1、機械原理課程設計牛頭刨床 （ 速度分析與受力分析附于最后 ） 說 明 書 姓名： 分析點： 4,10 點 組號： 第 3 組 工作原理 2011 年 7 月 15 日 3 一 . 設計任務 4 二. 設計數據 4 三. 設計要求 4 1、運動方案設計 4 2、確定執行機構的運動尺寸 4 3、進行導桿機構的運動分析 5 4、對導桿機構進行動態靜力分析 5 四. 設計方案選定 5 五. 機構的運動分析 6 1. 4 點速度分析 , 加速度分析 7 2. 10 點速度 ,加速度分析 9 六. 機構動態靜力分析 11 七. 數據總匯并繪圖 13 九 . 參考文獻 16 工作原理 牛頭刨床是一種用于平面

2、切削加工的機床，如圖 a）所示。 電動機經過皮帶和齒輪傳動， 帶動曲柄 2和固結在其上的凸輪 8。刨床工作時，由導桿機構 23456帶動刨頭 6 和 刨刀 7 作往復運動。刨頭左行時，刨刀不切削，稱為空回行程，此時要求速度較高，以提高 生產率。為此刨床采用有急回運動的導桿機構。刨刀每切削完一次，利用空回行程的時間， 凸輪 8 通過四桿機構 1 9 10 11 與棘輪帶動螺旋機構（圖中未畫） ，使工作臺連同工件 作一次進給運動，以便刨刀繼續切削。刨頭在工作過程中，受到很大的切削阻力（在切削的 前后各有一段 0.05H 的空刀距離，見圖 b），而空回行程中則沒有切削阻力。因此刨頭在 整個運動循環中

3、， 受力變化是很大的， 這就影響了主軸的勻速轉動， 故需安裝飛輪來減小主 軸的速度波動，以提高切削質量和減少電動機容量。 (a) (b) 圖d .設計任務 1 、 運動方案設計。 2 、確定執行機構的運動尺寸。 3 、進行導桿機構的運動分析。 4 、 對導桿機構進行動態靜力分析。 5 、匯總數據畫出刨頭的位移、速度、加速度線圖以及平衡力矩的變化曲線。 二.設計數據 .設計要求 本組選擇第六組數據 表1 方案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 轉速 n2（ r/min ） 48 49 50 52 50 48 47 55 60 導桿 機架 lO2O4 (mm) 380 350 430 360 3

4、70 400 390 410 380 機構 工作行程 H（mm） 310 300 400 330 380 250 390 310 310 運動 行程速比系數 K 1.46 1.40 1.40 1.44 1.53 1.34 1.50 1.37 1.46 分析 連桿與導桿之比 lBC/ lO4B 0.25 0.3 0.36 0.33 0.3 0.32 0.33 0.25 0.28 表2 導桿機構的動態靜力分析 方案 lO4S4 xS6 yS6 G4 G6 P yp JS4 mm N mm kg.m2 1，2，3 0.5lO4B 240 50 200 700 7000 80 1.1 4，5，6 0.

5、5lO4B 200 50 220 800 9000 80 1.2 7，8，9 0.5lO4B 180 40 220 620 8000 100 1.2 1、運動方案設計 根據牛頭刨床的工作原理，擬定12 個其他形式的執行機構（連桿機構） ，給出機構簡 圖并簡單介紹其傳動特點。 2、確定執行機構的運動尺寸 根據表一對應組的數據，用圖解法設計連桿機構的尺寸，并將設計結果和步驟寫在設計 說明書中。 注意：為使整個過程最大壓力角最小，刨頭導路 位于導桿端點 B 所作圓弧高的平分線 上（ 見圖 d）。 3、進行導桿機構的運動分析 根據表一對應組的數據，每人做曲柄對應 2 個位置的速度和加速度分析，要求用圖

