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1、济南大学泉城学院课程设计 《机械原理》课程设计 题 目 压床机构设计及分析 学 院 工学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 对口机设1301班 学 生 学 号 2013030039 指导教师
2、 周兴宇 二〇一五年七月五日 - 2 - 工学院课程设计评审表 学生姓名 专业 机械设计制造及其自动化 年级 2013级 学号 2013030039 设计题目 压床机构设计及分析 评价内容 评价指标 评分 权值 评定 成绩 业务水平 有扎实的基础理论知识和专业知识；能正确设计零件的机械加工工艺规程，正确计算课程设计中所需数据，合理设计课题规定工序所需夹具。独立进行设计工作，能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理设计数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。 40
3、 课程设计（设计说明书、图纸）质量 论述充分，结论严谨合理；设计方法正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；图纸绘制符合国家标准；计算结果准确；工作中有创新意识；对前人工作有改进或突破，或有独特见解。 30 工作量、 工作态度 按期完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。 10 答辩 能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理。 20 合计 100 指导教师评语
4、 目 录 1 前言 - 1 - 2 压床机构设计要求 - 2 - 2.1 压床机构简介1· - 2 - 2.2 设计数据 - 2 - 2.3 设计内容 - 3 - 2.3.1 机构的设计及运动分折 - 3 - 2.3.2 机构的动态静力分析 - 3 - 2.3.3 凸轮机构构设计 - 3 - 3 压床机构的设计 - 5 - 3.1 导杆机构设计及运动简图绘制 - 5 - 3.1.1 导杆机构设计 - 5 - 3.1.2 机构运动简图绘制 - 7 - 3.2 机构运动速度分析 - 7 - 3.3 机构加速度分析 - 9 - 3.4 机构动态静力分析
5、 10 - 4 凸轮机构设计 - 14 - 4.1 从动件位移曲线确定 - 14 - 4.2 凸轮轮廓绘制 - 15 - 5 结论 - 16 - 致 谢 - 17 - 参考文献 - 18 - - 18 - 1 前言 机械原理课程设计是高等工业学校机械类专业学生第一次较全面的机械运动学和动力学分析与设计的训练，是本课程的一个重要实践环节。是培养学生机械运动方案设计、创新设计和对工程实际中各种机构进行分析和设计能力的一门课程。其基本目的在于： （1）进一步加深学生所学的理论知识，培养学生独立解决有关本课程实际问题的能力。 （2）使学生对于机械运动学和动力学
6、的分析设计有一较完整的概念。 （3）使学生得到拟定运动方案的训练，并具有初步设计选型与组合以及确定传动方案的能力。 （4）通过课程设计，进一步提高学生运算、绘图、表达、运用计算机和查阅技术资料的能力。 （5）培养学生综合运用所学知识，理论联系实际，独立思考与分析问题能力和创新能力。 本次的课程设计是我们在学习了大部分专业基础课和专业课后进行的。这是我们对几年来所学的各科课程的一次深入的综合性复习，也是一次理论联系实际的训练。因此，在我们的大学生活中占有重要的地位。 就我个人而言，我希望通过这次课程设计对自己未来将从事的工作进一步适应性的训练，希望自己在设计中能锻炼自己的分析问题、解决
7、问题、查资料的能力，为以后的工作打下良好的基础。 由于能力有限，设计尚有很多不足之处，希望各位老师给予指导。 2 压床机构设计要求 2.1 压床机构简介1· 如图2.1所示为压床主体机构。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，从而使导杆机构的滑块5克服阻力Fr而运动。为了减小主轴的速度波动，在曲柄轴A的另一端装有供润滑导杆机构各运动副用的油泵凸轮机构。 图2.1 压床主体机构 2.2 设计数据 导杆机构及凸轮机构设计数据如表2
8、1所示。 表2.1 设计数据 题目 符号 数据 单位 导杆机构的设计及运动分析 50 mm 140 220 60 ° 120 150 mm 100 导杆机构的动态静力分析 660 N 440 300 0.28 0.085 4000 N 凸轮机构设计 h 17 mm [a] 30 ° d0 55 d01 25 d0′ 85 2.3 设计内容 2.3.1 机构的设计及运动分折 已知：中心距x
9、1、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：设计导杆机构，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。 2.3.2 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(如图2.2)以及导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。 2.3.3 凸轮机构构设计 已知：从动
10、件冲程H，许用压力角[α]，推程角d0，远休止角d01，回程角d0′，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。以上内容做在1号图纸上。 图2.2 压床阻力线图 3 压床机构的设计 3.1 导杆机构设计及运动简图绘制 3.1.1 导杆机构设计 导杆机构设计参数如表3.1所示，其机构简图如图3.1所示。 表3.1 导杆机构设计参数 单位 mm （º） mm r/min 符号 X1 X2 H H CE/CD EF/DE n1 BS2/BC D
