機(jī)械原理課程設(shè)計指導(dǎo)書（機(jī)械電子工程2022級1-6班）指導(dǎo)教師：魏軍英楊通王明燕山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院機(jī)制系2024年12月20日牛頭刨床機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析一、設(shè)計的目的和任務(wù)設(shè)計目的進(jìn)一步鞏固和加深學(xué)生所學(xué)的《機(jī)械原理》課程的理論知識，培養(yǎng)其分析問題、解決問題的能力；使之對運動學(xué)及動力學(xué)的分析和設(shè)計有一較完整的概念，掌握齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)一步提高學(xué)生的計算、制圖和使用技術(shù)資料的能力。設(shè)計任務(wù)本設(shè)計針對牛頭刨床的工作機(jī)構(gòu)，完成帶傳動和齒輪機(jī)構(gòu)的傳動比分配及齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計計算；完成導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，用矢量方程圖解法進(jìn)行運動分析，用動態(tài)靜力分析法進(jìn)行力分析；完成凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以上任務(wù)要求完成：1號圖紙一張，2號圖紙一張，設(shè)計說明書一份。設(shè)計中要做到計算準(zhǔn)確，步驟清楚，書寫端正，圖的布置要勻稱，圖中線條、尺寸標(biāo)注均應(yīng)符合制圖標(biāo)準(zhǔn)。二、機(jī)構(gòu)簡介與設(shè)計數(shù)據(jù)1、機(jī)構(gòu)簡介牛頭刨床是一種常用的平面切削加工機(jī)床。機(jī)構(gòu)運動簡圖如圖1所示，電動機(jī)經(jīng)帶傳動和齒輪傳動，帶動曲柄2和固結(jié)在其上的凸輪8。圖1牛頭刨床機(jī)構(gòu)簡圖刨床工作時，由導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)1-2-3-4-5-6帶動刨頭6和刨刀7作往復(fù)運動。刨頭右行時，刨刀進(jìn)行切削，稱工作行程，此時要求速度較低且均勻，以減小電機(jī)容量和提高切削質(zhì)量；刨頭左行時，不進(jìn)行切削，稱為空回行程，此時速度較高，以節(jié)省時間提高生產(chǎn)率。為此刨床采用有急回作用的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。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(jī)構(gòu)1-9-10-11與棘輪帶動螺旋機(jī)構(gòu)（圖中未畫），使工作臺連同工件作一次進(jìn)給運動，以便刨刀繼續(xù)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0.05H的空刀距離，如圖2），而空行程中則沒有切削阻力。因此刨頭在整個運動循環(huán)中，受力變化是很大的，影響了主軸的勻速運轉(zhuǎn)，故需安裝飛輪來減小主軸的速度波動，以提高切削質(zhì)量和減少電動機(jī)容量。圖2刨頭運動行程中的切削阻力2、設(shè)計數(shù)據(jù)（1）電機(jī)轉(zhuǎn)速及導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)設(shè)計參數(shù)整個機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)帶傳動和二級齒輪傳動后驅(qū)動如圖3所示的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運動，使導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的曲柄2具有的轉(zhuǎn)速為n2，再經(jīng)過導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)將曲柄2的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榕俚兜闹本€往復(fù)運動，刨刀行程為H，行程速度變化系數(shù)為K。圖3牛頭刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的幾何尺寸及其他數(shù)據(jù)分別為如下方案，如下表1-1~表1-6所示。