压床六杆机构

《机械设计》课程设计设计题目：压床六杆机构
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前言：
机械的发展程度，机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的主要标志之一，为了更好地运用、研究、发展机械，学习和掌握一定的机械设计基础知识是非常重要的。

机械设计课程主要介绍联接零件（包括螺栓联接、键联接等），传动零件（包括齿轮传动、蜗杆传动和带传动），轴系零件（包括轴、轴系、联轴器和离合器）。

以及其它零件的设计。

通过本课程的学习，将为进一步学习有关专业课和今后从事机械设计工作，直接服务于社会奠定良好的基础。

设计目的及要求：
本课程的性质是以一般通用零件的设计为核心的设计性课程，而且是论述它们的基本设计理论与方法的技术基础课程。

通过学习这些基本内容去掌握有关的设计规律和技术措施，从而具有设计其他通用零、部件和某些专用零、部件（包括教材中没有提到的以及目前尚未出现的）的能力。

课程设计中，要求学生根据设计任务，绘制必要的图纸，编写说明书等。

通过对课程设计的编写，可以让学生领会到本课程所培养的真谛：
1)有正确的设计思想并勇于创新探索；
2)掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，进
而具有综合运用所学的知识，研究改进或开发新的基础件及
设计简单的机械的能力；
3)具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能
力；
4)掌握典型机械零件的试验方法，获得实验技能的基本训练；
5)了解国家当前的有关技术经济政策，并对机械设计的新发展
有所了解。

为了综合运用机械设计课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我参加了此次的机械设计课程设计。

功能原理设计：
首先确定压床的机构原理及有关数据，制定一套最合适可行的基本构型和运动方案。

再查阅相关资料，通过精确的计算和运用相关应用软件（例如CAXA，Solidworks，ADAMS等造型、分析软件）进行运动模拟，对设计题目进行创新设计和运动仿真。

基本构型与运动方案确定之后就要对可能需要的零件进行设计和选取，绘制零件图、装配图等，并以二维的方式精确表达。

在这里就要经常查阅《机械设计手册》等有关资料并且广泛阅读有关的参考文献，以丰富相关知识，提高机械设计的基本技能。

设计方案：
通常情况下，一部机器需要通过电机带动一系列复杂的机构使其正常运转，这其中涉及到很多简单且基本的机械机构。

当然，也可以直接通过电机带动整部机器的运转，这完全取决于机器所需完成的工作以及设计该机器时所面临的种种实际情况。

此压床六杆机构由一个小型交流电动机带动，通过一曲柄连杆机构实现锻压。

以电动机作为动力源，通过皮带轮降速，将动力传给曲柄摇杆机构，精简了系统结构。

在这样一种构件组的设计中，它能够给被锻压物件提供瞬间的高强度冲击力，使锻造容易进行。

当然它的缺点是，机构比较笨重，在冲头抬升过程中，惯性不大时会影响运动的进行。

压床六杆机构
题设数据：
六杆机构的中心距、、，构件3的上、下极限位置角、
，滑块5的行程H ，比值、，曲柄转速以及冲头所受的最大阻力等列于数据表：
六杆机构的设计数据 (mm) (mm) (mm) (°) (°) H (mm) (rpm)
（KN ） 70 200 310 60 120 210 0.5 0.25 120 9
一.基本构型设计与数值计算
（1）摇杆滑块机构
将该压床机构分开，除去主动杆件1l 和2l ，只对3l 、4l 以及固定铰D 和滑块F 分析，将图顺时针旋转90°，以方便分析，并建立坐标系。

