【東北林業(yè)大學(xué)】機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)

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1、 機(jī) 械 原 理 課 程 設(shè) 計(jì) 指 導(dǎo) 書(shū) 東 北 林 業(yè) 大 學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 一、概述 1 課程設(shè)計(jì)的目的 機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)是《機(jī)械原理》課程的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實(shí)際的一個(gè)重要手段。通過(guò)此設(shè)計(jì)使學(xué)生鞏固和加深所學(xué)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決與本課程相關(guān)的工程實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生對(duì)現(xiàn)有機(jī)械的分析和設(shè)計(jì)方法有一個(gè)比較完整的概念，并進(jìn)一步提高計(jì)算和制圖能力。 2 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介、作業(yè)內(nèi)容及工作量 1） 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介 圖1所示六桿機(jī)構(gòu)是壓床中的

2、主體機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)減速器，進(jìn)而將轉(zhuǎn)速降低，然后再帶動(dòng)圖1所示六桿機(jī)構(gòu)中的曲柄1轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使滑塊5克服阻力而運(yùn)動(dòng)。在曲柄軸的另一端裝有供潤(rùn)滑連桿機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)副用的油泵機(jī)構(gòu)的凸輪。 2）作業(yè)內(nèi)容 ①對(duì)壓床的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析； ②設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)。 要求學(xué)生在一周內(nèi)完成1號(hào)圖紙一張，2號(hào)圖紙一張，并應(yīng)附有相應(yīng)的計(jì)算說(shuō)明書(shū)。 圖1 連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 設(shè)計(jì)題目數(shù)據(jù)如表1所示： 作業(yè)內(nèi)容 連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 符號(hào) X1 X2 y ψ＇ ψ″ LAB LBC LDE LCD LEF n 單位 mm mm mm 度 度 mm m

3、m mm mm mm 轉(zhuǎn)/分 數(shù)據(jù) 70 200 315 60 120 70 320 225 150 60 100 二、平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 已知：X1=0.07m，X2=0.2m， y=0.315m，LAB=0.07m，LBC=0.32m ， LDE =0.225m， LCD=0.15m， LEF=0.06m，n=100轉(zhuǎn)/分。 要求：做機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖（至少六個(gè)位置，其中一個(gè)位置用粗實(shí)線繪出）用相對(duì)運(yùn)動(dòng)圖解法求滑塊在各個(gè)位置的時(shí)的速度VF和加速度a，作滑塊的位移，速度和加速度線圖。并繪制在1號(hào)圖紙上。 作圖步驟： 1． 作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，具

4、體做法： 1） 選取長(zhǎng)度比例尺L，例如取L= 0.004m/mm，然后由各機(jī)構(gòu)的實(shí)際長(zhǎng)度（單位用m）算出相應(yīng)的圖示長(zhǎng)度（單位用mm）如下： AB=17.5mm, ,BC=80mm ,DE=56.25mm, CD=37.5mm, EF=15 mm, X1= X2=50 mm,, y=78.75 mm. 2）做出已知固定點(diǎn)A、D和固定導(dǎo)路y-y。 3）從含有主動(dòng)件1的第一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)6-1-6-2-3-6開(kāi)始，應(yīng)用拆桿組法，確定B1點(diǎn)。 這里補(bǔ)充說(shuō)明一下說(shuō)明書(shū)中曲柄位置的做法為：取滑塊在下極限位置時(shí)（此時(shí)搖桿3與y軸夾角為ψ’）所對(duì)應(yīng)的曲柄位置為起始位置1，按

5、曲柄轉(zhuǎn)向，將曲柄圓周八等分，得八個(gè)位置，另外再補(bǔ)充做出當(dāng)滑塊在上極限時(shí)的一個(gè)位置4’。 而學(xué)生設(shè)計(jì)計(jì)算的初始位置由教師按照學(xué)號(hào)來(lái)指定，并以此為初始位置確定其余位置。 4）第一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)AB1C1D的位置確定后E的位置也隨之確定，對(duì)第二個(gè)四桿機(jī)構(gòu)6-3-4-5-6，可將DE1看作主動(dòng)件，應(yīng)用拆桿組法，定出F1點(diǎn)的位置。 5）同理，可作出其余各位置的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，此時(shí)把C處的運(yùn)動(dòng)副拆開(kāi)，先定出 Ei 的位置較為方便。然后再定出 Fi點(diǎn)的位置。 2． 速度分析 由圖不難看出，該六桿機(jī)構(gòu)可分為兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)來(lái)研究，即由構(gòu)件6-1-2-3-6組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和由構(gòu)件6-3-4-5-6組成的

