1、機械原理課程設計說明書設計題目：牛頭刨床的設計機構位置編號： 7； 11方案號： III班 級： 2012250404姓 名：楊波學 號： 201225040407二0一五年一月二十三日設計題目：牛頭刨床的設計一機構簡價與設計數據1 .機構簡介牛頭刨床是一種用于平面切削加工的機床，如圖1 (a)。電動機經皮帶和齒輪傳動，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 2-3-4-5-6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，以減少電動機容量和提高切削質量；刨頭左行時，刨刀不切削，稱空回行程，此時要求速度較高，以提高生產率。為此刨

2、床采用有急回作用的導桿機構。刨刀每切削完一次，利用空回行程的時間， 凸輪8通過四卞f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。刨頭在工作行程中，受到很大的切削阻力 (在切削的前后各有一段約0.05H的空刀距離，見圖1 (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，受力變化是很大的，這就影響了主軸 的勻速運轉，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。圖1牛頭刨床機構簡圖及阻力曲線圖2 .設計數據見表1表1設計數據案導桿機械的運動分析導桿機構的動態靜力分析n2lO2O4102Al O4BIbcl

3、 O4S4XS6yS6G4G6PyPJS4r/minmmNmm, 2 kgmI603801105400.251o4b0.5 l 04B240502007007000801.1n64350905800.3l04B0.5l 04B200502208009000801.2m724301108100.361o4b0.5 l 04B1804022062080001001.2NJ容 支、案飛輪轉動慣量的確定凸輪機構的設計齒輪機構的設計8n05Z1ZOZ1JO2JoiJO3JO5(j) maxlO9Da8 o6 oi8 o'dO5dO3m12mo31ar/min. 2kgm°mmmm

4、76;i0.1514401020400.50.30.20.2151254075107510030063.520n0.1514401316400.50.40.250.215135387010701003006420m0.1614401519500.50.30.20.2151304275106510030063.520、設計內容1.導桿機構的運動分析已知：曲柄每分鐘轉數n2,各構件尺寸及重心位置，且刨頭導路x x位于導桿端點 B所作圓弧高的平分線上（見圖 2）。要求：（1） 作機構的運動簡圖。（2）并作機構兩個位置的速度、加速度多邊形以及刨頭的運動線圖。以上內容與后面動態靜力分析一起畫在1號圖紙上

5、（參考圖例1）。曲柄位置圖的作法為（見圖2）,取1和8為工作行程起點和終點所對應的曲柄位置，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方向將曲柄圓周作12等分的位置。2 .導桿機構的動態靜力分析已知：各構件白重量 G （曲柄2、滑塊3和連桿5的重量都可忽略不計），導桿4繞重心的轉動 慣量J S4及切削力P的變化規律（圖1 , b ）。要求：按表2所分配的第二行的一個位置，求各運動副中反作用力及曲柄上所需的平衡力矩。以上內容作在運動分析的同一張圖紙上（參考圖例1）。表2機構位置分配表學生編號123456789101112131415位置編號12345678910

6、111212378，68，121131 '1，7，47189學生編號161718192021222324252627282930位置編號456789101112123456101211252738645910113 .飛輪設計（略）已知：機器運轉的速度不均勻系數，由動態靜力分析所得的平衡力矩My,具有定傳動比的各構件的轉動慣量 J,電動機、曲柄的轉速 n05、魚及某些齒輪的齒數（參見表 1）。驅動力矩為常 數。要求：用慣性力法確定安裝在軸 O2上的飛輪轉動慣量 Jf。以上內容作在2號圖紙上（參考圖例2）。4 .凸輪機構設計已知：擺桿9為等加速等減速運動規律， 其推程運動角8 %遠休止角

