机械基础知识原理课程教学方案.doc

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1、!-1设计题目：牛头刨床1. ）为了提高工作效率，在空回程时刨刀快速退回，即要有急会运动，行程速比系数在1.4左右。2. ）为了提高刨刀的使用寿命和工件的表面加工质量，在工作行程时，刨刀要速度平稳，切削阶段刨刀应近似匀速运动。3. ）曲柄转速在60r/min,刨刀的行程H在300mm左右为好，切削阻力约为7000N，其变化规律如图所示。2、牛头刨床机构简介牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图4-1。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

2、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4-1，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。3、机构简介与设计数据 3.1.机构简介牛头刨床是一种

3、用于平面切削加工的机床。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，称工作切削。此时要求速度较低且均匀，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，以提高生产效率。为此刨床采用急回作用得导杆机构。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与棘轮机构带动螺旋机构，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，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

4、的，这就影响了主轴的匀速运转，故需装飞轮来减小株洲的速度波动，以减少切削质量和电动机容量。3.2设计数据表3-3 牛头刨床刨刀的往复运动机构设计数据内容导杆机构的运动分析符号n2Lo2o4Lo2ALo4BLBCLo4S4xs6ys6单位r/min mm方案I1723801206006000.5 Lo4B24050方案II1503801206005000.5 Lo4B20050内容导杆机构的动态静力分析齿轮机构的设计符号G4G6PyPJs4mi12Lo1o2单位Nmmkg.m2mmmm方案I2007007000801.162.5150方案II2208009000801.263180内容凸轮机构设

5、计符号maxmaxLo9DLo2o90t从动件运动规律余弦加速上升远休止等加速等减速下降近静止单位 （） mm（）方案I15401251608010相应凸轮转角751075200方案II153813517080107010702104、设计内容4.1. 导杆机构的运动分析（见图例1）已知 曲柄每分钟转数n2，各构件尺寸及重心位置，且刨头导路x-x位于导杆端点B所作的圆弧高的平分线上。要求 做机构的运动简图，并作机构两位置的速度、加速度多边形以及刨头的运动线图。以上内容与后面的动静力分析一起画在1号图纸上。曲柄位置图的作法为取29和69为摆杆两个极限位置对应的曲柄位置，19和79为切削起点和终点

6、所对应的位置，其余2，312等，是由位置1起顺v2方向将曲柄圆周作12等分的位置。步骤：1）设计导杆机构。 按已知条件确定导杆机构的未知参数。其中滑块6的导路x-x的位置可根据连杆5传力给滑块6的最有利条件来确定，即x-x应位于B点所画圆弧高的平分线上（见图例1）。2）作机构运动简图。选取比例尺=3mm/mm按要求所分配的两个曲柄位置作出机构的运动简图，其中一个位置用粗线画出。取曲柄水平时为起始位置1，按转向将曲柄圆周十二等分，得十二个曲柄位置。再作出开始切削和中止切削所对应的1和7两位置。共计16个机构位置。3）作速度，加速度多边形。选取速度比例尺=0.02（）和加速度比例尺=0.6（），用

7、相对运动图解法作该两个位置的速度多边形和加速度多边形，并将起结果列入表。4)作滑块的运动线图。根据机构的各个位置，找出滑块6上C点的各对应位置，以位置1为起始点，量取滑块的相应位移，取位移比例尺=0.006（），作（t）线图。为了能直接从机构运动简图上量取滑块位移。然后根据（t）线图用图解微风法（弦线法）作出滑块的速度（t）线图，并将结果与其相对运动图解法的结果比较。5）绘制滑块的加速度线图（见图1）.导杆机构的运动分析1).选取长度比例尺，作出机构在位置8的运动简图。 如一号图纸所示，选取=3/OA（m/mm)进行作图，l表示构件的实际长度，OA表示构件在图样上的尺寸。作图时，必须注意的大小

