卷圓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-型材卷制 結(jié)構(gòu)三輥對(duì)稱(chēng)式【含圖紙】

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Roll round machine is made of various profiles will roll ring flange and a high quality, high benefit rolls round device ,mainly to transmission system, roll on the circle next roller, pressing device and roll machine design and calculation of the overall. Roll machine athreeroller symmetrical structure, in the upper roller press structure provides pressure, the two lower rollers make rotation, top provide torque. This machine with compact structure, easy operation, low noise, long service life, high quality and reasonable price multi-usage, etc, and is realized mechanization production factory, this equipment facilities listed can greatly reduce the labor intensity, improve production efficiency. Key words: Roll round machine ；Roll wheel ；Transmission system；Pressing device； Rolling 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 目 錄 摘要- Abstract- 第 1 章 緒論-1 1.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀-1 1.1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀-1 1.1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀-1 1.2 卷圓機(jī)的類(lèi)型和特點(diǎn)-2 1.3 本文設(shè)計(jì)內(nèi)容- 2 第 2 章 卷圓機(jī)工作方案的選擇-3 2.1 卷圓機(jī)成型方案的確定-3 2.2 圓環(huán)卷制成型方式的選擇-4 2.3 本章小結(jié)-5 第 3 章 力學(xué)分析與主參數(shù)的確定- 6 3.1 卷圓的工藝過(guò)程分析-6 3.2 卷圓過(guò)程中的力學(xué)分析-6 3.3 工作輥輪的設(shè)計(jì)-6 3.31 三輥輪受力情況分析- 6 3.32 卷圓機(jī)的主參數(shù)的確定- 7 3.4 本章小結(jié)-9 第 4 章 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 10 4.1 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)-10 4.2 電機(jī)的選擇-10 4.2.1 選擇電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式-10 4.2.2 電動(dòng)機(jī)的確定-11 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 4.3 傳動(dòng)比的計(jì)算-11 4.3.1 總傳動(dòng)比的計(jì)算-11 4.3.2 分配傳動(dòng)比-11 4.4 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算-12 4.4.1 各軸轉(zhuǎn)速計(jì)算-12 4.4.2 各軸功率計(jì)算-12 4.4.3 各軸轉(zhuǎn)矩計(jì)算-12 4.5 傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算-13 4.5.1 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算-13 4.5.2 蝸輪蝸桿的傳動(dòng)設(shè)計(jì)-15 4.5.3 