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HarbinInstituteofTechnology课程设计说明书(论文)课程名称机械原理设计题目棒料输送线布料装置方案1院系机电工程学院班级设计者:学号1指导教师王洪祥设计时间
2014.
6.23--
2014.
6.29哈尔滨工业大学棒料输送线布料装置(方案1)
1、题目要求如图下图1所示棒料输送线布料装置的功能简图料斗中分别装有直径35mm,长度150mm的钢料和铜料在输送线上按照图2所示的规律布置棒料原动机转速为1430r/min,每分钟布置棒料5080110块分3档可以调节图1图22.题目解答
(1)工艺动作分析由设计题目和图1可以看出,推动输送带运动的是执行构件1,使钢料下落的是执行构件2,使铜料下落的是执行构件3,这三个构件的运动关系如图3所示T1T1T1T1T
2、T3图3棒料输送线布料装置运动循环图图3中T1是执行构件1的工作周期,T2是执行构件2的工作周期,T3是执行构件3的工作周期由图3可以看出,执行构件1是作间歇转动,执行构件2作间歇转动,执行构件3也作间歇转动,执行构件2和3的工作周期相等,且为执行构件1的3倍
(2)运动功能分析及运动功能系统图根据前面的分析可知,驱动执行构件1工作的执行机构应该具有的运动功能如图4所示该运动功能单元把一个连续的单向转动转换为间歇转动,主动件每转动1周,从动件(执行构件1)作一次间歇转动由题意可知,主动件的转速分别为50r/min80r/min110r/min
50、
80、110rpm图4执行机构1的运动功能由于电动机的转速为1430r/min,为了分别得到5080110r/min的转速,则由电动机到执行机构1之间的总传动比iz有3种,分别为总传动比由定传动比和变传动比两部分构成,即3种总传动比中最大,最小由于定传动比是常数,因此,3种变传动比中最大,最小若采用滑移齿轮变速,其最大传动比最好不大于4,即于是定传动比为变传动比的其他值为于是,传动系统的有极变速功能单元如图5所示i=
42.
51.82图5有极变速运动功能单元为保证系统过载时不至于损坏,在电动机和传动系统之间加一个过载保护环节过载保护运动功能单元可采用带传动实现,这样,该运动功能单元不仅具有过载保护能力,还具有减速功能,如图3所示i=
2.5图6过载保护运动功能单元整个传动系统仅靠过载保护运动功能单元不能实现其全部定传动比,因此,在传动系统中还要另加减速运动功能单元,其减速比为减速运动功能单元如图7所示i=
2.86图7减速运动功能单元由于减速输出的运动回转轴线与执行构件1的回转轴线垂直,因此增加如图8的运动功能单元该单元可用圆锥齿轮传动由于不需要变速,故圆锥齿轮的传动比为1i=1图8相交运动功能单元根据上述运动功能分析,可以得到实现执行构件1运动的运动功能系统图,如图9所示1430rpmi=
2.5i=
42.