7、8 %回程運動角8 0（見 圖3）,擺桿長度109D,最大擺角 max,許用壓力角（參見表1）；凸輪與曲柄共軸。要求：確定凸輪機構的基本尺寸，選取滾子半徑，畫出凸輪實際廓線。以上內容作在2號圖紙上（參考圖例5）。圖2曲柄位置圖圖3 擺桿加速度線圖5 .齒輪機構的設計已知：電動機、曲柄的轉速 n05、n2,皮帶輪直徑do5、do3,某些齒輪的齒數Z,模數m,分度圓壓力角（參見表1）;齒輪為正常齒制，工作情況為開式傳動。要求：算齒輪Z2的齒數，選擇齒輪副Zi Z2的變位系數，計算該對齒輪傳動的各部分尺寸，以2號圖紙繪制齒輪傳動的口合圖（參考圖例3）。24三、牛頭刨床的運動分析1、設計數據萬案出2、

8、導桿運動簡圖的畫法曲柄位置圖的作法為：任取位置 。，沿Y軸正向取1O2O4長即可取得位置Q,以Q為圓 心，102A長度為半徑做一個圓，此圓即為曲柄 2的運動軌跡。過O點做曲柄運動軌跡的 切線，在切線上取1O4B,左右兩切線段即為搖桿4的極位位置。以左極位與曲柄運動軌 跡的切點為1點，順時針沿圓周每隔30°取一點，將圓周12等分，取其中7、11點即 為我所做位置。以0為圓心，1O4B長為半徑做圓弧，連接11點與Q、7點與。，其延長 線與圓弧交點分別為B'、B點。以B'、B為圓心，1BC長為半徑做圓，與圓弧高的垂直平 分線的交點分別為C、C點，連接BG BC'。再

9、畫出各運動副與滑塊，即為導桿機構運 動簡圖。運動簡圖如下：取如?= 2?/?圖1導桿運動簡圖3、導桿的運動分析取速度比例尺 國?= 0.01(?/?)/?力口速度比例尺 國?= 0.1(?)/?I、7 點：1、速度? = ?% +?根據“點的速度合成定理”，？ !? / ?大小方向做出速度分析圖：如圖2由速度分析圖可得：？= 0.387957?/? ?4= 0.733049?/?由以上結果可得以=?%?= 0.824115?/?從而可得?= 4?= 0.667533?/?2根據“點的速度合成定理”? = ? + ?大小 ？ V ?方向 /? ? 1? ! ?做出速度分析圖：如圖2圖2 7點位置

10、速度分析由速度分析圖可得：？?= 0.653986?/?進而可求得：w5 = 0.517651?/?2、加速度根據“點的加速度合成定理”? = ? + ? + ? + ?大小 2?4? ?2 c£>4 X?4方向 / ? / ? !? / ? !?做出加速度分析圖：如圖3。由已知條件以及加速度分析圖可得：?= 6.25338?/?夕；?= 0.319424?/?，；?= 1.208233?/?九?= 2.60542?/?象?= 4.31771?/?九根據“基點法”? =? + ? +?與?？ +?大小 ？?4?方向/? ?!? / ?I ? / ?其中：？ =?落？?4?=91

11、80386?/?做出加速度分析圖：如圖3圖3 7點位置加速度分析由已知條件以及加速度分析圖可得：?= 7.436113?/?象?= 0.550124?/?3;?露尸 0.078138?/?,；?= 1.14683?/?* ?= 7.31939?/?夕H、11 點分析過程同7點1、速度根據“點的速度合成定理”? ? = ? ? +QQ ?方向 ，？，？?？ / ? = ? + ?大小 ？ V ?方向 /? ?，？?？ ，？?做出速度分析圖：如圖4圖4 11點位置速度分析由已知條件和以上速度分析圖可得:_ ?= 0.829380?/?_ ' _ ? = 0.778065?/?4= 0.28