为方便研究，在这里将固定铰D 改为A ，将滑块F 改为C ，将铰链E 改为C ，AB 即3l ，BC 即4l 。

坐标建立：x 轴过A 点，y 轴过电动机圆心点，即已确定A 的坐标为(310,0)。

当C 运动到最高点处取B 2、C 2，运动到最低点取B 1、C 1。

对AB 1C 1：3
3cos 1ψ'-=l x x A B 33sin y 1ψ'=l B 2
224)()(1111B C C B y y x x l -+-= 3441l l =
已知数据：200y 1=C 310=A x ︒='603
ψ 联立以上各式，并将1B x 、1y B 、1C x 均用3l 表示，得
)2004
321)(2004321(23103331-++---=l l l x C ……① 对AB 2C 2：3
3cos 2ψ''-=l x x A B 33sin y 2ψ''=l B 2
224)()(2222B C C B y y x x l -+-= 3441l l = 已知数据：200y 1=C 310=A x ︒=''1203
ψ 联立以上各式，并将2B x 、2y B 、2C x 均用3l 表示，得
)2004
321)(2004321(23103332-++--+=l l l x C ……② 又∵21210x C C x =+……③
联立①②③得2103=l
代入①②式检验：
04.2427)2004
321)(2004321(33>=-++-l l ∴2051=B x 86.181y 1=B 155.73x 1=C 365.732=C x
可得5.524=l
根据得来的数据，可确定摆动杆3l 的具体位置以及运动规律，从而也进一步确定了4l 以及滑块C 1的运动规律。

（2）曲柄摇杆机构
现重新设置符号，将主动件旋转圆心定为A 点，将3l 的固定端设为D 点，从动件有AB ，CD 。

当3l 摆置ψ'时，1l 与2l 重合时，B 在B 1处。

1l 与2l 展开连成一条直线时，B 在B 2处。

此时，曲柄所在的两个位置所夹的锐角θ就是极位夹角。

对AB 1C 1D 分析：已知A(0,70) D(310,0)
连接AD ，由勾股定理知：81.3172
2=+=D A AD x y l 再求得︒==∠72.12arctan OD
OA ADO ∴︒=︒-︒=∠-'=8.2472.71260α3
ADO ψ 对△AC 1D ，由余弦定理：
21.312αcos 211222=-+=D C AD D C AD l l l l l 其中1403
231==l l D C 再对系统分析：
21222
)()(11l l y y x A C C -=-+
∴80.66)(22
2111=-+-=A C C y y x l l 其中240cos 3103
11='-=ψD C C l x 24.121sin 3
11='=ψD C C l y （3）两种机构合并
1l 、2l 求得之后，再加上前面的数据，就可根据算出的尺寸，绘制一幅精确的平面六杆压床机构简图。

这便是一个精确的平面六杆压床机构简图，其中8.661=l ，2.3122=l ，0.2103=l ，5.524=l
经实际考虑，对上述数据进行适当比例调整，取8.4001=l ，2.18732=l ，0.12603=l ，0.3154=l ，且4201=x ，12002=x ，y=1860，H=1260, 0.315='H （单位：mm ）以此定为最终数据。

小结：基本构型和运动方案已经确定，在后面的选材中要用到
这些尺寸。

按照1:1的比例将上诉最终数据的单位按毫米计算。

二．电动机与减速传动装置
电动机的转速要尽量小，因为题设转速要求只有n=120 r/pm ，选择电动机后还应考虑减速。

现采用普通V 带传动降速的办法，将动力传给曲柄摇杆机构。

型号待确定，选择额定功率7Kw 左右，频率50Hz ，10极的交流同步电动机，同步转速60055060601=⨯==p f n r/min ，
75120
60021<===n n i 符合条件。

普通V 带传动的设计计算：
1.计算功率：kW P K P A ca 7.771.1=⨯==，其中A K 取1.1
2.根据计算所得的数据且结合查表知，得出选择普通A 型V 带轮适合，并由传动比选择小带轮的基准直径1601=d d ，大带轮基准直径8002=d d 。

