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牛头刨床导杆机构的运动分析、动态静力分析


课程设计说明书

课题名称:机械原理课程设计 学 学 学 院:机电工程系 号: 生: 专业班级:机械 083 班

指导老师:

学院教务处 2010 年 12 月 23 日

《 机械原理课程设计 》说明书

《机械原理课程设计》评阅书
题目 学生姓名 指导教师评语及

成绩 牛头刨床导杆机构的运动分析、动态静力分析 学号

指导教师签名: 年 答辩评语及成绩 月 日

答辩教师签名: 年 教研室意见 月 日

总成绩:

室主任签名: 年 月 日

II

《 机械原理课程设计 》说明书





关键词:牛头刨床、速度、加速度、力与力矩 本次课程设计是对刨床的的设计参数进行评定,设计过程分为三组,主要是对刨头 的加速度、速度和受力情况进行分析和计算,然后作出刨头的速度矢量图、加速度矢量 图和力与力矩的矢量图,统计刨头不同位置的速度、加速度、力的参数,将数据绘制成 曲线图,然后分析曲线图的走势来评定刨床的各项参数,在进行组与组之间的对比,得 出最优参数。最后分析其原因。

III

《 机械原理课程设计 》说明书






要 .................................................... III

1 设计任务 ..................................................... 1
2.1 速度分析 ......................................................... 3 2.2 加速度分析: ...................................................... 3

3 导杆机构的动态静力分析 ....................................... 5
3.1 刨头的力的分析过程: ............................................. 5 3.2 对于摇杆滑块机构可以列出平衡方程式: ............................. 5 3.3 曲柄 2 平衡力矩分析 ................................................ 5

4 方案比较 .................................................... 6



结 ....................................................... 8

参考文献 ...................................................... 9

IV

《 机械原理课程设计 》说明书

1 设计任务

牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床, 如图 1-1。 电动机经皮带和 齿轮传动,带动曲柄 2 和固结在其上的凸轮 8。刨床工作时,由导杆机构 2-3-4-5-6 带动刨头 6 和刨刀 7 作往复运动。刨头右行时,刨刀进行切削,称 工作行程,此时要求速度较低并且均匀,以减少电动机容量和提高切削质量, 刨头左行时,刨刀不切削,称空回行程,此时要求速度较高,以提高生产率。 为此刨床采用有急回作用的导杆机构。刨刀每切削完一次,利用空回行程的 时间,凸轮 8 通过四杆机构 1-9-10-11 与棘轮带动螺旋机构(图中未画) ,使 工作台连同工件作一次进给运动,以便刨刀继续切削。刨头在工作行程中, 受到很大的切削阻力 (在切削的前后各有一段约 5H 的空刀距离, 见图 1-1, , b) 而空回行程中则没有切削阻力。因此刨头在整个运动循环中,受力变化是很 大的,这就影响了主轴的匀速运转,故需安装飞轮来减小主轴的速度波动, 以提高切削质量和减小电动机容量。

课程设计的任务:
1.作机构的运动简图,再作机构两个位置的速度,加速度图,列矢量运动方程; 2.作机构两位置之一的动态静力分析,列力矢量方程,再作力的矢量图; 3. 用描点法作机构的位移,速度,加速度与时间的曲线。 设计数据: 表 1-1

1

《 机械原理课程设计 》说明书

设 计 内 容 符号 单位

导 杆 机 构 的 运 动 分 析

导杆机构的动态静力分析

n2 r/min

L0204

L02A

L04B

LBC

L04S4

XS6

YS6

G4

G6 N

P

YP mm

JS4 kgm2 1.2

mm 430 110 810 0.36 L04B 0.5 L04B 180 40 220

Ⅲ 72

620

8000

100

图 1-2

2

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2 导杆机构的运动分析
2.1 速度分析 取曲柄位置“9”进行速度分析。因构件 2 和 3 在 A 处的转动副相连,故? A3 = ? A2 ,其大小等于 ? 2 lO2A,方向垂直于 O2 A 线,指向与 ω2 一致。

? 2 =2πn2/60 rad/s =7.54 rad/s
? A3 = ? A2 = ? 2 ·O2A =0.83m/s(⊥O2A) l
取构件 3 和 4 的重合点 A 进行速度分析。列速度矢量方程,得

? A4 =
大小 方向 ? ⊥O4A

? A3 +
0.829 ⊥O2A

? A 4 A3
? ∥O4B

(2-1)

取 速 度 极 点 P , 速 度 比 例 尺 ? v =0.005(m/s)/mm , 作 速 度 多 边 形 , μ 0.005m/s=0.447 m/s ? A4 = Pa 4 ·v=89.3×