12、7204?/?2.393196?/?!?= ?篇?= 1.938488?/?_ ' ?= 1.936931?/?= 0.171828?/? 5 =等=0.589259?/?5?' ?2、加速度根據“點的加速度合成定理”以及“基點法”? ? +? ? +大小 ？名照?？ ？?4?2? x?方向 / ? / ?，？4? / ?4? !?°二？?+?+?+?夕？?=?+?+? ?+?大小 ？的附?？之窗?？5 2?萬向 /? ?，？ /?!?/?做出加速度分析圖：如圖5。圖5 11點位置加速度分析由已知條件及以上加速度分析圖可得：?= 6.25338?/?寸;? = 1.8

13、62062?/?*? ?= 1.374671?/?/?!;ccC? = 3.54014?/?2? ?= 7.72854?/?，；?o4 = h= 10.888872?/ ? ? = 8.819986 ?/?;? = 4.639184?/?;?#? ?= 0.1012511509?/?2;_ OO_ _9?= 3.83844?/?3 ；?= 9.16199?/?我4、將C、C速度加速度匯總如下：?= 0.653986?/?= 7.31939?/?象_ ' ?= 1.936931?/?= 9.16199?"四、牛頭刨床的靜力分析1、導桿機構的動態靜力分析取力比例尺？?= 50?/

14、?重力加速度？?= 9.8?。分析導桿在7位置時導桿機構的受力情況。根據“達朗伯原理”對構件6進行受力分析2 ? =? + ? + ?年?？+?.+? =?大小620N ?(?6000N方向，一 T / ? 一做出受力分析圖：如圖6j 旦" GfifP,圖6構件6受力分析由已知條件以及受力分析圖可得：?6 = ?？ = 463.063449?;?輸=813.915?;?'=7593.43?。將構件6的力系向C點取距，可得：2 ?= ?+ ?6 + ?>? + ?初?6 = 0其中?= 800?;?6 = 18.522538?;?= 111.6?代入數據得：?6作用點在距

15、？?右側水平1142.776012 mm處。將構件4的力系向？?點取距，可得：2 ?= ?% + ?>初4 + ?& + ?%如=0其中?方二？ X ? = 11.0164632? ?;?4 = 20.145664?;?如=6106.9389? ?代入數據得：？?34 = 12918.41659? o根據“達朗伯原理”對構件4進行受力分析2 ? =? + ?.？ + ?%? + ?3? + ? =?大小220N 12918.41659? 7539.43N?方向J !?/ ? T做出受力分析圖：如圖7圖7構件4受力分析由已知條件及受力分析圖可得：?4 = 5046.94?;? =

16、2946.96?。將構件2的力系向？點取距，可得'?+ ?醍=0代入數據得：? = 664.709375? ?即曲柄上所加平衡力矩為？2 = 664.709375?,方向為順時針方向。五、凸輪機構的設計1、凸輪機構的設計(1)、列運動方程，繪制從動件運動線圖根據任務書要求的從動件等加速等減速運動規律，推導從動件等加速、等減速 推程階段運動方程，如教材式(9-5a)和式(9-5b),等加速、等減速回程階段運動方 程，如教材式(9-6a)和式(9-6b)。需要注意的是，我們課程設計中是擺動從動件， 而教材上的公式針對的是直動從動件，其差別僅在于將公式中的直動行程h換成擺動行程？?線位移、速

17、度和加速度分別換成角位移、角速度和角加速度。根據 運動方程，選擇合適的橫坐標和縱坐標比例尺，繪制從動件運動線圖。擺桿等加速度推程：?= 2?=4?/?。?= 4?&?彳擺桿等減速度推程:?= ? 2?(?0- ?2?。?= 4?(? - ?)/?q?= -4?/?擺桿等加速度回程:?= ? 2?2?=2Y?/?2?2?= -4?/?3擺桿等減速度回程:?= 2?2?2 - ?2?S2? = ?2-4? - ?)/?2?= 4?？?依得到以下數據:?(0 75)=2?'?,?c=4?/?00?竹?=4/? ? -?009 S157.5398221 eoa”307500.01066