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算-16 4.6 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算-19 4.7 軸承設(shè)計(jì)-22 4.7.1 滾動(dòng)軸承的選擇-22 4.7.2 滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算-23 4.8 鍵的設(shè)計(jì)-24 4.8.1 鍵連接的功能及結(jié)構(gòu)型式-24 4.8.2 鍵的選擇和鍵聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算-24 4.9 本章小結(jié)-25 第 5 章 壓下裝置的設(shè)計(jì)-26 5.1 卷圓成形直徑與標(biāo)尺刻度的關(guān)系-26 5.2 壓下裝置的設(shè)計(jì)-27 5.3 上輥輪軸的設(shè)計(jì)-28 5.3.1 軸的材料及結(jié)構(gòu)的確定-28 5.3.2 軸的受力分析-28 5.3.3 校核軸的強(qiáng)度-30 5.4 螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)-30 5.5 本章小結(jié)-32 第 6 章 其他各主要零部件的設(shè)計(jì)及選用-33 6.1 箱體的設(shè)計(jì)-33 6.2 “五大輪”的設(shè)計(jì)-33 6.3 各主要部件的選用-34 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 6.4 本章小結(jié)-34 結(jié)論-35 參考文獻(xiàn)-36 致謝-37 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 11 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1.1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 50 年來(lái)，卷圓機(jī)隨著科技特別是微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展。美國(guó)、 德國(guó)、日本三國(guó)的卷圓機(jī)技術(shù)非常先進(jìn)，經(jīng)驗(yàn)很多，并且分別有自己的特點(diǎn)。 在美國(guó)，政府重視卷圓機(jī)工業(yè)的發(fā)展，因而不斷提出卷圓機(jī)的發(fā)展方向，提供充 足的經(jīng)費(fèi)，特別講求“效率”、“創(chuàng)新”，注重基礎(chǔ)科研。由于美國(guó)首先結(jié)合汽車(chē)、 軸承行業(yè)的生產(chǎn)需求開(kāi)發(fā)了大批自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)，所以美國(guó)的高性能卷圓機(jī)技術(shù)在世界一 直居領(lǐng)先地位。但因?yàn)槠鼗A(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，有一段時(shí)間卷圓機(jī)的產(chǎn)量增加 緩慢，直到糾正偏向后，產(chǎn)量又逐漸上升。 德國(guó)政府講求“實(shí)際”與“實(shí)效”，堅(jiān)持以人為本，不斷提高人員素質(zhì)，他們還 特別重視理論與實(shí)際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)并重，在卷圓機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量上精益求 精。德國(guó)的卷圓機(jī)質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用，出口遍及全世界，尤其是大型、重型、 精密卷圓機(jī)，在質(zhì)量、性能上居世界前列。 日本政府對(duì)卷圓機(jī)工業(yè)的發(fā)展異常重視，并通過(guò)規(guī)劃、法規(guī)進(jìn)行引導(dǎo)。在重視人 才及卷圓機(jī)部件配套方面學(xué)習(xí)德國(guó)，在質(zhì)量管理及卷圓機(jī)技術(shù)方面學(xué)習(xí)美國(guó)，而且做 得更好。日本在發(fā)展卷圓機(jī)的過(guò)程中，狠抓關(guān)鍵，突出發(fā)展卷圓機(jī)系統(tǒng)。日本 FANUC 公司在產(chǎn)量上居世界第一，銷(xiāo)售額占世界市場(chǎng)的 50%，對(duì)加速日本和世界卷圓機(jī)的發(fā) 展起了重要作用。 