量得:hI4 =0.112m； h4=0.012m； h54=0.222m 图15
FR23=(FR54h54+ P’14hP+G4h4)/LO3A=1155N
矢量式中FR74的大小和方向未知 仍取力比例尺μP=15N/mm
接着画力多边形图,求得:
FR74=dg(——)×μP=22×15=330N 方向与力多边形中ef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A1图G 11：
其平衡方程为：
+ + + = 0
∑MO2=0 （确定Pb的大小）：
FR32h32=Pbrb
量得:h32=0.15m
算得:rb =0.06m
Pb=FR32h32/rb=315N
仍然取力比例尺μP=15N/mm
接着画力多边形图,求得：
FR72=hi(——)×μP=122×20=2440N
方向与为多边形中if的方向一致
4、将各运动副反力汇总如下：
位置
反力
指定的两个位置
第4点
第9点
FR72
2800
1125
FR74
860
330
FR76
640
666
FR45
1680
720
FR23
2580
1155
FR32
2580
1155
5、计算平衡力偶矩并汇总如下：
曲柄位置
1
2
3
4
5
6
Mb
0
160
240
240
208
152
曲柄位置
7
8
9
10
11
12
Mb
-16
32
112
32
-96
-72

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=8Nm/mm
横坐标比例尺：μδ2=2度/毫米 见A1图 I

六、飞轮设计
已知：许用速度不均匀系数 [δ]=1/25
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Mr-δr
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Mr-δ1曲线（见A1图I）。
为了使图形一样，其比例尺选为：μMr=μMb/i12=2.4Nm/mm
2、求功曲线Wr-δ1
取极距H=50mm
图解积分Mr-δ1得Wr-δ1曲线。
纵坐标比例尺为：μW =μM×μδ×H×π/180°=2.4×6.2×50×π/180°=13.8J/mm
3、求功曲线Wd-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Wd-δ1曲线。比例尺仍为：μW=13.8J/mm
4、求驱动力矩曲线Md-δ1仍取极距H=50 mm
纵坐标比例尺为：μM=2.4Nm/mm
得驱动力矩：Md =h×μM=11×2.4=26.4Nm
5、确定最大盈亏功为：[W]=20×13.8=276J
6、求飞轮的转动惯量JF=900[W]/π2n2[δ]=(900×276×25)/(3.142 ×266.672)=8.9Kgm
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
b2=4gJF/πD3Hγ=(4×9.8×8.9)/(3.14×1.5b×0.53×7×104)
b=0.0085m=8.5mm
H=1.5b=1.5×8.5=12.75mm

图19
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,顺时凸轮机构的最大摆角 φmax=15°
凸轮的摆杆长 LO4C=120mm
凸轮的推程运动角 δ0=70°
凸轮的远休止角 δ01=10°
凸轮的回程运动角 δ0'=70°
凸轮机构的机架长 Lo2o4=136mm
凸轮的基圆半径 ro=50mm
凸轮的滚子半径 rr=15mm
摆杆的角位移曲线以及凸轮轮廓曲线的设计已绘制在A2图纸上.

图20
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=60
模数m12=12
压力角α=20°
齿顶高系数h*a=1
径向间隙系数C*=0.25
1、列表计算集合尺寸
名称
符号
计算公式
计算结果
小齿轮分度圆直径
d1
d1=mz1
216
大齿轮分度圆直径
d2
d2=mz2
720
小齿轮齿顶圆直径
da1
da1=d1+2ha
240
大齿轮齿顶圆直径
da2
da2=d2+2ha
744
小齿轮齿根圆直径
df1
df1=d1-2hf
186
大齿轮齿根圆直径
df2
df2=d2-2hf
690
小齿轮基圆直径
db1
db1=d1cosα
203
大齿轮基圆直径
db2
db2=d2cosα
676.6
分度圆齿距
P
P=πm
37.7
基圆齿距
pb
pb=pcosα
35.4
分度圆齿厚
s
s=p/2
17.7
分度圆齿槽宽
e
e=p/2
17.7
径向间隙
c
c=c*m
3
标准中心距
a
a=m(z1+z2)/2
468
实际中心距
a’
a=a’
468
传动比
i
i=z2/z1
3.3
重合度
ε
ε=B1B2/Pb
1.53

图21
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 见附录
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
方程式为: 图22
+ = 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
－L5cosF5 W5W5－L5sinF5e5 (15)
角度的分析
关于F4和F5两个角度的分析
当曲柄2运动到第一象限和第四象限时，导杆4在第一象限。此时得出的F4就是方位角。当曲柄2运动到第二象限和第三象限时导杆4是在第二象限，得出的F4是负值，所以方位角应该是F4=180+F4由于计算机中只有反正切，由（10）式是不能直接求出F5．因此要将其再转换成反正切的形式F5=atn(－g／sqr(1—g*g)) （16）
式中g=sin F5==(Y－L4*