18、6667515157.539822130750.1333333330.0533333330.01066666 76.9333333337.5157.539822130750.30.080.01066666710.410157.539822130750.5333333330.1066666670.01066666713.8666666712.5157.539822130750.8333333330.1333333330.0 1066666/1/.3333333315157.539822130751.20.160.01066666720.817.5157.539822130751.63333333

19、30.1866666670.0106666670.01066666724.2666666727.7333333320157.539822130752.133333333021333333322.5157.539822130752.70.240.01066666731.225157.539822130753.3333333330.2666666670.01066666734.6666666738.1333333327.5157.539822130754.0333333330.2933333330.01066666730157.539822130754.80.320.01066666741.632

20、.5157.539822130755.6333333330.3466666670.01066666745.06666667。.UJDU44755晨5J/U.U 1 UUUUUU /48.5333333337.5157539822130757.50.40.01066666752?=-2(?)- ?2?2?c?= 4(?- ?)/?= -4/?%?040157.539822130758.4666666670.373333333-0.01066666748.5333333342.5157.539822130759.3666666670.346666667-0.01066666745.06666667

21、45"T5"7.539822"T307510.20.32-0.01066666741.647.5157.5398221307510.966666670.293333333-0.01066666738.1333333350157.5398221307511.666666670.266666667-0.01066666734.6666666752.5157.5398221307512.30.24-0.01066666731.227.7333333355"57.5398221307512.866666670.213333333-0.01066666757.51

22、57.5398221307513.366666670.186666667-0.01066666724.266666676062.515157.5398227.5398227.539822130130757513.814.166666670.160.133333333-0.010666667-0.01066666720.817.3333333313.8666666765151307514.466666670.106666667-0.01066666767.5157.5398221307514.70.08-0.01066666710.470157.5398221307514.866666670.0

23、53333333-0.0106666676.93333333372.5157.5398221307514.966666670.026666667-0.0106666673.4666666677515757.53982213075150-0.0106666670?(85 )75 857.53982213010?(85 150 )=-2?2_ = -4?/?0?，2赤?= -4/?0157.53982213065150-0.01420118302.5155157.5398221306514.9556213-0.035502959-0.0142011834.6153846157.5398221306

24、514.82248521-0.071005917-0.0142011839.2307692317.5157.5398221306514.60059172-0.106508876-0.01420118313.84615385101512.5 匚157.5398221306514.28994083-0.142011834-0.01420118318.461538467.5398221306513.89053254-0.177514793-0.01420118323.0769230815 亡 157.5398221306513.40236686-0.213017751-0.01420118327.6

25、923076917.5157.5398221306512.82544379-0.24852071-0.01420118332.3076923120157.5398221306512.15976331-0.284023669-0.01420118336.9230769222.5157.5398221306511.40532544-0.319526627-0.01420118341.5384615425157.5398221306510.56213018-0.355029586-0.01420118346.1538461527.5157.539822130659.630177515-0.39053

26、2544-0.01420118350.7692307730157.539822130658.609467456-0.426035503-0.0142011835573846153832.5 七 157.539822130657.5-0.461538462-0.01420118360?_ ' _ 、? (85 150 )=2(?%- ?2?2? -4(?- ?)/?2?，2,?= 4/?)3537.54042.54515151515157.539822130656.390532544-0.4260355030.01420118355.384615387.539822130655.3698

27、22485-0.3905325440.01420118350.769230777.539822130654.437869822-0.3550295860.01420118346.153846157.539822130653.594674556-0.3195266270.01420118341.538461547.539822130652.840236686-0.2840236690.01420118336.9230769247.5 匚 157.539822130652.174556213-0.248520710.01420118332.30769231501552.51555157.53982

28、2130651.597633136-0.2130177510.01420118327.692307697.539822130651.109467456-0.1775147930.01420118323.076923087.539822130650.710059172-0.1420118340.01420118318.4615384657.5 匚 157.539822130650.399408284-0.1065088760.01420118313.8461538560157.539822130650.177514793-0 0710059170 0142011839 23076923162.5

