河北工程大学机械原理课程设计偏置直动滚子从动杆盘型凸轮机构.docx
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河北工程大学机械原理课程设计偏置直动滚子从动杆盘型凸轮机构
（一）机械原理课程设计的目的和任务
（二）设计题目及设计思路
（三）凸轮基圆半径及滚子尺寸的确定
（四）从动杆的运动规律及凸轮轮廓线方程
（五）计算程序框图
（六）计算机源程序
（七）计算机程序结果及分析
（八）凸轮机构示意简图
（九）体会心得
（十）参考资料
第一节机械原理课程设计的目的和任务
一、机械原理课程设计的目的：
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.偏置直动滚子从动杆盘型凸轮机构
2.采用图解法设计：
凸轮机构以等角速度逆时针方向旋转，推杆轴线在凸轮回转中心右侧，偏距ｅ＝２０ｍｍ，从动杆运动规律及已知数据如下：
符号
方案
h
δ01
δ02
δ03
δ04
从动杆运动规律
推程
回程
Ⅱ
70
160º
10º
120º
70º
正弦加速度
等加等减
3、设计要求：
①升程过程中，限制最大压力角αmax≤30º,确定凸轮基园半径r0
②合理选择滚子半径rr
③选择适当比例尺，用几何作图法绘制从动件位移曲线，并画于图纸上；
④用反转法绘制凸轮理论廓线和实际廓线，并标注全部尺寸（用A2图纸）
⑤将机构简图、原始数据、尺寸综合方法写入说明书
4、用解析法设计凸轮轮廓，原始数据不变，要求写出数学模型，编制主程序并打出结果。
备注：
1、凸轮轮廓曲率半径与曲率中心
理论轮廓方程
，其中
其曲率半径为：
；曲率中心位于：
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。
（二）设计题目及设计思路
一、设计题目
偏置直动滚子从动杆盘型凸轮机构工作要求当凸轮逆时针转过160º时，从动件上升70mm；当凸轮继续转过120º时，从动件停歇不动；当凸轮再转120º时，从动件返回原处。
已知凸轮以等角速度ω=10rad/s转动，工作要求机构为柔性冲击。
凸轮机构以等角速度逆时针方向旋转，推杆轴线在凸轮回转中心右侧，偏距e=20mm。
二、设计思路
1、要求从动件作往复移动，因此可选择偏置直动滚子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。
为了保证机构为柔性冲击，从动件推程和回程可分别选用等加速等减速运动规律和简谐运动规律。
推程运动角=160º，回程运动角φˊ=120º，停歇角φs=10º。
3、根据滚子的结构和强度等条件，滚子半径rr=10mm。
4、根据机构的结构空间，选基圆半径rb=40mm。
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+10=13mm。
（三）凸轮基圆半径及滚子尺寸的确定
一、确定凸轮基园半径
由尖端移动从动件凸轮机构压力角的表达式可知r0同α的关系为
如果升程过程中，限制最大压力角αmax≤30º，此时对应的基圆半径即为最小基圆半径rmin。
假设机构在αmax位置是对应的从动件位移为sp，类速度为
，那么r0min的表达式为
在应用上式计算r0min时，要精确求解到φp值有时较为困难，为此可用经验值近似替代φp，如从动件作等加等减速运动、简谐运动时均可取φp为0.4Φ处φ值（Φ为凸轮推升程运动角）。
再按上述计算出的r0min作为初值，然后校核各位置的压力角α是否满足[α]的要求，否则应加大r0再重新校核。
在此，取r0=40mm。
二、滚子半径r
的选择
我们用ρ1表示凸轮工作廓线的曲率半径,用ρ表示理论廓线的曲率半径.所以有ρ1=ρ±r1;为了避免发生失真现象，我们应该使p的最小值大于0，即使ρ＞r1；另一方面，滚子的尺寸还受其强度，结构的限制，不能太小，通常我们取滚子半径；rr=（0.1~0.5）*r0=10mm
依题意，原始数据如下：
1、已知量：
（未标明的单位为mm）
d1=160°推程运动结束的凸轮总转角，其中（d1-d0）为推程角δ01
d2=170°远休止运动结束时总转角，其中（d2-d1）为远程休止角δ02
d3=290°回程运动结束的凸轮总转角，其中（d3-d2）为回程角δ03
d4=360°远休止运动结束总转角，其中（d4-d3）为远程休止角δ04
e=20mm偏距20mm
h=70mm推杆的行程70mm
w=10rad/s此处设凸轮角速度为10rad/s
r0=40mm此处设凸轮基园半径40mm
rr=10mm此处设滚子半径为10mm
2、设计所求量：
：
偏置直动滚子从动杆的角位移
V：
偏置直动滚子从动杆的角速度
a：
偏置直动滚子从动杆的角加速度
以凸轮的中心为原点，竖直和水平方向分别为x,y轴，建立平面直角坐标系如图
（四）从动杆的运动规律及凸轮轮廓线方程
从动杆运动规律：
推程过程：
0°＜d≤160°
远休止过程：