（单位：mm ）
3.验算带速：502
4.5100060120800100060111>=⨯⨯⨯=⨯=
ππn d v d 符合条件 5024.51000606001601000602
22>=⨯⨯⨯=⨯=ππn d v d 符合条件
4.初定中心a 和带的基准长度：
)(2)(7.021021d d d d d d a d d +≤≤+
∴19206720≤≤a 取8000=a mm
5.初定相应带长：
4.20101000
4)160800()800160(280024)()(22202122100=⨯-+++⨯=-+++=ππa d d d d a L d d d d d 查表确定基准带长取2000=d L mm ∴实际中心距8.9942
4.201020001000200=-+=-+=d d L L a a 6.实际中心距的变动范围：
8.964015.0min =-=d L a a
8.105403.0max =+=d L a a
7.验算小带轮包角1α：
︒>︒=︒⨯--︒=︒--︒=120143.14994.857.3160) (8001803.57)(180α121a d d d d 包角合适
8.确定带的根数z ：
L r K K P P P ⋅⋅∆+=α)(00 备注：由于《机械设计手册》中没有=1n 600rpm 的转速的额定功率表，故选用=1n 700rpm 以作参考。

∴ 51.10=P 09.00=∆P
91.0=αK 03.1=L K ∴ 50.103.191.0)09.051.1(=⨯⨯+=r P ∴13.550
.17.7===r ca P P z 取z=6 9.确定带的初拉力0F 2min 0)5.2(500)(qv zv
K P K F ca +-=αα N 52.27002.510.002
.5591.07.7)91.05.2(5002=⨯+⨯⨯⨯-⨯
= 对于新安装的V 带，初拉力应为1.5N F 78.405)(min 0=；对于运转后的V 带，初拉力应为1.3N F 68.351)(min 0=
10.计算带传动的压轴力P F N zF F P 0.2570211.147sin 52.270522sin
210-=︒⨯⨯⨯==α
普通A 型V 带轮的截面尺寸（图1） 带型
节宽
mm b p /
顶宽
mm b /
高度
mm h /
横截面积
2/mm A
楔角
ϕ
A 11.0 13.0 6.0 81 40°
轮槽截面尺寸（图2） mm 槽型 d b
min a b
m in f b
e
min f
ϕ
A
11.0 2.75 8.7 3.015± 9
38°
图1 图2
带轮的外形设计（二维图略）
电动机小带轮（普通碳钢） 大带轮（普通碳钢）
皮带轮整体效果图
三．键的选择和连接
键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。

键的类型应根据键连接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。

重要的键连接在选出键的类型后，还应进行强度校核计算。

取电动机轴的直径为d=66mm 1.小带轮普通平键
尺寸1220⨯=⨯h b ，L=36 （mm ）
60dn F Fv P π== ∴dn
P
F π60= m N n
P d F
T ca ⋅===54.1222602π k=0.5h=4mm mm b L l 162036=-=-= d=66mm
∴][68.3866
2441054.12221023
3p p MPa kld T σσ<=⨯⨯⨯⨯=⨯=
∴键或毂、轴选择钢材料 平键连接受力情况：（下同）
图3
2.大带轮普通平键
尺寸：1628⨯=⨯h b ，L=90 （mm ）
60
2dn F Fv P π=
= ∴260dn P
F π=
大带轮转矩m N n P d F
T ca
⋅===74.61226022
π k=0.5h=8mm mm b L l 622890=-=-= d=100mm
][41.49100
6241074.61221023
3p p MPa kld T σσ<=⨯⨯⨯⨯=⨯= 选择钢材料
3.摇臂杆普通平键
设计参数与大带轮普通平键相同，故略。