6、解法 畫出速度多邊形， 列出矢量方程， 求出刨頭 6 的速度、 加速度，將過程詳細地寫在說明書中。 4、對導桿機構進行動態靜力分析 根據表二對應組的數據，每人確定機構對應位置的各運動副反力及應加于曲柄上的平衡 力矩。作圖部分與尺寸設計及運動分析畫在同一張紙上（2 號或 3 號圖紙）。 提示：如果所給數據不方便作圖可稍微改動數據， 但各組數據應該一致， 并列出改動值。 5、數據總匯并繪圖 最后根據匯總數據畫出一份刨頭的位移、速度、加速度線圖以及平衡力矩的變化曲線。 6、完成說明書 每人編寫設計說明書一份。寫明組號，對應曲柄的角度位置。 四.設計方案選定 圖2 如圖 2 所示，牛頭刨床的主傳動機構

7、采用導 桿機構、連桿滑塊機構組成的 5 桿機構。采用導 桿機構，滑塊與導桿之間的傳動角 r 始終為 90o， 且適當確定構件尺寸， 可以保證機構工作行程速 度較低并且均勻， 而空回行程速度較高， 滿足急 回特性要求。適當確定刨頭的導路位置，可以使 壓力角 盡量小。 五 . 機構的運動分析 =180(k-1/k+1)=30 當曲軸位于 4 點時 lO4S4 = 5l O4B=0.3865m lbc=0.278m lo2A=0.111m Lo4B=0.77274m 1. 4 點速度分析 , 加速度分析 取曲柄位置“ 4”進行速度分析。因構件 2 和 3 在 A 處的轉動副 相連，故 A3 =A2

8、， 其大小等于 2 lO2A， 方向垂直于 O2 A 線，指向與 2 一致。 vA2 =v A3 =w 2l O2A =(2* n2/60)*l O2A =0.58m/s 取構件 3和4的重合點 A進行速度分析。列速度矢量方程，得 A4 = A3 + A4A3 大小 ? ? 方向 O4A O2AO4B 取速度極點 P，速度比例尺 v=0.05(m/s)/mm , 作速度多邊形如圖 則由圖1-2知： vA4= vPA4=0.58m/s 4=v A4/l O4A =1.08rad/s vB= 4lO4B =0.595m/s vA4A3 =A4A3=0.123m/s 取 5 構件作為研究對象，列速度

9、矢量方程 ， 得 B = C+ BC 大小 ? ? 方向 O4B XX BC 作速度多邊行如圖 1-2，則由圖 1-2知 V C=v Pc=0.5975m/s 5=v CB/l BC=0.11rad/s 由速度已知曲柄上 A(A2 A3 A4) 點開始，列兩構件重合點間加速度 矢量方程，求構件 4上 A點的加速度 aA4,因為 aA2 =aA 3=W 2 lo2A =3.01 m/s a n A4=W 42 lo4A =0.439 m/s 2 K2 a A4A3 =2W 3V A4A3 =0.265 m/s a n CB=W52 l CB=0.003 m/s2 aA4= u apa4=0.56

10、61m/s 2 aB=u apb =0.827m/s 2 列加速度矢量方程得： aA4 aA4 + aA4 = aA3 + aA4A3 大小: ? 2 4 lO4A ? 24A4 方向： ? /BA O4B /AO2 O4B 取3、4構件重合點 A 為研究對象， A3 r aA4A3 O4B 取加速度極點為 , 加速度比例尺 a=0.01 (m/s2) /mm, 作加速度多邊形如圖 1-3 所示. 則由圖 1-3 知 2 a S4=0.5a B=0.413m/s 2 = a A4 / lO4B =0.68rad/s ac = n acB +a cB + aBn + a B 大小 ? ? 方向

11、XX /CB BC /AB AB 其加速度多邊形如圖 13所示, 有 aC= l ca=0.55 m/s2 取曲柄位置“ 10”進行速度分析 當曲軸位于 10 點時 lO4S4 = 5lO4B=0.3865m lbc=0.278m lo2A=0.111m Lo4B=0.338m 2. 10 點速度, 加速度分析 取曲柄位置“ 10”進行速度分析。因構件 2 和 3 在 A 處的轉動副 相連，故 A3 =A2 ， 其大小等于 2 lO2A， 方向垂直于 O2 A 線，指向與 2 一致。 vA2=vA3=w2lO2A=(2*n2/60)*l O2A=0.58m/s 取構件 3和 4的重合點 A進行

