機(jī)構(gòu)分析與綜合大作業(yè)

題目一 牛頭刨床設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 一、機(jī)構(gòu)簡介及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 1、機(jī)構(gòu)簡介： 牛頭刨床是一種常用的平面切削加工的機(jī)床。如圖 1-1 所示 .電動機(jī)的運(yùn)動和動力經(jīng)帶傳動和齒輪傳動，最后帶動曲柄 2 和固結(jié)在其上的凸輪 8。刨床工作時(shí)，由導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) 2-3-4-5-6 帶動刨頭 6 和刨刀 7 作往復(fù)運(yùn)動。刨頭 6 右行時(shí)，刨刀進(jìn)行切削，稱工作行程，此時(shí)要求速度較低并且均勻，以減小電動機(jī)容量和提高切削質(zhì)量。刨頭左行時(shí)，刨刀不進(jìn)行切削，稱空回行程。此時(shí)要求速度較高，以節(jié)省時(shí)間提高生產(chǎn)率。為此，刨床采用有急回作用的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。刨刀每切削完一次后，利用空回行 程的時(shí)間，凸輪 8 通過連桿機(jī)構(gòu) 1-9-10-11 及棘輪帶動螺旋機(jī)構(gòu)（圖上未表示出來）使工作臺連同工件作一次進(jìn)給運(yùn)動，以便刨刀繼續(xù)切削。刨頭在工作行程中，受到很大的切削阻力（在切削的前后各有一段約 0.05H 的空刀距離，見圖 1-2，而在空回行程時(shí)，則沒有切削阻力。因此刨頭在整個(gè)運(yùn)動循環(huán)中，受到大的交變應(yīng)力的作用，影響了主軸的勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，故需安裝飛輪來減小主軸的速度波動，以提高切削質(zhì)量和減小電動機(jī)容量。 圖 1-1 牛頭刨床機(jī)構(gòu)簡圖 0 . 0 5 H 0. 0 5HHPS 圖 1-2 切削阻力曲線 圖 1-3 凸輪機(jī)構(gòu)擺桿加速度圖 2、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（推薦三組數(shù)據(jù)見下表） 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析 2n r/min 24OOlmm 2OAlmm 4OBlmm BCl mm 44OSlmm 6Sxmm 6Symm 4Gkg 6Gkg P kg Pymm 4SJ kgms2 60 20 70 700 80 0.11 64 22 80 900 80 0.12 72 22 62 800 100 0.12 飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定 no r/min 1z zo 1z 2OJ Kgms2 1OJ Kgms2 OJ Kgms2 OJ Kgms2 0.15 1440 0.15 1440 0.16 1440 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) max 度 9ODl mm max 度 y 度 D 度 B 度 do mm do mm 12m mm 1momm 度 15 15 15 二 、完成 論文作業(yè) 的具體 要求 1、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制 選取一長度比例尺，先按圖 1-3 所分配的位置作出機(jī)構(gòu)位置圖，將其中之一需用粗實(shí)線畫出，該圖即為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，此粗實(shí)線圖還要包括機(jī)械傳動系統(tǒng)圖。作圖時(shí)，曲柄位置的確定方法為：取 1 和 7 為工作行程起點(diǎn)和終點(diǎn)所對應(yīng)的曲柄位置， 1 和 7 為切削起點(diǎn)和終點(diǎn)所對應(yīng)的曲柄位置，其余 2、 3。 12 等，是由位置 1 起始順時(shí)針方向?qū)⑶鷪A周 作 12 等分的位置。機(jī)構(gòu)在各點(diǎn)的位置可列表確定，見表 1-1。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪圖工作要求在計(jì)算機(jī)上使用電子圖版或 CAD 完成。 圖 1-3 曲柄位置圖 容 內(nèi) 符 號 數(shù) 據(jù) 表 1-1 機(jī)構(gòu)位置分配表 序列編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 位置編號 1 1 2 3 4 5 6 7 7 8 9 10 11 12 2、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 要求： 曲柄的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) n2， 各構(gòu)件尺寸，重心位置，刨頭移動導(dǎo)路 X-X 位于導(dǎo)桿端點(diǎn) B 所作圓弧高度的平均線上（見圖 1-3）， 應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算程序計(jì)算該機(jī) 構(gòu)中導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)上各連接點(diǎn)的位移、速度、加速度，并繪制出刨頭的速度線圖和加速度線圖以及運(yùn)動線圖。