? A 4 A3 = ? v pb =133.9× 0.005m/s=0.669 m/s


? 4 = ? A3 A3 /lo4A =0.4467/0.0.316 rad/s =1.24 rad/s
? B4 = ? 4 × AB=1.24× 0.81 m/s=1 m/s

取 5 构件作为研究对象,列速度矢量方程,得

? C5
大小 方向

=

? B5

+ ? C5 B 5

(2-2)

? ∥导杆

1 ? ⊥O4B ⊥BC 作速度多边行。

取速度极点 P,速度比例尺 ? v =0.005(m/s)/mm, 则由图知,

? C5 = ? v pc5=19.6× 0.005 m/s=0.98m/s

? C5 B 5 =42.3× 0.005 m/s=0.216 m/s

? 5 = ? C5 B 5 / LBC =0.216/0.2916=0.74 rad/s

2.2 加速度分析:
取曲柄位置“9”进行加速度分析。因构件 2 和 3 在 A 点处的转动副相连,

3

《 机械原理课程设计 》说明书

故 a A2 = a A3 ,其大小等于 ? 2 lO2A,方向由 A 指向 O2。
n n

2

? 2 =7.54rad/s

a
a
a a
A4

n A3
K

= a A2 = ? 2 · O2A=7.542× L 0.11 m/s2=6.25m/s2
n

2

A 4 A3 n A4

=2 ? 4 ? A3 A3 =2× 1.24× 0.6996=1.73 m/s2
2

= ? 4 lO4A=1.242× 0.316=0.552 m/s2
?
A4

取 3、4 构件重合点 A 为研究对象,列加速度矢量方程得: =

a

n A4

+

a

=

a

n A3

+

a

K A 4 A3

+

a

r A 4 A3

(2-3)

大小: ? 方向: ?

? 4 lO4A
2

?

6.25

2 ? 4 ? A3 A3

?

B ?A

⊥O4B A ? O2

⊥O4B(向左)∥O4B(沿导路)

取加速度极点为 P',加速度比例尺 ? a =0.02(m/s2)/mm, 作加速度多边形.
?
A4

a

=350 × 0.02m/s2=7m/s2 =7.05 m/s2 =7.05× 0.81/0.316=15.8 m/s2
?
C 5B5

a a a
大小 方向

A4

B4

取 5 构件为研究对象,列加速度矢量方
C5 =

a

B5

+

a

n C 5B5

+

a

(2-4)

? ⊥导杆

15.8 ∥ a A4

? 5 lBC
2

? ⊥BC

∥BC

取加速度极点为 P',加速度比例尺 ? a =0.05(m/s2)/mm 其加速度多边形有:

a a

C5 =

0.005× 31.34 =15.67m/s2

C6 =

a

C5

(同向)

4

《 机械原理课程设计 》说明书

3 导杆机构的动态静力分析 3.1 刨头的力的分析过程:
对于刨头可以列出以下力的平衡方程式: ∑F=0 P + G6 + FI6 +
反向

FR45

+

FR16

=

0

(3-1)

方向:∥x 轴 大小: 0

竖直向下 与

a

C6

∥BC(推力) 竖直向上

620

- m6ac6

?

?

以作图法求得: FR45 = 991 N FR16 = 639N

3.2 对于摇杆滑块机构可以列出平衡方程式:
对于摇杆滑块可以列出以下力的平衡方程式:

?F =0
方向: 大小

FR54 ∥BC 991N

+ FR34 ⊥O4B 2680N

+

FI4 + ∥ a A4 - m4 a A4

G4 + ∥y 轴 220N

FR14=0 ? ?

(3-2)

对 O4 力矩平衡方程式: (取顺时针为正)

?M =0
得到:

FR54 * y1 + G6 * y2 - FR34 * y3 + FI4 * y4 + FR34=2680N FR14=1525 N

M=0

(3-3)

由此可以求得 FR14 的大小:

3.3 曲柄 2 平衡力矩分析
对 O2 点取力矩平衡方程式: (取顺时针为正) 即 FR34 对 O2 力矩:M= 93 N· m

5

《 机械原理课程设计 》说明书

4 方案比较
附表 4-1: 序号 (同附 表 2) 1 2 3 4 5 6 7 1.356 3.55 260.7 0.0235 8878 2675 0.167 1 1 1 1 1 1 1 1.32 2.73 360.8 0.0230 14174 5510 0.270 0.77 0.76 1.38 1.02 1.60 2.06 0.48 1.6 9.1 618.7 0.0227 15578 1466 0.333 1.17 2.56 2.37 0.96 1.75 0.54 1.99 方案 1 方案 2 方案 3

