工件輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

題目：工件輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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摘要

二十一世紀(jì)是個科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)高速發(fā)展的時代，競爭越來激烈，一個企業(yè)

要想在激烈的市場競爭中得以生存，就不斷地開發(fā)新的技術(shù)，不斷創(chuàng)新，走低消耗，

提升企業(yè)的生產(chǎn)效率的，要不斷地改善生產(chǎn)線，引進(jìn)高新技術(shù)，例如自動化生產(chǎn)線。

在生產(chǎn)過程中，物料的移動伴隨著生產(chǎn)活動貫穿整個生產(chǎn)過程，直到成品的輸出。

在一般情況下，生產(chǎn)活動包括四個基本環(huán)節(jié)：加工裝備、搬運(yùn)、停滯和檢驗。但是

人們往往只注重加工環(huán)節(jié)而忽略搬運(yùn)輸送等方面，然而搬運(yùn)輸送環(huán)節(jié)卻對生產(chǎn)效率

有著重要的影響。根據(jù)統(tǒng)計，整個生產(chǎn)活動周期中，加工作業(yè)時間占用比例比較小，

大部分時間都用在物料的儲存、裝卸和搬運(yùn)等。若要縮短生產(chǎn)活動周期的時間，就

應(yīng)同時改善加工、檢驗、搬運(yùn)和停滯環(huán)節(jié)，尤其是搬運(yùn)環(huán)節(jié)。雖說加工是作為制造

生產(chǎn)價值的主要任務(wù)，但加工環(huán)節(jié)對整個系統(tǒng)的生產(chǎn)周期并無顯著作用。據(jù)了解，

在總經(jīng)營費(fèi)用中，有20%~50%是物料搬運(yùn)的，如果能夠合理的設(shè)計搬運(yùn)流程，可將

這筆費(fèi)用降低10%~30%?科學(xué)合理的物料輸送系統(tǒng)是企業(yè)技術(shù)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志

之一。在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家中，企業(yè)非常重視工廠的物料輸送系統(tǒng)設(shè)計及規(guī)劃，如物

料在生產(chǎn)過程中用到的搬運(yùn)設(shè)備和路線。一個合理的輸送系統(tǒng)設(shè)計將有利于減少企

業(yè)的生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)械傳動

［鍵入文檔標(biāo)題］

Structuredesignofworkpiececonveyor

Abstract：21stcentury,aneraofrapiddevelopmentofscienceandtechnologyaswellas

industry,growingcompetition,acompanywantstosurviveinthefiercecompetitionin

themarket,wemustcontinuetodevelopnewtechnologies,innovative,lowconsumption,

enhancetheproductivityofenterprises,toimproveconstantlytheproductionline,the

introductionofhigh-tech,suchasautomatedproductionlines.Intheproductionprocess,

materialmovesalongwithproductionactivitiesthroughouttheentireproductionprocess,

untilthefinishedproductoutput.Typically,productionactivitiesconsistoffourbasic

aspects:processingandtestingequipment,handling,stagnation.Butpeopletendtofocus

onaspectsofprocessingratherthanhandlingconveyor,howeverhandlingtransportlinks

buthasanimportantinfluenceonproductivity.Accordingtostatistics,theentire

productioncycle,lessprocessingtimethan,withmostofthetimeinstorage,handling

andtransportationofmaterials,transport,andsoon.Toshortentheproductioncycletime,

itshouldimprovetheprocessing,inspection,handlingandstagnantaspect,especially

transportlinks.Processingisthemaintaskasthevalueofmanufacturingproduction,

processingproductioncycleandhadnosignificanteffectontheoverallsystem.Itis

understoodthatintotaloperatingexpenses,thereare20%?50%materialshandling,if

rationaldesignandhandlingprocesses,lessonswillthisexpensereduced10%?30%.

Scientificandrationalmaterialhandlingsystemisanimportantsymboloftechnological

sophistication.Inindustrializedcountries,enterprisesattachgreatimportancetothe

plant'smaterialsystemdesignandplanning,suchasmaterialhandlingequipmentusedin

theproductionprocessandroute.Areasonabledeliverysystemdesignwillhelpreduce

theproductioncost,andincreaseeconomicefficiency.

Keywords:ConveyorInstitutionaldesignMechanicaltransmission

II

［鍵入文檔標(biāo)題］

目次

摘要.....................................................................I

Abstract.................................................................................................................................II

1緒論....................................................................1

1.1輸送機(jī)簡介..........................................................1

1.2輸送機(jī)的發(fā)展趨勢...................................................1

1.3機(jī)構(gòu)設(shè)計方案比較及選擇.............................................1

1.4選定設(shè)計方案的介紹.................................................3

2連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計..........................................................4

2.1連桿設(shè)計的基本問題..................................................4

2.1.1設(shè)計內(nèi)容........................................................4

2.1.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇..................................................4

2.1.3機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件尺寸的設(shè)計..........................................4

2.2連桿構(gòu)件的運(yùn)動速度以及加速度分析...................................7

2.2.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度的分析..............................................7