注意：在計(jì)算位移、速度、加速度時(shí)一定要計(jì)算1和 7。 3、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析 已知： 各構(gòu)件的重量 G（曲柄 2、滑塊 3 和連桿 5 的重量都可忽略不計(jì)），導(dǎo)桿 4繞重心的轉(zhuǎn)動慣量 Js4 與切削刀 P 的變化規(guī)律（見圖 1-2）。 要求： 確定各運(yùn)動副中反作用力及曲柄上所需的平衡力矩。 注意： 在切削開始和終止的位置 1和 7時(shí)，由于切削阻力的突變，還需求出這兩個(gè)力與兩個(gè)平衡力矩。 4、飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定 已知： 機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的不均勻系數(shù) ，由動態(tài)靜力分析所得的平衡力矩 My，驅(qū)動力矩 Md 為常數(shù)，具有定傳動比的各構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣力 JM，電動機(jī)、曲柄的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) n0 、 n2 及某些齒輪的齒數(shù)。要求確定安裝在軸 O2 上的飛輪轉(zhuǎn)動慣量 JF。 步驟： 1） 根據(jù)動態(tài)靜力分析所獲得的平衡力矩 MY，計(jì)算等效功阻力矩 M r 曲線。（因?yàn)?M r =-My，故也可用 My 的數(shù)值作圖獲得。） 2） 對 M r 曲線進(jìn)行積分 (或圖解積分 )，可得等效阻力矩作功 A r 曲線。 3） 根據(jù)機(jī)器在一個(gè)穩(wěn)定循環(huán)中能量的變化為零，且已知驅(qū)動力矩 Md 為常數(shù)的條件，可作出驅(qū)動力矩作功 Ad 曲線。 4） 作出盈虧功 Ei 曲 線。 5） 從 Ei 曲線中可以找出其縱坐標(biāo)最高點(diǎn)到最低點(diǎn)的距離，可得最大盈虧功Wmax。 6） 按公式可計(jì)算出飛輪的轉(zhuǎn)動慣量 JF。公式中 J0 為具有定傳動比各構(gòu)件的等效轉(zhuǎn)動慣量。 題目二 單缸四沖程柴油機(jī)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 一 、機(jī)構(gòu)簡介及有關(guān)數(shù)據(jù) 1、機(jī)構(gòu)簡介 柴油機(jī)如圖 2-1 所示，其中 a)為機(jī)構(gòu)簡圖，它將燃料（柴油）燃燒時(shí)所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的主體機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，借氣缸內(nèi)的燃?xì)鈮毫ν苿踊钊?3，再通過連桿 2 使曲柄 1 作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)有兩沖程和四沖程兩種，本課程設(shè)計(jì)的是四沖程內(nèi)燃機(jī)，即以活塞在氣缸內(nèi)往 復(fù)移動四次（對應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)）完成一個(gè)工作循環(huán)。在一個(gè)工作循環(huán)中，氣缸內(nèi)的壓力變化可通過示功圖（或稱容壓曲線）如圖 2-1 b)看出，它表示氣缸容積（與活塞位移 s 成正比）與壓力的變化關(guān)系。 a) 機(jī)構(gòu)簡圖 b) 示功圖 圖 2-1 單缸四沖程柴油機(jī)的機(jī)構(gòu)簡圖和示功圖 四沖程內(nèi)燃機(jī)的工作原理如下： 進(jìn)氣沖程： 活塞由上止點(diǎn)向下移動，對應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角 000 1 8 0 。進(jìn)氣閥開，空氣開始進(jìn)入氣缸，此時(shí)氣缸內(nèi)指示壓力略低于 1 大氣壓力，一般以 1 大氣壓力計(jì)算，如示功圖上的 ab 。 壓縮沖程： 活塞由下止點(diǎn)向上移動，對應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角 001 8 0 3 6 0 。此時(shí)進(jìn)氣完畢，進(jìn)氣閥閉，已吸入的空氣受到壓縮，壓力漸升高，如示功圖上的 bc 。 膨脹（工作）沖程： 在壓縮沖程終了時(shí)，被壓縮的空氣的溫度已超過柴油自燃的溫度，因此，在高壓下射入的柴油立刻爆炸燃燒 ，氣缸內(nèi)壓力突增至最高點(diǎn)，此時(shí)燃?xì)鈮毫ν苿踊钊缮舷蛳乱苿訉ν庾鞴Γü视挚煞Q工作沖程），曲柄轉(zhuǎn)角003 6 0 5 4 0 ，隨著燃?xì)獾呐蛎?，活塞下行，氣缸容積增加，壓力逐漸降低，如示功圖上的 cb 。 排氣沖程： 活塞由下向上移動，曲柄轉(zhuǎn)角 005 4 0 7 2 0 。排氣閥開，廢氣經(jīng)排氣閥門被驅(qū)除，此時(shí)氣缸內(nèi)壓力略高于 1 大氣壓力，一般亦以 1 大氣壓力計(jì)算，如示功圖上的 ba 。示功圖中的 a b c b a 即表四個(gè)沖程氣缸內(nèi)的壓力變化情況。進(jìn)、排氣閥的啟閉是由凸輪機(jī)構(gòu)來控制的，圖 2-1 a）中 yy 剖面有進(jìn)、排氣閥各一只（圖示只畫了進(jìn)氣凸輪）。