1.1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)是世界上卷圓機(jī)機(jī)床產(chǎn)量最多的國(guó)家，但在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中仍處于較低水平； 即使國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)，一方面國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)各類(lèi)卷圓機(jī)機(jī)床產(chǎn)品特別是數(shù) 控機(jī)床有大量的需求，而另一方面卻有不少?lài)?guó)產(chǎn)機(jī)床滯銷(xiāo)積壓，國(guó)外卷圓機(jī)機(jī)床產(chǎn)品 充斥市場(chǎng)。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了有經(jīng)營(yíng)上、產(chǎn)品制造質(zhì)量上和促銷(xiāo)手段上等原因外， 一個(gè)主要的原因是我國(guó)生產(chǎn)的數(shù)控卷圓機(jī)機(jī)床品種、性能和結(jié)構(gòu)不夠先進(jìn)，新產(chǎn)品的 開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，從而不能及時(shí)針對(duì)用戶(hù)的需求提供滿(mǎn)意的產(chǎn)品。 我國(guó)工廠由于缺乏卷圓機(jī)設(shè)計(jì)的科學(xué)分析工具(如分析和評(píng)價(jià)軟件、整機(jī)結(jié)構(gòu)有 限元分析方法以及卷圓機(jī)機(jī)床性能測(cè)試裝置等)，自行開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品大多基于直觀經(jīng) 驗(yàn)和類(lèi)比設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)一次成功的把握性降低，往往需要反復(fù)試制才能定型，從而可 能錯(cuò)過(guò)新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的良機(jī)。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 卷圓機(jī)用戶(hù)根據(jù)使用需要，在訂貨時(shí)往往提出一些特殊要求，甚至在產(chǎn)品即將投 產(chǎn)時(shí)有的用戶(hù)臨時(shí)提出一些要求，這就需要迅速變型設(shè)計(jì)卷圓機(jī)和修改相應(yīng)的卷圓機(jī) 圖紙及卷圓機(jī)技術(shù)文件。在國(guó)外，這項(xiàng)卷圓機(jī)修改工作在計(jì)算機(jī)的輔助下一般僅需數(shù) 天至一周，而在我國(guó)卷圓機(jī)機(jī)床廠用手工操作就至少需 12 個(gè)月，且由于這些圖紙 和文件涉及多個(gè)部門(mén)，常會(huì)出現(xiàn)漏改和失誤的現(xiàn)象，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和交貨期。由 于長(zhǎng)期以來(lái)形成的卷圓機(jī)設(shè)計(jì)、工藝和制造部門(mén)分立，缺乏有效的協(xié)同開(kāi)發(fā)的模式， 不能從制訂方案開(kāi)始就融入各方面的正確意見(jiàn)，容易造成產(chǎn)品的反復(fù)修改，延長(zhǎng)了開(kāi) 發(fā)的周期。 為解決這些問(wèn)題，必須對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，發(fā)展優(yōu)化和 仿真技術(shù)，提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能，使用相應(yīng)的產(chǎn)品虛擬開(kāi)發(fā)軟件，這樣才能有效地解決 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的落后局面，使企業(yè)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。 1.2 卷圓機(jī)的類(lèi)型和特點(diǎn) 卷圓機(jī)分為機(jī)械式和液壓式兩種，機(jī)械式卷圓機(jī)是將碳鋼、不銹鋼、有色金屬型 材（角鋼、帶鋼、槽鋼、管子等）卷制成圓環(huán)的一種高質(zhì)量、高效益的卷圓裝置。