机械原理课程设计之牛头刨床

  1、设计内容及要求 ------------------------------3

     1.1、设计内容 ----------------------------------3

     1.2、机构的工艺功能要求 ------------------------3

  2、机器运动方案初步拟定 ------------------------3

     2.1、机器工艺动作分解及要求 --------------------3

2.2、机器运动循环图 ----------------------------3

2.3、执行机构的选型 ----------------------------4

     2.3.1、刨刀的刨削运动 ----------------------4

     2.3.2、横向进给运动 ------------------------6

     2.3.3、垂直进给运动 ------------------------9

     2.3.4、运动方案的确定 ----------------------9

   3、主机构尺度综合及运动分析 -------------------10

     3.1、原始数据 ----------------------------------10

     3.2、主机构的尺度综合 --------------------------10

     3.3、主机构的运动分析 --------------------------10

          3.3.1、位置1的运动分析--------------------10

          3.3.2、位置10的运动分析 ------------------14

          3.3.3、速度加速度线图 ---------------------16

   4、电动机功率与型号的确定 ---------------------17

     4.1、等效阻力矩的计算 --------------------------17

     4.2、等效驱动力矩的计算 ------------------------19

     4.3、电动机型号的确定 --------------------------19

   5、飞轮的转动惯量 ------------------------------20

     5.1、等效力矩的计算 -------------------------20

     5.2、飞轮转动惯量的计算 ---------------------21

   6、主机构受力分析 ------------------------------21

     6.1、位置1的力分析 -------------------------21     6.2、位置10的力分析 ------------------------22

   7、传动机构设计 --------------------------------23

      7.1、减速比及分配 -------------------------------23

      7.2、齿轮机构设计 -------------------------------23

  8、进给运动 ------------------------------------24

     8.1、横向进给运动 ---------------------------24

     8.2、垂直进给运动 ---------------------------25   总结与体会 -------------------------------------26参考文献 --------------------------------------27   

1、设计内容及要求

   1.1、设计内容

   平面刨削机床运动简图设计及分析，计算刨削机构在指定位置的速度、加速度、受力，绘制位移、速度、加速度曲线、平衡力矩曲线、等效阻力矩曲线以及等效驱动力矩曲线。根据上述得到的数据，确定飞轮的转动惯量JF。

   1.2、机器的工艺功能要求

   刨削尽可能为匀速，并要求刨刀有急回特性。

   刨削时工件静止不动，刨刀空回程后期工件作横向进给，且每次横向进给 量要求相同，横向进给量很小并且随工件的不同可调。

   工件加工面被抛去一层后，刨刀能沿垂直工件加工面方向下移一个切削深 度，然后工件能方便地作反方向间歇横向进给，且每次进给量仍然要求相同。

   原动机采用电动机。

2、机器运动方案简图的拟定    

    2.1、机器工艺动作分解及要求

    根据机器的工艺功能要求，其工艺动作分解如下：

    1、刨刀的切削运动：往复移动，近似均匀，具有急回特性。

2、工件的横向进给运功：间歇运动，每次移动量相同，在刨刀空回程后期完成移动，要求移动量小且调整容易。工件刨去一层之后能方便地作反向间歇横向移动进给，同样要求反向进给量每次相同且易调整。

3、刨刀的垂直进给运动：间歇移动，工件刨去一层之后刨刀下移一次，移动量调整方便。

    2.2、机器运动循环图

图2-1 直线式工作循环图

图2-2 圆周式工作循环图

    2.3、三个执行机构的选型：

    2.3.1、刨刀的切削运动按照原始条件，原动机采用电动机，电机转子的回转运动经过减速传动装置后再传给刨刀切削运动的执行机构，所以它应具备回转运动转换成双向移动的功能，常用于实现这一功能的执行机构有以下几种：

    1、移动从动件凸轮机构：一般凸轮作为主动件，做连续回转运动或平移运动，其轮廓曲线的形状取决于从动件的运动规律。

图2-3 凸轮机构示意图

    凸轮机构易实现工作行程匀速及具有急回特性要求，但是受力差，易磨损，行程大时基圆大，凸轮尺寸大，较难平衡和制造。

   2、平面连杆机构：

图2-4 平面连杆机构

    平面连杆机构受力好，磨损小，工作可靠，具有急回特性，但是只能实现近似的匀速运动。

3、齿轮齿条机构：

 

图2-5 齿轮齿条机构

    轮齿条机构可实现工作行程为匀速移动的要求，但行程开始及终止时有冲击，适用于大行程而不适宜于小行程，且必须增加变速机构才能得到急回运动。

    4、螺旋机构：

图2-6 螺旋机构

    螺旋机构能得到均速移动的工作行程，且为面接触，受力好，但行程开始和终止时有冲击，安装和润滑较困难，且必须增设换向和变速机构，才能的到急回运动。

     5、凸轮-连杆组合机构：

图2-7 凸轮连杆组合机构

   凸轮-连杆组合机构能实现给定的运动要求，但是具有凸轮机构存在的缺点，且设计制造比较复杂。

    2.3.2、横向进给运动

    工件的横向进给运动量是很小的，且每次要求等进给量进给，又因为必须防止工件在刨削力的作用下沿横向移动，所以横向进给机构除了能实现小而且等量进给外，在非进给时还应具备有自动固定的功能。螺旋机构能满足这些功能，而且结构简单，容易制造。因此，可选用螺旋机构作为横向进给运动的执行机构，其动力仍然来自驱动刨刀运动的电动机，不必另设动力源。

