机械原理课程设计-冲压机

运动功能分析
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1所示。

运动功能单元把一个连续的单向传动转换为间歇的往复运动，主动件每转动一周，从动件（执行构件1）间歇往复运动一次，主动件转速分别为15、25、40转/分。

图1执行机构1的运动功能
由于电动机的转速为1430转/分，为了在执行机构1的主动件上分别的到15、25、40 rpm 的转速，则由电动机到执行机构1之间的总传动比z i 有3种，分别为
33.9515
1430
11===
n n i z 20.5725143022===
n n i z 75.3540
1430
33===
n n i z
总传动比由定传动比c i 和变传动比v i 两部分构成，即：
11v c z i i i = 22v c z i i i =
33v c z i i i =
3种总传动比中1z i 最大，3z i 最小。

由于定传动比c i 是常数，因此，3种变传动比中1v i 最大，3v i 最小。

采用滑移齿轮变速，其最大传动比最好不大于4，设定传动比i v1=4。

定传动比： 8325.234
33
.951===
v zi c i i i
420
33
.9511===c z v i i i 4.28325
.232.5722===
c z v i i i 5.18325
.2375
.3533===
c z v i i i 于是，传动系统的有级变速功能单元如图2所示。

5.1,4.2,4=i
图2有级变速运动功能单元
为了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功能还具有减速功能，如图3所示。

5.2=i
图3 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
53.95
.28325
.235
.2==
=
c
i i
减速运动功能单元如图4所示。

53.9=i
图4 减速运动功能单元
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5所示。

图5 实现执行构件1运动的运动功能系统图
为了使用统一原动机驱动执行构件2，应该在图5所示的运动功能系统图中加一运动分支功能单元，其运动分支驱动执行构件2，该运动分支功能单元如图6所示。

图6运动分支功能单元
由于执行构件2是间歇运动，且由图1可以看出执行构件2的间歇时间是工作周期T 的3/4，即其运动时间是其工作周期T 的1/4。

因此，间歇运动功能单的运动系数为
4
1=
τ 间歇运动功能单元如图7所示
图7 间歇运动功能单元
由于执行构件2钢带的每次送料长度为300mm ，故，恒转速转动钢带无法使进给定长度保持在300mm ，故设计成：橡胶轮压动钢带使钢带进给的方法，考虑到橡胶轮的半径，将半径定在mm mm
R 77.472300==π
，故需要将间歇转动增速，增速运动功能单元如图8所示：
4=i
图8 增速运动功能单元
增速运动功能单元输出的运动驱动执行机构2实现执行构件2的运动功能。

由于执行构件2做间歇转动运动，因此，执行构件2的运动功能是把连续转动转换为歇转动运动。

根据上述分析，可以画出整个系统的运动功能系统图，如图9所示。

1430rpm 5.2=i
5.1,4.2,4=i 53.9=i
7 8
图9冲压机的运动功能系统图
三、系统运动方案拟定
根据图9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9中的运动功能单元1是原动机。

根据分度冲压机的工作要求，可以选择电动机作为原动机，如图10所示。

rpm n 1430=
1
图10 电动机替代运动功能单元1
图9中的运动功能单元2是过载保护功能单元兼具减速功能，可以选择带传动代替，如图11所示。

5.2=i
2
图11 皮带传动替代运动功能单元2
图9中的运动功能单元3是有级变速功能，可以选择滑移齿轮变速传动代替，如图12所示。

i
.
4
2,
5
.
1,
4
3
图12 滑移齿轮变速替代运动功能单元3
图9中的运动功能单元4是减速功能，考虑到i=9.53比较大，故可以选择行星轮或二级齿轮传动代替，如图13所示。

i=9.53
4
图13行星轮传动代替运动功能单元4
图9中的运动功能单元5，6,是运动分支功能单元和执行构件1的间歇直线运动，可以用凸轮替代，如图14所示。

图14 凸轮机构代替运动单元5,6
图9中的运动功能单元7是把连续转动转换为间歇转动的运动功能单元，可以用槽轮机构替代。

该运动功能单元的运动系数为25.0=τ，该槽轮机构如图15所示。

图15 槽轮机构替代连续转动转换为间歇转动的运动功能单元7
图9中的运动功能单元8是增速运动功能单元，可以用圆柱齿轮传动替代，完成执行构件2（橡胶轮）的间歇转动，如图16所示。