其 結(jié)構(gòu)獨(dú)特，具有體積小、能耗低、效率高、無(wú)噪音、安裝使用方便、操作簡(jiǎn)單、承載 能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、卷圓速度快、產(chǎn)品質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)。液壓卷圓機(jī)是機(jī)械式卷圓機(jī)的 升級(jí)產(chǎn)品，能加大卷圓的厚度和寬度，能夠完成機(jī)械式卷圓無(wú)法卷動(dòng)厚板的缺點(diǎn)，代 替了原有鋼板下料、對(duì)接、校正、車(chē)床加工等復(fù)雜工藝并節(jié)省了氧氣、乙炔、勞動(dòng)力、 原材料等，是制造圓盤(pán)的先進(jìn)母體。 1.3 本文設(shè)計(jì)內(nèi)容 本文主要對(duì)機(jī)械式三輥對(duì)稱(chēng)式卷圓機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要包括電機(jī)的選擇、傳動(dòng)系 統(tǒng)設(shè)計(jì)、壓下裝置設(shè)計(jì)及箱體的設(shè)計(jì)等。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 2 章 卷圓機(jī)工作方案的選擇 2.1 卷圓機(jī)成型方案的確定 如圖 2.1 所示，制造該圓環(huán)零件的方法有以下兩種： 沖壓法。即利用沖壓的方法，設(shè)計(jì)一套專(zhuān)門(mén)用來(lái)制造該零件的模具，這種方法 最突出的優(yōu)點(diǎn)就是生產(chǎn)效率高，只要設(shè)計(jì)出一套模具和與之相配套的模架便可大量生 產(chǎn)同一型號(hào)的圓環(huán)零件，但此法也有明顯的不足之處：a.由于需要得到的圓環(huán)的外徑 為 430mm，內(nèi)徑為 370mm，設(shè)計(jì)出來(lái)的模具體形巨大，非常笨重，成本較高；b.沖壓 對(duì) 加工壞料的材質(zhì)有限制，只適合加工塑性較好的低碳鋼；c.由于該圓環(huán)的內(nèi)徑較 大，加工產(chǎn)生的廢料也較多。 卷制法。即利用輥輪將 30 3mm 的扁鋼卷制成所需的圓環(huán)。鋼板在輥輪上彎曲 變形，是一個(gè)橫向彎曲的過(guò)程，如圖 2.2 所示。鋼板在外負(fù)荷力矩 M 的作用下，產(chǎn)生 彎曲變形時(shí)，中性層以上的縱向纖維受到壓縮變形，中性層以下的縱向纖維受到拉伸 變形。根據(jù)外負(fù)荷力矩的大小，當(dāng)鋼板表面層的最大應(yīng)力小于鋼板材質(zhì)的屈服極限時(shí)， 各層的縱向纖維都處于彈性變形狀態(tài)，隨著外負(fù)荷彎曲力矩的增大，鋼板各層纖維繼 續(xù)產(chǎn)生變形。當(dāng)外負(fù)荷增加到一定數(shù)值，鋼板表層縱向纖維應(yīng)力超過(guò)了材料屈服極限 時(shí)，纖維產(chǎn)生塑性變形，負(fù)荷越大，塑性變形區(qū)由表層向中性層擴(kuò)展的深度也越大。 當(dāng)鋼板整個(gè)斷面的縱向纖維應(yīng)力都超過(guò)材料的屈服極限時(shí)，所有縱向纖維都處于塑性 變形狀態(tài)，彎曲過(guò)程完成。當(dāng)鋼板完全卷制成所需的圓環(huán)時(shí)，再將首尾端焊合即可。 利用這種方法加工法蘭環(huán)，只要輥輪提供的扭矩大，基本上不會(huì)受到加工壞料材質(zhì)的 影響，且不會(huì)產(chǎn)生廢料，操作方便實(shí)用，不失為一種加工大中型圓環(huán)的好方法。 綜合以上兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，我們選用卷制法加工。因?yàn)楸怃撛诰碇七^(guò)程中，中 性層以上部分受到壓縮變形，而中性層以下部分受到拉伸變形，唯獨(dú)中性層長(zhǎng)度沒(méi)有 變化，所以需要提供的扁鋼長(zhǎng)度為 mm，即 1256mm。43072L 圖 2.1 圓環(huán) 圖 2.2 鋼板彎曲變形示意圖 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 2.2 圓環(huán)卷制成型方式的選擇 目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的卷圓機(jī)種類(lèi)較多，大致分類(lèi)如圖 2.3 所示。三輥式結(jié)構(gòu)卷制原 理是利用三個(gè)輥輪對(duì)板料進(jìn)行連續(xù)的三點(diǎn)彎曲卷制成弧體，下輥為主動(dòng)輥，上輥?zhàn)鞔?