8、应选得适当，以保证对机构运动完整、准确、清楚的表达，另外应在图面上留下速度多边形、加速度多边形等其他相关分析图形的位置。2.)求原动件上运动副中心A的v和a v= l 2.16m/s式中vB点速度（m/s） 方向丄AOa= l=38.88m/s式中aA点加速度（m/s）,方向A O3.解待求点的速度及其相关构件的角速度由原动件出发向远离原动件方向依次取各构件为分离体，利用绝对运动与牵连运动和相对运动关系矢量方程式，作图求解。（1）列出OB杆A点的速度矢量方程 根据平面运动的构件两点间速度的关系绝对速度=牵连速度+相对速度先列出构件、上瞬时重合点（，）的方程，未知数为两个，其速度方程：v v +

9、 v方向：丄 丄AO大小：？ l ？（）定出速度比例尺在图纸中，取p为速度极点，取矢量pa代表v,则速度比例尺（m s/mm）=0.02 ms/mm（）作速度多边形，求出、根据矢量方程式作出速度多边形的pd部分，则v (m/s)为v=pa=2.16m/s= v/ l=3.239rad/s其转向为顺时针方向。=l=1.94 m/sB点速度为，方向垂直于O4B（）列出C点速度矢量方程，作图求解V、VV= + V 方向： /xx 丄B /BC 大小：？ l ？通过作图，确定点速度为VCB =bc=0.398m/sVpc=1.9m/s式中VCB 方向丄BC式中V点速度，方向为pc。解待求点的加速度及其

10、相关构件的角加速度（）列出点加速度矢量方程式牵连速度为移动时绝对加速度牵连加速度相对加速度牵连运动为转动时，（由于牵连运动与相对运动相互影响）绝对加速度牵连加速度相对加速度柯氏加速度要求点加速度，得先求出点加速度，a= a+ a =a A2+ ar + a方向：？ 丄A指向O2 丄大小：？l？ l ？ 23v(2)定出加速度比例尺在一号图纸中取p为加速度极点，去矢量pa代表a，则加速度比例尺（ms/mm）=0.6 m/s/mm(3)作加速度多边形，求出a、a、a根据矢量方程图的panka部分，则 a=48.5x0.6=29.1 m/sa=pn=4.8m/sa=50.1x0.6=30.06m/s

11、 方向为p指向A4 aB =64.2x0.6=38.52 m/s (4)列出C点加速度矢量方程，作图求解a 、a、 aa = a+ a + aB 方向： /xx BC 丄BC 由图知 大小： ？ V/l ? l 由上式可得： a=21.1x0.6=12.66m/sa=59.2x0.6=35.52m/s确定构件4的角加速度a4由理论力学可知，点A4的绝对加速度与其重合点A3的绝对加速度之间的关系为 方向：O4B O4B O4B O4A O2A 大小： ？ vlo2A ? 2v4Va4a3 vlo2A其中a法向和切向加速度。a为科氏加速度。从任意极点O连续作矢量O和k代表aA3和科氏加速度，其加速

12、度比例尺1:0.219；再过点o作矢量oa4”代表a，然后过点k作直线ka4平行于线段oa4”代表相对加速度的方向线，并过点a4作直线a4a4垂直与线段ka4，代表a的方向线，它们相交于a4，则矢量oa4便代表a4。构件3的角加速度为a/lO4A将代表a的矢量ka4平移到机构图上的点A4，可知a4的方向为逆时针方向。同理，可以做出位置3的运动简图，各点速度、加速度分析和位置8相似。VBaBVA3A4aA4A3KVCaCVs4as4445533.52857.31.46252.443.17647.641.54628.55.8889.0831.09348.74. 根据以上方法同样可以求出位置九的速度

13、和加速度5VBaBVA3A4aA4A3KVCaCVs4as4445581.93838.521.62257.31.89835.460.77819.53.2364.8470.6220.5单位1/sm/s1/sm/s24.2. 导杆机构的动态静力分析已知 各构件的重量G（曲柄2、滑块3和连杆5的重量都可忽略不计），导杆4绕重心的转动惯量Js4及切削力P的变化规律。已知数据见下表：设计内容导杆机构的动态静力分析符号G4G6JS4ypp单位牛牛牛.米秒2毫米牛数据2007001.1807000要求 求各运动副中反作用力及曲柄上所需要的平衡力矩。以上内容做在运动分析的同一张图纸上。步骤 1） 选取阻力比例