4=i
9
图16 圆柱齿轮传动替代增速运动功能单元8
根据以上分析，按照图9各个运动功能单元连接的顺序把各个运动功能单元
25.0=τ
6
5 7
的替代机构以此链接便形成了分度冲压机的运动方案简图（见A3图纸）。

变速机构简图如图17
图17变速机构简图
四、系统运动方案设计
1、执行构件1的设计
执行机构1驱动执行构件1运动，执行构件1由凸轮带动冲头做上下往复间歇直线运动。

由题目可知，冲头行程200mm ，为使冲头冲压工件时具有较大的冲量，应采用高速运动，选择正弦加速度运动规律，同时冲头上升时为了避免较大的冲量，故速度应较低，选择等速运动规律.
由于升程速度要比回程速度快，且无远休止角，暂设升程运动角为120o
回程运动角为150o ，则近休止角为90o 。

升程时许用压力角较小，取30o ，回程许用压力角取60o 。

故执行构件1的凸轮机构的原始参数如下:
升程200mm 升程运动角120° 升程运动规律：正弦加速度 升程许用压力角30° 回程运动角150° 回程运动规律：等速 回程许用压力角60° 近休止角90°
凸轮
s d ds
-ϕ
曲线如图18：
图18 凸轮
s d ds
-ϕ
曲线
凸轮偏心距e=70.12mm ，基圆半径r 0=140.2mm
升程采用正弦加速度规律：（πϕ3
2
0≤
≤） 002100[
1/2sin(](3sin 3)s h ϕππϕϕϕφφπ
=-=-
1
1
003002[1cos(
)](1cos3)h v ωωπ
ϕϕφφπ=
-=
-
2
2
112
29002sin(
)sin3h a πωωπ
ϕϕφ
φπ
=
=
回程采用等速运动规律：（
πϕπ2
3
32≤≤）
0'
2()
3[1]200(1)56
s s ϕπ
ϕφφφπ
--+=-
=-
11'0
400
h
v ωωφ
π
=-
=-
0a = 近休止：（πϕπ22
3
≤≤）
S=0 V=0 a-0
故由此可确定凸轮轮廓方程：
0121.4s mm ===
凸轮轮廓方程：00()cos sin ()sin cos x s s e y s s e ϕϕ
ϕϕ
=+-⎧⎨=++⎩
00()cos sin 100[121.4(3sin 3)]cos 70.12sin ()sin cos 100
[121.4(3sin 3)]sin 70.12cos x s s e y s s e ϕϕϕϕϕϕ
πϕϕ
ϕϕϕϕπ=+-⎧⎪
⎪=+--⎪⎨
=++⎪⎪=+-+⎪⎩
(πϕ320≤≤) 00()cos sin 23[121.4200(1)]cos 70.12sin 5
6()sin cos 2
3[121.4200(1)]sin 70.12cos 56x s s e y s s e ϕϕ
ϕπ
ϕϕπϕϕ
ϕπϕϕπ
=+-⎧⎪⎪-⎪=+-
-⎪⎪⎪⎨
=++⎪⎪-⎪
⎪=+-+⎪⎪⎩ （πϕπ2332≤≤）
用matlab 绘制凸轮的轮廓如图19
图19 凸轮的轮廓
2、槽轮机构设计
1) 确定槽轮槽数
在拨盘圆销数k=1时，槽轮槽数z=4，该槽轮的各尺寸关系如图20所示
图20 槽轮机构几何尺寸关系
2) 槽轮槽间角
由图20可知槽轮的槽间角为
904
3603602===z β
3) 槽轮每次转位时拨盘的转角
4) 中心距
槽轮机构的中心距应该根据具体结构确定，在结构尚不明确的情况下暂定为
mm a 150=
5) 拨盘圆销回转半径
7071.045sin sin ====
βλa
r
mm a r 065.1061507071.0=⨯==λ
6) 槽轮半径
7071.01cos 2=-===
λβξa
R
mm a R 065.1061507071.0=⨯==ξ
7) 锁止弧张角
270903602360=-=-=a γ
8) 圆销半径
o
o 9021802=-=βα
mm r r A 26.138
065.1068==≈
圆整
mm R A 18=
9) 槽轮槽深
mm r a h A 13.8018150)17071.07071.0()1(=+⨯-+=+-+>ξλ
10) 锁止弧半径
mm r r r A S 065.8818065.106=-=-<
取
mm r S 80= 4、滑移齿轮传动设计
1) 确定齿轮齿数
结构简图图12中齿轮5、6、7、8、9、10组成了滑移齿轮有级变速运动功能单元，其齿数分别为z 5、z 6、z 7、z 8、z 9、z 10。