直升降運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，而四輥式卷圓機(jī)是以上輥為主動(dòng)輥，由主電動(dòng)機(jī)通過(guò)主減 速器以及聯(lián)軸器，從而帶動(dòng)上輥的工作，下輥的作用是提供一定的向上力，與上輥一 起夾緊,所卷鋼板使上輥與被卷鋼板間產(chǎn)生足夠的摩擦力，在上輥旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠帶動(dòng)鋼 板運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)側(cè)輥用以形成卷筒所需的曲率，使板料達(dá)到所需的目的，其工作原理如 圖 2.4 所示。采用四輥卷圓結(jié)構(gòu)可以免去端部預(yù)彎的工序，但是傳動(dòng)系統(tǒng)較復(fù)雜，機(jī) 器較笨重，因此我們采用三輥式卷圓結(jié)構(gòu)。 圖 2.3 卷圓機(jī)分類(lèi) 圖 2.4 四輥卷圓機(jī)工作原理圖 而三輥式卷圓機(jī)又分為機(jī)械式三輥對(duì)稱(chēng)式卷圓機(jī)、機(jī)械式三輥非對(duì)稱(chēng)式卷圓機(jī)、 液壓式三輥卷圓機(jī)，它們的主要特點(diǎn)分別為:機(jī)械式三輥對(duì)稱(chēng)式卷圓機(jī)：(如圖 2.5 所 示)，該結(jié)構(gòu)型式為三輥對(duì)稱(chēng)式，上輥在兩下輥中央對(duì)稱(chēng)位置作垂直升降運(yùn)動(dòng)，通過(guò) 螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)而獲得，兩下輥?zhàn)餍D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)減速機(jī)的輸出齒輪與下輥齒輪嚙合， 為卷制板材提供扭矩。該機(jī)缺點(diǎn)是板材端部需借助其它設(shè)備進(jìn)行預(yù)彎。 a.機(jī)械式三輥非對(duì)稱(chēng)式卷圓機(jī)：(如圖 2.6 所示)，該機(jī)結(jié)構(gòu)型式為三輥非對(duì)稱(chēng)式， 上輥為主傳動(dòng)，下輥?zhàn)鞔怪鄙颠\(yùn)動(dòng)，以便夾緊板材，并通過(guò)下輥齒輪與上輥齒輪嚙 合，同時(shí)作為主傳動(dòng)，邊輥?zhàn)鲀A升降運(yùn)動(dòng)，具有預(yù)彎和卷圓雙重功能。 b.液壓式三輥卷圓機(jī)：(如圖 2.7 所示)，該機(jī)上輥可以垂直升降，垂直升降的液 壓傳動(dòng)是通過(guò)液壓缸內(nèi)的液壓油作用活塞桿而獲得，下輥?zhàn)餍D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)減速機(jī)輸 出齒輪嚙合，為卷圓提供扭矩，下輥下部有托輥并可調(diào)節(jié)。 圖 2.5 機(jī)械式三輥對(duì)稱(chēng) 圖 2.6 機(jī)械式三輥非對(duì)稱(chēng) 圖 2.7 液壓式三輥卷圓式卷圓機(jī)工 作原理圖 式卷圓機(jī)工作原理圖 機(jī)工作原理圖 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 由于非對(duì)稱(chēng)式和液壓式卷圓機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)較復(fù)雜，制造精度要求高，難度大，而 臥式結(jié)構(gòu)相比于立式結(jié)構(gòu)，外形大方，結(jié)構(gòu)緊湊，且傳動(dòng)系統(tǒng)布置較簡(jiǎn)單，因此設(shè)計(jì) 的卷圓機(jī)采用機(jī)械式三輥對(duì)稱(chēng)臥式結(jié)構(gòu)方案。 2.3 本章小結(jié) 已知加工圓環(huán)零件的尺寸，其成型方式有倆種，一種是沖壓法一種是卷制法。但 由于沖壓法設(shè)計(jì)出來(lái)的模具體型巨大，非常笨重且成本較高等原因，因此選擇卷制法 成型方式。卷圓機(jī)的類(lèi)型有很多種，通過(guò)對(duì)加工零件的分析和對(duì)卷圓機(jī)類(lèi)型的分析， 確定本設(shè)計(jì)采用機(jī)械式三輥對(duì)稱(chēng)臥式結(jié)構(gòu)方案。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第 3 章 力學(xué)分析與主參數(shù)的確定 3.1 卷圓的工藝過(guò)程分析 對(duì)稱(chēng)式三輥卷圓機(jī)在卷制鋼板時(shí)，兩下輥?zhàn)鲂D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，上輥?zhàn)龃怪鄙颠\(yùn)動(dòng)，板 材平放在兩下輥上，由于軋輥與板之間存在著摩擦力，所以當(dāng)下輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，板材也沿 縱向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由上輥施加壓制力，當(dāng)板材所受應(yīng)力超過(guò)屈服極限，則產(chǎn)生塑性變形， 板材被彎曲。 