机械原理课程设计

姓名：黄超盛学院：机械与建筑工程学院专业：材料成型及控制工程班级：B09061041学号：200906104132指导老师：黄卫平成绩：序表1.设计课题 (3)2. 课程要求与说明 (3)3开题..........................................................................................说明【4】4．方案设计 (5)方案一 (5)方案二 (6)方案三 (7)5．公式推导 (9)6.C语言编程 (15)7. 参考文献 (17)8.小结 (17)1.设计课题SI-240B活塞车床椭圆靠模的CAD2.课程要求与说明机械原理课程设计的是机械专业学生在学完机械原理课程基本内容之后，进行较全面的机构分析与综合及应用计算机的训练，以便加深所学理论知识，和培养独立解决工程中属机械原理方面的实际问题的能力。

具体要求：在老师的指导写，顺序按时完成有关机构的组成和运动分析；凸轮轮廓用解析法设计公式的推导以及CAD 程序设计的各阶段的任务，并对其具体实例上机计算靠模轮廓；最后编写设计计算说明书。

3开题说明“SI-240B活塞车床”是国内跟据79年从国外引进的“TPO-150金刚石靠模车”仿制的车用发动机活塞裙部曲面加工的专用机床。

近年来,随着对活塞使用性能要求的提高,国内外新型汽车活塞裙部截面形状由以往的“单椭圆”改变为“双椭圆”。

二者的区别在于（见图1）径向缩减量Δ(α)的变化规律不同。

对于单椭圆有：Δ(α) = ( e/ 2) (1 - cos (2α) )（1）对于双椭圆有：Δ(α) = ( e/ 2) (1 - cos (2α) + k (1 - cos (4α) ) ) （2）式中: 2 e 为“椭圆度”,即最大直径缩减量; k 为双椭圆特有的修正系数.由于“TOP-150”及仿制的“SI-240B活塞车床”均只能加工截面为单椭圆的的活塞裙部曲面，因而无法适应活塞曲面改型的要求，为此某生产汽车配件的厂家提出了研究该机床的关键零件——椭圆靠模的理论设计方法的课题。

4方案设计方案一：如图所示，凸轮1为该椭圆靠模，杆三由1支撑，可作垂直移动。

使用机床的动链保证凸轮1与活塞2同步转动。

凸轮1转动时将带动3做往复垂直运动。

配合活塞自身的转动，以实现活塞椭圆截面的加工。

方案二：如图杆1即为椭圆靠模高副低带后成杆，绕固定点转动。

杆4水平移动并支撑杆3运动。

这样可以使A点作确定的运动，在C点装刀具，即可实现活塞椭圆截面的加工。

方案三：如图，其中凸轮1 为椭圆靠模;5 为要加工的汽车活塞;3 为刀架;摆杆2 与靠模凸轮1 保持高副接触,其右端由支架杆4 的尖端C 支撑(高副接触) ;支架杆4 受另外一个纵向模板(移动凸轮) 控制,作横向左右移动(其移动量x 可据其上指针位置从标尺上读出) ,以使加工的活塞不同截面有不同的椭圆度.在加工活塞5 时,机床的传动链保证椭圆靠模1 与要加工的活塞5 同步转动,即α1 = α5 = α. 凸轮1 转动将带动摆杆2 作平面运动,2 的平面运动通过铰链B带动刀架3 (即车刀) 绕A 点摆动,配合活塞5自身的转动,实现活塞椭圆截面的加工.将三种方案进行比较，方案一对切削刀具的要求过高；方案二的机构运转复杂，机构的尺寸也不合适。