6、搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。解題時(shí)由原動(dòng)件1開(kāi)始，先解II級(jí)桿組2，3。再解II級(jí)桿組4，5。 這里我們?nèi)C(jī)構(gòu)在2位置時(shí)舉例說(shuō)明其速度分析方法。 1）B點(diǎn)速度 VB=LAB ω1=0.07*（2π /60）*100=0.73m/s 如圖，取任一點(diǎn)P做 (=36.5mm) 代表VB大小，其方向垂直于AB而指向與ω一致。故速度比例尺 V = VB /Pb=0.73/36.5=0.02m/s/mm。 即圖紙上1mm長(zhǎng)度代表0.02m/s的速度。 2） C點(diǎn)速度應(yīng)用相對(duì)速度原理，由構(gòu)件2上B，C兩點(diǎn)得： VC = VB + VC

7、B 方向 ⊥CD ⊥AB ⊥BC 大小 ？ 0.73m/s ？ 由于該向量方程式只包含兩個(gè)未知數(shù)，故可用圖解法求出Vc和VCB的大小。具體做法如下: ①過(guò)b點(diǎn)作VCB的方向線,它垂直于BC。 ②過(guò)p點(diǎn)作Vc的方向線, 它垂直于CD。 ③線段 與相交于C點(diǎn)，則線段及即分別代表所求的Vcb及Vc 3)E點(diǎn)速度 可由速度影像法求得。因同一構(gòu)件3上C，D， E在同一直線上，故其速度影像pce也應(yīng)在同一直線上，且CD:CE=pc:ce，按比例作圖。如圖所示，則向量即代表速度Ve 4）F點(diǎn)速度 應(yīng)用相對(duì)速度原理，由構(gòu)件4上EF兩點(diǎn)得

8、 = + 方向 ∥yy √ ⊥EF 大小 ? √ ? 同理，因該向量方程式只包含三個(gè)未知數(shù)，故可用圖解法求得，具體做法 ①過(guò)e點(diǎn)作的方向線，它垂直于EF。 ②過(guò)P作的方向線，它平行于yy。 ③和相交于f點(diǎn)，則線段即代表 ，其大小為 VF=μv（pf）=0.02*59=1.18m/s 機(jī)構(gòu)在其余各位置時(shí)，F(xiàn)點(diǎn)速度大 小和方向，可用上述分析方法用圖解法求得如圖所示。 3．加速度分析 亦取機(jī)構(gòu)在2位置時(shí)舉例說(shuō)明其加速度分析方法。 1） B點(diǎn)加速度 主動(dòng)件AB以等速回轉(zhuǎn)，故B點(diǎn)僅有法向

9、加速度，其大小為 ==ω2=0.07(2π/60*100)2=7.57m/s2 其方向從B點(diǎn)指向A點(diǎn) 2） C點(diǎn)加速度 應(yīng)用相對(duì)加速度原理，又構(gòu)件2 上的兩點(diǎn)等 + = = + + 方向 C→D ⊥CD B → A C → B ⊥CB 大小 √ ? √ √ ? 式中=2/=（（pc））2/=(0.0237)2/0.15=3.65m/s2，方向由C指向D =2 /=((bc))2∕=(0.027)2　∕0.32=0.06 m/s2，方向由C指向B = =7.57m/s2,　 由于該

10、向量方程式只包含兩個(gè)未知數(shù)，故可用圖解法求得, 具體做法如下： ①選取適當(dāng)?shù)募铀俣缺壤遖=0.2 m/s2/mm即圖紙上1mm長(zhǎng)度代表0.2m/s2加速度。 ②在圖紙上任選一點(diǎn)π 出發(fā)作向量πb，它代表加速度，其方向與BA平行且由B指向A， 大小πb=∕a=7.57∕0.2=37.85mm. ③過(guò)b點(diǎn)作向量bc ,它代表加速度，其方向與CB 平行且由C指向B ,大小bc’=∕ =0.06/0.2=0.3mm. ④過(guò)C′作向量C′C，它代表加速度，其方向應(yīng)垂直于CB， 大小則為未知。 ⑤由π點(diǎn)作向量πC′′，它代表加速度，方向與CD平行且由C指向D，大小πc′′=∕ =36.5/0.