12、速度分析。列速度矢量方程，得 A4 = A3 + A4A3 大小 ? ? 方向 O4A O2AO4 取速度極點 P，速度比例尺 v=0.05(m/s)/mm , 作速度多邊形如圖 vA4= v PA4 =0.55m/s 4=v A4 /l O4A =1.63rad/s vB= 4lO4B =1.26m/s vA4A3 =A4A3=0.204m/s 取 5 構件作為研究對象，列速度矢量方程，得 B= C +BC 大小 方向 O4B XXBC V C=v Pc=1.235m/s 5=v CB/l BC=0.4rad/s 由速度已知曲柄上 A(A2 A3 A4) 點開始，列兩構件重合點間加速度 矢量

13、方程，求構件 4上 A 點的加速度 aA4,因為 aA2=a A3 =W 2 lo2A =3.01 m/s 2 a A4=W 4 lo4A =0.9 m/s a KA4A3=2W 3VA4A3 =0.665 m/s 2 a n CB=W52 l CB=0.045 m/s2 取 3、4構件重合點 A 為研究對象，列加速度矢量方程得： aA4 a n aA4 + aA4 = aA3 + a K + aA4A3+ aA4A3 大小: ? 2 4 lO4A ? 24A4 A3 ? 方向： ? /BA O4B /AO2 O4B O4B 取加速度極點為 , 加速度比例尺 a=0.01 (m/s2)/mm,

14、 aA4= u apa4=1.04m/s aB=u apb =2.4m/s 2 10 a S4=0.5a B=1.2m/s = a A4/ lO4B =1.57rad/s2 acB + a cB 大小 ? 方向 XX /CB BC /AB AB 其加速度多邊形如圖 13所示, 有 2 aC= l ca=1.76 m/s 六.機構動態靜力分析 1. 4 點靜力分析 取 S6點為研究對象，分離 5、6 構件進行運動靜力分析，作阻力體如 圖 1 4 所示。 已知 G6=700N，又 ac5=0.55m/s2,那么我們可以計算 FS6= G6/g ac =700/10 0.55=38.5N 又 F=P

15、+G6+FS6+F45+FN=0 代入尺寸解得 :F45=3474.722N FN=-264.34N 對導桿 4 受力分析如圖 1-5 所示，加上慣性力，和慣性力矩 Fs4 =4 l O4S4G4/g =9.02N Fs4 = lO4S4 G4/g =5.26N Mi= JS4=0.748Nm 由靜力平衡條件對 O4點取矩有： Mo4=0 11 G4l O4S4cos85 +F34 lO4A -FS4l o4s4-Mi -F54cos5 l O4SB=0 代入數據解得： F34=5065.6N 畫出力矩圖從圖中量出尺寸求 得 Fo4=1847N 對曲柄受力分析 F34和 F02大小相等方向相反

16、即 F02= F32=5065.6N， 因曲柄平 M=F32lO2A=-562.215N m,平衡力矩 Mr=M=562.215Nm（逆 時針為正） 2 . 10 點靜力分析 取 S6點為研究對象，分離 5、6 構件進行運動靜力分析，作阻力體如 圖 已知 G6=700N，又 ac5=1.76m/s2,那么我們可以計算 FS6= G6/g ac =700/10 1.76=123.2N 又 F= G6+FS6+F45+FN=0 從受力圖中量出尺寸代入得 F45=123.7N FN=689.2N 對導桿 4受力分析如圖 1-5 所示，加上慣性力，和慣性力矩，用靜力 平衡分析法解。 Fs4 =4 lO