51.82i=
2.86图9实现执行机构1运动的运动功能系统图为了使用同一原动机驱动执行机构2和3,应该在图9所示的运动功能系统图中增加运动分支功能单元,因为机构2和3具有相同的运动性质,所以此处只增加一个运动分支,该运动分支功能单元如图10所示图10运动分支功能单元由于减速输出的运动回转轴线与执行构件
2、3的回转轴线垂直,因此增加如图11的运动功能单元该单元可用圆锥齿轮传动由于分支部分不需要变速,故圆锥齿轮的传动比为1i=1图11相交运动功能单元由于执行机构2和3的工作周期T
2、T3是执行构件1的周期T1的3倍,所以运动分支在驱动执行构件2和3之前应该减速,使其转速等于执行构件1的主动件转速的三分之一减速运动单元如图12所示i=3图12减速运动功能单元由于执行机构2和3的驱动机构是间歇转动,且将间歇转动转换为间歇往复直线移动,所以应该添加如图
13、图14所示的运动功能单元图13间歇运动功能单元图14往复间歇直线运动功能单元由于执行构件1是间歇运动,且由图3可以看出执行构件1的间歇时间是其工作周期的二分之一,也就是其运动时间是其工作周期的二分之一因此间歇运动功能单元的运动系数为τ=
0.5间歇运动功能单元如图15所示τ=
0.5图15间歇运动功能单元根据上述分析,可以画出整个系统的运动功能系统图,如图16所示图16棒料输送线布料装置(方案1)的运动功能系统图
(3)系统运动方案拟定根据图16所示的运动功能系统图,选择适当的机构替代运动功能系统图中的各个运动功能单元,便可拟定出机械系统运动方案图16中的运动功能单元1是原动机根据棒料输送线布料装置的工作要求,可以选择电动机作为原动机,如图17所示图17电动机替代运动功能单元1图16中的运动功能单元2是过载保护功能单元兼具减速功能,可以选择带传动替代,如图18所示图18带传动替代运动功能单元2图16中的运动功能单元3是有级变速功能单元,可以选择滑移齿轮变速传动替代,如图19所示图19滑移齿轮变速替代运动单元3图16中的运动功能单元4是减速功能,可以选择定齿轮传动替代,如图20所示图20定齿轮传动替代运动功能单元4图16中的运动功能单元5是运动分支功能单元,可以用圆锥齿轮传动和传送带替代,如图21所示图21皮带轮代替运动功能单元5图16中的运动功能单元
6、7的运动输入轴与运动输出轴相互垂直,可以用圆锥齿轮传动替代,如图22所示图22圆锥齿轮替代运动功能单元
6、7图16中的运动单元8是把连续转动转换为间歇转动的运动功能单元,可以用槽轮机构代替如图23所示图23槽轮机构替代运动功能单元8图16中的运动单元9是减速运动功能单元,可以用同步带传动代替,如图24所示图24同步带机构代替运动功能单元9图16中的运动单元10是把连续转动转换为间歇转动的运动功能单元,可以用不完全齿轮代替,如图25所示图25不完全齿轮代替运动功能单元10图16中的运功单元11是把间歇转动转换为间歇往复直线运动的运动功能单元,可以用曲柄滑块机构代替,如图26所示图26曲柄滑块机构代替运功动能单元11执行构件
2、3具有控制棒料释放的作用设计的棒料释放机构如图27所示不完全齿轮
22、23等速同向转动,带动全齿轮
33、36间歇转动,从而使曲柄滑块机构间歇工作,把料推到传送带上
22、23转动一周的时间内,钢料释放两个,铜料释放一个图27棒料释放机构根据上述分析,按照图16中各个运动功能单元连接的顺序把各个运动功能单元的替代机构依次连接便形成了棒料输送线布料装置(方案1)的运动方案简图,如图28所示abc
1.电动机
241618192125283032.皮带轮
317202631.皮带
56789101112.圆柱齿轮
13141524.圆锥齿轮
27.拨盘
29.槽轮图28棒料输送线布料装置(方案1)的运动方案简图
(4)系统运动方案设计1)带传动设计带传动分为摩擦型和啮合型两大类摩擦型带传动过载时可以出现打滑,从而对机械系统起到过载保护的作用但是,其传动比不准确啮合型带传动可以实现主动轮与从动轮同步传动,实现准确的传动比根据两种带传动的特性,选择234构成的带传动为摩擦型带传动,其余带传动为啮合型带传动
①带传动234的设计原动机类型为电动机,额定转速为1430rpm,即带传动的高速轴(小带轮)的转速为n1=1430rpm其传动比为i=