11、2=18.25mm. ⑥過(guò)C′′點(diǎn)作向量C′′C，它代表加速度，方向應(yīng)垂直于CD，大小則為未知。 ⑦線段C′C與C′′C相交于C點(diǎn)，則向量即為欲求的， =aπC=0.223=4.6m/ ⑧E點(diǎn)加速度 與求E點(diǎn)加速度相似，應(yīng)用加速度影象法求，如圖所示作直線πce，且使CD:CE=πc:ce，則向量即代表． 4）F點(diǎn)加速度 應(yīng)用相對(duì)加速度原理，由構(gòu)件4上E、F兩點(diǎn)得 = + 　 +　　　 方向 ∥yy √ F→E ⊥FE 大小 ？ √ √ ? 上列向量方程式只包含兩個(gè)未知數(shù)，故可由圖解法求得，具體作法如下 ①過(guò)e點(diǎn)作向

12、量ef′，它代表加速度===0.24mm，方向由F指向E． ②過(guò)f′點(diǎn)作向量f′f它代表加速度，大小未知．方向垂直FE． ③過(guò)π點(diǎn)作向量πf，它代表加速度，大小未知，方向平行于導(dǎo)路yy． ④f′f與πf相交與f點(diǎn)，則向量即為欲求的，= πf=0.212.5=2.5m/ 同理，可求得機(jī)構(gòu)在其余各位置時(shí)的大小和如圖所示。 4．作滑塊運(yùn)動(dòng)線圖 1）滑塊F點(diǎn)位移對(duì)時(shí)間的變化曲線 ①根據(jù)圖紙的大小，取時(shí)間比例尺和位移比例尺各為 μt=60/nL==0.0095s/mm μs＇=0.005m/mm，μS=0.002m/mm ②作兩個(gè)坐標(biāo)軸，在橫軸上取L=64mm(=T/μt),并與

13、曲柄位置相應(yīng)將其分為八等分作縱坐標(biāo)． ③以滑塊在位置Ｉ時(shí)為起點(diǎn),量取曲柄在各位置時(shí)，滑塊上點(diǎn)F在其起始位置F1的相應(yīng)位移F1F2 ，F(xiàn)1F3……。 ④將量得的位移經(jīng)過(guò)變換得=，然后在相應(yīng)縱坐標(biāo)上截取各點(diǎn)。 ⑤將所得各點(diǎn)連成一光滑曲線，此即為滑塊上F點(diǎn)位移相對(duì)時(shí)間的變化曲線。 2) 滑快上F點(diǎn)的速度和加速度對(duì)時(shí)間的變化曲線 ①根據(jù)圖紙大小選擇適當(dāng)?shù)谋壤?，? μV＇=0.05 μa＇=0.5 同上取μt=0.0095s/mm ，在橫坐標(biāo)上取L=64mm并與曲柄位置相應(yīng)將其分為八等分作縱坐標(biāo)。 ②在速度多邊形和加速度多邊形上量取機(jī)構(gòu)在各位置時(shí)F點(diǎn)的速度和加速度， μF及aF各

14、為μFi=μVpfi， ai=μaπfi得 V=0.020=0 V=0.0231=62m/s V=0.0259=1.18m/s V=0.0242=0.84m/s 　　　 V=0.027=0.14m/s V=0.0242=0.84m/s V=0.0254=1.08m/s V=0.0232=0.64m/s a=0.240=8.2m/s a=0.243=8.6m/s a=0.212.5=2.5m/s a=0.247=9.4m/s 　 a=0.263=12.6m/s 　　 a=0.239=7.8m/s a=0.22=0.4m/s

