機械原理課程設計-搖擺式輸送機設計.doc

機械原理課程設計說明書機械原理課程設計說明書 題目：題目： 搖擺式輸送機 學院：學院： 機電工程學院 姓名姓名： 級：級： 機械設計及其自動化 1006 學號：學號： 0806100728 - 1 - 目目 錄錄 第 1 章 機械原理課程設計前言.2 1.1 課程設計的目的 .2 1.2 課程設計的任務 .3 第 2 章 搖擺式輸送機設計過程.4 2.1 工作原理 .4 2.2 設計要求 .5 2.3 電動機的選擇 .5 2.4 齒輪設計 .6 第 3 章 導桿機構的分析.8 3.1 桿長分析 .8 3.2 速度分析 .10 3.3 加速度分析 .14 3.4 動態(tài)靜力分析 .19 第 4 章 飛輪的設計與分析 .24 4.1 機構的速度波動調節(jié) .24 4.2 飛輪轉動慣量的確定 .26 第 5 章 課程設計總結.29 參考文獻.29 - 2 - 第第 1 章章 機械原理課程設計機械原理課程設計概述概述 機械原理是一門以機器和機構為研究對象的學科。機械原理課 程設計是較全面的系統(tǒng)鞏固和加深機械原理課程的基本原理和方法 的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)“初步具有確定機械運動方案，分析和設計機 械的能力”及“開發(fā)創(chuàng)新能力”的一種手段。機械原理課程設計將 從機構的運動學以及機器的動力學入手，研究機構運動的確定性和 可能性，并進一步討論的組成原理，從幾何的觀點來研究機構各點 的軌跡、位移、速度和加速度的求法，以及按已知條件來設計新的 機構的方法。 機械原理課程設計所研究的問題又可歸納為二類： （1） 、根據已有的機構和主要參數來分析該機構和所組成機構的各 種特性，即結構分析，運動分析。 （2） 、根據預期的各種特性來確定新的機構的形式，結構和參數， 即機構的設計問題，如機構的運動設計，機構的平衡設計以 及速度的調節(jié)。 1.11.1 課程設計的目的課程設計的目的 機械原理課程設計是一次較全面的機械運動學和動力學分析的 訓練，是機械原理課程的一個重要的實踐性教學環(huán)節(jié)。其目的是： （1） 、進一步加深學生所學的理論知識。 （2） 、培養(yǎng)學生獨立解決有關本課程實際問題的能力，使學生對于 - 3 - 機械運動學和動力學的分析與設計有一較完整的概念。 （3） 、通過對具體問題的分析、計算、制圖、技術資料的使用，電 算程序的編制及計算機使用等各環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生獨立分析問 題和解決問題的工程技術能力。 1.21.2 課程設計的任務課程設計的任務 (1)電動機的選擇； (2)設計齒輪變速裝置； (3)設計導桿機構； (4)機構的運動分析； (5)機構的動態(tài)靜力分析； (6)速度波動的調節(jié)與飛輪設計。 要求學生根據設計任務，求出所有的運動副反力及平衡力矩， 繪制必要的圖紙（或編制計算程序） ，編寫設計計算說明書。 要達到課程設計的目的，必須配以課程設計的具體任務：按照 選定的機械總功能要求，分解成分功能，進行機構的選型與組合； 設計該機械系統(tǒng)的幾種運動方案，對各運動方案進行對比和選擇； 對選定方案中的機構連桿機構、凸輪機構、齒輪機構，其他常 用機構，組合機構等進行運動分析與參數設計；通過計算機編程， 將機構運動循環(huán)圖在計算機屏幕上動態(tài)地顯示出來，并給出相應的 運動參數值。 - 4 - 第第 2 章章 搖擺式輸送機設計過程搖擺式輸送機設計過程 2.12.1 工作原理工作原理 搖擺式輸送機是一種水平傳送材料用的機械，由齒輪機構和六 連桿機構等組成。如圖 1 所示，電動機 1 通過傳動裝置 2 使曲柄 4 回轉，再經過六連桿機構使輸料槽 5 作往復移動，放置在槽上的物 料借助摩擦力隨輸料槽一起運動。物料的輸送是利用機構在某些位 置輸料槽有相當大加速度，使物料在慣性力的作用下克服摩擦力而 發(fā)生滑動，滑動的方向恒自左往右，從而達到輸送物料的目的。 