機械原理課程設(shè)計搖擺式輸送機.docx

機械原理課程設(shè)計搖擺式輸送機說明書 負 責 人： 何競飛 學 院： 機電工程學院 班 級： 機械1102班 學 號： 0806110229 日 期： 2013年 7月1 日 目錄 1設(shè)計任務及原始參數(shù) 2運動方案設(shè)計 2.1 主機構(gòu)方案 2.2 電動機主機構(gòu)（齒輪傳動機構(gòu)方案） 2.3 總體方案圖3. 電動機選擇. 3.1 電動機型號 3.2 電動機的功率 4. 傳動比分配 5. 齒輪機構(gòu)設(shè)計 5.1齒輪參數(shù)選擇 5.2變位齒輪設(shè)計 6. 主機構(gòu)設(shè)計 7. 主機構(gòu)運動分析 8. 主機構(gòu)受力分析 9. 主機構(gòu)速度波動調(diào)節(jié) 9.1等效力矩確定 9.2最大盈虧功計算 9.3等效轉(zhuǎn)動慣量計算 9.4飛輪轉(zhuǎn)動慣量計算 10. 設(shè)計總結(jié) 1. 課程設(shè)計的任務機械原理課程設(shè)計的任務是對機器的主體機構(gòu)進行運動分析、動態(tài)靜力分析，求出所有的運動副反力及平衡力矩。要求學生根據(jù)設(shè)計任務，繪制必要的圖紙（或編制計算程序），編寫設(shè)計計算說明書。要達到課程設(shè)計的目的，必須配以課程設(shè)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(gòu)的選型與組合；設(shè)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(gòu)連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)，其他常用機構(gòu)，組合機構(gòu)等進行運動分析與參數(shù)設(shè)計；通過計算機編程，將機構(gòu)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(shù)值。原始數(shù)據(jù)：參數(shù)項目 物料重量G（Kg） 曲柄轉(zhuǎn)速n4 (r/min) 行程速比系數(shù)K 位置角 1 () 3120 114 1.2 60 搖桿擺角角2() l (mm) h (mm) lCD (mm) 60 220 360 270 2. 運動方案設(shè)計 2.1主機構(gòu)方案 通過查詢分析幾種經(jīng)典的運送機結(jié)構(gòu)并分析其優(yōu)缺點，結(jié)合自己的改動確定了機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)位置和轉(zhuǎn)動方式。2.2 電動機主機構(gòu)方案 2.3總體設(shè)計方案3.電動機選擇3.1 電動機型號 結(jié)合功率及轉(zhuǎn)速可以確定電動機型號為Y18L-4 選自 秦大同現(xiàn)代機械設(shè)計手冊P25-24 “Y系列三相異步電動機數(shù)據(jù)”3.2 電動機的功率 設(shè)經(jīng)過皮帶齒輪傳動后加于主機構(gòu)的功率為Pr，地面與小車之間的摩擦系數(shù)f=0.01，一個周期滑桿行進的路程為H。 每次小車獲得的動能為W車，一秒完成的周期數(shù)為n根據(jù)公式：W磨=2FrH，(3-1) f=0.1Fr=fG,(3-2) G=3120KgW車=0.5mVmax(3-3) H=0.27mW=n(W車+W磨)(3-4) n=1.9Pr=W/T, Vmax=2.1m/s可以求得:Pr=16.272Kw 選擇V帶傳動和二級齒輪傳動，傳動裝置 1=0.94 的總效率=12345 2=3=4=0.98 5=0.99其中1為皮帶傳動效率，234為軸承傳動 數(shù)據(jù)取自毛炳秋機械設(shè)計效率，5為齒輪傳動效率。 課程設(shè)計P20 2-13得到=0.8711 實際電動機功率P=Pr/ P=18.6Kw, 結(jié)合功率及轉(zhuǎn)速可以確定電動機型號為Y18L-4 （選自 秦大同現(xiàn)代機械設(shè)計手冊P25-24 “Y系列三相異步電動機數(shù)據(jù)”）4.主機構(gòu)設(shè)計 主機構(gòu)的設(shè)計及各桿尺寸的確定通過CAD作圖測量得到。主要過程：1.取一點D作為一個機架，過D做兩條與水平線分別成60和120長為270mm的直線，直線端點為C，BD=0.6CD=162mm，即可確定B點。行程速比系數(shù)K=1.2，由公式=180（K+1）/（K-1）可以求出角度為16.36以B1，B2點為角的邊做角度16.36，角的頂點記為D點。