（每班分3組，每組9-10人，共用一套數(shù)據(jù)，共同設(shè)計一個方案，每組計算18或20個位置點，每人計算2個位置點。其中有五個特殊位置點，應(yīng)由5位同學(xué)每人選擇一個位置點。因均分位置點不夠，在各組中相應(yīng)增加45、105、165等。）表1-1機(jī)電2022-1班（28人）用數(shù)據(jù)（1組10人，2-3組9人）方案電機(jī)轉(zhuǎn)速nd(r/min)n2(r/min)KH(mm)(mm)(Kg.m2)G4(N)G6(N)XS(mm)yp(mm)δμp(N/mm)=1\*ROMANI1410751.413604200.51.52100.36502001101/24220=2\*ROMANII1430601.433704400.51.21800.35801701151/28180=3\*ROMANIII1450701.454104500.51.82400.37202301051/22240表1-2機(jī)電2022-2班（27人）用數(shù)據(jù)（每組9人）方案電機(jī)轉(zhuǎn)速nd(r/min)n2(r/min)KH(mm)(mm)(Kg.m2)G4(N)G6(N)XS(mm)yp(mm)δμp(N/mm)=1\*ROMANI1420651.443904300.51.52300.37001901101/24210=2\*ROMANII1470751.403804500.51.42200.36601801051/25200=3\*ROMANIII1460721.454204100.51.22000.36401601201/30240表1-3機(jī)電2022-3班（28人）用數(shù)據(jù)（1組10人，2-3組9人）方案電機(jī)轉(zhuǎn)速nd(r/min)n2(r/min)KH(mm)(mm)(Kg.m2)G4(N)G6(N)XS(mm)yp(mm)δμp(N/mm)=1\*ROMANI1350721.403704300.51.52150.36602101151/24220=2\*ROMANII1370661.423804200.51.21850.35901801201/28180=3\*ROMANIII1390681.444004400.51.82450.37102201101/22240表1-4機(jī)電2022-4班（28人）用數(shù)據(jù)（1組10人，2-3組9人）方案電機(jī)轉(zhuǎn)速nd(r/min)n2(r/min)KH(mm)(mm)(Kg.m2)G4(N)G6(N)XS(mm)yp(mm)δμp(N/mm)=1\*ROMANI1430671.453904400.51.52350.37201951151/24210=2\*ROMANII1440761.434004100.51.42250.36801851101/25200=3\*ROMANIII1460701.414104500.51.22050.36501701251/30240表1-5機(jī)電2022-5班（27人）用數(shù)據(jù)（每組9人）方案電機(jī)轉(zhuǎn)速nd(r/min)n2(r/min)KH(mm)(mm)(Kg.m2)G4(N)G6(N)XS(mm)yp(mm)δμp(N/mm)=1\*ROMANI1330741.413604300.51.52200.36702101201/24220=2\*ROMANII1310651.423804200.51.21900.36001901101/28180=3\*ROMANIII1360681.454104400.51.82350.37002201151/22240表1-6機(jī)電2022-6班（28人）用數(shù)據(jù)（1組10人，2-3組9人）方案電機(jī)轉(zhuǎn)速nd(r/min)n2(r/min)KH(mm)(mm)(Kg.m2)G4(N)G6(N)XS(mm)yp(mm)δμp(N/mm)=1\*ROMANI1430661.4439004200.51.52250.37102001151/24210=2\*ROMANII1450741.434204400.51.42300.36701901101/25200=3\*ROMANIII1430721.464204500.51.22250.36501701251/30240其中：---導(dǎo)桿4對重心的轉(zhuǎn)動慣量。----鉸鏈與鉸鏈之間的距離，如圖3所示。---刀架重心S位置的橫向坐標(biāo)點（在鉸鏈C的右方），如圖4所示。---切削力作用點的縱向坐標(biāo)點，如圖4所示。-----刨床的速度不均勻系數(shù)。----切削阻力的比例尺。注意：切削阻力，（如圖2所示，為20mm。）