1電機 2傳動裝置 3執(zhí)行機構 圖 2-1 搖擺式輸送機示意圖 - 5 - 2.2 設計設計要求要求 表表 2-12-1 原始數據原始數據 方 案 號 物料的重量 G (kg) 2000 曲柄轉速 n1(r/min) 75 行程速比系數 K 2 位置角 1 () 60 位置角 2() 120 a(mm)325 b(mm)150 H (mm)300 CD/O23.5 模數（mm） 1 m 4 模數（mm） 2 m 8 0.05 - 6 - 2.32.3 電動機的選擇電動機的選擇 根據電動機功率公式（其中 H=200mm，Fr=6000N） T FH P r 9 . 0 選定下述參數的 Y 系列三相異步電動機： 表表 2-22-2 原始數據原始數據 電動機型號額定功率 （KW） 電動機轉速 （r/min） 同步轉速 （r/min） Y132M-47.515001440 2.42.4 齒輪設計：齒輪設計： 圖圖 2-12-1 齒輪轉動示意圖齒輪轉動示意圖 齒輪變速方案如圖，由同心要求我們可以建立下列方程： - 7 - (2-2) 2321 1 22 zz m zz m 其中為各齒輪的模數，分別代表各齒輪齒數。 1 m 3221 zzzz 再有下列行星輪和定軸輪轉速關系公式： (2-3) 21 32 3 1 13 zz zz ww ww i H H H (2-4) H H ii 131 1 (2-5) H ww 4 (2-6) 6 4 5 45 z z i (2-7) 4 5 45 z z i 其中代表齒輪間的傳動比，代表齒輪的轉速。 xx i x w 從前一章我們已經確定了電動機的轉速為 1440r/min，所以我們有 75 1440 15 i 因此，聯(lián)立上述各式，我們選擇確定了各齒輪參數，如下表： 表表 2-42-4 齒輪參數齒輪參數 序號 12 2345 模數 447788 齒數 174017511740 - 8 - 第第 3 3 章章 導桿機構的分析導桿機構的分析 3.1 桿長分析桿長分析 由行程系數比 (3-1) 180 180 k 可以求得極位角 =60。 O1ABO2構成了曲柄搖桿機構，由極限位置角 1，2，和極位角 求得 O1A,AB,O2B 桿長。方程式如下： (3-2) (3-3) (3-4) 由以上 3 式解出桿長為 O1A=179.00mm AB=671.11mm O2B=739.26mm 其中,AOl 11 ABl 2 BOl 213 同樣由幾何關系可得 (3-5) 2 2 12 2 Sin H CO 解得：O2C=300mm， CD=1125mm - 9 - 則我們第四組要求的二號、七號和右極限位置如圖 O2 A2 A 7 O A 1 右 D B B 7 圖圖 3-13-1 二號、七號和右極限位置二號、七號和右極限位置 也可以用圖解法根據原始數據，求出極位夾角 =60 度，作出 搖桿的兩個極限位置直線， 由原始數據得 2122 O BO B、 ，作出如下左、右極限位置示意圖： O 122 60BO B - 10 - 圖圖 3-23-2 左、右極限位置左、右極限位置 由于 、是一個圓上的圓周角。 O 122 60BO B O 112 60BO B 做出圓與直線的交點即為 B1、B2，在圖上量得 2122 O BO B、 11 O=429.64mmB 12 O=850.59mmB 又 111 OA BAO B 112 O+ AA BO B 解得： 1 = 179.mm, = 671.1mm 并量得 2 739.3mmO B O2 經對比，圖解法和解析法所得結果接近，說明桿長正確。 3.23.2 速度分析速度分析 首先對 2 號位置進行速度分析，由瞬心法可得 O1 B1 B2 O2 C1 C2 - 11 - V A (3-6) 1 2612 1612 2 w pp pp w A VBA=Wr*lAB (3-7) VA=1.405m/s V B 圖圖 3-33-3 再選取合適比例作圖，由作圖法我們可以分析得知 （3-BABA vvv 8） 大?。?？ ？ 