牛头刨床机构设计方案牛头刨床连杆机构设计.docx
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牛头刨床机构设计方案牛头刨床连杆机构设计
牛头刨床机构设计方案
一、机械原理课程设计的目的与任务
1课程设计的目的
机械原理课程设计是继机械原理课程之后独立的设计课程。
其目的是进一步加深学生对
所学知识的理解。
使学生对于机构分析与综合的基本理论、基本方法有一个系统的完整的概
念，培养学生综合运用所学知识独立解决机构设计问题的能力和使用计算机解决工程技术问题的能力。
同时培养学生的创新精神。
2、课程设计题目
牛头刨床机构设计或其他自选题目
3、课程设计的任务
课程设计的任务是根据要求拟定和论证机器的主体机构的设计方案，并对选定方案进行
运动分析，确定飞轮转动惯量，对齿轮机构进行设计计算，最后完成设计图纸，设计说明书
（A4纸）（如果在计算过程中借助计算机计算，则需要打印源程序和计算结果、图表结果）。
设计说明书统一按《北京林业大学本科毕业论文》（教务处网站下载专区里有下载）的格式
要求撰写。
课程设计包括，主体机构设计，齿轮机构设计两个部分。
主体机构由学生自定设计方案，齿轮机构采用统一设计方案。
4、课程设计的准备和注意事项
在课程设计前要阅读指导书，复习有关课程内容，拟定主体机构的设计方案前要查阅有关资料，观看录像片，了解各种机构及其使用场合。
表1切削力P和许用传动角［y|
曲柄转速口（Nmin）
切削力P（N）
许用伎动角［Y|
切削力P（N）
许用传动角I¥|
—60「
7Q00
4000
45°—
64
9000
50°
5000
45D
72
8000
50D
450（1
45D
75
SOOO
50s
4500
45°
、主体机构设计
主体机构是指实现刨刀往复运动（主运动）的传动机构，设计方案由学生在作方案比较和论证的基础上自选。
1、主体运动的运动要求和动力要求
（1）刨刀工作行程要求速度比较平稳，空回行程时刨刀快速退回，机构行程速比系数在
1.2左右。
（2）刨刀行程H=300mm或H=150mm。
曲柄转速、切削力、许用传动角等见表1。
（3）切削力P大小及变化规律如图1所示，在切削行程的两端留出一点空程。
2、设计要求
在满足运动要求和动力要求的条件下，每组拟出1个设计方案（可自己设计，也可从3
的建议中选取），对选定的方案用图解法作一个一般位置的运动分析，包括机构运动简图，速度，加速度图（要保留作图痕迹）。
3、主体机构设计方案选择
A、摆动导杆机构与摇杆滑块机构组合
B、转动导杆机构与对心曲柄滑块机构组合
C、偏置曲柄滑块机构
D、曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构组合
E、双曲柄机构与对心曲柄滑块机构组合
F、摆动导杆机构与齿轮齿条机构组合
G、摆动从动件凸轮机构与摇杆滑块机构组合
4、利用解析法计算
刨刀的位移s,速度V,加速度a的数学模型，并绘出刨刀的位移线图，速度线图和加
速度线图（可借助计算机编程实现）。
5、飞轮转动惯量的确定
在对主体机构作运动分析的基础上，在满足运转不均匀系数S=0.15的条件下，用简化
计算方法确定飞轮的转动惯量。
选取主体机构的曲柄为等效构件，作用在曲柄上的驱动力矩
Md为常量，生产阻力为切削力P,飞轮安装在曲柄轴上，要求计算等效构件10-12个等分位置及切削起始点和终点的等效阻力矩，并在图纸上绘制等效阻力矩Mr（$）和等效驱动力
矩Md（0）线图（0为曲柄的角位置），再绘制等效力矩作功线图，从而求得最大盈亏功，用简化计算方法确定飞轮转动惯量Jf。
6、画图
图纸上应包括机构运动简图，速度和加速度运动分析图，机构运动分析的位置，速度，
加速度线图，等效阻力矩、驱动力矩线图，等效阻力矩作功及等效驱动力矩作功图。
三、齿轮机构设计
1、设计要求
齿轮传动机构统一采用图1所示的设计方案，其参数按主体机构中刨刀的行程选取。
电
机输入转动，经皮带轮di、d2及齿轮，Z1,Z2及Z3,Z4,驱动主体机构的曲柄转动。
电机
转速，皮带轮直径以及齿轮的模数见表2。
表2歯轮机构设讣右矣参数
CfrfMH（mm）
%
Eg
mi（ZiZj）
电机转速（r/mln）
301）
101）
300
6（mm）
3.5（mm）
1440
ISO
90
3（mm）
2齿轮1、2采用标准齿轮，齿轮3、4由于受力较大，拟采用正传动。
啮合角建议在22°-25°之间选取。