圖4刀架位置參數(shù)（2）凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計參數(shù)表2-1凸輪設(shè)計參數(shù)—機(jī)電2022-1班（28人）方案最大壓力角[]推程運動角遠(yuǎn)休止角回程運動角行程h/mm=1\*ROMANI37=2\*ROMANII42=3\*ROMANIII36表2-2凸輪設(shè)計參數(shù)—機(jī)電2022-2班（27人）方案最大壓力角[]推程運動角遠(yuǎn)休止角回程運動角行程h/mm=1\*ROMANI37=2\*ROMANII39=3\*ROMANIII41表2-3凸輪設(shè)計參數(shù)—機(jī)電2022-3班（28人）方案最大壓力角[]推程運動角遠(yuǎn)休止角回程運動角行程h/mm=1\*ROMANI37=2\*ROMANII39=3\*ROMANIII42表2-4凸輪設(shè)計參數(shù)—機(jī)電2022-4班（28人）方案最大壓力角[]推程運動角遠(yuǎn)休止角回程運動角行程h/mm=1\*ROMANI43=2\*ROMANII38=3\*ROMANIII10表2-5凸輪設(shè)計參數(shù)—機(jī)電2022-5班（27人）方案最大壓力角[]推程運動角遠(yuǎn)休止角回程運動角行程h/mm=1\*ROMANI38=2\*ROMANII37=3\*ROMANIII10表2-6凸輪設(shè)計參數(shù)—機(jī)電2022-6班（28人）方案最大壓力角[]推程運動角遠(yuǎn)休止角回程運動角行程h/mm=1\*ROMANI39=2\*ROMANII36=3\*ROMANIII42三、設(shè)計內(nèi)容（一）齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)速，對帶傳動和兩級齒輪傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動比分配，高速級齒輪傳動及低速級齒輪傳動均采用漸開線直齒圓柱齒輪，齒輪中心距要求為整數(shù)，總的傳動比誤差±5%。1、齒輪機(jī)構(gòu)傳動比計算利用給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速nd與導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)輸入轉(zhuǎn)速n2，計算帶傳動與兩級齒輪傳動的總傳動比i。根據(jù)計算得到的總傳動比，對各級傳動進(jìn)行傳動比分配。式中，i1為帶傳動的傳動比，1.5＜i1＜3；i2為高速級直齒圓柱齒輪傳動的傳動比，1.8＜i2＜5；i3為低速級直齒圓柱齒輪傳動的傳動比，1.8＜i3＜5。2、高速級直齒圓柱齒輪傳動設(shè)計根據(jù)分配的傳動比設(shè)計高速級直齒圓柱齒輪傳動機(jī)構(gòu)，計算大小齒輪的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)及重合度。（小齒輪齒數(shù)20~40，大齒輪按傳動比計算。模數(shù)從標(biāo)準(zhǔn)系列中選擇，范圍3~5mm。）3、低速級直齒圓柱齒輪傳動設(shè)計根據(jù)分配的傳動比設(shè)計低速級直齒圓柱齒輪傳動機(jī)構(gòu)，計算大小齒輪的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)及重合度。（小齒輪齒數(shù)20~40，大齒輪按傳動比計算。模數(shù)從標(biāo)準(zhǔn)系列中選擇，范圍3~5mm。）（二）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)設(shè)計分析計算并繪制出機(jī)構(gòu)在指定位置的位移、速度、加速度圖，受力圖，匯總各位置的結(jié)果，繪制位移、速度、加速度曲線、平衡力矩曲線，等效阻力矩曲線以及等效驅(qū)動力矩曲線。根據(jù)上述得到的數(shù)據(jù)，確定飛輪的轉(zhuǎn)動慣量JF。1、繪機(jī)構(gòu)位置圖已知：、、、；要求：按長度比例尺畫出機(jī)構(gòu)中導(dǎo)桿的兩個極端位置（用雙點劃線表示）和1～2個由教師指定的中間位置（用粗實線表示）。步驟：（1）計算極位夾角及擺角：，（2）計算導(dǎo)桿長度：（3）選長度比例尺，作相對應(yīng)位置的機(jī)構(gòu)運動簡圖：1）由導(dǎo)桿左端位置（編號為0）開始，按30°等分，將曲柄一周分為12個位置，并按順時針依次編號，再找出五個特殊位置點（曲柄端點A處在最上點位、最下點位，導(dǎo)桿4的位置處在最右，構(gòu)件6距其極限位置為0.05H的和點），并給每個位置編寫序號（注：位置點數(shù)不夠的根據(jù)前面給出的位置點補(bǔ)齊，若某特殊位置點與均分點位置太近，則視情況將均分點對應(yīng)的曲柄角度調(diào)整5°~10°）。2）刨頭移動導(dǎo)路x—x位于導(dǎo)桿端點B所作圓弧高度的平均線上。2、機(jī)構(gòu)運動分析已知：n2、各構(gòu)件的尺寸及位置。要求：按速度比例尺繪制指定位置的速度圖、按加速度比例尺繪制指定位置的加速度圖，并計算構(gòu)件4的運動參數(shù)角速度和角加速度。步驟：用矢量方程圖解法，對指定位置作機(jī)構(gòu)的速度圖（自定）。確定出，并計算。用矢量方程圖解法，對指定位置作機(jī)構(gòu)的加速度圖（自定）。確定出C點的加速度，并計算構(gòu)件4的角加速度。（注意：哥氏加速度）。將計算結(jié)果與本組其他同學(xué)的計算結(jié)果匯總，并填入?yún)R總表表3中。繪制滑塊6的s-