    工件要能间歇移动，螺旋必须作间歇转动，所以在螺旋机构之前必须串联一个间歇转动机构，且与刨刀切削运动执行机构相联，这样可以方便实现切削运动和横向进给运动的协调配合。能够实现将连续回转运动转化成间歇转动的机构有：

    1、槽轮机构：

图2-8 槽轮机构

    槽轮机构结构简单，制造容易，工作可靠，但每次转角较大且不可调整，为了反向回转，必须增加反向机构。

    2、曲柄摇杆棘轮机构：

图2-9 曲柄摇杆棘轮机构

曲柄摇杆棘轮机构结构简单，制造容易，每次转角较小，容易调整且为等量转动，采用双向式棘轮还可以方便地实现棘轮反转。

    3、不完全齿轮机构：

图2-10 不完全齿轮机构

    不完全齿轮机构可以实现等速转位和等量转角，但不可调整，如需反转必须增加反向机构。

    4、凸轮式间歇运动机构：

图2-11 凸轮式间歇运动机构

    凸轮间歇运动机构传动平稳，噪音低，适用于高速场合，但凸轮加工复杂，精度要求高，每次转角不可调，如需反转应增设反向机构。

    5、星轮机构：

图2-12 行星轮系机构

    星轮机构具有槽轮机构的启动性能，又兼有不完全齿轮机构等速转位的优点，可以实现等量转角，但不可调，同时星轮加工制造困难。

    2.3.3、刨刀垂直进给运动

    为了实现刨刀的垂直进给运动，可以在刨刀切削运动执行件上设置一个在垂直于刨削方向上能作间歇移动的执行机构。与横向进给类似，该执行机构同样应具有小进给量可调且在非进给时具有自动固定的功能，同时考虑到动力源可以采用手动，因此采用一个简单螺旋机构作为刨刀垂直进给运动的执行机构，既简单又工作可靠。

   2.3.4、运动方案的确定

   根据以上的分析可知，能实现机器总体工艺功能的方案有许许多多，通过分析比较确定实现该机器的三个工艺动作的执行机构分别为：

1、刨刀切削运动采用平面连杆机构。

2、工件横向进给运动采用曲柄摇杆棘轮机构与螺旋机构串联。

3、刨刀垂直进给运动采用螺旋机构。

为了实现刨刀切削速度尽可能为匀速，作为刨刀切削运动的执行机构――平面连杆机构，应该采用平面六杆机构来实现。

图2-13 方案一示意图

采用上述结构最为简单，能承受较大载荷，但其存在有较大的缺点。一是由于执行件行程较大，则要求有较长的曲柄，从而带来机构所需活动空间较大；二是机构随着行程速比系数K的增大，压力角也增大，使传力特性变坏。

图2-14 方案二示意图

该方案在传力特性和执行件的速度变化方面比方案1有所改进，但在曲柄摇杆机构中，随着行程速比系数K的增大，机构的最大压力角仍然较大，而且整个机构系统所占空间较大。

图2-15 方案三示意图

该方案传力特性好，机构系统所占空间小，执行件的速度在工作行程中变化也较缓慢。

  综上：选用方三作为机构的主切削机构。

3、刨刀切削运动机构的尺度综合及运动特性评定

   3.1、原始数据

表3-1 原始数据

刨削平均速度vm(mm/s)	630
行程速度变化系数K	1.48
刨刀冲程H(mm)	420
切削阻力Fr(N)	5500
空行程摩擦阻力（N）	275
刨刀越程量ΔS(mm)	21
刨头重量（N）	650
杆件比重（N/m）	340
许用不均匀系数[δ]	0.05

              

3.2、主机构的尺度综合

 根据方案三的机构图可得

 =      

 =53.7r/min  O4B=701.46mm  

O2O4=O4B=420.88mm    AO2=O2O4=126mm 

 BC=BO4=175.37mm  

 3.3、主机构的运动分析

 机构1和10 位置的运动简图如下图所示：

图3-1 主机构简图

 3.3.1、位置1的运动分析

     对曲柄位置1做速度分析，加速度分析（列矢量方程，画速度图，加速度图）

 1、取曲柄位置“1进行速度分析

 取构件3和4的重合点A进行速度分析，

 取速度极点P，速度比例尺µv=0.1(m/s)/mm，

 作速度多边形如图3-1，列速度矢量方程：

                               式（3-1）

大小   ?     √      ?

方向 ⊥  ⊥∥

式中： =0.71m/s方向:⊥

图3-2 速度多边形

      取5构件为研究对象，列速度矢量方程

   υC =υB  + υCB                                   式（3-2）

大小  ?     √       ?

