机械原理课程设计牛头刨床

1. ）为了提高工作效率，在空回程时刨刀快速退回，即要有急回运动，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72r/min,刨刀的行程H在300mm左右为好，切削阻力约为8000N，其变化规律如图所示。

二、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。

3.1机构简介

牛头刨床是一种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 Ⅱ 导杆机构的运动分析 n2 r/min 72 lo2o4 mm 430 110 8100 0.36o4B 0.5o4B 180 40 lo2A lo4B lBC lo4s4 xs6 ys6 导杆机构的动静态分析 G4 N 220 620 8000 G6 P yp mm 2Js4 kgm 1.2 100 飞轮转动惯量的确定  no’ 1 齿轮机构的设计 z1” 50 JJo2 o1 kgm2 0.5 0.3 Jo” 0.2 Jo’ z 15 zo” 19 Ⅱ 0.16 r/min 1440 do’ o’ ’ mm 100 300 d0.2 无 mm凸12 o’ ’ 1’ 轮 。 任 务 6 3.25 0 四、设计内容

4.1 导杆机构的运动分析

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。

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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1和8为工作形成起点和终点对应的曲柄位置，1和7为切削起点和终点所对应的位置，其余2，3…12等，是由位置1起顺2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。的两个曲柄位置(2和8)作出机构的运动简图，其中2位置用粗线画出。曲柄位置的做法如图4－2；取滑块6在上极限时所对应的曲柄位置为起始位置1，按转向将曲柄圆周十二等分，得十二个曲柄位置，显然位置8 对应于滑块6处于下极限的位置。再作出开始切削和中止切削所对应的1’和8’两位置。共计14个机构位置。

m/sm/s3）作速度，加速度多边形。选取速度比例尺v=0.0168（）和加速度比例尺a=0.0168（），

mmmm用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。

导杆机构的速度加速度图作图过程

1.选取长度比例尺µl，作出机构在位置2 的运动简图。

如一号图纸所示，选取µl=lO2A/O2A（m/mm)进行作图，lO2A表示构件的实际长度，O2A表示构件在图样上的尺寸。作图时，必须注意µl的大小应选得适当，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vA＇和aA vA2=ω1 lO2A ＝0.603m/s

式中vA2——B点速度（m/s） 方向丄AO2 aA=ω1 lO2A=4.04m/s

式中aA——A点加速度（m/s）,方向A →O2 3.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２、４上瞬时重合点Ａ（Ａ2，Ａ4）的方程，未知数为两个，其速度方程： ＶA4 ＝

vA2+ vA4A2

方向：丄ＡＯ4 丄AO2 ∥ＡＯ4 大小： ？ ω1 lO2A ？

（２）定出速度比例尺 在图纸中，取p为速度极点，取矢量pa代表vA2,则速度比例尺µ（vm• sµv=

12222/mm）

v A2pa=0.00773 m•s

1/mm

（３）作速度多边形，求出ω2、ω4根据矢量方程式作出速度多边形的pd1部分，则vA2 (m/s)为 vA2=µvpa=0.603m/s ω4= vA2/ lAO4=0.74rad/s 其转向为顺时针方向。 ＶB4 =ω4lbO4=0.429 m/s B点速度为ＶB4，方向与vA2同向.

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（４）列出C点速度矢量方程，作图求解VC6、VC6B4 VC6= ＶB4+ VC6B4

方向： 水平 丄BＯ4 丄BC 大小： ？ ω4lbO4 ？ 通过作图，确定Ｃ点速度为 VCB =µvbc=0.0086m/s VC＝µvpc=0.421m/s 式中VCB，方向丄BC