2.5采用V带传动进行设计,则设小带轮直径为d2,大带轮直径为d4,取d2=150mmd4=d2×i=150×
2.5=375mm
②带传动161718的设计带轮16为主动轮,18为从动轮此带传动机构要实现i=3的传动比,为了实现精确的传动比,采用同步带传动设计设带轮16直径为d16,带轮18直径为d18,取d16=100mmd18=d16×i=100×3=300mm
③带传动192021的设计此带传动起连接齿轮
22、23,使之同步转动的作用,故传动比i=1为了实现精确的传动比,采用同步带传动设计设带轮19直径为d19,带轮21直径为d21,取d19=d21=100mm
④带传动303132的设计带轮30为主动轮,32为从动轮传动比为i=1皮带31起传送带的作用如题目所述,传送带每半周期移动200mm,之后停歇半个周期为了实现精确的传动比,采用同步带传动设计故设带轮30直径为d30,带轮32直径为d32取
⑤带传动252628的设计此带传动起连接作用,故传动比i=1为了实现精确的传动比,采用同步带传动设计设带轮25直径为d25,带轮28直径为d28,取d25=d28=100mm2)滑移齿轮传动设计由前文的计算,得到滑移齿轮的传动比如下取z9=17,则z10=iv1z9=68为了改善传动性能应使相互啮合的传动齿轮齿数互为质数,于是可以取z10=69其齿数和为z9+z10=17+69=86,另外两对啮合齿轮的齿数和应大致相同,即z7+z8≈86,z5+z6≈86由于==
2.5,为了更接近所要求的传动比,可取z7=25,z8=61同理可取z5=30,z6=55由于z7+z8=z9+z10=85,因此齿轮
7、8,
9、10可采用标准齿轮传动,其中心距相同而z5+z6=8586,所以齿轮56应采用正传动设它们的模数为2,齿顶高系数顶隙系数,分度圆压力角,实际中心距a=86mm各齿轮参数设计如表
1、
2、3所示表1齿轮
5、6的几何尺寸表2齿轮
7、8的几何尺寸表3齿轮
9、10的几何尺寸3)齿轮传动设计
①圆柱齿轮传动设计由图28a可知,齿轮
11、12实现图16中的运动功能4的减速运动功能,它所实现的传动比为
2.86齿轮11可按最小不根切齿数确定,即z11=17于是z12=
2.86z11=
48.62取z11=17,z12=49,它们的模数为2,齿顶高系数,顶隙系数,分度圆压力角,中心距a=66mm,按标准齿轮计算
②圆锥齿轮传动设计由图28可知圆锥齿轮1315实现的是图16中的运动功能单元7的变化速度方向的作用,它的传动比为1,两圆锥齿轮的轴交角为φ=90°圆锥齿轮
13、15的分度圆锥角为δ15=arctanz15/z13=45°δ13=90°-45°=45°又最小不根切当量齿数为zvmin=17则最小不根切齿数为zmin=zvmin×cos45°=
12.02≈12即圆锥齿轮齿数可取z13=12z15=12圆锥齿轮的1315的几何尺寸按模数m=2mm的标准直齿圆锥齿轮计算由图28可知圆锥齿轮1424实现的是图16中的运动功能单元6的变化速度方向的作用,它的传动比为1,两圆锥齿轮的轴交角为φ=90°圆锥齿轮
14、24的分度圆锥角为δ14=arctanz14/z24=45°δ24=90°-45°=45°又最小不根切当量齿数为zvmin=17则最小不根切齿数为zmin=zvmin×cos45°=
12.02≈12即圆锥齿轮齿数可取z14=12z24=12圆锥齿轮的1424的几何尺寸按模数m=2mm的标准直齿圆锥齿轮计算4)槽轮机构设计由前所述可知槽轮槽数z=4和拨盘的圆销数为k=2,该槽轮的各几何尺寸关系如图29所示图29槽轮机构几何尺寸关系由图29可知槽轮的槽尖角为2β=360°/z=360°/4=90°槽轮每次转位时拨盘的转角2α=180°−2β=90°令槽轮机构的中心距a=150mm拨盘圆销的回转半径λ=r/a=sinβ=sin45°=
0.7071r=λa=
0.7071×150=
106.065mm槽轮半径R=ξa=
0.7071×150=
106.065mm锁止弧张角γ=360°−2α=360°−90°=270°圆销半径rA=r/6=
106.065/6=
17.6675mmrA=18mm槽轮槽深hλ+ξ−1a+rA=