四．轴的选择与参数计算
材料牌号
热处理
毛坯直
径/mm
硬度/HBS
抗拉强
度极限
B σ 屈服强度极限
S σ 弯曲疲劳极限
1-σ
剪切疲劳极限
1-τ 许用弯曲应力
][1-σ
备注
MPa
应用最广泛
45
正火
回火
100≤
170～217 590 295 255 140
55
>100～300
162～217
570 285 245 135
1．对于电动机轴，选用45钢材料
小带轮重力N g m 61.778.91038.792031=⨯⨯=- 压轴力N F P 0.2570= 按受力最大方向计算：
kN F F P 42.156== 22
1119.34214
mm d A ==
π
][51.41
1
1ττ<==
MPa A F 符合要求 MPa d
n P W T ca
T
T 13.22.095500003
===
τ 符合要求 m kN l F M ⋅=⨯⨯=⨯=-542.11010042.15311max 1
][63.5466
103210542.113
9
31max 1max 1-<=⨯⨯⨯⨯==σπσMPa W M z 符合要求
三维模拟：电动机轴
2.对于大带轮连接摇臂杆轴： 选用45钢材料，最小直径100mm
大带轮重力N g m 56.11048.910112711.3732=⨯⨯=-
压轴力N F P 0.2570=，∴kN F F P 42.156== 在摇杆处认为受力最大是在1l 与2l 重合时： ∴kN F c 783.22=，kN mg Mg n 0.44
1
==
∑=
MPa d
n P W T ca
T
T 06.32.095500003
===
τ 符合要求 轴的受力分析图：（图中数据在笔算中已获得）
纵向受力面（左）与横向受力面（右）进行分析计算
∴m N M M M V H ⋅=+=+=2321121219802221211
m N M M M V H ⋅=+=+=64.427301.7648.4204222
22
22
取2M 进行计算：
()
[]12
22
2
24-≤+=⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=σαασW
T M W T W M ca
其中3.0=α
∴()MPa ca
21.0100
2.074.612
3.06
4.42733
2
2=⨯⨯+=σ 符合要求
三维模拟：大带轮轴
五．滚子轴承选择
1.对靠近大带轮侧的滚子轴承
径向载荷kN F F F N N N 68.1549.1544.2'''2221211=+=+= 型号选择：深沟球轴承(摘自GB/T 283-1994) 轴承代号|60000型: 6420
基本尺寸/mm|d:100，基本尺寸/mm|Ｄ:250 ,基本尺寸/mm|B:58，安装尺寸/mm|da (min):118，安装尺寸/mm|Da (max): 232，安装尺寸/mm|ra (max):3，其他尺寸/mm|d2 ≈:146.4，其他尺寸/mm|D2 ≈:203.6，其他尺寸/mm|r (min):4，基本额定载
荷/kN|Cr:223，基本额定载荷/kN|C0r:195，极限转速/(r/min)|脂:2400，极限转速/(r/min)|油:3200，重量/kg|W ≈:12.9。

深沟球轴承，其特点是主要承受径向载荷，也可同时承受小的轴向载荷。

当量摩擦系数最小。

验算：因轴向载荷很小，故相对轴向载荷取
025.00
=C F a
，且对应的X=1,Y=0。

故当量动载荷kN P 36.3168.152=⨯=（取2=P f ）
寿命h P C n L h 4994036.31223120601060103
66=⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛=
ε
2.对靠近摇臂杆侧的滚子轴承
kN F F F N N N 02.3248.292.31'''2222222=+=+=
型号选择：(摘自GB/T 283-1994) 轴承代号NUP 型: NUP 420
基本尺寸/mm|d: 100，基本尺寸/mm| D: 250，基本尺寸/mm|B: 58，
基本尺寸/mm|Fw: 139，安装尺寸/mm|da(max): 137，安装尺寸/mm|da(min): 116，安装尺寸/mm|db(min): 141，安装尺寸/mm|dc(min): 156，安装尺寸/mm| Da(max): 234，安装尺寸/mm|ra(max): 3，安装尺寸/mm|rb(max): 3，其他尺寸/mm|d2: 153，其他尺寸/mm| D2: 194，其他尺寸/mm|r(min): 4，其他尺寸
/mm|r1(min): 4，基本额定载荷/kN|Cr: 418，基本额定载荷/kN|C0r: 480，极限转速/(r/min)|脂: 2000，极限转速/(r/min)|油: 2800，重量/kg|W ≈: 16
内圈单挡边带平挡圈的圆柱滚子轴承，其特点是：
验算：因轴向载荷很小，对应的X=1,Y=0。