由前面的分析可知
10
19
4v z i z =
= 8
27
2.4v z i z =
= 6
35
1.5v z i z =
= 按最小不跟切齿数取
917z =
则
101941768v z i z ==⨯=
为改善传动性能应使相互啮合的齿轮齿数互为质数，故取
1069z =
其齿数和为
910176986z z +=+=
可取
91017
69
z z =⎧⎨
=⎩
另外两对啮合齿轮的齿数和应该大致相同
7886z z +=
91086z z +=
727772878686
1 2.486862511 2.4
86862561
v v z i z z z i z z -==-==
=≈++=-=-= 为了更接近传动比i v2可取
78
25
60z z =⎧⎨=⎩
5686z z +=
5355536586861 1.586863411 1.5
86863452
v v z i z z z i z z -==-==
=≈++=-=-= 为了更接近于所要求的传动比，可取
56
34
51z z =⎧⎨=⎩ 2) 计算齿轮几何尺寸
齿轮7、8的齿数，齿轮9、10的齿数和齿轮5、6的齿数和相等，即
567885z z z z +=+=
若取齿轮模数为m=2mm ，则这两对齿轮的标准中心距相同
5678()()8522
m z z m z z a ++=
== 故9,10的齿数和要比7,8和5,6的齿数和大
9108685z z +=>
故齿轮9,10要采用负变位才能使9,10的中心距与5,6或7,8标准中心距相同，
这三对齿轮互为标准传动，齿轮5,6和齿轮7,8几何尺寸可按标准齿轮计算，齿轮9,10采用负变位齿轮计算：
变位系数x 1，x 2：
1212
1212cos 'cos '
*cos 86*cos20'arccos arccos 18.06'85
2()
'tan '()0.498
2tan o
o
a a a a x x inv inv z z inv inv x x z z αα
ααααα
αα
α
====+=+
+-+=
+=-
知道标准齿轮5,6,7,8的模数和齿数，表位齿轮9,10的模数，齿数，变位系数，可求得所需齿轮的参数。

5、齿轮传动设计 1）圆柱齿轮传动设计
运动功能单元4，二级减速轮：
由结构简图可知，齿轮11、12、13，14实现图9中的运动功能4的减速运动功能，它所实现的传动比为9.53。

1214
1113
3.087z z z z ≈≈≈ 齿轮11,12大于最小不根切齿数： 取111323z z ==
故1214113.087*71z z z ==≈
为了使11，12,13,14的传动比更接近9.53，取:
1113121423
71
z z z z ==⎧⎨
==⎩ 齿轮11,12,13,14均为标准齿轮，取模数m=2mm 。

运动功能单元9，增速齿轮：i=4
17
18
4z z = 取z 18=17，z 17=17*4=68
取1718
6817z z =⎧⎨=⎩
取模数为2mm ，全部按标准齿轮传动设计。

五、机械系统运动分析
带动钢带伸出的橡胶轮半径300
47.772R mm π
=
=，为逆时针转动，通过机构运动简图的分析，发动机为顺时针转动，通过齿轮组的变速，凸轮和槽轮拨盘为逆时针转动，槽轮又通过一个增速齿轮组，实现橡胶轮的逆时针转动，周期与冲头相同。

冲头初始位置为凸轮升程起始位置，槽轮初始位置为如A3图所示位置。

1）执行构件1运动分析
冲头升程、回程运动方程及推杆位移、速度、加速度线图：
升程采用正弦加速度规律：（πϕ3
2
0≤
≤） 002100[
1/2sin(](3sin 3)s h ϕππϕϕϕφφπ
=-=-
1
1
003002[1cos(
)](1cos3)h v ωωπ
ϕϕφφπ=
-=
-
2
2
112
00
29002sin(
)sin3h a πωωπ
ϕϕφφπ
=
=
回程采用等速运动规律：（
πϕπ2
3
32≤≤） 0'
2()3[1]200(1)56
s s ϕπϕφφφπ--+=-=- 11'0
400
h
v ωωφ
π
=-
=-
0a = 近休止：（πϕπ22
3
≤≤）
S=0 V=0 a-0
冲头位移线图，如图21。

图21 冲头位移线图冲头速度线图，如图22。

图22 冲头速度线图
冲头加速度线图，如图23 图23冲头加速度线图。