( AF ) jk

( ACR) jk

( AF ) jk

( ACR) jk

( AF ) jk

( ACR) jk

附表 4-2:机构性能比较表 指标数据项目 方案 1 0.762 0.562 方案 2 0.79 0.598 4.42 11.43 360.82 14174 5510 0/87° 1066.5 方案 3 1.245 0.78 9.78 11.4 618.7 15578 7630 0/88.2° 1466 备注 工作段刨头最大速度 工作段刨头平均速度 工作段刨头最大加速度 工作段刨头加速度最大变化率 工作段刨头的最大惯性力 机架对曲柄的最大反力 机架对导杆的最大反力 最小传动角构件 34 构件 5、6 最大平衡力矩

v6 max ?m / s ? v6 m ?m / s ?
a6 max m / s 2
功 能 质 量

?

?

3.9 28.64 260.5 8888 2675 0/85° 851.4

y 6 max FI 6 max ? N ? F12 max ?N ? F14 max ?N ?

? min ???
M bmax ?N ? m ?
经济 适用 性能 最大运动轮廓尺寸

?mm ? mm ?
机构复杂程度

315×530

270×298

419×796

长?宽 构件数 ? 运动副数

6×7

6×7

6×7

6

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附表 4-3:机构评价指标 序号 1 2 运动性能 工作段刨头加速度曲线平均斜率 3 4 两组最小传动角平均值的倒数 动力性能 5 6 7 经济适用性 8 机构复杂程度 最大机架反力 最大平衡力矩 最大运动轮廓尺寸 指标类型 指标名称 工作段刨头接近等速运动的程度 指标值 ? AF ? jk

v6 max / v6 m

y 6 max ?1 ? y 6 min ? 2 ?1 ? ? 2
FI 6 max

刨头最大惯性力

? 3、 4min

2 ? ? 5、 6min

F12 max M bmax
长?宽 构件数 ? 运动副数

附表 4-3 中部分符号含义如下:
y 6 max 、 y 6 min :切削工作段刨头加速度曲线的最大、最小斜率;

? 1 、 ? 2 :分别与 y 6 max 和 y 6 min 相对应的曲柄转角 ?rad ? ;

? 3、 min :一级四杆机构的最小传动角 ?rad ? ; 4 ? 5、 min :二级四杆机构最小传动角 ?rad ? 。 6

结论:从总体数据来看,第一组数据是最好的,但也有其不足之处,比如其运
动性能和经济性能不如第二组好; 第三组数据也有一些优点其最小传动角比其他 组大,这样可以避免死点等情况,其最大平衡力矩比较小。

7

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本次课程设计持续一周,可以说是紧张又有学到了知识,从中可以发现许多 的问题,发现问题以后就要解决,从中会学到很多,也发现了自己的很多问题, 特别是专业课不熟悉,作图不熟练,这些都导致了课程设计过程中特别是作图时 出现的误差,所以要认真学好专业知识,多熟悉专业方面的知识 ,在作图方面 要多练习,在数据统计过程中发现有些点的数据和实际值有较大的出入,这可能 是有些同学在计算过程中没有计算正确,也可能是某些参数的矢量方向弄反了, 通过再三的核对、检查,有些比较大的误差我们可以更正过来,但有些小的误差 我们无法避开,这很可能是画图时出现的误差。本次课程设计我们分为三组,三 组各有自己的数据,完成作图后进行比较,看看那个方案比较好,这样的比较可 以让我们比较全面的了解刨床的一些设计参数, 虽然不能说我们的数据是完全正 确的,但从线条的走向趋势来看还是能大体的反映一些设计要求的,可以说这次 课程设计是一次模拟真实的的设计,通过计算各项(AF)jk, ,比如运动性能、动 力性能、经济适用性。运动性能表现在速度和加速度方面;动力性能表现在所受 的力和力矩方面,而经济性表现在机构的复杂程度上。通过三组数据的比较可以 很明显的看出第一组数据是比较好的,其运动性能、动力性能、经济适用性都比 较好。 通过几天的课程设计我们发现问题解决问题, 收获了很多, 但也存在不足, 希望学校多组织几次这样的活动,让我们能够更全面的掌握专业方面的知识。

8

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参考文献

[1] 机械工程手册编辑委员会编. 《机械设计手册【M】.第 3 版.北京:机械工 》 业出版社,2008 [2] 哈尔滨工业大学理论力学研究室编. 《理论力学Ⅰ》——六版——北京 2002.8 [3] 孙 桓 等 主编《机械原理》 (第六版) 高等教育出版社

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