方向 ∥导路 ⊥   ⊥BC

式中： =0.32m/s

 2、取曲柄位置“1”进行加速度分析，

 取曲柄构件3和4的重合点A进行加速度分析。

     作速度多边形如图3-2，加速度比例尺 μa=0.1（m/）/mm。

     列加速度矢量方程：

   aA4 = a A4n+a A4t= aA3+aA4A3k+a A4A3r               式（3-2）

大小   ?   √      ?    √  √      ?

方向   ?  A→O2  ⊥O2B  A→O1  ⊥O2B ∥O2B

式中：a A3 =ω22×LO2A·µL ，a A3=3.98m/s2

     aA4n=×LO4A·µL ，aA4n =0.09m/s2

      aA4A3k=2υA4A3 aA4A3k=0.m/s2，方向´→k 

      取5构件的研究对象，列加速度矢量方程：

   aC= aB n +  aBτ + aCBn + aCBτ                     式（3-3）

大小  ?     √       √      √     ?

方向∥导路 B→A  ⊥AB    C→B  ⊥BC

式中：aBn=2LO4B·µL ，aBn =0.14m/s2 ，方向→b

     aBτ=aA4t·LO4B/LO2A ，aBτ=5.12m/s2，方向p´→

     aCBn=υCB2/LBC·µL ，aCBn =0.05m/s2，方向aB´→           

图3-3 加速度多边形

  3.3.2、位置10的运动分析

      曲柄位置“10”做速度分析，加速度分析（列矢量方程，画速度图，加速度图）

  1、取曲柄位置“10”进行速度分析， 

  取速度极点P，速度比例尺µv=0.01(m/s)/mm，

      作速度多边形如图3-1

      取构件3和4的重合点A进行速度分析。

，列速度矢量方程：

   υA4 =υA3 +υA4A3                                    式（3-4）

大小  ?     √     ?

方向⊥⊥∥

式中： =0.71m/s，方向:⊥

取5构件为研究对象，列速度矢量方程:

  υC =υB  +υCB                                      式（3-5）

大小 ?     √      ?

方向 ∥导路⊥O2B   ⊥BC

式中：υB = 1.69m/s，方向p→b 

 

 图3-4 速度多边形图

     2、取曲柄位置“10”进行加速度分析.

     取速度极点P，速度比例尺µv=0.05(m/s)/mm，

     取曲柄构件3和4的重合点A进行

     加速度分析.列加速度矢量方程：

   aA4  = aA4n+ aA4t= aA3 + aA4A3k+ a A4A3r             式（3-6）

大小  ?     √     0   √    0        ?

方向  ?     A→     A→               ∥B

式中：aA4n=2LO4A·µL，aA4n =1.71m/s2，方向p´→n 

      a A3=ω12×LO2A·µL，a A3=3.98m/s2，方向p´→a3´

     取5构件的研究对象，列加速度矢量方程：   

   aC  = aB n + aBτ + aCBn+ aCBτ                      式（3-7）

大小 ?     √   √    √    ?

方向∥导路 B→A  ⊥AB  C→B  ⊥BC

式中：aBn=2LO4A·µL ，aBn = 4.07m/s2

      α4=0rad/s2 ，aBτ=0m/s2

     υCB =0m/s ，aCBn = 0m/s2

     3.3.3、速度加速度线图

     1、速度线图

图3-5 速度线图

       

       2、加速度线图

       

图3-6 加速度线图

 4、电动机功率与型号的确定

   4.1、等效阻力矩的计算

1．取曲柄AB为等效构件，根据机构位置和切削阻力Fr确定一个运动循环中的等效阻力矩Mr（φ）。

                                             式（4-1）

计算所得数据如下表：

 表4-1 等效力矩计算结果

	代号
	1	5.62	0.31	4.97	34.65	303.38
	2		0.75	3.15	795.30	733.99
	3		0.81	1.36	868.80	790.70
	4		0.91	0.12	934.92	888.61
	5		0.83	-2.98	837.60	814.23
	6		0.	-5.80	720.08	626.33
	7		0.35	-7.30	59.21	341.52
	8		-0.28	-7.91	34.22	13.70
	9		-1.16	-9.31	226.10	56.76
	10		-1.69	0.41	75.91	82.70 续表
代号
	11	5.62	-1.10	9.50	41.01	53.82
	12		-0.24	7.95	17.42	11.62

   以下是等效力矩和平衡力矩的线图：

图4-1 平衡力矩线图

图4-2 等效力矩线图

   4.2、等效驱动力矩的计算

根据Mr（φ）值采用数值积分中的梯形法计算曲柄处于各个位置时Mr（φ）的功：

                                        式（4-2）

因为驱动力矩可视为常数，所以按照：

                                    式（4-3）

确定等效驱动力矩Md。

   4.3、电动机型号的确定

由

                                       式（4-4）  

计算刨刀切削运动所需的功率，得：

考虑到机械摩擦损失及工件横向进给运动所需功率，所以：

                                               式（4-5）

确定电机功率，得：

                     

选定电机型号

    由参数表可知，该牛头刨床的驱动电动机应选用Y200L2-2型号的。其中各个符号的意义说明如下图：

图4-3 电动机参数解释示意图

 5、飞轮转动惯量的确定

   5.1、等效力矩的计算

     1、确定等效力矩

     