14、尺= 50 ，根据给定的阻力Q和滑块的冲程H绘制阻力线图。2） 根据各个构件的重心的加速度即角加速度，确定各构件的惯性力和惯性力偶矩 ，并将其合为一力，求出该力至重心的距离。 3）按杆组分解为示力体，用力多边形法决定各运动副中的反作用力合加于曲柄上的平衡力矩。将所有位置的机构阻力，各运动副中的反作用力和平衡力矩的结果列入表中：动态静力分析过程：在分析动态静力的过程中可以分为刨头，摇杆滑块，曲柄三个部分。首先说明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 + F45 + FN =0 方向：x轴 y轴 与a6反向 BC y轴 大小：7000 700

15、 -m6a6 ? ?以作图法求得:位置4 F45 = 4375 N 位置4 R16 = 700 N 对于摇杆滑块机构可以列出平衡方程式： F=0 F54 + F23 + Fi4 + G4 + F14 =0 方向: BC O4B a4 y轴 ? 大小：F54 ？ m4a4 422.8 ?力矩平衡方程式： M=0 F54*h54-F34*h34-Mi4-Fi4*hi4+G4*h4=0 由此可以求得R34的大小：F23= 5193.7 N 最后可以利用力的平衡方程式做力的多边形解出 位置4 F14=2345 N 在摇杆上可以得到R23=-R32 最终得出位置8 My=428.5Nm Fi6Fi4Mi

16、4lh4大小方向8256061172.05 顺时针0.1179单位NN.mm表PF54=F45N34=N23My大小方向 8 70004375 5193.7 874.97 顺时针单位NN.m2凸轮机构设计 21设计要求（1）取L=1mm/mm,按给定条件在2号图纸上绘制从动件运动线图及凸轮的实际轮廓线。（2）从动件运动规律及凸轮每转过5对应从动杆摆动角度均以表格形式在图上表示出来。（3）整理设计说明书。设计内容凸轮机构设计符号maxLO4DLO2O4ot从动件运动规律余弦加速上升远静止等加速等减速下降近静止单位度度毫米毫米毫米毫米相应凸轮转角502060230数据154512516080102

17、.2根据已知数据，计算结果如下：推程（度）05101520253035（度）00.160.651.432.483.755.186.72（度）4045505560657075（度）8.289.8211.2512.5213.5714.3514.8415回程（度）859095100105110115120（度）1514.8714.4713.812.8711.6710.28.47（度）125130135140145150155160（度）6.534.83.332.131.20.530.130远休止10（度）50-70近休止200（度）130-360设计过程：1）根据给定的r0=80mm和摆杆位置画出从

18、动件的初始位置O9D0，再根据c-w线图画出从动件的一系位置O9D1 、O9D2 、O9D3 、O9D4 、O9D5、O9D6 、O9D7、O9D8、O9D9 、O9D10 、O9D11 、O9D12 、O9D13 、O9D14，使得D0O9D1 =c1、D0O9D2 =c2 、D0O9D3 =c3、D0O9D4 =c4 、D0O9D5 =c5、D0O9D6 =c6 、D0O9D7 =c7、D0O9D8 =c8、D0O9D9 =c9 、D0O9D10 =c10 、D0O9D11 =c11 、D0O9D12 =c12、D0O9D13 =c13 、D0O9D14 =c14。2）从基圆上任一点C0开

19、始，沿（-v）方向将基圆分为与图c-w线图横轴对应的等份，得C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14。过以上各点作径向射线OC1、OC2、OC3、OC4、OC5、OC6、OC7、OC8、OC9、OC10、OC11、OC12、OC13、OC14。以O为中心及OD1为半径画圆弧，分别交OC0和OC1于E1和E1，在圆弧上截取E1D1= E1D1得点D1。用同样方法，在以OD2为半径的圆弧上截取E2D2= E2D2得点D2，在OD3为半径的圆弧上截取E3D3= E3D3得点D3 ，在OD4为半径的圆弧上截取E4D4= E4D4得点D4 ，在OD5为