160°＜d≤170°
偏置杆角位移s=h
偏置杆角速度：
v=0
偏置杆角加速度：
a=0
在推程和远休止过程中凸轮的理论轮廓轨迹：
x=（s0+s）sinδ+ecosδy=（s0+s）cosδ-esinδ
其中e为偏距，s0=√r0^2-e^2
回程过程：
170°＜d≤290°
S=h-2hδ2/δ’20
等加回程:
V=-4hδw/δ’20（δ=0~δ’/2）
a=-4hw2/δ’20
s=2h（δ’0-δ）/δ’20
等减回程：
v=-4hw（δ’0-δ）/δ’20（δ=δ’/2~δ’）
a=4hw2/δ’20
近休止过程：
290°＜d≤360°
偏置杆角位移：
s=0
偏置杆角速度：
v=0
偏置杆角加速度：
a=0
在回程和近休止过程中凸轮轮廓轨迹：
x=（s
+s）sinδ+ecosδy=（s
+s）cosδ-esinδ
其中e为偏距，s0=√r
^2-e^
，y为凸轮轮廓的轨迹的y坐标点
（五）计算程序框图
输入参数：
h（从动件行程）
r
（凸轮基圆半径）
r
（滚子半径）
［α］（推程许用压力角）
［α`］（回程许用压力角）
ρ
（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）
△r
（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）
（，）（实际轮廓坐标）
（6）计算机源程序
#include
#include
#include
#include
main（）
{
FILE*fp;
inta,step;
floatr0=40,rr=10,e=20,h=60;
doublepi=3.14159,s,s0,x,y,x1,y1,a0,a1,a2,a3;
doubleb,b1,b2,c1,c2;
charfilename[20];
printf（"pleaseinputfilenameyouwanttosavedate:
"）;
//输入需要保存数据结果的文件名（不需要加类型后缀）//
gets（filename）;
strcat（filename,".txt"）;
fp=fopen（filename,"w"）;
printf（"inputstartangleandstepangle:
"）;
//输入起始角度和计算间隔即步进角度//
scanf（"%d%d",&a,&step）;
for（a;a<=360;a=a+step）
{
a1=a*pi/180;
s0=sqrt（r0*r0-e*e）;
printf（"s0=%f\n",s0）;
if（a>=0&&a<=360）
{
if（a>0&&a<=160）//推程时0°＜d≤160°正弦加速度//
{a0=160*pi/180;
a2=（a-170）*pi/180;
s=h*（（a1/a0）-sin（2*pi*a1/a0）/（2*pi））;printf（"s=%f\n",s）;
b=h*（1-cos（2*pi*a1/a0））/a0;printf（"ds/dδ=%f\n",b）;
}
if（a>160&&a<=170）//远休止时160°＜d≤170°//
{
a0=10*pi/180;
s=70;printf（"s=%f\n",s）;
b=0;printf（"ds/dδ=%f\n",b）;
}
if（a>170&&a<=230）
{
a0=120*pi/180;
a2=（a-170）*pi/180;
s=h*（1-（2*a2*a2/（a0*a0）））;
printf（"s=%f\n",s）;
b=（-4*h*a2）/（a0*a0）;
printf（"ds/dδ=%f\n",b）;
}
if（a>230&&a<=290）
{
a0=120*pi/180;
a3=（a-170）*pi/180;
s=2*h*（a0-a3）*（a0-a3）/（a0*a0）;
printf（"s=%f\n",s）;
b=（-4*h*（a0-a3））/（a0*a0）;
printf（"ds/dδ=%f\n",b）;
}
if（a>290&&a<=360）
{
a0=70*pi/180;
s=0;printf（"s=%f\n",s）;
b=0;printf（"ds/dδ=%f\n",b）;}
x=（s0+s）*sin（a1）+e*cos（a1）;
printf（"x=%f\n",x）;
y=（s0+s）*cos（a1）-e*sin（a1）;
printf（"y=%f\n",y）;
b1=（b-e）*sin（a1）+（s0+s）*cos（a1）;
printf（"dx/dδ=%f\n",b1）;
b2=（b-e）*cos（a1）-（s0+s）*sin（a1）;
printf（"dy/dδ=%f\n",b2）;
c1=b1/sqrt（b1*b1+b2*b2）;
printf（"sinθ=%f\n",c1）;
c2=-b2/sqrt（b1*b1+b2*b2）;
printf（"cosθ=%f\n",c2）;