11、S3/DE 数据 50 140 150 60 120 150 1/2 1/4 100 1/2 1/2 图3.1 压床导杆机构简图 根据压床导杆机构设计参数和机构简图对各构件尺寸进行计算。 已知：X1＝50mm，X2＝140mm，Y＝220mm，＝60°，＝120°，H＝150mm，C/CD=1/2, F/D=1/2, BS2/BC=1/2, DS3/D=1/2。 由条件可得；∠DE'=60° ∵D=DE’ ∴△DE'等边三角形 过D作DJ⊥E'，交E'于J，交F1F2于H ∵∠JDI=90° ∴HDJ是一条水平线， ∴DH⊥FF’ ∴F
12、F'∥E’ 过F作FK⊥E' 过E'作E'G⊥FF'，∴FK＝E'G 在△FK和△E'GF'中，K＝GF'，F=E'F', ∠FKE=∠E'GF'=90° ∴△FK≌△E'GF’ ∴K= GF’ ∵E'=K+KE', FF'=FG+GF' ∴E'=FF'=H ∵△DE'是等边三角形 ∴D=F=H=150mm ∵F/D=1/2, C/CD=1/2 ∴F=D/4=150/4=37.5mm CD=2*D/3=2*150/3=100mm 连接AD,有tan∠ADI=X1/Y=140/220=12.8° 又∵AD=X2+Y2=502+2202=225.6mm
13、∴在三角形△ADC和△ADC'中，由余弦定理得： AC=CD2+AD2-2ADCDcos(120°-12.8°)=272.4mm ACˊ=CD2+AD2-2ADCDcos(60°-12.8°)=173.80mm ∴AB=(AC-AC')/2=49.3mm BC=(AC+AC')/2=223mm ∵BS2/BC=1/2, DS3/DE=1/2 ∴BS2=BC/2=223/2=111.5mm DS3=D/2=150/2=75mm 通过以上计算可得连杆各构件的尺寸如表3.2所示。 表3.2 导杆机构各构件尺寸 AB BC BS2 CD DE DS3
14、EF 49.3mm 223mm 111. 5mm 100mm 150mm 75mm 37.5mm 3.1.2 机构运动简图绘制 根据3.1.1计算结果，做机构运动简图如图3.2所示。 图3.2 压床机构运动简图 3.2 机构运动速度分析 已知：n1=100r/min；ω1=n160∙2π rad/s=10.47 rad/s vB=ω1∙LAB=10.47×0.0493=0.516m/s 大小 ? √ ? 方向 ⊥CD ⊥AB ⊥BC 选取比例尺
15、0.005（m/s）/mm，作速度多边形如图3.3所示。 图3.3 压床机构速度多边形 VC=μV*pc=0.005×99=0.496m/s VCB=μV*bc=0.005×5=0.025m/s VE=ω3*lde=4.96×0.15=0.744m/s 大小 ? √ ? 方向 //导路 ⊥ED ⊥FE VF=μV*pf=0.005×150=0.75m/s VFE
16、μV*fe=0.005×6=0.03m/s VS2=μV*ps2=0.005×98=0.49m/s VS3=μV*ps3=0.005×74.4=0.372m/s ω2=VBCLBC=0.11rad/s ω3=VCLCD=0.496rad/s ω4=VEFLEF=0.8rad/s 计算得出机构中各构件速度如表3.3所示。 表3.3 构件速度参数 项目 VB VC VE VF ω1 ω2 ω3 ω4 数值 0.54145 0.496 0.744 0.75 10.47 0.11 4.96 0.8 单位
17、 m/s rad/s 3.3 机构加速度分析 由构件速度参数得： ac = aCDn + aCDt = aB + aCBn + aCBt 大小 ? √ ? √ √ ? 方向 ? CD ⊥CD BA CB ⊥BC aB=ω12*lAB=10.472×0.0493=5.4m/s2 μ3=aBpb=5.4150=0.036m/s2 aCBn=ω22*lCB=0.112×0.223=0.0027m/
18、s2 aCDn=ω32*lCD=4.962×0.1=2.46m/s2 aEFn=ω42*lEF=0.82×0.0375=0.24m/s2 aF = aE + aFEn + aFEt 大小 ? √ √ ? 方向 √ √ F→E ⊥EF 选取比例尺=0.036（m/s）/mm，作加速度多边形如图3.4所示。 图3.4 压床机构加速度多边 aC=μa*πc'=0.036×67=2.412m/s2 aCB
19、t=μa*c'b'=0.036×83=2.988m/s2 aCDt=μa*c'c'''=0.036×3=0.108m/s2 aE=ω32*lde=4.962×0.15=3.96m/s2 aF=μa*πf'=0.036×114=4.104m/s2 aS2'=μa*πs2'=0.036×109=3.924m/s2 as3'=μa*πs3'=0.036×52=1.872m/s2 α2=aCBtLCB=2.9880.223=13.39rad/s2 α
20、3=aCDtLCD=0.1080.1=1.08rad/s2 计算得机构中各构件加速度如表3.4所示。 表3.4 构件加速度参数 项目 aB aC aE aF aS2 aS3 α2 α3 数值 5.4 2.412 3.69 4.104 3.924 1.872 13.39 1.08 单位 m/s rad/s 3.4 机构动态静力分析 导杆机构的动态静力分析参数如表3.5所示。 表3.5 导杆机构的动态静力分析参数 G2 G3 G5 Frmax JS2 JS3 数值 660 440 300 4000 0.28 0.