                                    式（5-1）

2、确定等效力矩所做的功，等效力矩和等效力矩所做的功的值如下表所示：

表5-1 等效力矩及其功的计算结果

曲柄位置号	M（f）（N•m）	（J）
1	159	162
2	-272	-67
3	-329	-157
4	-427	-198
5	-352	-204
6	-1	-135
7	120	-27
8	448	149
9	405	223
10	379	205
11	408	206
12	450	225

3、求解最大盈亏功

                                   式（5-2）

求出最大赢亏功。

5.2、飞轮转动惯量的计算

由

                       =                  式（5-3）

得：。

6、主机构的力分析

    已知各构件的重量G（滑块3和连杆5的重量都可忽略不计），导杆4绕重切削力的变化规律。求各运动副中反作用力及曲柄上所需要的平衡力矩。

   6.1、位置1的力分析

取“1”点为研究对象，分离5、6构件进行运动静力分析。

    对于构件5、6由平衡条件得：

                     式（6-1）

大小 √   √   ？  √     ?

方向 //导路 ⊥BC ⊥导路 ⊥导路  //BC  

式中：、f=275 N，G6=650 N，

      ,。

    对导杆4（力多边形如图所示），由平衡条件得：

           式（6-2）

大小  √   √    √   √   √    ？   ？                      

方向 //BC ⊥导杆 //导杆 ⊥导杆  向下  水平   向下   

式中： =543 N， =62.3 N,

      =2.19 N， =238.5 N。

图6-1 位置1的导杆的力多边形图

   6.2、位置10的力分析

取“10”点为研究对象，分离5、6构件进行运动静力分析。

对于构件5、6由平衡条件得：

                         式（6-3）

大小   √     √     ？    √      ?

 

方向  //导路 ⊥BC ⊥导路 ⊥导路 //BC 

式中：f=275 N，G6=650 N，

      ,。

    对导杆4（力多边形如图所示），由平衡条件得：

                    式（6-4）

大小 √    √    √    ？     ？                      

方向 //BC   ⊥导杆  向下   水平    向下   

式中： =255 N， =238.5 N。

图 6-1 位置10的导杆的力多边形图

7、传动机构的设计

   7.1、减速比及其分配

    1、总减速比

                                          式（7-1）

    2、减速比的分配

 减速传动机构采用V带传动和齿轮传动的配合，V带作为一级减速机构，其分配得到的传动比应该不大于终极减速机构齿轮的传动比，最后综合各机构减速比的范围最终确定减速比分配为：

 皮带传动比

 齿轮传动比

   7.2齿轮机构设计

   由于齿轮传动比，采用两级齿轮传动，传动比计算公式为：

                                            式（7-2）

齿轮的安装图如下：

图7-1 齿轮的安装图

   采用标准齿轮，则

    m=4  =20° 

   齿轮基本参数如下表 (ha*=1.0 , c*=0.25)

表7-1 齿轮基本参数表

齿轮代号
分度圆直径d	68mm	204mm	68mm	204mm
齿数z	17	51	17	51

8、进给运动

   8.1、横向进给运动

    工件的横向进给运动量是很小的，且每次要求等量进给，又因为必须防止工件在刨削力的作用下沿横向移动，所以横向进给执行机构除了能实现小而且等量进给外，在非进给时还应具备有自动固定的功能。螺旋机构能满足这些功能，而且结构简单，容易制造。因此，可选用螺旋机构作为横向进给运动的执行机构，其动力仍然来自驱动刨刀运动的电动机，不必另设动力源。

    工件要能间歇移动，螺旋必须作间歇转动，所以在螺旋机构之前必须串联一个间歇转动机构，且与刨刀切削运动执行机构相联，这样可以方便实现切削运动和横向进给运动的协调配合。

通过比较分析，工件横向进给运动采用曲柄摇杆棘轮机构与螺旋机构串联。

       

图8-1 双向棘轮机构

   8.2、垂直进给运动

   为了实现刨刀的垂直进给运动，可以在刨刀切削运动执行件上设置一个在垂直于刨削方向上能作间歇移动的执行机构。与横向进给类似，该执行机构同样应具有小进给量可调且在非进给时具有自动固定的功能，同时考虑到动力源可以采用手动，因此采用一个简单螺旋机构作为刨刀垂直进给运动的执行机构，既简单又工作可靠。

图8-2 牛头刨床总体机构示意图

总结与体会

接触机械原理这门课程一学期了，而这学期才是我真正感受到了一个学习机械的乐趣以及枯燥，被那些机械器件、机件组合而成的机器所吸引，尤其是汽车、机器人、航天飞机等机械技术所震撼，感慨机械工作者的伟大。然而这种激动就在接近本学期结束之时，终于实现了，我们迎来了第一堂机械课程设计。