所以，取用方案三的设计方法进行设计。

5.公式推导为了便于研究,假设支架杆4 固定不动,只研究椭圆某一个截面的加工. 支架杆4 与2 在C 点高副接触,接触的小圆弧半径为r c,对此高副低代,并作进一步等效代替,最后,前刀架部分结构图如图3.运动分析的目的是推导出摆杆2 的摆动规律, 以便设计靠模凸轮. 分析的顺序如下:先据活塞的径向缩减量Δα(双椭圆) 导出刀架3 的摆动规律φ=φ(α) ; 再导出摆杆2 的运动规律ψ = ψ(φ) =ψ(φ(α) ) .①刀架3 的摆动规律φ= φ(α)活塞5 转过α角时,产生的径向缩减量为:Δ(α) = ( e/ 2) (1 - cos (2α) + k (1 - cos (4α) ) ) .则刀架3 摆过的角度(如图4) 为:φ(α) = Δ(α) / h =( e/ (2 h) ) (1 - cos (2α) + k (1 -cos(4α) ) ) .(1)②摆杆2 的运动规律由于3 转过角度φ(α) ,通过铰链B 带动摆杆2绕O 点摆动角度(如图5) 为:ψ = ψ(φ) = ψ(φ(α) ) .下面确定其大小. 将OABC 看作一封闭的矢量多边形,可写出以下封闭矢量方程式:l OA + l AB = l OC + l CB . (2)式中: l OA在x 、y 方向投影分别为b、r c ; l AB与x 轴夹角为180°- φ; l OC与y 轴夹角为ψ;l CB与x轴夹角为180°- ψ.矢量方程(2) 在x 、y轴上的投影方程为(180°- φ) = r c sin ψ + l CB cos (180°- ψ) ,b + lABr c + l AB sin (180°-φ) = r c cos ψ + l CB sin (180°- ψ) .即b - l AB cos φ= rc sin ψ - l CB cos ψ,r c + l AB sinφ= r c cos ψ+ l CB sin ψ.(3) 式(3) 中l AB = ( b + x )为常量,消去l CB得(r c + ( b + x ) sinφ) cos ψ +( b - ( b + x ) cos φ) sin ψ - r c = 0.(4) 令A = r c + ( b + x ) sin φ,B = b - ( b + x) cos φ,C = - r c . (5) 则方程(4) 为A cos ψ +B sin ψ +C = 0. (6) 用万能公式代入方程(6) 得关于tan (ψ/ 2) 的一元二次方程,由此解出ψ = 2arctan (C -A C -B A B 222+±) (7)式(7) 中A 、B 均为α的函数,故ψ也为α的函数. 为了计算方便,先求ψφφψαψd d d d d d ∙= (8) 式(4) 两边对φ求导并化简得)cos()(cos sin )cos()(d ψφψψψφφψ-++--+=x b b r x b d c (9) 式(1) 两边对α求导得))4(sin(2)2)(sin(/(d αααψk h e d += (10) 由式(8) 、(9) 、(10) 得hk e x b b r x d d c ))4(sin(2)2(sin()cos()(cos sin )cos()b ααψφψψψφφψ+∙-++--+=（ (11) 导出与椭圆靠模相接触的摆动从动件的运动规律后,就可以按平底摆动从动件盘形凸轮的设计方法来设计椭圆靠模轮廓的曲线方程. 用“反转法”给整个凸轮机构加一个与靠模凸轮转动反向的运动,此时摆杆在图6 所示任一位置的G 点与靠模凸轮高副接触,假设此时反转的角度为α.下面求靠模凸轮上任意一点G 的极坐标(ρ,θ) . 过G 点作接触处的公法线PG 交OD 连线于P 点,则P 为靠模凸轮1 与摆杆2 的相对速度瞬心. 于 是摆杆2 与靠模凸轮1 的瞬时角速度之比为:αψαααφφψαψωωd d dt d dt d d d d d dt d dt d l l OP PD =∙∙===//12又由方程组 αψd d l l OPPD =OD OP PD l l =+l解得)1/(lαψddlODOP+=)1/(αψαψddddllODPD+=(12)其中αψdd已由前式（11）求出。

又22)()(cDOOPrrxall-++==))/()arctan((xarrc+-=ψ(13) 由图6l PG = r c + l OP sin (ψ+ψ0) =r c + ( l OD sin (ψ+ ψ0) / (1 +αψdd)) (14) 在ΔPDG 中, ∠DPG = 90°+ψ +ψ0 ,由余弦定理:DPGlllPGPDPGPD∠-+=cos2l22ρ(15) 此即为G 点的ρ值, 式中l PD, l PG分别由式(12) ，(14) 求出. 又在ΔPDG 中,由正弦定理:l DG/ sin ∠DPG = l PG / sin ∠PDG ,ρ/ sin ∠DPG = l PG / sin ∠PDG.得∠PDG = arcsin (l PG sin ∠PDG/ρ) .则G 点θ值为θ= 90°- ψ0 - ( ∠PDG - α) =90°- ψ0 - ∠PDG +α.(16) 于是G 点的坐标由式(15) 、(16) 确定.6.C语言编程7.参考文献[1 ] 郑文纬,吴克坚. 机械原理(第七版) [M] . 北京:高等教育出版社,1997.[2 ] 陈刚.C语言程序设计.北京：清华大学出版社，2010[3 ] 同济大学数学系.北京：高等教育出版社，2007[4 ] 孙维庆.徐曾荫.机构设计（第二版）[M].北京.机械工业出版社.20008.小结1、通过这次课程设计，锻炼我们综合运用所学知识的能力，独立思考，团结合作，严谨的科学态度。

2、在学习完了机械原理课之后的这次课程设计，是必须的也是教学与实践的结合。

3、在这次完成设计的过程中，遇到的问题，以及在认真分析后解决问题，对自己是一个非常大的提高。

也增加了自己的各方面的实践能力。

4、设计需要高等数学、C程序设计等知识，以后学习时还会用到，一定要熟练掌握这些基础知识。

5、最后，我们应该多些这种机会。