凸輪機(jī)構(gòu)是通過曲柄軸 O 上的齒輪 Z1 和凸輪軸 O1 的齒輪 Z2 來傳動的，由于一個(gè)工作循環(huán)中，曲柄轉(zhuǎn)將轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)而進(jìn)、排氣閥則僅各啟閉一次，所以齒輪的傳動比1 2 1 2 2 1 2i n n Z Z 。 由上可知，在組成一個(gè)工作循環(huán)的四個(gè)沖程中，活塞 只有一個(gè)沖程（膨脹沖程）是對外作功的，而其余的三個(gè)沖程則需依靠機(jī)械的慣性來帶動。因此，曲柄所受的驅(qū)動力是不均勻的，所以其速度波動也較大；為了減少速度波動，曲柄軸上裝有飛輪（圖 2-1 中未示出）。為了使驅(qū)動力較均勻和增加內(nèi)燃機(jī)的功率，內(nèi)燃機(jī)常做成多缸的，如兩缸、四缸和六缸等。 2、題目數(shù)據(jù) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析及飛輪轉(zhuǎn)動慣量確定 H 2ASl 1n hD D 1G 2G 3G 1SJ 2SJ 1OJ mm r/min mm kg kgms2 120 80 4 1500 100 200 21 2 1 0.01 0.005 0.02 0.01 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) h y B max max 1Z 2Z m mm 度 mm 度 20 圖 1 凸輪機(jī)構(gòu)從動件加速度圖 表 2-1 示功圖數(shù)據(jù)表 工作過程 進(jìn) 氣 壓 縮 位 置編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 曲柄位置（度） 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 容 內(nèi) 符 號 數(shù) 據(jù) 9 Da y D B 氣缸指示壓力2( / )p kg cm 1 1 1 1 1 1 1 1 1 6.5 19.5 35 膨 脹 排 氣 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 3750 3900 4200 4500 4800 5100 5400 5700 6000 6300 6600 6900 7200 60 25.5 9.5 3 3 2.5 2 1.5 1 1 1 1 1 二 、 完成論文作業(yè)的具體要求 1、機(jī)構(gòu)選型、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制 已知： 活塞沖程 H、連桿和曲柄之長度比 、曲柄每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)1n。 要求： 根據(jù)該機(jī)械的工作原理和工作要求，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)，對各方案進(jìn)行特點(diǎn)、性能分析，擇優(yōu)選一；對優(yōu)選方 案繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。 圖 2-2 曲柄位置圖 2、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 已知 ：曲柄的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) n1，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)上各構(gòu)件的尺寸。 要求： 應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算程序計(jì)算該機(jī)構(gòu)中機(jī)構(gòu)上各連接點(diǎn)的位移、速度、加速度，并繪制出滑塊的速度線圖和加速度線圖以及運(yùn)動線圖。注意：在計(jì)算位移、速度、加速度時(shí)一定要計(jì)算出第 12 點(diǎn)（在此點(diǎn)為氣缸指示壓力達(dá)最大值）。 步驟： （略） 3、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析 已知： 各構(gòu)件的重量 G、繞重心的轉(zhuǎn)動慣量 Js、活塞直徑 Dh，示功圖數(shù)據(jù)見 表2-1 以及運(yùn)動分析計(jì)算中的已知條件和計(jì)算結(jié)果。 要求： 確定各運(yùn)動副中反作用力及曲柄上所需的平衡力矩 My。 4、飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定 已知： 機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的不均勻系數(shù) ，由動態(tài)靜力分析所得的平衡力矩 My，阻力矩Mc 為常數(shù)，曲柄軸的轉(zhuǎn)動慣力 Js1,凸輪軸的轉(zhuǎn)動慣力 J01，連桿繞其重心的轉(zhuǎn)動慣力 Js2。 要求： 計(jì)算飛輪轉(zhuǎn)動慣量 M。 步驟： 1） 根據(jù)動態(tài)靜力分析所獲得的平衡力矩 MY，計(jì)算等效功阻力矩 M r 曲線。（因?yàn)?M r =-My，故也可用 My 的數(shù)值作圖獲得。） 2） 對 M r 曲線進(jìn)行積分 (或圖解積分 )，可得等效阻力矩作功 A r 曲線。 3） 根據(jù)機(jī)器在一個(gè)穩(wěn)定循環(huán)中能量的變化為零，且已知驅(qū)動力矩 Md 為常數(shù)的條件，可作出驅(qū)動力矩作功 Ad 曲線。 4） 作出盈虧功 Ei 曲線。 