2、设计方法、过程
根据电机转速和曲柄转速以及皮带轮直径，算出两级齿轮传动的总传动比，再按传动比
先小后大的原则分配两级传动比的大小。
选择齿数时，为避免根切，一般应满足小齿轮的齿
数大于17。
计算时按教材中有关变为齿轮传动的设计步骤（Pi08）求出Xs=X3+X4,y,Ayo按
小齿轮变位系数大，大齿轮变位系数小，或为零的原则分配变位系数X3,X4,最后给出所
有四个齿轮的尺寸并校核£>1。
注意当大齿轮的变位系数选择为零时，仍然需要齿顶消减，
因此与标准齿轮不同，称为零变位齿轮。
四、编写设计说明书
建议用边设计边整理，最后汇集成册的方法。
内容包括：
1、设计题目
2、主体机构设计方案的拟定，各方案的机构运动简图，以及方案的分析和论证。
3、所有设计分析计算的基本过程，参数选择，和计算结果，项目较多时应列表。
4、按要求绘制各种线图及机构运动草图、简图等。
5、本次课程设计的小结一一包括收获及建议，最重要的是提出所做方案尚须完善之所在。
牛头刨床机构设计说明书
一、课程设计的目的和任务
1课程设计的目的
机械原理课程设计是继机械原理课程之后独立的设计课程。
其目的是进一步加深学生对
所学知识的理解。
是学生对于机构分析与综合的基本理论、基本方法有一个系统的完整的概
念，培养学生综合运用所学知识独立解决机构设计问题的能力和使用计算机解决工程技术问题的能力。
同时培养学生的创新精神。
2、课程设计的任务
根据要求拟定和论证机器的主体机构的设计方案，并对选定方案进行运动根系，确定飞
轮转动惯量，对齿轮机构进行设计计算，最后完成设计图纸，设计说明书（A4纸）。
二、课程设计的方法和基本要求
1、设计方法
根据主体机构可以选择的几种方案设计出能实现主体机构刨刀往复运动（主运动）的传
动机构。
2、基本要求
在满足运动要求和动力要求的条件下，每组拟出1个设计方案，对选定的方案用图解
法作一个一般位置的运动分析，包括机构运动简图，速度，加速度图。
三、已知条件
设计方案
曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构组合
曲柄转速
n（r/min）
行程（150mm）
60
切削力P（N）
许用传动角
4000
45
四、选取设计方案
1机构运动简图
H
且形成速度变化系数K=（18b宀）/（180°-旳
可得门-16°，即图中角C,AC2
在厶ACG中设L1=a,L2=b,AC仁x.
e通过几何关系得=80mm
H2=（b-a）2（ba）2-2（b-a）（ba）cosv
b-a=x
H2=x2（x2a）2_2x（x2a）cost
x（cos日-1）+PH2-x2sin2日a—
2
通过解析法求偏置曲柄滑块的杆长L1,L2和偏距e
1.2
由于刨刀工作行程要求速度比较平稳，空回行程时刨刀快速退回，机构行程速比系数在左右。
图4按连架杆对应位置设计曲柄滑块机构
选择坐标系Oxy如图所示。
按连杆定长的原则可建立以下关系式:
222
（xc_xb）（yc-yB）b
其中B点的坐标值:
Xb=acos（°匚）必=asin「。
J
C点的坐标值：
Xc二s°S,yc二-e
将B、C点的坐标值代入式
（1）,并选取甲o=0,so=0,即可得到待求参数和给定运动参数的关系式：
2asicosi_2aesin1「（a2e2「b2）=si2
（2）
令
222
Ri=2a,R2=2ae,R3=ae-b（3）
并代入式
（2）中，可得
2
RiScos1一R2sin[-R3=s（4）
式（4）有三个待求参数a,b,e,应按给定三组对应位置（Hsi）建立三个方程，为此若给定三
组对应位置（],$）（i=1,2,3）代入式（4）可得以下方程组
2
RscosI-R2sin\-R3=3
2
R,s2cos2-R2sin2-R3=s2（5）
2
cos「3-R2sin「3-R3=%
由以上方程组可解出R1,R2,R3,进一步由式（3）解出a,b,e三个尺寸参数。
得出a=70mm,b=220mm,e=80mm
五、运动分析
1对偏置曲柄滑块的运动分析
liI2二e&
2由
（1）唯一确定，即
将式
（1）对时间求导一次及二次，可得到滑块的速度及加速度方程
Vc=Sc=—h〔（sin\-cos；tan2）
ac二Sc二-l1\2（cos、sin〔tan：
2^l2I（cos:
2sin:
2tan-:
2）
求连杆的角速度「2和角加速度；2时，可将
（1）式中的第二式对时间求一次及二次，可得
•hCOS®!