由于第一次做这样的事情，脱离老师的管束，和同学们分组探讨牛头刨床的结构设计，把学了一学期的机械原理运用到实践中，心中另是一番滋味！

在设计之前，指导老师把设计过程中的所有要求与条件讲解清楚后，脑子里已经构思出机构的两部分，即主机构和横向进给机构，把每一部分分开设计，最后组合在一起不就完成整体设计了吗？这过程似乎有点简单，可是万事开头难，没预料到这个“难”字几乎让我无法逾越，如导杆机构，必须按照规定的运动规律即参数，设计一个满足运动条件的导杆机构，这是机械原理课堂上没有讲过的，因为这部分只是课本了解内容，但涉及这个导杆机构对整个课程设计来说又是势在必行的，所以我跑到图书馆，恨恨地找了一番，终于借到与这次课程设计有关的几本参考资料书，拿回来后一本一本地看下去，把有关的内容一一浏览，结果，令我们欣喜的是这导杆机构的各种参数都被罗列出来了，而且还有一道例题，按照例题的思路很快地设计出了导杆机构，即主机构设计完成。

做成了导杆机构，之后对机构进行速度加速度分析，我们思考着解析法是不可能在很短的时间内弄懂的，为了争取时间我们只能选择图解法了，我们大晚上的坐在电脑旁边，用CAD作图，用QQ语音进行交流，高科技显然被引进了我们的课程设计，几位“工程师”边做图边把存在的问题说出来，最后在加夜班的情况下，于第二天早上突破了这个难题。

作图可以说是学机械的家常便饭，不过这最基本的功夫又是最耗时、最考验人的耐心和细心的。1张1号图纸必须在很短的时间内完成，将我们设计机构完全呈现出来。由于我们的任务繁多，所以我们只能抓紧时间画图算数据，而且每个数据都算两道三遍以便答辩时不会出错，这一任务无疑加大了我们的工作量，最为让人印象深刻的就是，有一天晚上到活动室后，为了在晚上离开前完成图纸，一直作图到晚上九点钟，下午五点那时肚子实在饿得不行了，就干脆把快餐叫到活动室，几个人在一起呼呼呼地吃了一顿特殊的作图晚餐，这样的事情在毕业后也许将成为同学之间的一段美好的回忆了。

周三完成课程设计报告，完善图纸。准备好一切后，等待周五的答辩到来。只希望我们组能够在答辩中取得好成绩，即过程与结果的双重完美，当然这是本次课程设计的最完美的结局。

参考文献

［1] 孙恒，陈作模．机械原理［M]．7版．北京：高等教育出版社，2006．5．

［2] 邹慧君．机械原理设计手册．北京：高等教育出版社，1998．6．

［3] 周一峰．理论力学．长沙：湖南科学技术出版社，2003．8．

方案分析：对方案一、 

1.机构具有确定运动，自由度为F=3n-（2Pl+Ph）=3×5-(2×7+0)=1，曲柄为机构原动件；

2.通过曲柄带动摆动导杆机构和滑块机构使刨刀往复移动，实现切削功能，能满足功能要求 

3.工作性能，工作行程中，刨刀速度较慢，变化平缓符合切削要求，摆动导杆机构使其具有急回作用，可满足任意行程速比系数K的要求；

4.传递性能，机构传动角恒为90°，传动性能好，能承受较大的载荷，机构运动链较长，传动间隙较大；

5.动力性能，传动平稳，冲击震动较小；

6.结构和理性，结构简单合理，尺寸和质量也较小，制造和维修也较容易；

7.经济性，无特殊工艺和设备要求，成本较低。

综上所述，选择方案一

三、刨刀切削运动机构的尺度综合及运动特性评定

（1）原始参数：

刨削平均速度vm(mm/s)	530
行程速度变化系数K	1.46
刨刀冲程H(mm)	320
切削阻力Fr(N)	3500
空行程摩擦阻力（N）	175
刨刀越程量ΔS(mm)	16
刨头重量（N）	550
杆件比重（N/m）	220
许用不均匀系数[δ]	0.05

（2）各构件尺寸：

      尺度综合

      =            

          O4B== = 552.6mm 

O2O4=O4B= 331.6mm     AO2=O2O4 = 96mm

BC=BO4 = 138.2mm           垂直高度Y= =540mm

综上，机构各尺寸如下表：

θ	LO4B	LO2A	LBC	O2O4	H	Y
33.66°	552.6mm	96mm	138.2mm	331.6mm	570mm	540.8

3、原动件转速n1的计算

刨刀的进程和回程共0mm，平均速度是530mm/s，根据运动关系

,    n1=1/T*60=58.979r/min

机构运动简图

      

3、主机构尺寸综合及运动分析

1、曲柄位置“6”速度分析，加速度分析（列矢量方程，画速度图，加速度图）(注意其中的υA表示6位置点4构件的速度，υA114表示11位置4构件的速度)

取曲柄位置“6”进行速度分析。因构件2和3在A处的转动副相连，故VA2=VA3，其大小等于W2lO2A，方向垂直于O2 A线，指向与ω2一致。

ω2=2πn2/60 rad/s=6.173rad/s

υA63=υA62=ω2·lO2A=6.173×0.096m/s=0.5926m/s（⊥O2A）

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

               υA=υA63+υAA63

大小    ?     √      ?