5） 從 Ei 曲線中可以找出其縱坐標(biāo)最高點(diǎn)到最低點(diǎn)的距離，可得最大盈虧功Wmax。 6） 按公式可計(jì)算出飛輪的轉(zhuǎn)動慣量 JF。公式中 J0 為具有定傳動比各構(gòu)件的等效轉(zhuǎn)動慣量。 題目 三 搖擺式輸送機(jī)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 一、機(jī)構(gòu)簡介及有關(guān)數(shù)據(jù)： 1、機(jī)構(gòu)簡介： 搖擺式輸送機(jī)是一種水平傳送材料用的礦山運(yùn)輸機(jī)械（圖 4-1）。當(dāng)電動機(jī)開動后，通過齒輪 Z5-Z6， Z3-Z4 與 Z1-Z2 使曲柄 2 回轉(zhuǎn)，再經(jīng)過六 連桿機(jī)構(gòu) 1-2-3-4-5-6使輸?shù)V槽 6 作往復(fù)移動，放置在槽上的礦物 7 借助摩擦力而一起運(yùn)動。礦物的輸送是利用機(jī)構(gòu)在某些位置輸?shù)V槽有相當(dāng)大的加速度，使礦物在慣性力的作用下克服摩擦力而發(fā)生滑動，滑動的方向總是自左往右，從而達(dá)到輸送礦物的目的。 輸送機(jī)在工作過程中，由于承受載荷等變化很大，故此將引起主軸 O1 速度波動，所以在軸 O1 上應(yīng)考慮安裝一用來調(diào)節(jié)主軸速度波動的飛輪（。 圖 4-1 搖擺式輪送機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖 2、 題目數(shù)據(jù) 連桿機(jī)構(gòu)與礦物的運(yùn)動分析 2n l h 1h 1OAl ABl 2OBl 2OCl 2ASl 24OSl 0f f 7G r/min mm kg 57.5 0.45 0.35 3830 72.5 89 連桿機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析 3G 4G 6G 6G 2G 3SJ 4SJ R K kg kgms2 mm 35.6 136 60 2940 76 0.055 0.1 25 1 飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定 齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3On 4On OJ 1Z 2Z m x Cx r/min kgms2 mm 度 0.15 556 193 54.1 容 內(nèi) 符 號 數(shù) 據(jù) 二 、 完成論文作業(yè)的具體要求 1、機(jī)構(gòu)選型、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制 已知： 搖擺式輪送機(jī)的機(jī)構(gòu)簡圖如圖 4-1 所示。 要求： 根據(jù)該機(jī)械的工作要求，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)，對各方案進(jìn)行特點(diǎn)、性能分析，擇優(yōu)選一；對優(yōu)選方案繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。 步驟： 1）機(jī)構(gòu)選型 借助平面機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)（ 4 種以上），通過分析和比較，提出一個(gè)自己認(rèn)為最好的方案，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制。 2）運(yùn)動簡圖的繪制 根據(jù)給定的構(gòu)件尺寸和相對位置，確定連桿機(jī)構(gòu)上各構(gòu)件的尺寸。 圖 4-2 曲柄位置圖 首先作出機(jī)構(gòu)位置圖。選取一長度比例尺，按圖 4-2 所示的機(jī)構(gòu)上曲柄位置分配作出機(jī)構(gòu)位置圖。在其中之一位置上按規(guī)定的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖畫法繼續(xù)畫出連桿和滑塊，并用粗實(shí)線表示出來。該圖即為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪圖工作要求在計(jì)算機(jī)上采用電子圖版或 CAD 完成。 作圖時(shí)，曲柄位置圖的作法：以 1 為滑塊 6 在左端極限位置時(shí)相應(yīng)的曲柄位置，6為滑塊 6 在右端極限位置時(shí)相應(yīng)的曲柄位置；而 5和 11分別為礦物在槽上開始滑 動和終止滑動時(shí)相應(yīng)的曲柄位置（這兩個(gè)位置須在滑塊 6 的運(yùn)動線圖和礦物的速度曲線作出后確定）；其余 2 12 是由位置 1 起按轉(zhuǎn)向?qū)⑶鷪A周作十二等分得十二個(gè)位置。 2、連桿機(jī)構(gòu)和礦物的運(yùn)動分析 已知 ：曲柄 2 的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) n2，其重心位置（構(gòu)件 2 的重心與軸 O1 重合）礦物對槽的靜摩擦系數(shù) f0 和動摩擦系數(shù) f，礦物的重量 G7。 要求： 設(shè)計(jì) 各構(gòu)件尺寸， 應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算程序計(jì)算該機(jī)構(gòu)中連桿機(jī)構(gòu)上各連接點(diǎn)的位移、速度、加速度，并繪制出礦物 7 的速度線圖、加速度線圖和滑塊 6的運(yùn)動線圖。 3、連桿機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力