2.2.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動加速度的分析............................................8

2.3校鏈連桿機(jī)構(gòu)動態(tài)靜力的分析.........................................10

2.3.1確定各構(gòu)件的慣性力和慣性力偶矩................................10

2.3.2機(jī)構(gòu)動態(tài)靜力分析...............................................11

2.4桿件的強(qiáng)度計算校核.................................................13

2.4.1機(jī)構(gòu)材料和橫截面的選擇........................................14

2.4.2桿件之間的聯(lián)結(jié)以及強(qiáng)度校核....................................14

3傳動方案設(shè)計和電動機(jī)的選取.............................................17

3.1傳動裝置...........................................................17

3.1.1傳動方案設(shè)計..................................................17

［鍵入文檔標(biāo)題］

3.1.2機(jī)械效率估算...................................................18

3.1.3電動機(jī)的類型...................................................18

3.1.4電動機(jī)功率的計算...............................................18

3.2傳動比的計算分配..................................................19

3.2.1總的傳動比.....................................................19

3.2.2確定減速器各級傳動比...........................................19

3.3各級傳動以及動力參數(shù)計算..........................................20

3.3.1各軸轉(zhuǎn)速的計算.................................................20

3.3.2各軸功率的計算................................................20

3.3.3各軸轉(zhuǎn)矩的計算................................................20

4減速器主要零部件設(shè)計和聯(lián)軸器選擇......................................21

4.1齒輪減速器的設(shè)計..................................................21

4.1.1齒輪減速器主要傳動零件設(shè)計...................................21

4.1.2軸結(jié)構(gòu)及尺寸的設(shè)計............................................29

4.1.3滾動軸承的選取................................................41

4.1.4鍵的選擇和連接強(qiáng)度計算.......................................42

4.2減速器的潤滑和密封................................................43

4.2.1減速器的潤滑..................................................44

4.2.2減速器的密封..................................................44

4.2.3減速器箱體設(shè)計.................................................44

4.3聯(lián)軸器的選擇......................................................45

5機(jī)架的設(shè)計.............................................................46

5.1機(jī)架材料的選擇....................................................46

5.2機(jī)架上的附件設(shè)計..................................................46

6結(jié)論...................................................................48

致謝...................................................................49

［鍵入文檔標(biāo)題］

參考文獻(xiàn).................................................................50

［鍵入文檔標(biāo)題］

1緒論

1.1輸送機(jī)簡介

輸送機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用越來越廣泛，不但節(jié)約了不少人力物力財力，

還能夠大大地提高了工業(yè)生產(chǎn)效率。輸送機(jī)的種類有很多種，在機(jī)械生產(chǎn)過程中，

我們經(jīng)常見的傳輸機(jī)有帶式輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)、垂直輸送機(jī)（升降機(jī)）、刮板輸送

機(jī)、懸掛式輸送機(jī)、鏈條式輸送機(jī)、還有滾筒輸送機(jī)等。根據(jù)工程的要求以及輸送

的材料或工件不同，選擇的輸送機(jī)也就不同。每一種輸送機(jī)都有自己獨(dú)特的功能。

例如，螺旋輸送機(jī)適用于輸送顆粒狀或粉末狀物料；皮帶輸送機(jī)適用于煤或糧食等

散料；刮板輸送機(jī)主要用于輸送以流動物料。每一種輸送機(jī)工作場合都有一定的局

限。在生產(chǎn)中，需要輸送體積及重量稍大的工件時，這些輸送機(jī)便達(dá)不到作業(yè)的要

求了，生產(chǎn)線上輸送箱體類的物料，用帶式輸送機(jī)或滾筒輸送機(jī)靠摩擦力傳送，容

易發(fā)生打滑、工件相互碰撞等現(xiàn)象，這就需要研制新的輸送機(jī)來滿足這一要求，如

步進(jìn)式輸送機(jī)，工件在機(jī)體的導(dǎo)軌上脈沖式運(yùn)動，互相之間有一定的間歇，不僅不

會發(fā)生工件之間的碰撞，而且使工件卸載到下一工序有一定的卸載時間，生產(chǎn)線才

能夠有序的進(jìn)行。

1.2輸送機(jī)的發(fā)展趨勢

1）向大型化的輸送機(jī)方向發(fā)展。大型化包括輸送機(jī)的輸送能力、輸送的距離以

及傾斜度更大等方面。

2）擴(kuò)大輸送機(jī)的使用范圍。發(fā)展能夠在高溫、低溫環(huán)境條件下、有腐蝕性、放

射性、易燃性物質(zhì)的環(huán)境中工作的，以及能輸送熾熱、易爆、易結(jié)團(tuán)、粘性的物料

的輸送機(jī)。

3）設(shè)計出能夠滿足物料搬運(yùn)系統(tǒng)自動化控制對單機(jī)提出的輸送機(jī)構(gòu)造。比如郵

局所里用到的自動分揀貨物的小車式輸送機(jī)應(yīng)能夠完成分揀動作的要求等。

4）降低能量消耗以節(jié)約能源已成為輸送技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)科研工作的一個重要方面。