x1=x-rr*c2;printf（"x'=%f\n",x1）;
y1=y-rr*c1;printf（"y'=%f\n",y1）;
fprintf（fp,"δ=%d,s=%7.3f,x=%7.3f,y=%7.3f,x'=%7.3f,y'=%7.3f\n",a,s,x,y,x1,y1）;
}
elseprintf（"输出错误\n"）;
}fclose（fp）;
}
（7）程序计算结果及其分析
δ=0,s=0.000,x=20.000,y=34.641,x'=15.000,y'=25.981
δ=5,s=0.012,x=22.944,y=32.778,x'=17.283,y'=24.534
δ=10,s=0.096,x=25.728,y=30.736,x'=19.590,y'=22.841
δ=15,s=0.320,x=28.367,y=28.593,x'=21.925,y'=20.944
δ=20,s=0.748,x=30.897,y=26.414,x'=24.314,y'=18.887
δ=25,s=1.435,x=33.373,y=24.244,x'=26.791,y'=16.714
δ=30,s=2.428,x=35.855,y=22.102,x'=29.387,y'=14.476
δ=35,s=3.759,x=38.408,y=19.984,x'=32.111,y'=12.216
δ=40,s=5.451,x=41.091,y=17.856,x'=34.952,y'=9.963
δ=45,s=7.509,x=43.947,y=15.663,x'=37.883,y'=7.711
δ=50,s=9.928,x=46.997,y=13.327,x'=40.880,y'=5.416
δ=55,s=12.685,x=50.239,y=10.762,x'=43.923,y'=3.009
δ=60,s=15.748,x=53.638,y=7.874,x'=46.987,y'=0.406
δ=65,s=19.070,x=57.131,y=4.573,x'=50.037,y'=-2.475
δ=70,s=22.596,x=60.625,y=0.782,x'=53.015,y'=-5.705
δ=75,s=26.262,x=64.004,y=-3.556,x'=55.845,y'=-9.338
δ=80,s=30.000,x=67.132,y=-8.471,x'=58.434,y'=-13.405
δ=85,s=33.738,x=69.862,y=-13.964,x'=60.675,y'=-17.913
δ=90,s=37.404,x=72.045,y=-20.000,x'=62.457,y'=-22.840
δ=95,s=40.930,x=73.541,y=-26.510,x'=63.674,y'=-28.137
δ=100,s=44.252,x=74.222,y=-33.396,x'=64.228,y'=-33.734
δ=105,s=47.315,x=73.987,y=-40.530,x'=64.036,y'=-39.537
δ=110,s=50.072,x=72.764,y=-47.767,x'=63.039,y'=-45.439
δ=115,s=52.491,x=70.516,y=-54.950,x'=61.197,y'=-51.322
δ=120,s=54.549,x=67.241,y=-61.916,x'=58.499,y'=-57.061
δ=125,s=56.241,x=62.975,y=-68.511,x'=54.957,y'=-62.534
δ=130,s=57.572,x=57.784,y=-74.594,x'=50.612,y'=-67.626
δ=135,s=58.565,x=51.765,y=-80.049,x'=45.525,y'=-72.234
δ=140,s=59.252,x=45.033,y=-84.782,x'=39.779,y'=-76.274
δ=145,s=59.680,x=37.718,y=-88.735,x'=33.468,y'=-79.683
δ=150,s=59.904,x=29.952,y=-91.879,x'=26.695,y'=-82.424
δ=155,s=59.988,x=21.866,y=-94.215,x'=19.565,y'=-84.484
δ=160,s=60.000,x=13.576,y=-95.774,x'=12.172,y'=-85.873
δ=165,s=70.000,x=7.765,y=-106.252,x'=7.036,y'=-96.278
δ=170,s=70.000,x=-1.525,y=-106.524,x'=-1.382,y'=-96.525
δ=175,s=59.792,x=-11.693,y=-95.816,x'=-10.008,y'=-85.959