α、v-

α、a-

α線圖。表3機(jī)構(gòu)在各位置點處對應(yīng)的運動參數(shù)位置參數(shù)01234567891011桿2轉(zhuǎn)角0°30°sCmmm/srad/sm/s2rad/s2m/s2注：（表中有17個位置點，9-10人組在各組中自主增加45、105、165等。）3、動態(tài)靜力分析已知：構(gòu)件的重量、，導(dǎo)桿4繞重心軸的轉(zhuǎn)動慣量，切削阻力（數(shù)值見圖2和表1）。要求：繪制指定位置的受力分析圖、計算各運動副中反作用力及曲柄所需要的平衡力矩。 步驟：（1）確定各慣性力及慣性力矩。（2）劃分構(gòu)件組，對各組進(jìn)行受力分析。（3）作力多邊形，并確定各運動副反力。（4）確定曲柄所需要的平衡力矩。（5）將計算結(jié)果填入表4中。表4指定位置處各運動副中的反力及所需的平衡力矩參數(shù)位置0123﹕4、飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定已知：機(jī)器運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)、飛輪安裝在曲柄軸上，驅(qū)動力矩為常數(shù)。要求：確定飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。步驟：匯總各點位置需加于曲柄的平衡力矩，并填入表5中。表5各位置對應(yīng)的平衡力矩、等效阻力矩、飛輪轉(zhuǎn)動慣量及動能位置參數(shù)01234567891011繪制等效阻力矩曲線（見圖5（a）） 等效阻力矩的數(shù)值，與曲柄力分析圖上的平衡力矩大小相等，但方向相反。注意在作曲線時，若方向與（）方向相同則取為“正”，否則取為“負(fù)”，選取比例尺。繪制等效驅(qū)動力矩曲線（見圖5（a））根據(jù)一個周期中，驅(qū)動功和阻抗功相等的原則，在圖上以比例尺畫出曲線。繪制剩余力矩曲線（見圖5（b））繪制動能增量（盈虧功）曲線（見圖5（c））由圖，用坐標(biāo)紙數(shù)格法或按圖解積分法確定各位置（）的動能增量（盈虧功），并用一定比例尺繪曲線,注意圖能量比例尺為（），即每個小格（）代表的焦耳的數(shù)量。繪制除飛輪以外的各構(gòu)件的動能曲線（見圖5（d））以曲柄2為等效構(gòu)件，按下式計算各位置等效轉(zhuǎn)動慣量及其動能。并將和的計算結(jié)果匯總填入表5，然后用選定的比例尺畫出曲線。繪制曲線（即曲線）繪制曲線，即繪制曲線。在圖上，用比例尺繪制曲線，其中，詳見圖5（c）。確定最大動能差在曲線上，找出最大動能點。量出其垂直高度（見圖5（c）），則：計算飛輪轉(zhuǎn)動慣量（三）凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計（表2-1及2-2數(shù)據(jù)）凸輪機(jī)構(gòu)采用直動滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪與曲柄2為一個構(gòu)件。設(shè)計步驟：1、根據(jù)具體情況，選擇對心直動滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)或偏置直動滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)；2、推程和回程選用不同的運動規(guī)律，并繪制推桿位移、速度和加速度運動線圖；3、確定基圓半徑r0；4、確定滾子半徑rr，并判斷是否會凸輪工作廓線出現(xiàn)變尖現(xiàn)象或失真現(xiàn)象；5、計算推程的最大壓力角max；6、繪制凸輪廓線。圖5各曲線圖（僅供參考）附頁：機(jī)械原理課程設(shè)計說明書第一頁內(nèi)容學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)班級姓名一、課程設(shè)計題目：牛頭刨床機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析二、課程設(shè)計主要參考資料：（1）孫桓.機(jī)械原理[M].第九版.北京：高等教育出版社，2021.（2）（至少3篇參考文獻(xiàn)）（3）