17、4S4G4/g =12.6N Fs4 = lO4S4 G4/g =19N Mi= JS4=1.727Nm 由靜力平衡條件對 O4點取矩有： Mo4=0 -G4l O4S4cos85+F 34 cos20 l O4A +FS4lo4s4 +Mi -F54cos5 lO4SB=0 代入數據解得： F34=292.5N 做力矩圖如圖所示，從圖中量出尺寸求出 FO4=324.8N 對曲柄受力分析 F34和 F02大小相等方向相反即 F02= F32=292.5N， 12 因曲柄平 M=F32lO2A=32.2Nm,平衡力矩 Mr=-M=-32.2Nm（逆時針為 正） 七.數據總匯并繪圖 統計 12 人

18、的數據得到如下表 位置 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 c(m/s) 0 0.43 0.728 0.60 0.807 0.7 0.44 -0.15 -0.60 -1.24 -1.29 -0.638 ac ( m/s2) 5.4 3.26 0.646 0.55 -1.35 -3.66 -5.24 -5.15 -2.72 -1.76 4 4.941 s(mm) 0 23.5 86.9 167 241.3 317.9 378.1 400 357.4 267 131.2 62 Mr(Nm) 0 69 500 562.2 564.5 504.37 256.5 12.6 20.86

19、32.2 -67.3 -26.03 平衡力矩位置變化曲線 13 速度位置變化曲線 14 位移位置變化曲線 八飛輪的設計 1. 確定 Wmax 1將各點的平衡力矩畫在坐標紙上，如下圖。平衡力矩所做的功可以通過數據曲線與橫坐 標之間所夾得面積之和求的。依據在一個周期內及360內，曲柄驅動力矩所做的功等于阻 力力矩所做的功，即可求的驅動力矩 Md 。在下圖中，橫坐標為曲柄轉角，一個周期2 ， 將一個周期變成 180 份，縱坐標軸為力矩： Md=Si/2=【(x1+ x2)/2+ (x2+x3)/2 】 2 /180 /2 =199.7 N.m 2根據盈虧功的原理，求得各盈虧功值，并做能量指示圖，以曲

20、柄的平均驅動力矩為分界 線，求出各區段盈虧功值 W1=104.72 N.m W2=733.03 N.m W3=471.23 N.m 曲柄的平均驅動力矩 Md= 199.7 N.m 曲柄的最大驅動力矩 Md=570 N.m Wmax=733.03N.m 22 JC=JO2+JO”.i o”o2+JO1.i oo2=10.4(N.m2) 由最大盈虧功可以求得飛輪的轉動慣量 22 JF=900 Wmax/( 2n2) JC=167.93(N.m2) 因此可以設計出所需要求的飛輪。 15 九.參考文獻 1.機械原理 (第七版) 吳克堅 等 主編 高等教育出版社 2. 機械原理課程設計曲繼方主編，機械工

21、業出版社 3. 機構分析與設計華大年等主編，紡織工業出版社 4. 機械運動方案設計手冊鄒慧君主編，上海交通大學出版社 曲軸在 4 點時受力分析( u=10N/mm) 曲軸在 10 點時受力分析 4 點速度矢量圖，加速度矢量圖 運動靜力分析 16 ua=0.01m/s uv=0.05m/s 圖 1 4 10 點速度，加速度圖， 運動靜力分析 17 曲軸 4 點受力分析 , 力矩圖 圖 1 5 受力分析 力矩圖 曲軸 10 點 一、課程設計任務書 1. 工 作 原 理 及 工 藝 動 作 過 程 牛頭刨床是一種用于平面切削加工的機床。刨床工作時, 如圖( 1-1)所示，由 導 桿機構 2-3-4-

22、5-6 帶動刨頭 6 和刨刀 7 作 往 復 運 動 。刨 頭 右 行 時 ，刨 刀 進 行 切 削 ，稱 工 作 行 程 ， 此時要求速度較低并且均勻；刨頭左行時，刨刀不切削， 18稱空回行程，此時要求速度較高，以提高生產率。為此 刨床采用有急回作用的導桿機構。刨頭在工作行程中， 受到很大的切削阻 力，而空回行程 中則沒有切削阻力。切 19 Fr 0.05H 0.05H x H (b) 、設計說明書 1畫機構的運動簡圖 1、以 O4 為原點定出坐標系，根據尺寸分別定出 O2 點，B點， C點。確定機構運動時的左右極限位置。 曲柄位 置圖 的作 法 為：取 1 和 8為工作行程 起點和終點所對