20、半径的圆弧上截取E5D5= E5D5得点D5 ，在OD6为半径的圆弧上截取E6D6= E6D6得点D6 ，在OD7为半径的圆弧上截取E7D7= E7D7得点D7 ，在OD8为半径的圆弧上截取E8D8= E8D8得点D8 ，在OD9为半径的圆弧上截取E9D9= E9D9得点D9 ，在OD10为半径的圆弧上截取E10D10= E10D10得点D10 ，在OD11为半径的圆弧上截取E11D11= E11D11得点D11 ，在OD12为半径的圆弧上截取E12D12= E12D12得点D12 ，在OD13为半径的圆弧上截取E13D13= E13D13得点D13。将D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6

21、、D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13连成曲线便得到凸轮轮廓曲线。 2.3作图2.4检测压力角 3齿轮机构设计 3.1设计要求已知：齿轮Z1、Z2，模数m，分度圆压力角，正常齿制，工作情况为开式传动，齿轮Z2与曲柄共轴。要求：齿轮机构设计Z1Z2m毫米度1545620（1）取比例尺L=1mm/mm或L=0.5mm/mm,在 3号图纸或2号上画图；（2）变位系数取X1=-X2=0.25；（3）要求画三对齿,其中一对齿在节点啮合；（4）画出理论啮合线、实际啮合线、齿廓工作段、计算重合度与计算值比较。3.2数值计算 Z1=15 d1=mz1=90 =20Z2=45 d2=mz2=270

22、=20y=x1+x2=0 mmx1+x2=0 mm 取x1=-x2=0.25齿顶高 ha1=(ha+x1)m=7.5mm ha2=( ha+x2) m=4.5mm齿根高 hf1=(ha+c-x1)m=6 mm hf2=(ha+c-x2)m=9mm节圆 r1=45 mm r2=135 mm基圆 rb1=42.3 mm rb2=126.9 mm分度圆 r1=45 mm r2=135 mm齿根圆半径 rf1=39 mm rf2=126 mm齿顶圆半径 ra1=52.5 mm ra2=139.5mm齿轮厚 s1=10.517 mm s2=8.333mm齿槽宽 e1=8.333 mme2=10.517m

23、m重合度：45/37=1。2161.2齿轮1渐开线对应的尺寸（毫米）线代号0123456尺寸02.24.46.68.911.113.3线代号78910111213尺寸15.517.719.922.124.426.628.8齿轮2渐开线对应的尺寸（毫米）线代号012345尺寸06.613.319.926.633.2线代号67891011尺寸39.946.553.259.866.473.1线代号12131415尺寸79.786.493.099.73.3作图图的比例是0.5mm/mm，故图上的距离是表中2倍。三、课程设计总结或结论通过此次课程设计我对速度、加速度、力的分析方法尤其对图解法有了更深的了

24、解, 培养了我理论联系实际的正确设计思想，进一步巩固和加深所学的理论知识。为以后学习机械相关方面的知识打下很好基础，并对机构的分析方法有了更加清晰的了解。培养了我综合运用已经学过的理论知识去分析问题和解决问题的能力，从而对机械的运动分析、动力分析和机构设计有一个完整的、系统的概念。在图解法求解的时候，尤其在绘图的时候应该认真仔细，保证图形的准确性,在手工绘制的时候，要有严谨认真的态度。在学习绘制齿轮，凸轮的时候要严格按步骤画图.理解各个步骤之间的关系。在老师细心指导下，在同学之间相互沟通下认真完成画图任务，并仔细填定报告书。增进了知识的理解和应用，并增进了班级同学之间的交流。四、参考文献(1)孙桓 陈作模 主编 机械原理教材 北京：高等教育出版社 第六版 2006年 (2)唐锦如 主编 机械原理课程设计指导书 华北电力大学讲义 2000年