將1噸物料輸送1公里所消耗的能量作為輸送機(jī)選型的重要指標(biāo)之一。

5）降低各種輸送機(jī)在工作時所產(chǎn)生的煙塵、噪音以及廢氣的排放。

1.3機(jī)構(gòu)設(shè)計方案比較及選擇

經(jīng)查閱相關(guān)書籍，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計以及工件輸送機(jī)工作方式的要求，得出以下的

四個方案：

方案一：直接用對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動。通過異步電動機(jī)提供動力，

通過傳動裝置，曲柄做圓周運(yùn)動，實現(xiàn)對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動，實現(xiàn)傳送，如

圖1T所示。

1

［鍵入文檔標(biāo)題］

圖1-1對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

方案二：采用六桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動。用異步電動機(jī)提供動力，傳動裝置跟方

案一相同，實現(xiàn)六桿機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動，如圖1-2所示。

方案三：運(yùn)用齒輪齒條機(jī)構(gòu)實現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動。動力，傳動裝置同前兩方案，一個

與上下齒條同時嚙合的齒輪有曲柄驅(qū)動作往復(fù)運(yùn)動，下齒條固定不動，上齒條固定

在撥桿上，齒輪可帶動撥桿作行程較大的往復(fù)運(yùn)動，如圖1-3所示。

往復(fù)運(yùn)動。

在這四個方案中，方案一的機(jī)構(gòu)設(shè)計計算簡單，橫向尺寸較大，傳動性能，工

作行程有限且速度平穩(wěn)性能不高。方案二為六桿機(jī)構(gòu)，相對四桿機(jī)構(gòu)而言，使用多

2

［鍵入文檔標(biāo)題］

桿機(jī)構(gòu)可達(dá)目的：可獲得較小的運(yùn)動所占空間，取得有利的傳動角；可獲得較大的

機(jī)械利益；其在接近機(jī)構(gòu)死點(diǎn)時，具有很大的機(jī)械利益；改變從動件的運(yùn)動特性；

實現(xiàn)機(jī)構(gòu)從動件帶停歇的運(yùn)動;擴(kuò)大機(jī)構(gòu)從動件的行程,使機(jī)構(gòu)從動件的行程可調(diào)；

實現(xiàn)特定要求下的平面引導(dǎo)，結(jié)構(gòu)可靠。方案三對齒輪和齒條的制造精度要求較高，

加工起來比較復(fù)雜，而且齒輪齒條為高副接觸，容易磨損，磨損后會影響到傳動的

平穩(wěn)性，產(chǎn)生振動及噪音。方案四液壓缸執(zhí)行元件易實現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動，能輸出較

大的力，但不宜用于遠(yuǎn)距離傳送，不能滿足擴(kuò)大行程的要求，且液壓傳動系統(tǒng)成本

相對較高。經(jīng)過比較，最終采用方案二，六桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動。在設(shè)計的過程中，

機(jī)構(gòu)部分和傳動裝置部分的設(shè)計分析及為重要。

1.4選定設(shè)計方案的介紹

工件輸送機(jī)是在生產(chǎn)過程中輸送物料的設(shè)備，它是由電動機(jī)提供動力，通過傳

動裝置實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動滑架做往復(fù)直線運(yùn)動來移動工件。工作行程時，滑架上的

推爪將工件向前推動一個步長的距離，此時滑架返回運(yùn)動，由于推爪與軸之間裝有

彈簧，當(dāng)推爪從工件下底面滑過，這時工件保持不動，當(dāng)滑塊再向前推動時，推爪

己經(jīng)復(fù)位并推動下一個工件往前移，如此往復(fù)，工件不斷前移。

選題意義：工件輸送機(jī)在自動化流水線上得以充分運(yùn)用，能夠提高生產(chǎn)線的生

產(chǎn)效率，減輕勞動強(qiáng)度，保障工人的生命安全，為實現(xiàn)車間無人化提供可靠的條件。

3

［鍵入文檔標(biāo)題］

2連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.1連桿設(shè)計的基本問題

連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)給定的條件來選定機(jī)構(gòu)的形式，確定各個構(gòu)件的尺寸，也

要滿足結(jié)構(gòu)條件（曲柄，桿長的比值等）、動力要求（傳動角）以及運(yùn)動的連續(xù)性條

件等。

2.1.1設(shè)計內(nèi)容

工件輸送機(jī)的特性為：推力F=3000N,步長S=360mm,往返次數(shù)65r/min,高度

800mm,寬度250mm,行程系數(shù)K=l.25,其擺角①=45°,使用期15年，每天兩班的

工作制，工作機(jī)構(gòu)的效率為0.95,最小傳動角240°。

2.1.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，能滿足生產(chǎn)要求，且工作可靠，不存在高

副機(jī)構(gòu)，故選取曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，曲柄是聯(lián)接傳動裝置的輸出端，做