23、應的 曲柄 位置，1和 7為切削起點和 終點所對應的曲柄位置， 其余 2、312 等，是由位置 1 起， 順2方向將曲柄 圓 作 12 等 分 的 位 置 （ 如 下 圖 ）。 20 取第I 方案的第4位 置和第9位置（如下圖1-3 ） 21 2. 對位置 4 點進行速度分析和加速度分析 a) 速度分析取速度比例尺 l = 0.001 對 A 點： VA4 = VA3 + VA4A3 方向： BO4 O2A / O4B 大小： ？ ？ m pa4 =0.001 smm 673.239mm 0.673239 22 VA4 lO4A 0.673239 m s 0.486334mm 1.38431r

24、 s VA4A3= l l a3a4 =0.001 156.326mm 0.156326 ms VCB ullbc VC = l l VCB = l l =0.363626 r s 749.708mm 0.749708 m s 49.0895mm 0.0490895 m s VB5 = V B4 = 4 lO4B =0.747530ms 對于 C 點： VC = VB+ V CB 方向： / XX O4B BC 大小： ？ ？ 速度分析圖： 圖 1-4 (b) 加速度分析 選取加速度比例尺為 對于 A 點： 23 已知， atA4 = a lna =0.549416ms2 s a rA4A3

25、= a lka=3.298112ms2。 aA4 = 42 lO4B =1.081866 m 2 s 5 =VCB / lBC =0.363626 r s 。 另外還可得出： aB =aA4 lO4 B =1.201248 lO4A O4B ms2 n2 aCB = 5 lBC = 0.01785 m s2 aA4 = n aA4 + t aA4 =aA3 + k aA4A3 + r aA4A3 方向： A O4 O4B A O2 O4B / O4B 大小： ？ ? 由于 aA3 = 22 lO2A =4.34263m 2 aA4A3 =2 4 VA4A3 =0.432808 m 2 anA4

26、 = 42 lO4A=0.931975ms2 根據加速度圖 1-5 可得： 24 對于 C 點 aC aB + n aCB + t aCB 方向： / XX B O4 C B BC 大小： ？ ？ 由 aCB = 5 lBC = 0.01785 m s2 , aB =aA4=1.201248 m s2 已知， slO4 As 根據根據加速度圖可得： aC= a l pc = 0.617683 m s2 ，aCtB= a lnc=0.9942344ms2 加速度分析圖： 圖 1-5 3對位置 9 點進行速度分析和加速度分析 a) 速度分析 取速度比例尺 l = mm 對 A 點： VA4 = V

27、A3 + VA4A3 方向： BO4 O2A / O4B 大小： ？ ？ VA4 = l m pa4 = 0.001 smm 328.9949mm 0.3289949 0.001 VA4 0.3289949 m 4 =l A4 = 0.315119mm 1.044034 O4A VA4A3 = l la3a4 =0.001 607.82497mm 0.60782497 B4 VB5= V B4= 4 lO4B=0.56377824 對于 C 點： VC VB+ V CB 25 方向： / XXO4BBC 大小： ？ ？ VC = l lpc 551.8355mm 0.5518355 VCB u

28、llbc =1.06427 r s 143.6768mm 0.1436768 m s 速度分析圖： 圖 1-6 (b) 加速度分析 選取加速度比例尺為 a =0.001 26 對于 A 點： aA4= n aA4 + t aA4 =aA3 + k + r aA4A3aA4A3 方向： A O4 O4B A O2 O4B / O4B 大小： ？ ? 由于 aA3 = 2 lO2A =4.34263m 2 aA4A3 =2 4 VA4A3 =1.26918m 2 anA4 = 42 lO4A=0.343.4818ms2 已知， 根據加速度圖 1-7 可得： atA4 = alna =2.5498973ms2， 2 aA4 = 42 lO4B =2.57293 r aA4A3 lka =2.4106178ms2 另外還可得出