方向  ⊥O4A  ⊥O2A  ∥O4B

取速度极点P，速度比例尺µv=0.01(m/s)/mm ,作速度多边形

图1-2

则由图1-2知，     υA3=·μv=0.4m/s

                      υAA62=0.438 m/s

    

用速度影像法求得，

υB65=υB=0.577 m/s

又            ω4=υA/ lOA=1.044rad/s

取5构件作为研究对象，列速度矢量方程，得            

                  

υC65=υB65+υC65B65 

大小    ?     √      ?

方向  ∥XX   ⊥O4B  ⊥BC

取速度极点P，速度比例尺μv=0.01(m/s)/mm,  作速度多边行

则图知， υC5=·μv=0.56m/s

                 υC6B4=0.12m/s

                ωCB=0.8683 rad/s

  计算结果的表格表示：

υA3	ω4	υC6B4	ωCB	Vc5
0.4m/s	1.044rad/s	0.12m/s	0.8683 rad/s	0.56 m/s

2.加速度分析：

取曲柄位置“6”进行加速度分析。因构件2和3在A点处的转动副相连，

故=,其大小等于ω22lO2A,方向由A指向O2。

ω2=6.173rad/s,

 ==ω22·LO2A=6.1732×0.096 m/s2=3.658m/s2

 取3、4构件重合点A为研究对象，列加速度矢量方程得：

                aA  = + aAτ= aA63n +aAA63K + aAA63

大小: ?  ω42lO4A  ?    √   2ω4υA4A3    ?

方向：?  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µa=0.05（m/s2）/mm,

作加速度多边形见图纸.

 

由图可得

aA =P´a´·μa =1.9m/s2

用加速度影象法求得aB65 = aB =2.725 m/s2

取5构件为研究对象,列加速度矢量方程,得       

ac65=   aB65+ ac65B65n+ a c65B65τ

大小   ?     √       √           ?

方向  ∥XX   √      C→B      ⊥BC

其加速度多边形如图纸所示,有

ac6 =p ´c6´·μa =2.725 m/s2

计算结果的表格表示：

ac65	aB65	ac65B65n+	a c65B65τ
2.725 m/s2	2.75 m/s2	0．1077	0．075

2、曲柄位置“11”速度分析，加速度分析（列矢量方程，画速度图，加速度图）

取曲柄位置“11”进行速度分析，其分析过程同曲柄位置“1”。

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

υA114=υA113+υA114A113

大小    ?       √           ?

方向  ⊥O4A     ⊥O2A       ∥O4B

取速度极点P，速度比例尺µv=0.01(m/s)/mm，作速度多边形如图

 

则由图知υA114=pa114·μv=45.5×0.01=0.455 m/s

  υA114A113=a113a114·μv=38.8×0.01m/s=0.388m/s

由速度影像法：

υB115=υB114=υA114·O4B/ O4A=0.988 m/s

取5构件为研究对象，列速度矢量方程，得

υC115=υB115+υC115B115

大小    ?        √        ?

方向  ∥XX      ⊥O4B    ⊥BC

其速度多边形如图1-4所示，有

υC115=·μv=96.4×0.01=0.9 m/s

计算结果的表格表

υA114	υA114A113	υB115	υC115
0.455m/s	0.388m/s	0.98m/s	0.9 m/s

               

取曲柄位置“9”进行加速度分析,分析过程同曲柄位置“3”.取曲柄构件3和4的重合点A进行加速度分析.列加速度矢量方程,得

aA114=a A114n  + a A114τ= a A113n  + a A114A113k + a A114A113γ

大小 ?  ω42lO4A   ?            √          2ω4υA4 A3            ?

方向 ?   B→A  ⊥O4B  A→O2    ⊥O4B         ∥O4B（沿导路）

取加速度极点为P＇,加速度比例尺μa=0.05（m/s2）/mm,作加速度多边形

图1-5

a A114τ= a114´a114″·μa =70×0.05m/ s2 =3.5m/s2

α114″= a A114τ∕lO4A =14.658m/s2

a A114 = p´a114´·μa =78.5×0.05 m/s2  =3.925m/s2

用加速度影象法求得

a B115 = a B114 = a A114 ×lO4B/lO4A=8.5m/s2 

取5构件的研究对象，列加速度矢量方程，得

aC115= aB115+ aC115B115n+ aC115B115τ

大小    ?     √    √       ?

方向  ∥xx    √     C→B     ⊥BC

其加速度多边形如图1─5所示，有

aC5B5τ= C5´B5´·μa =3×0.05 m/s2 =0.15 m/s2

aC115 = p´C115″·μa =163.5×0.05m/s2 =8.175 m/s2

计算结果的表格表示：

a B115	aC5B5τ	aC115
8.5m/s2	0.15 m/s2	8.175  m/s2

计算结果的表格表示：

以上两种情况分别为曲柄转过150°和300°时加速度与速度的瞬时分析，这种分析有助于后面的动态静力分析。同理可得其他位置的速度，加速度。

做成如下曲线：

 

四、主机构的受力分析

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绕重切削力P的变化规律。

求各运动副中反作用力及曲柄上所需要的平衡力矩

动态静力分析过程：

1、取“6”点为研究对象，分离5、6构件进行运动静力分析，作阻力体如图1─5所示，

选取力比例尺µP=50 (N/m)/mm

已知P=3500N，G6=550N，又ac=2.825m/s2,那么我们可以计算

FI6=-m6×ac =- G6/g×ac =-550/10×2.825=-155.375N

又ΣF = P  +  G6 +  FI6   +  F45  + FR16 =0

方向：  ∥x轴   ∥y轴   与ac反向  ∥BC  ∥y轴

大小：   3500     550      -m6a6            ?      ? 