以B1，B2，D三點畫圓，以D點水平向左做一條長為220mm的線段，垂直向上與圓交與O點，連接OB1和OB2,可以測量的OB1=166.22mm，OB2=314.14mm，根據(jù)主機構(gòu)結(jié)構(gòu)特點，B1，B2為兩極限位置，則OA+AB=314.14mm，AB-OA=166.22mm。根據(jù)此方程求解得OA=74.09mm，AB=240.31mm。由h=360mm可知，另一機架與D點豎直距離為360mm。測得最小傳動角為43，符合傳動要求。主機構(gòu)構(gòu)件長度及位置確定完畢。 參考4.傳動比的分配 計算總傳動比： 公式：i=ndnr 可以得到i=12.6，本機構(gòu)采用皮帶輪加二級圓柱齒輪減速器構(gòu)成。皮帶輪傳動比為i皮=2，則齒輪機構(gòu)傳 nd=1440r/min為動比i齒=12.6/2=6.2，齒輪機構(gòu)設(shè)計圖如下： nr=114r/min 公式：i齒=Z2Z3Z1Z2 ,設(shè)齒輪1和2間的傳動比為i1，齒輪2和3之間的傳動比為i2. 公式：i1=1.4i2=1.4i齒（毛炳秋機械設(shè)計課程設(shè)計P19 2-6 i1=3，i2=2.1 5.齒輪系的設(shè)計 1.齒輪基本數(shù)據(jù)的確定 由第四步已經(jīng)確定了齒輪間的傳動比，根據(jù)公式可以確定各個齒的齒數(shù)。 根據(jù)公式i12=Z2Z1可以得到： Z1=20 Z2=60 Z2=20 Z3=40 取齒輪的模數(shù)m=5，可以得到齒輪的基本參數(shù)： 項目 代號 小齒輪 大齒輪 模數(shù) m 5 5 壓力角 20 20 分度圓直徑 d 100mm 300mm 齒頂高 h a 5mm 齒根高 h f 6.25mm 齒全高 h 11.25mm 齒頂圓直徑 d a 110mm 310mm 齒根圓直徑 d f 87.5mm 287.5mm 基圓直徑 d b 94mm 282mm 齒距 p 15.7mm基圓齒距 p b 14.75mm 齒厚 s 7.85mm 齒槽寬 e 7.85mm 頂隙 c 1.25mm 標準中心距 a 200mm 公式來源 孫恒機械原理P180 10-2 2.變位齒輪的選取 由于變速后使齒輪的的轉(zhuǎn)速降低，加大了低速齒輪間的作用力，為了 避免因應力過大而導致齒輪的磨損和破壞，將低速齒輪設(shè)計為變位齒輪以 提高齒輪的承載能力。 資料來源 孫恒機械原理P191根據(jù)上表公式 a=m(Z3+Z2)/2a=150mm 可以求得標準中心距，可以取變位后的 Z2=40中心距a,=152mm m=5公式： ,=arccos(acosa,) Z3=20 得到,=21 變位系數(shù)x1+x2=(inv,-inv)(Z3+Z2)/(2tan) 得到x1+x2=0.2 查表可得x1=0.15，x2=0.05參考公式 孫恒機械原理P191 10-28變位齒輪基本參數(shù)：名稱 符號 不等變位齒輪傳動變位系數(shù) x x1+x2=0.2節(jié)圓直徑 d, d1,=201mm d2,=100.6mm嚙合角 , 21.2齒頂高 h a 3.75mm 3.25mm齒根高 h f 5.5mm 6mm齒頂圓直徑 d a 208.5mm 107.1mm齒根圓直徑 d f 190mm 88.6mm中心距 a 150.8中心距變動系數(shù) y 0.4齒頂高降低系數(shù) y -0.2參考公式 孫恒機械原理P192 10-46.主機構(gòu)運動分析 使用CATIA完成1. 構(gòu)件的建立：使用CATIA將各個構(gòu)件按照長度比例畫出。OA桿：AB桿：CD桿：滑塊： 滑桿： 機架：整體效果圖：對主機構(gòu)進行運動分析：采用CATIA進行DMU運動仿真，選取OA桿的轉(zhuǎn)動角度為橫坐標，以滑桿的速度加速度為縱坐標畫出圖像并進行導出?；瑮U位移圖像：滑桿的速度圖像：滑桿的加速度圖像： 擺桿位移圖像：擺桿角速度圖像：擺桿角加速度圖像：7，機構(gòu)的受力分析 機構(gòu)分析步驟： 1.進行速度分析，畫出每個點的速度矢量圖。 2.進行加速度分析，畫出加速度矢量圖。 3.將角加速度及加速度化為等效慣性力。 4.