周轉(zhuǎn)運(yùn)動，經(jīng)過連桿使得擺桿做搖擺運(yùn)動，推動桿推動滑塊做水平運(yùn)動。有利于潤

滑，可以承受較大的負(fù)荷，而且運(yùn)動副形狀都比較簡單；還可以礦大行程，但機(jī)械

傳遞效率較低。機(jī)構(gòu)簡圖如圖2-1所示，其自由度F=3n-（2pl+p2）=3x5-

（2x7+0）=1,故只需一個原動件。

1-執(zhí)行機(jī)構(gòu)2-減速器3-電動機(jī)4、5-聯(lián)軸器6-曲柄

圖2-1曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

2.1.3機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件尺寸的設(shè)計

1）由圖2T的機(jī)構(gòu)簡圖，可先通過錢鏈四桿機(jī)構(gòu)分析，用解析法求此類問題，主

要是利用機(jī)構(gòu)在極位時的特征，如圖2-2所示。而兩極位時有△C1AC2存在，利用余

玄定理整理后有

4

［鍵入文檔標(biāo)題］

(1+COS0)a24-(1—COS0)/?2=y(2-1)

式中:g=CtC2=2csinG)。

圖2-2機(jī)構(gòu)運(yùn)動到兩極位圖

設(shè)已知行程速度變化K(或者極位夾角0)、搖桿長度C、擺角6以及曲柄的長

度a(或者連桿的長度b),由式(2-1)即可解得連桿長度b(或者曲柄長度a)。再

求機(jī)架的長度。

coskp=(g2+4ab)/［2g(Z?+a)］(2-2)

Y=90°-ip-(p/2(2-3)

d={(b+a)+c2—2(b+a)c義cosy(2-4)

在設(shè)計受力較大的有急回運(yùn)動的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)時，一般希望機(jī)構(gòu)的最小傳動角

有最大值，可以查搖桿擺角和行程系數(shù)的曲線圖來進(jìn)行設(shè)計。如果已知行程速度變

化系數(shù)K和搖桿的擺角中的曲線圖獲得B的值，再計算各桿件的相對長度：

a/b=sin(p/2)sin(。/2+0)/cos(<p/2—0/2)(2-5)

b/d=sin(夕/2)cos(。/2+/?)/sin(^/2—。/2)(2-6)

(c/d)2=(a/d+b/d)+1-2(a/d+b/d)cosp(2-7)

選定機(jī)架的長度d或者曲柄的長度a,即可求各桿的絕對長度。

通過設(shè)計內(nèi)容給出的擺角中=45°、行程系數(shù)K=1.25和步長S=360mm,現(xiàn)取曲

柄的長度為AB=a=120mm。查文獻(xiàn)［1］行程速度變化系數(shù)K和搖桿和擺角中的曲線圖，

取8=52°代入上幾式得

180°x(K-l)180°x(1.25-1)

un=-----------------=20°

(K+l)(1.25+1)

5

［鍵入文檔標(biāo)題］

asin22.5°xsin(10°+52°)

-=-------------------------------i=o346

dcos(22.5°-10°)

bsin22.5°xsin(10o4-52°)

-=--------------------------------=o83

dsin(22.5°-10°)

(c/d)2=(0.346+0.83)2+1-2(0.346+0.83)cos52°=0.93

已知AB=a=120,貝UAD=d=347,BC=b=288,CD=c=335。因為a+d<b+c,所以較

鏈四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的要求。

2)如圖2-3所示，步長S=360,擺角6=45°可得DE=470,故可得機(jī)構(gòu)中各桿件

的長度,如表2-L所示。

表2-1各桿的長度

桿件長度/mm

AB120

BC290

CD335

DE470

CE135

EF200

機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中，傳動角丫的大小是不斷變化的，為了保證機(jī)構(gòu)有較好的傳動

力的性能，應(yīng)使傳動角不小于40°。

對于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，最小傳動角出現(xiàn)在主動曲柄與機(jī)架共線的位置處，見圖