15、 a=0.440=8m/s ③將所得各位置時(shí)的V和a各除以μV＇和μa＇，然后在相應(yīng)的縱坐標(biāo)上截取各點(diǎn)。 ④將縱坐標(biāo)上所得各點(diǎn)的速度和加速度各連成一條光滑曲線，此即為滑塊上F點(diǎn)的速度和加速度對(duì)時(shí)間的變化曲線。 注：由于機(jī)構(gòu)4＇與位置5非常接近，加速度a分析從略。 三、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.已知：偏置直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪中升程h＝28mm，偏距e＝12mm，基圓半徑r＝30mm，滾子半徑r＝10mm，[α]＝30，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律：凸輪轉(zhuǎn)過(guò)60時(shí)，從動(dòng)件以余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律上升，其后轉(zhuǎn)過(guò)30從動(dòng)件保持不動(dòng)，再轉(zhuǎn)過(guò)60時(shí)，從動(dòng)件以余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律返回

16、原處，其后又轉(zhuǎn)過(guò)230從動(dòng)件保持不動(dòng)。凸輪與曲柄共軸以逆時(shí)針回轉(zhuǎn)。 2.要求：設(shè)計(jì)該凸輪的輪廓曲線，繪在2號(hào)圖紙上；校驗(yàn)最大壓力角是否在允許范圍內(nèi)。如果不滿足要求，請(qǐng)?zhí)岢龈倪M(jìn)措施。 3.解題步驟： 1） 作S－ψ位移線圖 ①取比例尺＝0.001m/mm角位移比例尺＝4/mm ②將橫坐標(biāo)在0－60范圍內(nèi)等分6份，得分點(diǎn)1、2、 …6， 在90－150的范圍內(nèi)亦等分6份得分點(diǎn)7、8…13，在60－90與160－320范圍內(nèi)不必等分。 ③根據(jù)題意，0－60與90－150區(qū)間按余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律用圖解法作S－ψ位移曲線，如圖2所示。 圖2 運(yùn)動(dòng)線

17、圖 2）繪制凸輪廓線 ①取長(zhǎng)度比例尺＝0.001m/mm； ②以O(shè)為圓心，以O(shè)B＝r和OK＝e為半徑作基圓和偏距圓，從動(dòng)件導(dǎo)路與偏距圓相交于K點(diǎn)，其基圓上交點(diǎn)B。便是從動(dòng)件的起始位置； ③從K點(diǎn)開(kāi)始沿－方向?qū)⑵鄨A分成S－ψ曲線圖上橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的區(qū)間和相應(yīng)的分點(diǎn)； ④過(guò)這些分點(diǎn)作偏距圓的切線（它們便是反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件在各對(duì)應(yīng)位置時(shí)的導(dǎo)路），并與基圓相交于CCC…C ⑤各切線上自CCC…等點(diǎn)出發(fā)向基圓以外截取線段，使與S－ψ圖中對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)相等，即作CB=1S,CB=2S……得點(diǎn)BB…….; ⑥將點(diǎn)BB…….等練成光滑曲線，即得所求凸輪的理論廓線。 ⑦以理論廓線上任意點(diǎn)為圓心，以滾子半

18、徑r為半徑作一系列圓，并作這些圓的包絡(luò)線，即得到凸輪的輪廓線。 3）．計(jì)算最大壓力角α；校驗(yàn)其是否在允許范圍內(nèi) 最大壓力角可以近似假定出現(xiàn)在從動(dòng)件達(dá)到最大值的位置。從動(dòng)件以余弦加速度規(guī)律運(yùn)動(dòng)，最大速度在φ/2處，可求得 v＝ 而最大壓力角由公式可得 tgα＝ 式中：e－偏距 r－理論廓線的基圓半徑 S－最大速度時(shí)從動(dòng)件的位移 參考文獻(xiàn) [1] 朱理主編. 機(jī)械原理. 北京：高等教育出版社 ， 2004 [2] 孫桓主編. 機(jī)械原理. 北京：高等教育出版社 ， 1996 2010年5月