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机械原理课程设计是一个重要实践性教学环节。
其目的在于:
1、进一步巩固和加深所学知识;
2、培养学生运用理论知识独立分析问题、解决问题的能力;
3、使学生在机械的运动学和动力分析方面,初步建立一个完整的概念;
4、进一步提高学生计算和制图能力,以及运用电子计算机的运算能力。
二、机械原理课程设计的任务:
1、按给定条件综合连杆机构,确定连杆机构各构件的尺寸,以满足不同的实际工作的要求;
2、对机构进行运动分析;
(图解法及解析法两种方法)
3、设计凸轮轮廓曲线,绘制凸轮从动件位移曲线。
三、课程设计采用方法:
对于上面所提任务,要用图解法和解析法两种方法。
图解法形象,直观,应用图解法可进一步提高学生绘图能力,在某些方面,如凸轮设计中,图解法是解析法的出发点和基础;
但图解法精度低,而解析法则可应用计算机进行运算,精度高,速度快。
在本次课程设计中,可将两种方法所得的结果加以对照。
四、编写说明书:
1、设计题目(包括设计条件和要求);
2、机构运动简图及设计方案的确定,原始数据;
3、机构运动学综合;
4、列出必要的计算公式,写出图解法的向量方程,写出解析法的数学模型,计算流程和计算程序,打印结果;
5、分析讨论。
指导书
第二节设计示范:
用解析法进行机构的运动综合和运动分析
牛头刨床
机构结构示意图1所示:
原始数据:
曲柄转速:
nAB=90r/min
滑枕行程:
H=0.32m
行程速比系数:
K=1.2
机架长度:
AC=0.65m
连杆DE与导杆CD的长度比DE/CD=0.25
图1机构结构示意图
一、导杆机构的综合
由机构行程速比系K计算极位夹角θ
º
=16.3636º
由刀架的行程H计算导杆长度,导杆的摆角φ=θ
图2滑枕位置示意
CD=
CD=1.124m
曲柄长度AB
AB=AC×
sin(φ/2)
=0.65×
sin(φ/2)≈0.0925m
圆整后取AB=0.092m
连杆长度DE
DE=0.25CD=0.25×
1.124≈0.281m
圆整后取DE=0.28m
为了使连杆DE和滑枕之间传力良好,保证传动角尽可能最大,保证滑枕的运动轴线位于GF的中点,如图2所示:
yE=
=1.118m
二、导杆机构的运动分析:
图3机构运动分析
如图3所示,令AB为l1,,CD为l3,DE为l4,AC为l6,CG为l6’(即yE),各杆长AB、CD、DE、AC、CG为已知,已知曲柄转速为ω1,建立如图坐标系。
其中,选定一θ1,则θ3,S3,θ4,SE为未知数,利用两个封闭图形ABCA、CDEGC,建立两个封闭矢量方程求解未知数。
(1)求θ3,ω3,ε3,
由封闭图形ABCA:
l6+l1=S3
向x、y轴投影:
l1cosθ1=S3cosθ3---------(a)
l6+l1sinθ1=S3sinθ3--------(b)
解得:
θ3=arctan
S3=
将(a)式(b)式对时间求导,得到:
VB2B3=-ω1l1sin(θ1-θ3)ω3=
将(a)式(b)式对时间求二次导数,得到:
aB2B3r=ω32s3-ω12l1cos(θ1-θ3)
ε3=
(2)求sE,vE,aE
由封闭图形CDEGC可得:
l3+l4=l6/+SE
l3cosθ3+l4cosθ4=SE-------(c)
l4sinθ4+l3sinθ3=l6/--------(d)
由(d)式可得:
θ4=arcsin
由(c)式可得:
SE=l3cosθ3+l4cosθ4–
将(c)式(d)式对时间求导,得到:
ω4=—
vE=—
将(c)式(d)式对时间求二次导数,得到:
ε4=
aE=-
三、计算程序框图:
第三节用解析法设计凸轮轮廓
一、设计题目
试设计一凸轮机构。
工作要求当凸轮顺时针转过180º
时,从动件上升50mm;
当凸轮继续转过90º
时,从动件停歇不动;
当凸轮再转90º
时,从动件返回原处。
已知凸轮以等角速度ω=10rad/s转动,工作要求机构既无刚性冲击又无柔性冲击。
二、设计思路
1、根据使用场合和工作要求,选择凸轮机构的类型。
本例中,要求从动件作往复移动,因此可选择一对心滚子移动从动件盘型凸轮机构。
2、根据工作要求选择从动件的运动规律。
为了保证机构既无刚性冲动又无柔性冲击,可选用正弦加速度运动规律或3-4-5次多项式运动规律。
本例中,从动件推程和回程可选用正弦加速度运动规律。
推程运动角φ=180º
,回程运动角φˊ=90º
,停歇角φs=90º
3、根据滚子的结构和强度等条件,选择滚子半径rr本例中,滚子半径rr=8mm。
4、根据机构的结构空间,初选基园半径rb本例中,基圆半径rb=25mm。
5、进行计算机辅助设计。
为保证机构有良好的受力状况,推程许用压力角[α]=38º
,回程许用压力角[αˊ]=70º
,设计过程中要保证α推程≤[α]=38º
,α回程≤[αˊ]=70º
,为保证机构不产生运动失真和避免凸轮廓线应力集中,取凸轮实际廓线的许用曲率半径[ρa]=3mm,设计过程中要保证凸轮理论廓线外凸部分的曲率半径ρ≥[ρa]+rr=3+8=11mm。
三、凸轮机构解析法设计
凸轮解析法设计及有关尺寸计算参见《机械原理》第七版(西北工业大学机械原理及机械零件教研室编)p162—168页。
四、计算程序框图
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输入参数:
h(从动件行程),rb(凸轮基圆半径),rr(滚子半径),[α](推程许用压力角),[α`](回程许用压力角),ρa(凸轮实际廓线的曲率半径),ω(凸轮旋转角速度),Φ(推程运动角),Φ`(远休止角),Φs(回程运动角),△rb(基圆修正量),e(机构偏心距);
输出参数:
s(从动件位移),v(从动件运动速度),a(从动件运动加速度),α(机构压力角),ρ(理论廓线曲率半径),(x,y)(理论轮廓坐标),(x’,y’)(实际轮廓坐标)
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