2-4所示。工作時，曲柄AB會隨著傳動系統(tǒng)輸出軸作圓周運(yùn)動，通過連桿BC驅(qū)動

搖桿DE以固定較鏈為圓心搖動，自由端運(yùn)動至右極限E2的位置，輸送爪將工件推

6

［鍵入文檔標(biāo)題］

送一個步長距離后，搖桿DE再向左運(yùn)動至左極限Ei位置，完成一個工作循環(huán)。

圖2-4最小傳動角位置處

29()2+3352-(350-120)2

Vmin=匕BCD=arccos=42.44°>40°；故滿足。

2X290X335

2.2連桿構(gòu)件的運(yùn)動速度以及加速度分析

2.2.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度的分析

根據(jù)運(yùn)動的往返次數(shù)N=65r/min以及步長S=360mni,可以得出工件的平均速度

36X65

v0=°^=0.78m/So由參考文獻(xiàn)［9］有

60

1）點(diǎn)B的速度

v=LABx3AB=0-12x竺=0.13m/s

B60

方向垂直于AB,指向與31的轉(zhuǎn)向一致。

2）點(diǎn)C的速度由于點(diǎn)C和點(diǎn)B在同一根構(gòu)件上的點(diǎn)，則有

Vc=+VCB

速度方向都已知，有兩速度大小未知數(shù)，作速度多邊形求出，設(shè)定P點(diǎn)為速度

多邊形的起點(diǎn)，B點(diǎn)的速度用Pb表示，再分別從B、P作be表示CB的速度，pc代

表C點(diǎn)的速度，如圖2-5所示。

圖2-5速度矢量分析圖

7

［鍵入文檔標(biāo)題］

速度比例尺為0.000065(m/s2)/mm得：

vc=0.00065x217.01=0.176m/s

vCB=0.00065x84.23=0.055m/s

3)點(diǎn)E速度因為點(diǎn)E和點(diǎn)C同在桿件3上，所以角速度相等。

lDE470

I7E=j—xVQ-335x0.176=0.247m/s

4)F點(diǎn)的速度

—%+PFE

方向〃FE±DE±FE

大小9V?

Vp=0.00065x246.48=0.16m/s

vFE=0.00065x298.41=0.194m/s

5）各桿件的角速度

vCB0.055

O)2=0.19rad/s

Vc0.176

o）3=廠=---=0.525rad/s

（CD

v0.194

儂4=-EF==0.97rad/s

‘EFnU.N9

2.2.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動加速度的分析

機(jī)構(gòu)的運(yùn)動加速度分析跟速度分析方法相同的，也是要先求出B、C、D和F點(diǎn)

的加速度，然后再求桿件的角加速度。

1）B點(diǎn)的加速度QB

2

12/65\

an=°-X(而)2

劭—BA~ZABx3/=0.141m/s

加速度方向由B向Ao

2）C點(diǎn)的加速度由C點(diǎn)相對D、B點(diǎn)的運(yùn)動關(guān)系得

ac=?CDn+aCDT

二aB+aCBn+aCBT

方向C玲B±CDB玲ACOB±CB

大小?JICBM?9

式中有兩加速度還未確定，作速度多邊形合成求解。取P點(diǎn)做加速度多邊形,

8

［鍵入文檔標(biāo)題］

圖2-6C點(diǎn)的加速度矢量分析圖

由加速度比例尺為4=0.141/200=0.00071(m/s2)/mmo得

2

ac=117.1x0.00071=0.083m/s

r2

aCD=72.45x0.00071=0.051m/s

T2

aCB=90.71x0.00071=0.064m/s

2

aS2=152.09x0.00071=0.108m/s

3)點(diǎn)E的加速度點(diǎn)E和點(diǎn)C都在桿件DE上，則有

,DE470,,

<ZE=j—xtic=335x0.083=0.116m/s

4)點(diǎn)F的加速度根據(jù)點(diǎn)F相對點(diǎn)E的運(yùn)動關(guān)系有

Up=?E+aFEn

+aFET

方向水平向右VFfE1FE

大小(2?

?VZEFD4

式中有兩個未知數(shù)，作速度多邊形合成求解，如圖2-7所示。

9

［鍵入文檔標(biāo)題］

圖2-7點(diǎn)F加速矢量分析圖

由加速度比例尺得

2

aF=530.08X0.00071=0.376m/s

r2

aFE=312.06x0.00071=0.222m/s

5）各桿件的角加速度

T

aCB0.064,

a2=-^T=-029-=°-221rad/S

T

aCD0.051.

a3=-Z^=0335=0152rad/5

GEF，0.222

或4=一==l.Hrad/s92

‘EFU?N

2.3錢鏈連桿機(jī)構(gòu)動態(tài)靜力的分析

動態(tài)靜力分析在工程中常用到的一種方法，它是利用達(dá)朗貝爾原理把慣性力和

外力作用在機(jī)構(gòu)的相應(yīng)構(gòu)件上，用靜力平衡的條件計算出各個運(yùn)動副中的反作力以

及原動件上的平衡力。進(jìn)行動態(tài)靜力分析的步驟：

1）求出各構(gòu)件的慣性力，并且將它們看成為是外力作用于產(chǎn)生這些慣力的構(gòu)件

上；

2）然后利用靜定條件把機(jī)構(gòu)分解成若干個構(gòu)件組和平衡力作用的構(gòu)件；

3）對力的分析次序一般是從距離受到平衡力作用的構(gòu)件最遠(yuǎn)的構(gòu)建組開始，然

后逐步推算到平衡力作用的構(gòu)件。

2.3.1確定各構(gòu)件的慣性力和慣性力偶矩

要想進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析，則需要計算出每個構(gòu)件的慣性力，但是機(jī)構(gòu)中

的各構(gòu)件尺寸、質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)還未確定，根據(jù)經(jīng)驗初步設(shè)定各構(gòu)件的質(zhì)

量和轉(zhuǎn)動慣量的參數(shù)，從而進(jìn)行各構(gòu)件的靜力分析，并在此基礎(chǔ)上對各構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)

度驗算，接著根據(jù)強(qiáng)度驗算所得的結(jié)果對構(gòu)件尺寸進(jìn)行修正，設(shè)計出構(gòu)件合理的結(jié)