29、 1_157.539822130650.044378698-0.0355029590.0142011834.61538461565 匚157.53982213065000.0142011830? (150 360 )150 360157.539822130210從而得到？?- ? ?- ?以及焉?- ?圖像。(2)、確定基圓半徑和凸輪回轉中心？?劑從動件才i動中心？引的距離？?？這里使用一種幾何法確定基圓半徑的方法。1)如圖所示，選長度比例？?= 1(?,從任意點？開始做一系列射線 ?、？、？3、?4 (其中？?= 25,為凸輪推程和回程等分點數) 每條射線與？?？問夾角為該點對應的從動件擺角

30、，各射線長度為任務書給出的從 動件長度4。2)在各射線上由D點分別向左或向右截取各線段？?？線段？?即代表的實際 長度等于該？?點的線速度，即? |!?。截取方向可根據？?£速度方向順著凸輪轉 向轉過90度后所指的方向確定。3)過各？?點做射線，與？?？秋角為90 - ?,所有射線下方為凸輪軸心的安全 區，在該區域確定點？，則？?到？?距離為基圓半徑。確定基圓半徑的方法：如圖8。圖8確定基圓半徑(3)、確定滾子半徑滾子半徑應小于凸輪廓線上的最小曲率半徑，以避免凸輪實際廓線變尖產生運動失真。滾子半徑？?= (0.1 0.5)?0,在這里取？?= 0.25?。(4)、作圖方法采用反轉法將

31、凸輪的理論廓線近似擬合，之后再通過在理論廓線上做出滾子的一系列圓，繼而確定出實際廓線。最終得到的凸輪形狀：如圖 9圖9凸輪輪廓六、齒輪機構的設計1、齒輪機構的設計(1)、通過計算傳動比，確定出齒輪 2的齒數。已知：？?5 = 1440?/?= 72 ?/?% = 300? ?3 = 100?, z =15,? = 50,? = 19, ?2 = 6, a= 20 。首先分析，整個輪系為定軸輪系，皮帶輪 3和5之間為帶傳動，齒輪。和1'之間和齒輪1和2之間為齒輪嚙合傳動。帶傳動部分：？?=dO5?H =3?； 巾 do31齒輪。和1'部分：叫 =?7?語=50/19 ;齒輪 1

32、和 2 部分：?= ? ?= ?2/15 ;且已知總傳動比：？52=？?/?=1440/72=20 ;?2=?x? x ?=(3/1) X (50/19) X ( z2/15)=20;解得：?2?=38(2)、選擇齒輪副Z1 Z2的變位系數。傳動形式屬于開式齒輪傳動，變位系數選擇在不發生根切前提下， 應使兩齒輪 最大滑動系數盡可能小且相等，本方案采用等變位齒輪傳動(高度變位)，簡單，且綜合性能較好。高度變位齒輪傳動又稱為等移距變位齒輪傳動，其變位系數之和 ?等？?+?=0,即？?=-?2。考慮到其嚙合特點：由于？?+?=0,因此可得a'虧ay=0 , A y=Q從嚙合傳動角度 看，高度

33、變位齒輪傳動和標準齒輪傳動一樣，兩分度圓相切且與節圓重合作純滾動。 A、不發生根切的齒數限制：高度變位齒輪傳動的變位系數，一個為正，一個為負。從提高強度、改善傳動質量或避免根切的角度考慮， 小齒輪變位系數為正，大齒輪變位系數為負。不發生根切的條件:? ? ? ? ?2?還需保證？?+?=0 ,則有：？?+? > 2?已知？?=15, ?=38。可以計算出：? >1 X-y =0.1176? >17-38X7-1.235?+? =15+38=53 > 2z in =34B、兩齒輪最大滑動系數傳動形式屬于開式齒輪傳動，應使兩齒輪最大滑動系數盡可能小且相等，由于采用高度變位，