作力多边行如图1-7所示，选取力比例尺µP=50N/mm。

由图1-6力多边形可得：

F R45=CD·µN=70.5×50=3525N

取构件6为受力平衡体，并对C点取距，有

分离3,4构件进行运动静力分析，杆组力体图如图1-7所示。

已知：F R54=F R45=3525N，

G4=220*0.5526=121.572N

aS4=aA4·lO4S4/lO4A==1.475m/s2      

αS4=α4=5.256rad/s2

可得构件4上的惯性力FI4=-G4/g×aS4=-121.572/10×1.475=-18N

方向与aS4运动方向相反

惯性力偶矩MS4=-JS4·αS4=-1.626N·m

方向与α4运动方向相反（逆时针）

将FI4和MS4将合并成一个总惯性力F´S4（=FI4）偏离质心S4的距离为hS4= MS4/ FI4，

其对S4之矩的方向与α4的方向相反（逆时针）

取构件4为受力平衡体，对A点取矩得：

在图上量取所需要的长度lAB=170mm  lS4A=107.5 mm  lO4A=387.5 mm

ΣMA=FR54cos15。lABµl+MS4+ FI4cos4。lS4Aµl+G4sin13。lS4Aµl+FRO4τlO4Aµl=0

代入数据，  得FRO4τ =-1450 N  方向垂直O4B向右

ΣF = FR54 + FR34  +  F´S4   + G4  +  FRO4τ  +  FRO4n=0

方向:    ∥BC  ⊥O4B  与aS4同向 ∥y轴   ⊥O4B（向右）∥O4B

大小：    √     ?           √       √       √        ?

作力的多边形如图1-8所示，选取力比例尺µP=50N/mm

由图1-8得：FR34 =4950N

FRO4n =825N方向：∥O4B向下

因为曲柄2滑块3的重量可忽略不计，有F R34 = F R23= FR32

对曲柄2进行运动静力分析，作组力体图如图1-9示，

2位置受力分析表

	F16	F14
			6	625	1668.27
单位	N

	P	N56=N65	N54=N54	N34=N23	My
					大小	方向
6	3500	3525	3525	4950	322	顺时针
单位	N				Nm

五、电机功率与型号的确定

代号
1	6.173	0.28	-6.88	12.9	7.9417
2		0.565	-2.525	294.775	320.5024
3		0.69	-1.2	411	391.141
4		0.76	-0.12	456.9	431.1183
5		0.69	1.1	425	391.411
6		0.56	2.725	321.75	317.666
7		0.265	4.575	17.25	7.5162
8		-0.24	7.2	9.25	6.80713
9		-0.95	8.4	40	26.945
10		-1.38	-0.002	29.67	39.141
11		-0.9	-8.175	112.21	27.342
12		-0.25	-7.3	29.51	7.0908

1、取曲柄AB为等效构件，根据机构位置和切削阻力Fr

确定一个运动循环中的等效阻力距Mr（ø）

根据计算得如下表所示的Mr

位置	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
M	7.94	320.5	391.4	431.1	391.4	317.7	7.52	6.81	26.95	39.1	27.342	7.09

2、.根据Mr（ø）的值，采用数值积分中的梯形法，计算曲柄中处于各个位置时Mr（ø）的功=Wr（ø）。因为驱动力矩可视为常数，所以按照Md=确定等效驱动力矩Md

计算得Md=186 N*m

由上得到力矩的曲线图如下：

3、由 计算刨刀切削运动所需的功率，考虑到机械摩擦损失及工件横向进给运动所需的功率，按照Pd=1.2p确定电机功率，并选定电机型号

Ⅰ. Pd的计算

Pd=1.2*Md*ω≈1400W

Ⅱ.电动机型号的确定Y100L-6    

p=1500W    

n=940 r/min 

六、飞轮转动惯量估算

1，由M（Φ）=Md-M（Φ）确定等效力矩M（Φ）。

2，根据M（Φ）的值采用数值积分中的梯形法，计算一个运动循环中曲柄处于计算位置时等效力矩M（Φ）的功ΔW（Φ）。

3，将曲柄位置号和对应的M（Φ）及ΔW（Φ）值列成表格

曲柄位置号	M（f）（N•m）	（J）
1	7.9	93.2
2	320.5	23.0
3	391.1	-84
4	431.1	-212.3
5	391.4	-319.6
6	317.7	-388.6
7	7.51	-295.1
8	6.80	-201.3
9	26.95	-118
10	39.14	-41
11	27.34	42.1
12	7.09	137.8