構(gòu)尺寸。

10

［鍵入文檔標(biāo)題］

先初定桿件直徑，并計算各桿件的質(zhì)量m以及轉(zhuǎn)動慣量J。選擇45號鋼作為

桿件的材料，查文獻(xiàn)［1］知45鋼的密度p=7800kg/m3,初選各桿件直徑d=60mm。

m=pXTTX—xZ(2-8)

Y4

J=-xI2(2-9)

J3

J=-xI2(2-10)

」12

計算后桿件的質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動慣量計算結(jié)果見表2-2o

表2-2桿件質(zhì)量特性表

桿件長度L/mm直徑d/mm質(zhì)量m/kg轉(zhuǎn)動慣量J/kg.m2

AB120602.6460.0127

BC290606.3960.0448

DE4706010.3660.7633

EF200604.4100.0147

只有桿件2的慣性力沒有作用在機(jī)架上，所以在進(jìn)行桿件動態(tài)靜力分析時可以

忽略不計，作用在連桿2上的慣性力、慣性力偶以及質(zhì)心偏移為

Pl2=m2as2=3.396x0.108=0.367N

MI2=Js2a2=0.0448x0.221=0.0099N-m

lh2=M12/PI2=0.0099/0.367=26.96mm

2.3.2機(jī)構(gòu)動態(tài)靜力分析

首先把各桿件產(chǎn)生的慣性力看成是外力作用于相應(yīng)的構(gòu)件上，并按靜定的條件

把機(jī)構(gòu)分解成兩個桿件組4,3,2以及有平衡作用的桿件1,對桿件進(jìn)行受力分析。

1)先對桿件EF受力分析，如圖2-8所示。

圖2-8桿件4的受力圖

由桿件整體受力的平衡條件得

nT

ZF=0,R34+R34+G4+Fr+R54n+R5J=0

11

［鍵入文檔標(biāo)題］

(2-11)

方向〃EF±EFVV//EF±EF

大小？？VV??

對點(diǎn)F的力矩有？MF=O，則

GJ4—'-R34TLeD

44.INx74mm=R34cx200mm

R34T=-16.32N

對點(diǎn)E的力矩有，ME=0，則

T

FJr—G4h4—R54LEF=0

3000x134mm-44.1x74-R54Tx200=0

T

R54=1993.68N

由式(2-11)繪制力的矢量合成圖，如圖2-9所示。

圖2-9桿件4力矢量合成圖

由此可得R54=2058.57N；R34=1725.74N

2）對桿件BC和桿件DE整體受力分析，其受力圖如圖3T0所示。

圖2T0桿件BC和DE的受力分析

根據(jù)桿件力的平衡條件得

T1111T

R43+R43+G3+R53'+R53+G2+P12+R12+R12”=0

12

［鍵入文檔標(biāo)題］

方向VVVIDE/7DEVV±BC〃BC

大小VVV??VV??

對點(diǎn)B的力矩有，MB=。，則

R43T八43+^3^3+R53753+^2^2=P12八2

r

-16.32Nx108+103.6Nx298+R53x363+64NX145=0.367Nx180

解得23T=-140.43N

對點(diǎn)E力矩有￡ME=0,則

Rl2T九12+P/2%2+G3fI3=G2h2+R53Th53

R12TX274+0.367x110+103.6x30=64x127+140.43x474

解得：％2T=283.8N

繪制出力的矢量合成圖，如圖2-11所示。

圖2T1力的矢量合成圖

由力的矢量合成圖可得：R53=178N；R12=1565No

3）對桿件1進(jìn)行力的分析，受力圖如圖2T2所示。

桿件的受力平衡可得/?21”=R51n=1539N

2.4桿件的強(qiáng)度計算校核

根據(jù)上一節(jié)對桿件受力情況分析，根據(jù)桿件受力的方向判斷，桿件主要受到拉

13

［鍵入文檔標(biāo)題］

壓力，屬于拉壓桿。

2.4.1機(jī)構(gòu)材料和橫截面的選擇

1)拉壓桿的綜合性能要求比較高，材料用45號鋼，主要物理性質(zhì)見表2-3。

表2-3桿件材料的力學(xué)性能

材料抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度剪切疲勞延伸率8密度P彈性模量E

極限。b極限。S極限入1(%)(kg/m3)

45鋼640MPa355MPa155MPa167800206GPa

2)桿件截面尺寸的計算

通過上一節(jié)對拉壓桿所受到外力作用的分析，可以利用強(qiáng)度條件來確定桿件所

需要的橫截面積⑺。

A2華詈(2-11)