故当量动载荷
kN P 04.6402.322=⨯=（取2=P f ）
寿命h P C n L h 7218004.64418120
6010
60103
10
6
6
=⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯=⎪
⎭⎫ ⎝⎛=
ε
三维模拟：轴承箱中的两个轴承
六．销钉连接设计
电动机传动力：N v P F ca ca 64.1532024
.5107.73
=⨯== 大带轮传递力矩：m N d F M d ca ⋅=⨯
=06.6132
2
1 摇臂传递力矩：m N M M ⋅=⨯=28.553)95.0(21
2 ∴1l 与2l 所连接销轴受最大切向力N l M F 63.8282108.6628
.5533
12=⨯==-，此时1l 与2l 相垂直且2l 在升程状态。

1.对于连接1l 与2l 的销轴设计：
][)2
(2τπ≤d F
][p b d F σ≤⨯ ∴mm F d 48.1110
8063
.82822][2
6
=⨯⨯=≥πτπ ∴摇臂所套销轴的厚度mm d F
b p 5.11]
[=≥σ ∴销轴的选择：
公称直径：12mm ，长度l=120mm,材料为35钢，热处理硬度28～38HRC ，表面氧化处理的A 型销轴，GB 882 12⨯120
dkmax=16，k(公称)=3，dlmin=4，r=0.5，c ≈1.5，C1≈0.5，
X=5，l(商品规格范围)=120 （单位：mm ）
在1l 与2l 所连接销轴受最大切向力时，2l 与3l 的受力情况一样，故也使用上述销轴，3l 固定销轴在整个运转过程中受力最小，但为了统一使用，均采用GB 882 12⨯120。

开口销的选择：
公称直径d=5mm 、长度1=40mm.材料为Q235不经表面处理的开口销：销GB/T 91 5⨯40
销孔的公称直径等于d(公称)。

(max)(min)5.0a a ⨯= 单位：mm
销轴与开口销三维模拟图：
1l 与2l 连接销轴 2l 与3l 连接销轴 3
l 固定销轴
2.3l 与4l 、4l 与冲头连接销选择： 根据冲头在最低点所受最大力分析：
kN ma F 783.22183.144018.158max =⨯==
根据圆柱销的参数
][)2
(2τπ≤d F
，
][p b d F σ≤⨯ mm F d 54.151060210783.222][226
3
=⨯⨯⨯=≥πτπ
4l 所套销轴的厚度mm d F
b p 0.20]
[=≥
σ
故选择销GB/T119.2 16⨯50-C1
公称直径d=16mm ，公称长度l=50，材料为C1组马氏体不锈钢表面氧化处理的圆柱销。

为A 型钢，普通淬火，硬度550～650HV 30
三维模拟图：冲头与两圆柱销
七．部分螺栓连接设计 设材料为Q235钢，取
5.3,5.2,240,3.0,3.1=====τσS S MPa f K a s s
∴MPa S a
s
96][==
σσ,MPa S s
5.68][==
τ
στ
1.电动机螺栓简析
kN F F p 20.2856.057.2sin =⨯=⨯='α,kN F F 67.25180
350
=⨯
='' ∴kN F F F F F 53.27cos 222='''+''+'=θ 采用铰制孔螺栓连接 抗剪切应力直径mm F
d 6.22105.681000
53.274]
[46
=⨯⨯⨯⨯=≥
πτπ
kN Mg F F p N 45.7520.0517.042.15cos 6=-⨯=-⨯=α
预紧力直径mm F
d 94.910
961000
45.74][46
=⨯⨯⨯⨯=≥
πσπ ∴取 23或24mm
2．轴承箱螺栓简析
kN F kN F kN F kN F N N N N 92.31',48.2'',44.2',49.15''2211====
对于底部，采用铰制孔螺栓计算：
mm F
d 9.1110
5.6821000
49.154]
[246
=⨯⨯⨯⨯⨯=≥
πτπ取12mm 通过计算，得两边均是向下压紧，故切应力略去不算。