方向：DB OA AB 作如下速度分析圖： A P B 圖圖 3-43-4 可得：VB=5.58m/s （3- CO BO B c l l V V 2 2 9） 解得：2.9m/s c V - 12 - 同理，我們對構件 4 和構件 5 進行速度分析有 V D D V V CDC 圖圖 3-53-5 （3-DCDC vvv 10） 大?。?？ ？ 方向： 水平 DC O2C 再作如下速度分析圖： D P C 圖圖 3-63-6 可得：VD=1.89m/s 用對 7 號位置進行速度分析： (3-11) 1 2612 1612 2 w pp pp w VBA=Wr*lA A O 1 - 13 - (3-12) VA VA=1.405m/s B VB 圖圖 3-73-7 （3-13）BABA vvv 大?。?？ ？ 方向：DB OA AB 再作如下速度分析圖： P B A 圖圖 3-83-8 可得VB=1.68m/s （3- CO BO B c l l V V 2 2 14） =0.68m/s c V （3-DCDC vvv 15） - 14 - 大?。?？ ？ 方向： 水平 DC O2C 再作如下速度分析圖： P D C 圖圖 3-93-9 可得：VD=0.35m/s 對右極限位置進行速度分析 （3-BABA vvv 16） 大?。?？ ？ 方向：DB OA AB 選取速度比例尺，作速度分析圖（如下圖所 m 0.25 c s m 示）可得： A - 15 - P（B） 圖圖 3-103-10 量取得 AA=1.405B m s 在極限位置經分析 D 0 C 0 D 0 3.33.3 加速度分析加速度分析 利用前面得到的各構件速度，就可以求出其對應的法相加速度， 再按比例作圖，由作圖法做出加速度多邊形，從而量取得知其他的 加速度參數。 2 號位置的加速度分析： 根據速度已知量求得的法向加速度大小和法向加速度和切向加 速度方向，我們可以得到下列等式： （3- nn BBBABABA aaaaaa 17） 大?。?？ ？ 方向： BO2 O2B AO1 BA AB 由 （3- BO B n B l V a 2 2 17） - 16 - 解得：11.03 m/s2 n A a 則有： 23.08m/s2 n BA a 作如下加速度分析圖： n BA a n B a BA a B a aA 圖圖 3-113-11 量取可得：=38.67m/s2 (3- n B a 18） =46.64m/s2 B a (3-19） 又因為有： （3- BOB la 2 3 20） （3- CO C n C l V a 2 2 21） （3- COC la 2 5 22） - 17 - 解得：=20.49m/s2 n CD a 分析 D 點的加速度: （3- nn CCDDCDC aaaaa 23） 大?。?？ ？ 方向： 水平 CO2 CO2 DC DC 作如下加速度分析圖 n C a C a D a 圖圖 3-123-12 量取可得：aD=20.69m/s2 7 號位置的加速度分析： 根據速度已知量求得的法向加速度大小和法向加速度和切向加速 度方向，我們可以得到下列等式： （3- nn BBBABABA aaaaaa 24） 大小： ？ ？ 方向： BO2 O2B AO1 BA AB - 18 - 由 （3- BO B n B l V a 2 2 25） 解得：11.03 m/s2 n A a 0.19 m/s2 n BA a 作如下加速度分析圖： n B a B a BA a n BA a aA 圖圖 3-133-13 又因為有 （3- BOB la 2 3 26） （3- CO C n C l V a 2 2 27） （3- COC la 2 5 28） 解得：=2.33 m/s2 n CD a 再對構件 2 和構件 3 分析，同樣可以有下列等式： （3-29） nn CCDDCDC aaaaa 大?。?？ ？ - 19 - 方向： 水平 CO2 CO2 DC DC 其中 ， n DC 0a 作如下加速度分析圖： n C a C a aA 圖圖 3-143-14 可得：aD=2.35 m/s2 右極限位置的加速度分析： 根據速度已知量求得的法向加速度大小和法向加速度和切向加 速度方向，我們可以得到下列等式： （3- nn BBBABABA aaaaaa 30） 大?。?？ ？ 方向： BO2 O2B AO1 BA AB 由= （3- BO B n B l V a 2 2 30） 解得：11.03 m/s2 n A a 選取合適比例做出加速度多邊形，由作圖法我們可以量取 =0m/s2 n B a =33.1m/s2 B a - 20 - 又因為有 （3- BOB la 2 3 31） CO C n C l V a 2 2 （3-32） （3- COC la 2 5 33） 可解得：=6.6 m/s2 n CD a aD=12.4 m/s2 3.43.4 動態(tài)靜力分析動態(tài)靜力分析 首先將機構拆分成自由度為 1 的曲柄，和自由度為 0 的兩個桿 組進行動態(tài)靜力分析。 （下列計算公式中構件中的角度用相同字母代 替表示該力方向與桿件的夾角，但是其大小并不是相同的。 ） 2 號位置： 構件 4 和構件 5 組成的桿組受力如圖 5 G - 21 - 34 F 4 I M 5 I F n 34 F 4 G 4 I F 65 F 圖圖 3-153-15 對 D 點取矩有 （3-0cos 2 cos 2 3442414 CDFM CD F CD GM t RII 34） 因為已知的方向，我們選取合適的比例做出力多邊形，進而 n R F 34 量取出的大小。 n R F 34 =276 n R F 34 分別對構架 2 個構件 3 進行 B 點取矩 對構件 2： （3-35） 222 JMI （3-36）m064N . 0 2 I M （3-37） 222 maFI 解得：N617 2 I F （3-0cos 2 cos 2 1222212 ABFM AB F AB GM t RII 38） 對構件 3： （3- 333 JMI 39） - 22 - （3-mN 056 . 0 3 I M 40） （3- 333 maFI 41） N550 3 I F 0sincos cos 2 cos 2 422343 223421332 2 31 2 3 COBOF COBOFBOFM BO F BO GM t R n R t RII 由于已知的方向，我們選取合適的比例做出力多邊形， n R F 12 n R F 36 進而量取出和的大小。 n R F 12 n R F 36 =457N n R F 12 =155N n R F 36 7 號位置： 構件 4 和構件 5 組成的桿組受力如圖 5 G 34 F 4 I M 5 I F n 34 F 4 G 4 I F 65 F 圖圖 3-163-16 對 D 點取矩有 （3-0cos 2 cos 2 3442414 CDFM CD F CD GM t RII 43） - 23 - 由于已知的方向，選取合適的比例做出力多邊形，進而量取 n R F 34 出的大小。 n R F 34 分別對構架 2 個構件 3 進行 B 點取矩 對構件 2： （3- 222 JMI 44） （3-mMIN 0002 . 0 2 45） （3- 222 maFI 46） 解得：N （3-175 2 I F 47） （3-0cos 2 cos 2 1222212 ABFM AB F AB GM t RII 48） 對構件 3： （3- 333 JMI 49） （3-m009N . 0 3 I M 50） （3- 333 maFI 51） 解得：N725 3 I F - 24 - 0sincos cos 2 cos 2 422343 223421332 2 31 2 3 COBOF COBOFBOFM BO F BO GM t R n R t RII 因為已知的方向，我們選取合適的比例做出力多邊形，進而 n R F 12 n R F 36 量取出和的大小 n R F 12 n R F 36 =2163 N n R F 12 =712 N。 