取單個構(gòu)件進行力矢量求解得到各個力并求出等效力矩 （孫恒 機械原理P57） 對當=150時的機構(gòu)進行力分析： 7.1速度分析： 根據(jù)機構(gòu)特點可以列出速度矢量方程： vB=vA+vBA(7-1) vA=0.88m/s vA=2nl1/60(7-2) 畫出速度矢量圖： vB=0.5m/s vA vBA vBA=0.6m/s vB 選定比例系數(shù)測量出三個速度大小 aBAn=1.5 m/s 7.2加速度分析 根據(jù)公式an=v2/l(7-3) aBn=1.54 m/s 求出aAn aBn aBAn aAn=10.45m/s 根據(jù)加速度矢量方程式： aB=0 aB+aBn =aAn+aA+aBA+aBAn CD CD OA OA AB AB 做出加速度矢量圖： ac aB aBn as2 ac=11.1m/s aB=6.8m/s aBA as2=8.4m/s aBn aBA=5.6m/s選取比例系數(shù)可以測量出acaBas2aBA 7.3加慣性力 公式M=J.(7-4) MAB=2Kg.m 可以求出AB桿上的慣性力矩 F=M/L(7-5) F2=403.2N F=ma(7-6) h=13mm 求出加在AB桿上的慣性力F2及偏移量h 7.4對機構(gòu)進行力分析 取滑塊進行分析： acx=10.7m/s 將C的加速度沿水平和豎直方向分解可以得到： acy=3.1m/s acx acy 對滑塊進行受力分析： 滑塊受到的力：F34x F34y F54 Fa4 G4 列出方程： F34x-F54 =macx(7-7) F34y=562N F34y-G4=macy(7-8) F34x=749N 對CD桿進行受力分析： CD桿受到的力有：F43x F43y F23 F63x F63y G3 lCDx=100mm 對D點取矩得到公式： lCDy=253mm lCDxlCDylCBxlCBy lCBx=50mm F43xlCDy+F43ylCDx+G3lCBx=F23lBD+aB/lBD (7-9) lBD=162mm 可以得到F23 F23=753N 對AB桿進行分析 AB桿受到的力有F2 G2 F32n F12n F12 G2=480N 可以畫出力的矢量圖： F12n F12 G2 F2 F32n F12n=300N 選取比例系數(shù)可以求出F12n F12 F12=990N 對OA桿進行分析 將F12n F12反向并沿平行和垂直方向分解于OA桿上 F21n F21 G1 對O點求矩可以得到方程： Md=F21lOA+12G1lOAx 用此方法分析其余兩位置可得到其余參數(shù)。 G1=150N 備注：若考慮小車及物料質(zhì)量，在小車和物料存在時 lOAx=32mm 等效力矩將極大。 Md=21.8N.m9主機構(gòu)速度波動調(diào)節(jié)9.1 matlab求解平衡力矩取曲柄OA為等效構(gòu)件，根據(jù)機構(gòu)位置和切削阻力Fr確定一個運動循環(huán)中的等效阻力矩Mr（）。通過MATLAB建?？梢缘玫秸麄€機構(gòu)的等效組力矩的圖像，可以利用積分求出平均阻力矩，函數(shù)源代碼如下： clear all;clc;%初始條件theta1=linspace(-25.72,334.28,100);%單位度theta1=theta1*pi/180;%轉(zhuǎn)換為弧度制W1=52.2*pi/30;%角速度 單位rad/sH=0.4;%行程 單位mL1=0.074;%O2A的長度 單位mL3=0.24721;%O3B的長度 單位mL4=0.2718;%BF的長度 單位mL6=0.38833;%O2O3的長度 單位mL6u=0.62132;%O3D的長度 單位mZ=pi/180;%角度與弧度之間的轉(zhuǎn)換dT=(theta1(3)-theta1(2)/W1;%時間間隔for j=1:100 t(j)=dT*(j-1);%時間因素end %求解S3、Theta3、Theta4和SE四個變量S3=(L6)2+(L1)2-2*L6*L1*cos(theta1+pi/2).0.5;%求出O3A的值for i=1:100%求解角度theta3、Theta4和SE的長度 theta3(i)=acos(L1*cos(theta1(i)/S3(i); theta4(i)=asin(L6u-L3*sin(theta3(i)/L4); SE(i)=L3*cos(theta3(i)+L4*cos(theta4(i);end%求解完成%求解完成%求解VS3、W3、W4和VE四個變量for i=1:100 J= inv(cos(theta3(i),-S3(i)*sin(theta3(i),0,0; sin(theta3(i),S3(i)*cos(theta3(i),0,0; 0,-L3*sin(theta3(i),-L4*sin(theta4(i),-1; 0,L3*cos(theta3(i),L4*cos(theta4(i),0); K=J*W1*-L1*sin(theta1(i);L1*cos(theta1(i);0;0; VS3(i)=K(1); W3(i)=K(2); W4(i)=K(3); VE(i)=K(4);end%求解完成%求解aS3、a3、a4、aE四個變量for