4，最大盈亏功。ΔWmax=388.6

5，设飞轮安装在等效构件同一轴上，按照公式 计算飞轮转动惯量Jf=204kgm2

位置	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Mr	7.94	320.5	391.4	431.1	391.4	317.7	7.52	6.81	26.95	39.1	27.342	7.09
Md	230	230	230	230	230	230	230	230	230	230	230	230

ΔW1=(Md-Mr)*π/6=93.2J

ΔW2=(Md-Mr)*π/6+ΔW1=23.0J

同理可得其他位置时的盈亏功，现列表如下：

位置	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
ΔW	93.2	23.0	-84	-212.3	-319.6	-388.6	-295.1	-201.3	-118	-41	42.09	137.76

由表可得，在6位置时，有最大盈亏功ΔWmax=388.6J

因为曲柄的转速最大，为避免飞轮过于笨重，所以，将飞轮装在曲柄上。               JF≥900*ΔWmax /(π2n2[δ]) 

解得：             JF≈204 kg m2

七、减速机构的选定

 <一>、计算减速装置的传动比

齿轮机构传动效率较高，而且容易制作，所以此处所选用的减速机构为V带传动和齿轮传动。

主动件曲柄的转速n=58.98r/min,电动机的转速为nd=940r/min，则传动装置系统的总传动比 

i=nd/n=16 

所以其间必须配置减速机构，可以根据i值选定减速机构的类型和其速度比，减速机构传动比常用比值如

传动类型（单级）	传动比i
圆柱齿轮机构（开式）	4-6
圆柱齿轮机构（闭式）	3-5
直齿轮机构	2-3
涡轮蜗杆机构	10-40
V带传动	2-4
链传动	2-5

所以选择2个传动比为4的圆柱齿轮机构（闭式）

<二>、齿轮的设计

采用标准齿轮，则

  m=4  =20° 

 齿轮基本参数如下表 (ha*=1.0 , c*=0.25)

齿轮代号
分度圆直径d	68mm	204mm	68mm	204mm
齿数z	17	51	17	51

根据机械原理知识计算得下表，即为齿轮的参数。

八、参考文献

[1]邹慧君，机械设计原理，上海交通大学出版社，1995.7

[2]郑文纬、吴克坚，机械原理（第七版），高等教育出版社，2002.6

[3]孙桓、陈作模、葛文杰 机械原理（第七版）高等教育出版社    2006.5

九、设计心得及意见

本次设计试验我们主要以牛头刨床的设计为主，囊括了各构件在任意两个角度的速度分析，加速度分析，各个构件的受力情况，动态的静力分析，齿轮的设计，飞轮的设计。将理论力学知识和机械原理的知识整体复习与整理了一遍。不仅加强了对本学期机械原理基础知识的巩固与运用，还在本次课程设计中学到了查询各种资料，参考各种相关书籍和短时间掌握知识的能力。

在小组中六人分工合作，将各个部分分成不同的小步骤。分步完成，不仅让大家在本次课程设计中都掌握了要求的掌握的知识，还大大培养了团结协作的精神。对将来的工作与生活有着很大程度上的锻炼与提高。现代社会需求的就是这种团队精神，在本次试验中我们得到了这样的锻炼的机会，也在这样的锻炼中学到了很多在课本上学不到的东西。

不到两周的时间中，我们将时间合理分配，将工作量合理分配，将各自的工作要求，各自的工作内容都进行了合理的分配，面对的问题很多。很多东西不会，很多东西不懂，但是通过学习有关书籍，通过小组内的讨论，通过各抒几见，找到问题的解决方法，集合大家的意见，用最简洁，最方便的方法解决了很多问题。

通过本次课程设计，每个组员都受益匪浅。得到拟定运动方案的训练，并且有初步的机械选型与组合及确定传动方案的能力，培养开发和创新机械产品的能力。掌握机械运动方案设计的内容，方法，步骤，并对运动分析与设计有一个较完整的概念进一步提高运算，绘图，表达及运用计算机和查阅有关技术资料的能力通过编写说明书，答辩与及课后思考，培养表达，归纳，总结和思考的能力。

总之，我们完成并达到了本次课程设计的目的与要求，并热切期望能得到何老师的肯定，同时对平时给您带来的麻烦深表歉意并对您的无偿付出深表感谢！

参考文献

【1】机械原理（第七版）主编 孙恒   陈作模     葛文杰

                                     高等教育出版社，2005.12

【2】机械设计原理          主编 邹慧君

上海交通大学出版社，1995.7	= 0.20m/s =0.68m/s =0.45rad/s  =0.32m/s υC = 0.31m/s υCB= 0.093m/s aA4t =3.21m/s2 aA4A3r =1.2m/s2 =7.30rad/s2 a B =5.12m/ aCBt=1.40m/ aC =4.97m/s2 υA4=0.71m/s =2.41rad/s υB = 1.69m/s υA4A3=0m/s υC =1.69m/s =0 m/s =5.69m/s2 a A4 =1.71m/s2 aB= 4.07m/s2 aCBt=4.09m/s2 aC= 0.41m/s2 = 543 N =1066 N =280 N =34.8 N   =255 N =596 N =335 N =265 N
------------------------------------------------------------------------------------------------           ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------
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