⑷2=®2=⑷1
l2COS:
2
；2=2=（'2tan「2-rtan3）2
2、传动角的计算验证
故最小传动角大于许用传动角，满足机构要求。
六、运动曲线图
1、位移曲线
2、速度曲线
/回
L2
[2201
叵]
q（x）=L7cos（x）+-e2-L72sin（x）2+2eL7sin（x）e
玄"xxOCKlF+（-1-^）+21201—：
価qU）=-1Lfsin（x）+
S0--
20
一口
-BO
5tt
T
4tf
T
3、加速度曲线
七、飞轮转动惯量的确定
1、等效阻力矩变化曲线图
由等功率的运算方法可得
Mr==PVc
Mer二匕
2、能量变化图
*
n/10
3n
5n
7n
9n
11n
13n
15n
17n
19n
/10
/10
/10
/10
/10
/10
/10
/10
/10
Mer
0
-400
-750
-600
-300
-100
200
600
950
500
3、Med的确定
由图用积分工具求得等效驱动力矩Md=259（Nm）
根据图像求出最大盈亏功[W]=970（J）
飞轮的转动惯量为Jf90喫二「7568（kgm2）
[6]兀nm
八、齿轮机构设计
根据电机的转速以及曲柄的转速，计算得到机构的减速比
皮带：
d2250mm
陂带2・8
d190mm
1减速机构传动比计算
该减速机构的减速传动比为20，皮带传动相对于齿轮的传动，不能保证准确的传动比,并且摩擦顺势较大，传动效率低，所以相对于皮带传动，齿轮机构完成减速更加好。
为达到最终减速比，应使得传动比有
2.8*i』34二i
齿轮的基本参数为:
编号
模数
齿数
分度圆直径
（mm）
压力角（度）
齿顶高系数
顶隙系数
齿轮1
2
25
50
20
1
0.25
齿轮2
2
60
120
20
1
0.25
齿轮3
2
15
30
20
1
0.25
齿轮4
2
54
108
20
1
0.25
确定3、4齿轮的变位系数和：
xi+x2=z1+z2（invcu-inva）=474mm2tana'‘
确定中心距变位系数：
30108
=69mm
a“co&=7i.54mm
y=0^=0.518mm
确定齿顶高降低系数：
.：
y=（xiX2）-y=4.22mm
2、检验齿轮是否符合要求
r"
=15
r4
d4
2
54
ra3二r3h*m2=17
鳥4=心h*m2=56
r3cos20
二arccos—
:
33.99
=arccosRcOS20：
25.02
ra4
Z3（tan:
—tan:
）Z4（tan:
a。
-tan:
）
=1.62
2二
Z1（tan：
a1-tan：
）Z2（tan：
a?
-tan：
）
同理；-.12-1.69
2兀
最终解得^>1,所以满足课设所给要求。
由于齿轮的传动比也满足,合要求。
设计的牛头刨床符
九、设计心得和总结
经过近两周的机械原理课程设计，终于完成了牛头刨床的全部设计。
这次课程设计让我
很好地温习了机械原理这本书，并解决了一些在机械原理课上困惑的问题，而且将机械原理
书本上的理论知识与实际相结合，更加深刻地读透了机械原理，同时在课程设计的过程中体
会到了团队协作精神和凝聚力，是一次不错的课程设计体验。
在整个课程设计中，我主要负责的是主体机构参数的计算和关键表达式的计算，我个人
认为这一部分是课程设计最开始最基本当然也是最重要的，我们组开始选择了C方案，即
偏置曲柄滑块机构，机构不是特别复杂，而且书上也有相应的公式可以参考。
不过，刚开始的设计进展非常缓慢，因为机构要满足很多力学要求和限制条件，我并没有将这些与参数的
计算联系得很紧密，一心只想着用高端的解析法就可以解决一些问题，不过在后来的计算中，
总感觉缺少一个条件，反复阅读指导书，又和组里的人商量，每一次的计算和设计都想着是否满足运动要求和动力要求，杆长是否合理可行，偏距是否足够还是太短，最后机构的运行
是否平稳，运动的急回程度是否满足要求。
虽然有茫茫多的设计要求，转速，切削力，最小传动角，但是能够符合要求的参数也是数不尽的，所以我相信老师说的，如果出现参数一模
一样，那肯定就是抄袭。
最后运用一些几何的角度关系和无解的解析法，我完成了这一次偏
置曲柄滑块的两个杆长和偏距的确定，感觉应该是对的。
然后各种曲线图和飞轮转动惯量的
计算以及齿轮的设计是交给另外两个组员。
课程设计实习中，我锻炼了计算和动脑分析的能力，遇到一些棘手的问题，能够沉下心来思考这是最大的收获，和组员之间的互帮互助也让我们的课程设计进展的十分顺利，总之,
课程设计很好很有意义。
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