0.7071+
0.07071−1×150+18=
80.13mm锁止弧半径rs−rA=
106.065−18=
88.065取rs=80mm5)不完全齿轮机构设计由图3和图27可以看出,不完全齿轮22旋转一周,从动轮33间歇作两次整周回转经计算,不完全齿轮22共有两段工作齿,每段工作齿所在圆弧的圆心角为60°,这两段工作齿间隔120°,并且每一段工作齿在工作时都能使齿轮33刚好完成一次整周回转齿轮22和33的啮合情况如图30所示图30齿轮
22、33的啮合情况图31齿轮
25、36的啮合情况为方便起见,取齿轮33的齿数为10,则齿轮22每段工作齿的齿数也为10为避免根切,要对齿轮进行正变位取模数m=2,齿顶高系数顶隙系数,分度圆压力角,实际中心距a=71mm,得到齿轮22和33的参数如表4所示表4齿轮
24、35的几何尺寸由图3和图27可以看出,不完全齿轮23旋转一周,从动轮34间歇作一次整周回转经计算,不完全齿轮23有一段工作齿,工作齿所在圆弧的圆心角为60°,并且工作齿在工作时能使齿轮34刚好完成一次整周回转齿轮23和34的啮合情况如图31所示齿轮
23、34的参数分别和
22、33的参数相等,这里不再计算为了使齿轮
22、
33、
23、34能够同步转动,且角速度相等,因此将他们和执行机构23以及带传动机构192021做如图32所示装配图32执行机构23及关联机构6)执行机构23的设计执行机构2如图32所示,将
35、
37、39分离出来,如图33所示图33执行机构2由设计题目可知,滑块39的行程为h≥150mm不妨令h=150mm采用对心曲柄滑块机构,行程速比系数K=1则可确定曲柄的长度为考虑最大压力角αmax≤50°,连杆37的长度与机构许用压力角、曲柄存在条件,即由此可以看出,连杆37的长度越大,机构的最大压力角越小若取,则同样地,执行机构3也采用如上参数
(5)运动方案执行构件运动时序分析拨盘27和槽轮29的初始位置如图34所示图34拨盘27和槽轮29的初始位置执行机构23的初始位置如图35所示图35执行机构23的初始位置各执行机构的运动时序表如表5所示表5运动时序表
(6)参考文献
[1]王知行邓宗全《机械原理(第二版)》北京高等教育出版社,2006年
[2]陈明刘福利《机械原理习题解答》哈尔滨哈尔滨工业大学出版社,2004年
[3]刘毅《机械原理课程设计》武汉华中科技大学出版社,2008年执行构件运动情况执行构件1运动停止运动停止运动停止运动停止执行构件2停止放料停止放料停止停止停止放料执行构件3停止停止停止放料停止停止停止停止序号项目代号计算公式及计算结果1齿数齿轮5Z530齿轮6Z6552模数m23压力角α20°4齿顶高系数ha*15顶隙系数c*
0.256标准中心距amz5+z6/2=857实际中心距a’868啮合角α’arccosa×cosα/a=
21.76°9变位系数齿轮5x
50.4齿轮6x6tanα’-α’-tanα+α×z5+z6/2×tanα-x5=
0.1210齿顶高齿轮5ha5ha5=mha*+x5-∆y=
2.76齿轮6ha6ha6=mha*+x6-∆y=
2.2611齿根高齿轮5hf5hf5=mha*+c*-x5=
1.7齿轮6hf6hf6=mha*+c*-x6=
2.2612分度圆直径齿轮5d5d5=mz5=60齿轮6d6d6=mz6=11013齿顶圆直径齿轮5da5da5=d5+2ha5=
65.5齿轮6da6da6=d6+2ha6=
114.414齿根圆直径齿轮5df5df5=d5-2hf5=
56.6齿轮6df6df6=d6-2hf6=
105.515齿顶圆压力角齿轮5αa5αa5=arccosd5cosα/da5=
30.62°齿轮6αa6αa6=arccosd6cosα/da6=
25.37°16重合度ε[z5tanαa5-tanα’+z6tanαa6-tanα’]/2π=
1.578序号项目代号计算公式及计算结果1齿数齿轮7Z725齿轮8Z8612模数m23压力角α20°4齿顶高系数ha*15顶隙系数c*
0.256标准中心距amz7+z8/2=867实际中心距a’868啮合角α’arccosa×cosα/a=20°9变位系数齿轮7x70齿轮8x8010齿顶高齿轮7ha7ha7=mha*+x7-∆y=2齿轮8ha8ha8=mha*+x8-∆y=211齿根高齿轮7hf7hf7=mha*+c*-x7=