㈤

式中：A為桿件所需最小橫截面積：

FNmax為桿件受到的最大軸向力；

［。］為許用屈服應(yīng)力，M=與/s。

取安全系數(shù)S=1.5,則［o］=350+1.5=233MPa。選搖桿3作為校核，桿件

的形狀是圓形，因此直徑為

4F/vmax1726X4

d>—————7=3.07mm

兀㈤233x106

考慮到制造條件，經(jīng)濟(jì)效益及穩(wěn)定性等因素，取桿件的直徑d=22mm。

2.4.2桿件之間的聯(lián)結(jié)以及強(qiáng)度校核

桿件與其它構(gòu)件之間的聯(lián)結(jié)一般是利用軸銷，耳片及螺栓等相連接，它們之間

的受力和變形較為復(fù)雜，我們可以對其進(jìn)行簡化分析。聯(lián)結(jié)件的受力情況如圖2-13

所示，可以發(fā)現(xiàn)作用在聯(lián)結(jié)件上的作用力與軸銷的軸線垂直，受到剪切力和擠壓力

的作用。

14

［鍵入文檔標(biāo)題］

圖2-13聯(lián)結(jié)件的受力示意圖

1）剪切強(qiáng)度的計算

銷軸主要受到剪切力的作用，在力學(xué)計算中，可以看作力是均勻分布在剪切面

上，該處受到的剪切力不能超過材料的許用應(yīng)力［、，由參考文獻(xiàn)［7］得

(2-12)

式中：A為剪切面的面積；

Fs為與截面相切的力；

［口為許用切應(yīng)力，［T］=T/S.

取安全系數(shù)S=1.5,則舊=155+1.5=103MPa。所以銷軸的最小直徑為

14醫(yī)=4x1726

d>T=4.62mm

?；?7-T---X---1—0—3——X1—06

取銷軸的直徑d=10mm。

2）擠壓強(qiáng)度計算

軸銷和軸孔是直接接觸的，在受到外力的作用下，軸銷和軸孔的接觸面上相互

壓緊，受到的應(yīng)力稱為擠壓應(yīng)力。當(dāng)受到的擠壓應(yīng)力超過許用擠壓應(yīng)力時，接觸區(qū)

域就會發(fā)生明顯的塑性變形，導(dǎo)致不能正常工作。擠壓應(yīng)力為F,耳片的厚度為b,

為了避免聯(lián)結(jié)處擠壓破壞口則

^bs=77-[^bs](2-13)

△bs

式中：Abs為受壓面積；

［。bj為材料的許用擠壓應(yīng)力，瓦』=1.5~2.5［CT］O

15

［鍵入文檔標(biāo)題］

將桿件收到的力代入式(2-13)得耳片的厚度

b=——一-=0.86mm,取耳片的厚度b=25mm。

35OX1O6X1O

3)桿件穩(wěn)定性校核

如果作用在細(xì)長桿上的軸向壓力達(dá)到或者超過了臨界值時，桿件會突然彎曲，

從而失去穩(wěn)定性現(xiàn)象，臨界壓力就是使壓桿保持微小的彎曲平衡的最小壓力。所以

對于受到軸向壓力桿件，除了應(yīng)該考慮桿件強(qiáng)度和剛度問題以外，還應(yīng)考慮它們穩(wěn)

定性問題。

(1)桿件的臨界載荷

由材料力學(xué)可知兩端為錢支細(xì)長拉壓桿，查參考文獻(xiàn)［7］得臨界壓力

2

「TTEI

Fcr=—(2-14)

式中：E為彈性模量；

I為橫截面最小的慣性矩；

1為桿件的長度。

由式(2-14)得搖桿的臨界壓力為

TT2End4Ti3x206x103x224

Fer=bxk=-------K-------=105.85KN

crI26464x4702

(2)臨界校核

使連桿因壓力過大而屈服的軸向力為

7rd2[a]ITx222X233

FQ==88.50KN

44

細(xì)桿件的承載能力是通過材料的穩(wěn)定性要求確定的。

16

［鍵入文檔標(biāo)題］

3傳動方案設(shè)計和電動機(jī)的選取

3.1傳動裝置

任何一部機(jī)械都是由三部分組成的，即原動機(jī)、傳動裝置以及工作機(jī)。傳動方

式有機(jī)械傳動、電氣傳動、氣壓傳動和液壓傳動等。傳動的作用表現(xiàn)為三個方面：

第一，傳遞動力和運(yùn)動以滿足工作機(jī)的要求；第二改變速度的大小及方向；第三，

改變運(yùn)動形式。機(jī)械傳動在機(jī)械工程中應(yīng)用比較普遍，就是利用機(jī)械零部件來傳遞

動力和運(yùn)動，其傳動形式可分為兩類：第一類靠機(jī)械的零件間的摩擦傳遞動力和運(yùn)