34、？?=0 。且傳動比?= ?/ ?。查閱書籍得出最大滑動系數的計算公式:? ' , ?+、?=( + 畀?2 (刀)_?2?=?(?+ 1)(+ ?2)? ?i'?( V? 2 - ? 2)/?( v?22 - ?私分 i?3?2式中：？? = m (2?才2?+ ?), ? = d cos20° = m z cos20° = 84.57 ?= m(2?+2?2+ ?) , ?2=?2?2(m=?cos20 =214.25其中：a= a=20 °?、？?2分別為齒輪1、2的齒頂圓壓力角。只需解出？?= ?2?即可，但是，聯立方程之后存在超越函數，無

35、法解出確切的 數值解。由于？?=-?2,不妨設？?=x ,那么可以對進行賦值，對x在0到1劃分為 100份，利用excel求出每個x所對應的tan a以及tan a2 ,進而通過畫出圖像找 出交點，尋找兩齒輪最大滑動系數盡可能小而且相等的點。然后可以以變位系數？?為x軸，以？?和？如?為y軸作出圖像，找到二者的交 點，進而初步確定出變位系數。作出圖像如下：可以觀察出大概在0.35到0.36之間比較合適，通過觀察數據，初步確定變位系數 為0.35,滿足(1)中取值范圍，所以暫定？?=0.35, ?=- 0.35。(3)、根據選擇變位系數的基本原則進行進一步修正A.保證無側隙嚙合的幾何條件：inv

36、 a ' =inv24?琮"tan a由于采用高度變位, 所以a' =a = 2所以上式滿足，所以無論x取何值均滿足條件。B.保證齒輪加工時不發生根切現象(在 1中已經進行分析，在此不進行贅述)C.保證必要的重合度 除為了保證齒輪傳動的穩定性，重合度？的須大于1, 一般多要求£a >1.2o外嚙合齒輪傳動的重合度計算公式為 :?=2 z (tana - tana')+z2 (tana 2 - tana')根據表中數據可以進行計算 ？?=丁15X (0.759-0.364) +38X (0.459-0.364) =1.5182兀?=1.5

37、18> 1.2,所以符合條件D.保證齒輪嚙合時不發生干涉齒條型刀具加工的外齒輪嚙合時，小齒輪 z齒根不產生干涉的條件是:tan- '萬(tan?2- tan )'拓n4(? ?1 )?2?大齒輪？縱根不產生干涉的條件是:tan (- '?( tan ? - tan a '期n 央：?：?：: ?2?2?將 a= a=20 , ?=15 , ?=38 , ?=1 以及？?=0.35, ?=-0.35 帶入上式中，可以得出：4?需Q.2697> ?2( tan ?才 tana ' )=0.2407?_cy0.2211> ?!( tan?-

38、tana' )=0.1559根據計算結果，所選取變位系數滿足不干涉條件。E.保證有必要的齒頂厚s為了保證齒輪的齒頂強度，齒頂厚s不能太薄。對于軟齒面的齒輪，要求s > 0.25mi對于硬齒面的齒輪，要求s >0.4mi式中m為齒輪的模數。齒頂厚s 為：？?=? (?+42?+inv a -inv?»式中齒頂圓直徑？?=m (z+2?+2x),可以分別計算出? =6 X (15+2 X 1+2 X 0.35=106.2mm?2=6 X (38+2 X 1-2 X 0)35=235.8mm齒頂圓壓力角：？=arcos (?*?)： ? =0.6489rad , ?2=0.4301rad式中inv為漸開線函數，inv a =tan a - '弧度表示)inv a =tan2Q 兀 /9=0.0151radinv a =tan 民-民=0.759-0.6489=0.1101radinv 2 =tan %-比=0.459-0.4301=0.0289rad從而可以計算出齒頂厚s和s 2 ：? =106.2 X 兀 +4X 0.35 義 tan20 (2X