式中VC——Ｃ点速度，方向为p→c。

４．解待求点的加速度及其相关构件的角加速度

（１）列出Ｃ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＋哥氏加速度

要求Ｃ点加速度，得先求出Ｂ点加速度，要求出B点的加速度，则需要求出A点的加速度，再根据A点的加速度作图求出：

aA= a

nA

+ a

A= a

no2

k+ arA4A+ aA4A

33方向： ？ BA 丄ＡＢ AO2 ∥ＡＢ 丄ＡＢ 大小：？ ω4•s

22lAO4 ？ ωlAO2 ? 2ω4vA4A2

n2(2)定出加速度比例尺 在一号图纸中取Π为加速度极点，去矢量Πa’代表a/mm）

则加速度比例尺A，

µa（m

a nB2µa==0.0498 m/s/mm

a'(3)作加速度多边形，求出a可求出：

aA=µaa=2.739m/s aa

nBB、aA、aB，根据矢量方程图：

2= a

A•

lbO4/ lAO2=4.02m/s

2n2B=ω42• lbO4=1.07m/s

CB(4)列出C点加速度矢量方程，作图求解ac 、a ac = a

nCB、 a

CB

+ a

CB + aB

2方向： 水平 ∥BC 丄BC 如图 大小： ？ VC6B4由上式可得： ac=4.05m/s

将代表aa4的矢量k’a’4平移到机构图上的点A4，可知4的方向为逆时针方向。

t/lBC ? 已求出（如图）

22、8位置的速度分析表 项 目 位 置 2 2 vAVCB vC VA4A3 VB4 4 大方小 向 aA3 aKA4A3 anA4 atA4 anCB c a 第 3 页 2022-4-27

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2 6.698 6.698 0.603 0.603 0.087 0.0092 0.421 0.0309 0.525 0.5952 0.429 0.0271 1.36顺时针 0.058 顺时针 4.04 4.04 8 0.70．713 3.984 2.689 0.00113 1.07 0.00195 4.05 6.275 8 0.0684

4. 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。

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:

N)，根据给定的阻力Q和滑块的冲程H绘制阻力线图。 mm2） 根据个构件的重心的加速度即角加速度，确定各构件的惯性力Pi和惯性力偶

1） 选取阻力比例尺Q= 50 (矩 Mi，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My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 + R45 + R16 = 0 方向： ∥x轴 ∥y轴 与a6反向 ∥BC ∥y轴 大小： 9000 800 -m6a6 ? ? 以作图法求得:

位置2 R45 = 9350 N R16 = 1125 N 力矩平衡方程式：

∑M=0 P*yp+G6*hg+Fi6*h6+R16*h16=0

我们还可以得到：

R45=R65

对于摇杆滑块机构可以列出平衡方程式：

∑F=0 R54 + R34 + Fi4 + G4 + R14=0

方向: ∥BC ⊥O4B ∥a4 ∥y轴 ? 大小： R54 ？ m4a4 220 ? 力矩平衡方程式：

∑M=0 R54*h54-R34*h34-Mi4-Fi4*hi4-G4*h4=0

由此可以求得R34的大小：R34= 13654.5 N

所以： 位置4 R32=13654.5 在摇杆上可以得到R34=-R32

2位置受力分析表

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位 置 2 单位 350 N 44.37 Fi6 目 Fi4 Mi4 大小 方向 0.3091 m lh4 项 21.21 顺时针 Nm 位 置 项 目 P N56=N65 N54=N54 N34=N23 My 大小 方向 2 单位 9000 9350 N 9350 13654.5 5270.06 Nm 顺时针 4.3. 齿轮机构的设计

已知 电动机、曲柄的转速no,、n2，皮带轮直径do,、do,,，某些齿轮的齿数z，模数m。分度圆压力角；齿轮为正常齿制，工作情况为开式传动。

要求 计算齿轮z2的齿数，选择齿轮副z1- z2的变位系数，计算这对齿轮的各部分尺寸，用2号图纸绘制齿轮传动的啮合图。

步骤:

(1) 首先根据已知的条件求出z2的齿数。 iO'2= nO''/ n2=z1'*z2得出：z2=39。

/z1*zO

''对小齿轮实行正变位，对大齿轮实行负变位，且是等变位，经计算并分析后取变位系数X1=﹣X2=0.3

再根据齿轮各部分尺寸相关计算公式得到齿轮的基本参数如下： d1= m*Z1=6*13 ＝78mm

d2=m*Z2=6*39=234mm

rb1=r1*cos20。=36.64mm rb2= r2*cos20。=109.9mm

ha1=(h*a+x) m12=(1+0.3)*6=7.8mm ha2=(h*a-x) m12=(1-0.3)*6=4.2mm

hf1=( h*a+c*-x)m12=(1+0.25-0.3)*6=5.7mm hf2=( h*a+c*+x)m12=(1+0.25+0.3)*6=9.3mm ra1= r1+ ha1=39+7.8=46.8mm ra2= r2+ ha2=117+4.2=121.2mm rf1= r1- hf1=39-5.7=33.3mm rf2= r2-hf2=117+4.2=121.2mm s1= m∏/2+2 mxtan20。=10.7mm

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=8.11mm

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s2= m∏/2+2 m (-x)tan20。