動。第二類是靠主動件和從動件的嚙合來傳遞動力及運(yùn)動。如齒輪傳動，蝸輪蝸桿

傳動等。嚙合傳動能運(yùn)用于大功率場面，且傳動較準(zhǔn)確。

3.1.1傳動方案設(shè)計

傳動方案有鏈傳動、齒輪傳動以及帶式傳動等。

鏈傳動是一種撓性傳動，通過鏈輪的輪齒和鏈條鏈節(jié)嚙合來傳遞運(yùn)動和動力。

其主要優(yōu)點(diǎn)是能保持準(zhǔn)確的平均傳動比，傳遞效率高，作用在軸上的徑向壓力較小，

安裝精度較低，可以在潮濕和高溫環(huán)境中工作，但其只能實現(xiàn)平行軸鏈輪的同向傳

動，磨損后會容易出現(xiàn)跳齒和噪音的現(xiàn)象，不宜用于高速運(yùn)動的場合。鏈傳動主要

用在要求工作可靠，兩周距離相距較遠(yuǎn)，低速重載，工作環(huán)境惡劣。例如摩托車上

應(yīng)用了鏈傳動，結(jié)構(gòu)上大為簡化，而且使用方便可靠；挖土機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)就采用了

鏈傳動。

帶傳動是一種撓性傳動，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，傳動平穩(wěn)，緩沖吸振等優(yōu)點(diǎn)。

帶傳動在受到拉力作用時會發(fā)生彈性變形，不能保證恒定的傳動比，傳動精度傳動

效率低，所占用的空間比較大。

齒輪傳動是機(jī)械傳動中最重要的傳動方式之一，形式多樣，應(yīng)用非常廣泛，效

率高，在常用的機(jī)械傳動中，以齒輪傳動的效率為最高；傳動比平穩(wěn)、工作可靠、

壽命長，設(shè)計制造正確合理，使用維護(hù)良好的齒輪傳動，工作十分可靠，使用壽命

可長達(dá)一、二十年，這也是其它機(jī)械傳動所不能比擬的；齒輪傳動有開式齒輪，半

開式齒輪和閉式齒輪。閉式齒輪傳動也就是減速器。

本次設(shè)計采用二級圓柱減速器和聯(lián)軸器作為傳動方案。二級圓柱齒輪減速器結(jié)

構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，高速級齒輪布置在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)矩輸入端，軸在轉(zhuǎn)矩作用下產(chǎn)生的

扭矩變形和軸在彎矩作用下產(chǎn)生的彎曲變形可部分的互相抵消，以減緩沿齒寬載荷

分布不均勻的現(xiàn)象，用于載荷比較平衡的場合。為了能夠減少車間現(xiàn)場的空間占用

以及減少傳動鏈的原則，因此用彈性聯(lián)軸器實現(xiàn)動力傳動，傳遞效率高，有一定的

減振作用，還可以做安全裝置。傳動方案如圖3T所示。

17

［鍵入文檔標(biāo)題］

1-電動機(jī)2、5-聯(lián)軸器3-減速器4-低速級齒輪傳動6-高速級齒輪傳動

圖3T,電動機(jī)及傳動裝置

3.1.2機(jī)械效率估算

效率是評定機(jī)械傳動性能的一個重要指標(biāo)。不斷的提升機(jī)械的傳動效率，才能

節(jié)省能源，減少費(fèi)用，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)查參考文獻(xiàn)⑴可得，彈性聯(lián)軸器的

效率小=0.99；I軸上一對滾動軸承效率功=0.99；圓柱齒輪為7級精度，效率小=

0.97；初選n,in軸也為滾動球軸承，效率為%=0.99；工作機(jī)構(gòu)的效率為九,=

0.95。總得機(jī)械效率⑵:

口4=/27727732442y(3T)

將各效率代入式(3T)得總效率為

77d=0.992X0.99x0.97x0.97X0.99x0.99X0.95=0.85

3.1.3電動機(jī)的類型

在工業(yè)發(fā)展中，運(yùn)動部件大多數(shù)是由電動機(jī)來帶動的。按電動機(jī)的工作電源類

分為：直流電動機(jī)和交流電動機(jī)。交流電動機(jī)可分為單向電動機(jī)和三相電動機(jī)。按

電動機(jī)的結(jié)構(gòu)以及工作原理可分：直流電動機(jī)、異步電動機(jī)、同步電動機(jī)。一般工

業(yè)設(shè)計選擇過程中，應(yīng)先考慮三相異步電動機(jī)，其具有節(jié)能高效的特點(diǎn)，但也要考

慮工作環(huán)境以及工作制度，每天工作制，室內(nèi)及三相交流電等條件。

3.1.4電動機(jī)功率的計算

不同型號的電動機(jī)有不同的轉(zhuǎn)速和功率，所以要根據(jù)工作機(jī)給定的要求來選定

合理的電動機(jī)，包括轉(zhuǎn)速以及功率，這樣才能滿足工作需求，得以正常工作，電機(jī)

18

［鍵入文檔標(biāo)題］

功率的計算⑵:

(3-2)

式中：Pw為工作所需功率；

nd為總得工作效率。

工作機(jī)正常工作所需功率為

Fxv(3-3)

1000X77W

式中：F為工作機(jī)的工作阻力;

v為工作機(jī)的平均速度。

由式（3—2）、（3-3）及運(yùn)動參數(shù)得

3000X0.78m/skw=2.897kw

Pd=1000x0.95x0.85

Pw=2.46kw

經(jīng)過查詢機(jī)械設(shè)計手冊,選擇的電動機(jī)為Y100L2-4型，其主要參數(shù)如表3-1o