3.2 卷圓過(guò)程中的力學(xué)分析 板材在被卷制過(guò)程中首先要克服板材的撓曲變形受力，變形到一定的程度時(shí)板材 要克服本身的彈性和塑性抗力，因此施加在板材上的力應(yīng)有 3 個(gè)部分：（1）克服板 材的撓曲變形力；（2）克服板材的彈性變形力；（3）克服板材的塑性變形力。 3.3 工作輥輪的設(shè)計(jì) 3.3.1 三輥輪受力情況分析 卷制時(shí)，鋼板受力情況如圖 3.1 所示，根據(jù)受力平衡，可以得到下輥?zhàn)饔糜阡摪?上的支持力 F2： （3.1） 2sin MFR 式中： 連心線(xiàn) OO1與 OO2夾角， ； min2arcd a下輥中心距（m） ； dmin卷圓最小直徑（m） ； d2下輥直徑（m） ； 圖 3.1 被卷鋼板的受力分析 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 考慮到板寬 b 遠(yuǎn)小于卷圓的最小直徑 dmin，中層半徑 R 0.5dmin，為簡(jiǎn)化計(jì)算， 式（3.1）可變?yōu)椋?2minsMFKNd （3.2） 根據(jù)受力平衡，上輥?zhàn)饔糜阡摪迳系牧磯合铝?F1為： 2cos （3.3） 根據(jù)文獻(xiàn) 可知，下輥輪受到的力為：1 22 ()MFRra （3.4） 式中 ： M板材被彎曲到中性層半徑為 R 時(shí)所需的彎曲力矩（N m） ； r2下輥輪半徑，r 2=r3（mm） 。 根據(jù)文獻(xiàn) 可知，鋼板的塑性極限彎矩為：1 21sMhb （3.5）式中：h卷板的厚度（m） ； b卷板的寬度（m） ； s卷板材料的屈服極限（Q235 為 235Mpa） 。 初選下輥輪的直徑為 170mm，中心距為 200mm，考慮到鋼板在卷制時(shí)會(huì)與下輥輪 發(fā)生軸向滑動(dòng)，我們?cè)阡摪迮c輥輪接觸處設(shè)置一環(huán)形槽，槽深 2mm，因此下輥輪的實(shí) 際 直徑為 166mm。 由式（3.4）和（3.5）得： 2 3262085(01)5104.2sRrFhb NKa 所以，下輥輪作用在鋼板上的力為 4.52KN。根據(jù)式（3.3）得上輥輪對(duì)鋼板的壓力 為： 12cosF 因?yàn)?R=a=200mm,所以 = , 30 124.5cos4.537.8FKNKN 3.3.2 卷圓機(jī)的主參數(shù)的確定 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 如圖 3.2 所示， 組成了一個(gè)直角三角形，其三邊邊長(zhǎng)分別為 ，1OB 2()DRb ， ，根據(jù)它們之間的三角關(guān)系可得：2a1()DHR 2122()()DaRbH （3.6） 式中： 、 上、下輥輪直徑， （mm） ；12 b扁鋼寬度（一般取最大值） ， （mm） ； R加工工件曲率半徑， （mm） ； H上下輥中心高， （mm） 。 因而，由式（3.6）完全可以確定該機(jī)的各參數(shù)，其值可靠，可以作為設(shè)計(jì)其系列產(chǎn) 品的理論依據(jù)。 在本次設(shè)計(jì)中，由于 R=200mm，b=30mm， =166mm,a=200mm,均為已知，而只有2D 和 H 的值未知，它們之間存在著一一映射的關(guān)系。設(shè)計(jì) =160mm，為了防止鋼板1D 1 在它上面發(fā)生軸向滑動(dòng)，我們也在鋼板與輥輪接觸處設(shè)置一環(huán)形槽，槽深 2mm，因此 上輥輪的實(shí)際直徑為 156mm，將其值代式（3.6）得： 22216056(203)()(0)H 21 H=174.6 （mm） 所以在卷制過(guò)程中，只需將上下輥中心高調(diào)整為 174.6mm 即可。 圖 3.2 主參數(shù)的結(jié)構(gòu)分析 通過(guò)對(duì)卷圓過(guò)程中三輥輪受力情況的分析，確定卷圓機(jī)主要參數(shù)如表 3.1 所示。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 表 3.1 卷圓機(jī)主要參數(shù) 加工工件曲率半徑 R/mm 卷板的寬度 b/mm 上輥輪直徑 /mm1D 200 30 156 下輥輪直徑 /mm2D上下輥輪中心高 H/mm 下輥輪中心距 a/mm 166 174.6 200 3.4 本章小結(jié) 卷圓機(jī)在卷圓的過(guò)程中是通過(guò)上輥輪和倆個(gè)下輥輪對(duì)鋼板施加壓制力，從而使鋼 板產(chǎn)生塑性變形進(jìn)行加工零件的。