21、085 单位 N Kg.m2 各构件的惯性力和惯性力矩如下： FI2=-m2as2'=G2*aS2'/g=660×3.924/9.8=264.27N FI3=-m3as3'=G3*aS3'/g=440×1.72/9.8=84N FI5=-m5aF=G5*aF/g=300×4.104/9.8=125.63N Fr=400N MI2=-JS2*α2=0.28×13.39=3.75N/m MI3=-JS3*α3=0.085×1.08=0.0918N/m
22、 Ls2=MI2/FI2=14mm Ls3=MI3/FI3=1.09mm （1）求构件4、5每个运动副的反力。 选取比例尺=10N/mm，作其受力及力多边形如图3.5 图3.5 构件4、5受力及力多边形 图3.5 构件4、5受力及力多边形 列平衡方程：F54+F65+FI5+G5+Fr=0 则F45=270N； F65=70N （2）求构件2、3每个运动副的反力。 F45=F34（方向相反） 杆2对C点求力矩，可得： F12t*LBC-G2*LG2-FI2*LFI2=0 解得F12t=115.54N
23、 对杆3进行分析，对C点求力矩,可得： F63t*LCD-G3*LG3-F43*L43=0 解得F63t=20.16N 对杆2、3整体受力分析，选取比例尺=10N/mm，作其受力图如图3.6所示。 图3.6 构件2、3受力及力多边形 由图可得: F12n=10×73=730N F63n=10×44=440N F12=10×76=760N F63=10×46=460N （3）求作用在曲柄AB上的平衡力矩Mb。 曲柄AB受力分析如图3.7所示。 图3.7
24、 曲柄AB受力分析 F61=-F21 =760N Mb=F21* L =760×0.0493=37.468N∙m 由上述计算可得机构中各构件受力情况如表3.6所示。 表3.6 压床机构各构件受力情况 项目 数值 26427 84.04 125.63 3.75 0.0918 37.468 440 20.16 单位 N N/m N 项目 数值 730 115.54 270 270 270 70 1605 1605 单位 N 4 凸轮机构设计 4.1 从动件位移曲线确
25、定 凸轮机构设计参数如表4.1所示。 表4.1 凸轮机构设计参数 符号 h [α] 单位 mm （°） 数值 17 30 55 25 85 图4.1 诺谟图 由图4.1所示的诺谟图可得 H/r 0=0.45， 即 r 0=H/0.45=17/0.45=37.778mm 取r0=38mm；r1=4mm. 选取比例尺=0.0005m/mm，绘制从动件位移曲线如图4.2所示。 v 图4.2 从动件位移曲线 4.2 凸轮轮廓绘制 根据图4.2所示凸轮从动件位移曲线，绘制凸轮轮廓曲线如图4.3所示。 图4.3
26、凸轮轮廓曲线 5 结论 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
27、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
28、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。 致 谢 通过对压床的力学分析，我们更好的了解了压床的设计原理及其运动规律，虽然在绘图中我们遇到了很多困扰和难点，但在老师同学的帮助下很快的解决了这些困惑。通过讨论分析我们也从中学到了很多东西，收获了很多平时学不到的知识。感谢帮助我的老师和同学。 参考文献 [1] 孙桓，陈作模.机械原理[M].北京高等教育出版社，1997. [2] 曲继芳.机械原理课程设计[M].北京：机械工业出版社，1989. [3] 申永胜.机械原理[M].北京：清华大学出版社，1999. [4] 邹慧君.机械原理课程设计手册[M]. 北京：高等教育出版社，1998.
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