对于上部，采用普通螺栓和螺母，选择选择适当尺寸抵抗轻微轴向载荷即可。

3.冲头轨道紧固螺栓简析
当轨道侧应力最大时，为N 79.770cos 783.22k F =︒=,h=1.054m 预紧力直径mm F d 7.17109621000
172.0054.179.74][246
=⨯⨯⨯÷⨯⨯=≥
πσπ
抗剪切应力直径：
mm F
d 02.6105.6841000
79.74]
[446
=⨯⨯⨯⨯=≥
πτπ
∴取d=18mm 。

背后采用加强筋设计，以抵抗微弱的轴向力：
4. 3l 固定柱紧固螺栓简析
按受力最大时计算，F=22.783KN
N 39.1160cos 783.221k F =︒=，N 73.1960sin 783.222k F =︒=
抗剪切应力直径mm F d 27.710
5.6841000
39.114][446
=⨯⨯⨯⨯=≥πτπ 预紧力直径:
()mm F
d 04.131********
73.1925.013.039.114]
[246
=⨯⨯⨯+÷⨯⨯=≥
πσπ
∴取d=14mm 。

5．3l 紧固件螺栓简析
受力为上一项的N 39.1160cos 783.221k F F =︒== 抗剪切应力直径mm F d 27.7105.6841000
39.114][446
=⨯⨯⨯⨯=≥πτπ 预紧力直径:
()mm F d 7.2410
9621000
281.0276.239.114][246
=⨯⨯⨯÷⨯⨯=≥
πσπ ∴取d=25mm 。

八．冲压部位设计 1.冲头设计
冲头下部尺寸：400200235⨯⨯mm
材料选择DIN 热锻模具钢（X38CrMoV5-1）相关参数如下：
2.载物台设计
当冲头下降到最低点时，台面与冲头底面之间应保持一段距离，以免压坏台面。

对于锻压深度，可通过确定台面高度并结合被锻物体的原有高度来实现。

被锻物应选择低碳钢、可锻铸铁等可锻材料。

三维模拟：冲头下降至最低点时与台面保持一定高度3．冲头运动算量浅析：
冲头工作时高度位移图像
冲头工作时垂向线加速度图像，冲压至最低点时为最大加速度144.1832/s m ,方向垂直向上。

九．各种杆件材料选择
1l 2l 3l
1l 、3l 选用DIN 结构钢，主要考虑到较大
的抗剪模量和抗拉强度；2l 在运行过程中主要承受压力，故选择灰铸铁（SN ），有较大压缩强度；4l （左图）的要求最高，要有极强的抗压能力又和较强的抗拉能力，在DIN 结构钢的选择中要充分考虑。

十．整体模拟效果（SolidWorks实现）
十一．心得体会
这是我大学以来的第二次课程设计，对此我感触很多。

它相对于我上次的设计来说，增加了不少难度和工作量。

但是，也就是通过这样的要求和由此产生的压力，让我比以前更加进步和成熟了。

特别是自上次以来我完全自学的SolidWorks三维软件，也能更加熟练地掌握了。

像运动算例和特殊配合等新学到的不少功能，对于我来说还比较新鲜，说明在三维设计方面我还需要继续努力。

做设计是很辛苦的，但是我从中收获了很多，对我的生活也很充实。

我从中学会了独立思考，大学除了课堂上所学到的以外，更重要的还是要有课外自学的能力和独立思考创新的能力。

“千里之行，始于足下。

”只要肯脚踏实地去做，且贵在坚持，最终一定能成功。

我之所以能坚持到现在，也是长时间自觉积累的结果，在这方面一定要做到严以律己。

参考资料
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