2.5齿轮8hf8hf8=mha*+c*-x8=
2.512分度圆直径齿轮7d7d7=mz7=50齿轮8d8d8=mz8=12213齿顶圆直径齿轮7da7da7=d7+2ha7=54齿轮8da8da8=d8+2ha8=12614齿根圆直径齿轮7df7df7=d7-2hf7=45齿轮8df8df8=d8-2hf8=11715齿顶圆压力角齿轮7αa7αa7=arccosd7cosα/da7=
29.53°齿轮8αa8αa8=arccosd8cosα/da8=
24.51°16重合度ε[z7tanαa7-tanα’+z8tanαa8-tanα’]/2π=
1.699序号项目代号计算公式及计算结果1齿数齿轮9Z917齿轮10Z10692模数m23压力角α20°4齿顶高系数ha*15顶隙系数c*
0.256标准中心距amz9+z10/2=867实际中心距a’868啮合角α’arccosa×cosα/a=20°9变位系数齿轮9x90齿轮10x10010齿顶高齿轮9ha9ha9=mha*+x9-∆y=2齿轮10ha10ha10=mha*+x10-∆y=211齿根高齿轮9hf9hf9=mha*+c*-x9=
2.5齿轮10hf10hf10=mha*+c*-x10=
2.512分度圆直径齿轮9d9d9=mz9=34齿轮10d10d10=mz10=14213齿顶圆直径齿轮9da9da9=d9+2ha9=38齿轮10da10da10=d10+2ha10=14214齿根圆直径齿轮9df9df9=d9-2hf9=29齿轮10df10df10=d10-2hf10=13315齿顶圆压力角齿轮9αa9αa9=arccosd9cosα/da9=
32.78°齿轮10αa10αa10=arccosd10cosα/da10=
24.05°16重合度ε[z9tanαa9-tanα’+z10tanαa10-tanα’]/2π=
1.66序号项目代号计算公式及计算结果1齿数齿轮22Z2260齿轮33Z33102模数M23压力角Α20°4齿顶高系数ha*15顶隙系数c*
0.256标准中心距amz22+z33/2=707实际中心距a’718啮合角α’arccosa×cosα/a=
22.11°9变位系数齿轮22X
220.48齿轮33X33tanα’-α’-tanα+α×z22+z33/2×tanα-x22=
0.0510齿顶高齿轮22ha22ha5=mha*+x22-∆y=
2.91齿轮33ha33ha6=mha*+x33-∆y=
2.0411齿根高齿轮22hf22hf22=mha*+c*-x22=
1.54齿轮33hf33hf33=mha*+c*-x33=
2.4112分度圆直径齿轮22d22d22=mz22=120齿轮33d33d33=mz33=2013齿顶圆直径齿轮22da22da22=d22+2ha22=
125.8齿轮33da33da33=d33+2ha33=
24.0814齿根圆直径齿轮22df22df22=d22-2hf22=
116.92齿轮33df33df33=d33-2hf33=
15.1815齿顶圆压力角齿轮22αa22αa22=arccosd22cosα/da22=
26.33°齿轮33αa33αa33=arccosd33cosα/da33=
38.7°16重合度ε[z22tanαa22-tanα’+z33tanαa33-tanα’]/2π=
1.47执行构件运动情况27运动180o运动360o运动180o运动360o运动180o运动360o运动180o运动360o29运动180o停止180o运动360o停止360o运动180o停止180o运动360o停止360o22运动60o运动120o运动180o运动240o运动300o运动360o运动60o运动120o33停止运动360o停止运动360o停止停止停止运动360o39停止放料停止放料停止停止停止放料23运动60o运动120o运动180o运动240o运动300o运动360o运动60o运动120o34停止停止停止运动360o停止停止停止停止40停止停止停止放料停止停止停止停止。