n R F 36 桿組力的矢量圖： 圖圖 3-173-17 7 7 號位置桿組力的矢量圖號位置桿組力的矢量圖 右極限位置： 構件 4 和構件 5 組成的桿組受力如圖 5 G 34 F 4 I M 5 I F n 34 F 4 G 4 I F 65 F 圖圖 3-183-18 對 D 點取矩有： - 25 - （3-0cos 2 cos 2 3442414 CDFM CD F CD GM t RII 53） 由于已知的方向，選取合適的比例做出力多邊形，進而量取 n R F 34 出的大小。 n R F 34 分別對構架 2 個構件 3 進行 B 點取矩 對構件 2： （3- 222 JMI 54） （3-m7N.2 2 I M 55） （3- 222 maFI 56） 解得：NFI4.134 2 （3-0cos 2 cos 2 1222212 ABFM AB F AB GM t RII 57） 對構件 3： （3- 333 JMI 58） （3-mNMI.84.5 3 59） （3- 333 maFI - 26 - 60） 解得：NFI298 3 0sincos cos 2 cos 2 422343 223421332 2 31 2 3 COBOF COBOFBOFM BO F BO GM t R n R t RII 由于已知的方向，選取合適的比例做出力多邊形，進而 n R F 12 n R F 36 量取出的大小。 n R F 12 n R F 36 =1650N n R F 12 =830N n R F 36 作出如下右極限位置桿組力的矢量圖： 圖圖 3-193-19 右極限位置桿組力的矢量圖右極限位置桿組力的矢量圖 第第 4 4 章章 飛輪的設計與分析飛輪的設計與分析 4.1 機構的速度波動調節(jié)機構的速度波動調節(jié): 運動的速度不均勻系數 ，由動態(tài)靜力分析所得的平衡力矩 My 具有定傳動比的各構件的轉動慣量 J，電動機、曲柄的轉速 no和 n。驅動力據為常數。 列表匯聚同組同學在動態(tài)靜力分析中求得的機構位置的平衡力 矩 My，一適當比例 1.繪制出一個動態(tài)等功阻力矩線圖。 rd MM - 27 - 對線圖用圖解積分法求出一個運動循環(huán)中的阻力功 rd MM 線圖 rr AA 繪制驅動力矩 Md所做的驅動功線圖。因為 Md常數，切 dd AA 一個運動循環(huán)中驅動功等用途阻力功，故將線圖的始末兩 rr AA 點一直線相連，即為。 dd AA 求最大盈虧功.將與兩線圖相減，記得 max E dd AA rr AA 一個運動循環(huán)中的動態(tài)盈虧功線圖。該線圖的最高點與最 EE 低點的距離，即表示最大盈虧功。 max E 由所確定的最大盈虧功求出飛輪的轉動慣量。 max E 擺式搬運機的位移、速度、加速度由整組成員的數據通過描點 法繪制。數據如下： 表表 4-14-1 位移、速度、加速度數據位移、速度、加速度數據 123 左 極 限 4567891011 右 極 限 12 - 28 - 位移 （mm） 3013025029828625526518013590452 速度 （m/s） 1.62.0 1. 05 0 -0. 32 -0.6 -0. 75 -0.8 -0. 82 -0.9 - 0.4 5 -0.301.6 加速度 （m/s2） -28-14-610942.5210-1-2-4-4.5 計算各個位置的阻力矩： 表表 4-24-2 阻力矩數據阻力矩數據 4.24.2 飛輪轉動慣量的確定飛輪轉動慣量的確定 繪制平衡力矩與角度的曲線圖（如下圖所示）： 123 左 4567891011 右 12 M18. 4 50 79 4 4.358 .6 160409. 2 275160. 8 835032 .6 7.222 - 29 - 圖圖 4-14-1 平衡力矩與角度的曲線圖平衡力矩與角度的曲線圖 通過對平衡力矩曲線的積分求出阻力功： （4- n 11 2 W n n ii ii WM 阻 1） 因而平衡力矩與角度的曲線圖中曲線與橫坐標所圍面積即為阻力矩 做的功： 27 格503.146=706.5 J W 阻 根據阻力功等于驅動功， （4- 2 W M 阻 驅 2） - 30 - 得出驅動力矩大小為M112.4N m 驅 繪出如下驅動力矩圖： 圖圖 4-14-1