i=1:100 J= inv(cos(theta3(i),-S3(i)*sin(theta3(i),0,0; sin(theta3(i),S3(i)*cos(theta3(i),0,0; 0,-L3*sin(theta3(i),-L4*sin(theta4(i),-1; 0,L3*cos(theta3(i),L4*cos(theta4(i),0); P=W1*W1*-L1*cos(theta1(i);-L1*sin(theta1(i);0;0; M=-W3(i)*sin(theta3(i),-VS3(i)*sin(theta3(i)-S3(i)*W3(i)*cos(theta3(i),0,0; W3(i)*cos(theta3(i),VS3(i)*cos(theta3(i)-S3(i)*W3(i)*sin(theta3(i),0,0; 0,-L3*W3(i)*cos(theta3(i),-L4*W4(i)*cos(theta4(i),0; 0,-L3*W3(i)*sin(theta3(i),-L4*W4(i)*sin(theta4(i),0; N=VS3(i);W3(i);W4(i);VE(i); K=J*(-M*N+P); aS3(i)=K(1); a3(i)=K(2); a4(i)=K(3); aE(i)=K(4);end%求解完成%動態(tài)靜力分析%初始條件M4=194.1;M5=48.54;M6=62;Js4=6.775;Js5=0.106;Fc=4000;Ls4=0.5*L3;Ls5=0.5*L4;%給摩擦力賦值for i=1:100 if(abs(SE(1)-SE(i)0.05*H&abs(SE(1)-SE(i)0.95*H)&(theta1(i)1.05*H&abs(SE(1)-SE(i)1.95*H)&(theta1(i)pi) Fc(i)=200; else Fc(i)=0; end endend%賦值完成%求解平衡力矩J4=Js4+M4*(0.5*L3)*(0.5*L3);%導桿對點O3的轉(zhuǎn)動慣量for i=1:100 Ekk(i)=(M6*VE(i)*VE(i)+Js5*W4(i)*W4(i)+M5*VE(i)*VE(i)+J4*W3(i)*W3(i)/2;%計算總動能enddEkk(1)=Ekk(1)-Ekk(100);%動能的改變量for i=2:100 dEkk(i)=Ekk(i)-Ekk(i-1);%動能的改變量endfor i=1:100 MM(i)=(dEkk(i)+Fc(i)*abs(VE(i)/W1;%求平衡力矩end%畫圖%畫運動圖figure(1);plot(t,theta3,r);hold on;plotyy(t,theta4,t,SE);grid on;xlabel(時間t/s);ylabel(theta3、theta4(rad);title(角度Theta3、theta4和位移SE);axis( 0 , 0.75,-0.2,2);figure(2);plot(t,W3,r);hold on;grid on;plotyy(t,W4,t,VE);xlabel(時間t/s);ylabel(W3、W4(rad/s);title(角度速度W3、W4和速度VE);axis(0 , 0.75,-5,3);figure(3);plot(t,a3,r);hold on;plotyy(t,a4,t,aE);grid on;xlabel(時間t/s);ylabel(a3、a4(rad/s/s);title(角度加速度a3、a4和加速度aE);axis(0 , 0.75,-80,80);%運動圖畫完%畫反力圖figure(4);plotyy(theta1,Fc,theta1,SE);xlabel(Theta1（時間t）);ylabel(Fc);axis(theta1(1) ,theta1(100),-50,1400);title(切削阻力Fc與位移SE);grid on;figure(5);plotyy(theta1,MM,theta1,Fc);xlabel(Theta1（時間t）);ylabel(力矩);axis(theta1(1) ,theta1(100),-50,700);title(平衡力矩);grid on;figure(6);plotyy(theta1,Ekk,theta1,SE);xlabel(Theta1（時間t）);ylabel(Fc);title(導桿、滑桿和滑塊的總動能);grid on;theta1(1)theta1(100)得到阻力矩的變化圖像如下：9.2等效力矩采用數(shù)值積分的方法利用公式：0Mr