δ=180,s=59.167,x=-20.000,y=-93.808,x'=-16.995,y'=-84.270
δ=185,s=58.125,x=-28.009,y=-90.670,x'=-23.734,y'=-81.629
δ=190,s=56.667,x=-35.551,y=-86.448,x'=-30.078,y'=-78.078
δ=195,s=54.792,x=-42.465,y=-81.209,x'=-35.887,y'=-73.677
δ=200,s=52.500,x=-48.598,y=-75.046,x'=-41.031,y'=-68.508
δ=205,s=49.792,x=-53.809,y=-68.070,x'=-45.392,y'=-62.671
δ=210,s=46.667,x=-57.974,y=-60.415,x'=-48.868,y'=-56.283
δ=215,s=43.125,x=-60.988,y=-52.231,x'=-51.375,y'=-49.474
δ=220,s=39.167,x=-62.763,y=-43.684,x'=-52.848,y'=-42.387
δ=225,s=34.792,x=-63.238,y=-34.954,x'=-53.241,y'=-35.172
δ=230,s=30.000,x=-62.374,y=-26.230,x'=-52.528,y'=-27.983
δ=235,s=25.208,x=-60.497,y=-17.945,x'=-50.859,y'=-20.612
δ=240,s=20.833,x=-58.042,y=-10.417,x'=-48.687,y'=-13.950
δ=245,s=16.875,x=-55.142,y=-3.646,x'=-46.132,y'=-7.984
δ=250,s=13.333,x=-51.922,y=2.385,x'=-43.305,y'=-2.690
δ=255,s=10.208,x=-48.498,y=7.710,x'=-40.305,y'=1.977
δ=260,s=7.500,x=-44.974,y=12.378,x'=-37.213,y'=6.072
δ=265,s=5.208,x=-41.441,y=16.451,x'=-34.098,y'=9.662
δ=270,s=3.333,x=-37.974,y=20.000,x'=-31.007,y'=12.826
δ=275,s=1.875,x=-34.634,y=23.106,x'=-27.972,y'=15.648
δ=280,s=0.833,x=-31.463,y=25.856,x'=-25.007,y'=18.219
δ=285,s=0.208,x=-28.486,y=28.338,x'=-22.113,y'=20.632
δ=290,s=0.000,x=-25.712,y=30.642,x'=-19.284,y'=22.981
δ=295,s=0.000,x=-22.943,y=32.766,x'=-17.207,y'=24.574
δ=300,s=0.000,x=-20.000,y=34.641,x'=-15.000,y'=25.981
δ=305,s=0.000,x=-16.905,y=36.252,x'=-12.679,y'=27.189
δ=310,s=0.000,x=-13.681,y=37.588,x'=-10.261,y'=28.191
δ=315,s=0.000,x=-10.353,y=38.637,x'=-7.765,y'=28.978
δ=320,s=0.000,x=-6.946,y=39.392,x'=-5.210,y'=29.544
δ=325,s=0.000,x=-3.486,y=39.848,x'=-2.615,y'=29.886
δ=330,s=0.000,x=-0.000,y=40.000,x'=-0.000,y'=30.000
δ=335,s=0.000,x=3.486,y=39.848,x'=2.615,y'=29.886
δ=340,s=0.000,x=6.946,y=39.392,x'=5.209,y'=29.544
δ=345,s=0.000,x=10.353,y=38.637,x'=7.764,y'=28.978
δ=350,s=0.000,x=13.681,y=37.588,x'=10.260,y'=28.191
δ=355,s=0.000,x=16.905,y=36.252,x'=12.678,y'=27.189
δ=360,s=0.000,x=20.000,y=34.641,x'=15.000,y'=25.981
（8）凸轮机构示意简图
（9）课设总结
设计过程中培养了我的综合运用机械设计课程及其他课程理论知识和利用生产时间
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