因此通過(guò)對(duì)卷圓機(jī)工作過(guò)程中三輥輪受力情況的分 析，確定上下輥輪的直徑、下輥輪中心距及上下輥輪的中心高等參數(shù)。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 第 4 章 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 為了使傳動(dòng)功率損失最小，傳動(dòng)級(jí)數(shù)最少，機(jī)器結(jié)構(gòu)最緊湊，我們采用傳動(dòng)比非 常大的蝸輪蝸桿傳動(dòng)方案，且根據(jù)“傳動(dòng)比大的放在靠電機(jī)處”的原則，將其放在帶 傳動(dòng)的下一級(jí)傳動(dòng)中。通過(guò)“過(guò)橋”齒輪與下輥輪齒輪的嚙合作用，帶動(dòng)兩個(gè)下輥輪 旋轉(zhuǎn)，因?yàn)閮蓚€(gè)下輥輪齒輪的參數(shù)完全一致，且“過(guò)橋”齒輪中心在兩個(gè)輥輪的對(duì)稱(chēng) 中心上，所以?xún)蓚€(gè)下輥輪作同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)方案示意圖如圖 4.1 所示。 圖 4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 4.2 電動(dòng)機(jī)選擇 4.2.1 選擇電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式 電動(dòng)機(jī)分交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩種。由于直流電動(dòng)機(jī)需要直流電源，結(jié)構(gòu)較 復(fù)雜，價(jià)格較高，維護(hù)比較不便，因此無(wú)特殊需要時(shí)不宜采用。 生產(chǎn)單位一般用三相交流電源，因此基本都選用交流電動(dòng)機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)有異步 電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)兩類(lèi)。異步電動(dòng)機(jī)有籠型和繞線(xiàn)型兩種。我國(guó)新設(shè)計(jì)的 Y 系列三 相籠型異步電動(dòng)機(jī)屬于一般用途的全封閉自扇冷電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià) 格低廉、維護(hù)方便，適用于不易燃爆、無(wú)腐蝕性氣體和無(wú)特殊要求的機(jī)械上。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 4.2.2 電動(dòng)機(jī)的確定 卷圓機(jī)的下輥輪工作轉(zhuǎn)速： /601dnVWRms /ivnr （4.1） 式中： V下輥輪工作速度， （m/min） ； d下輥輪直徑，(mm)。 則 2103.84/min6nr 總傳動(dòng)比 （4.2）12i 式中：i總傳動(dòng)比； n1電機(jī)滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速(r/min)； n2下輥輪工作轉(zhuǎn)速(r/min)。 在整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中帶輪的傳動(dòng)比 i 帶 =24，齒輪的傳動(dòng)比 i 齒 =36，蝸輪蝸桿 的傳動(dòng)比 i 蝸 =1532。帶入式（4.2）得： 21ni （24） （36） （1532）n 1 （90768） 3.84 （345.62949.12）r/min 且已知電動(dòng)機(jī)功率 P=4kw，因此選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào) Y132M1-6，其額定功率 P=4KW， 滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速 n=960r/min. 4.3 傳動(dòng)比的計(jì)算 4.3.1 總傳動(dòng)比計(jì)算 由前面選取可知： 工作機(jī)轉(zhuǎn)速：n 2=3.84r/min 電機(jī)滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速：n 1=960r/min 由式（4.2）可得 。296053.84ni 4.3.2 分配傳動(dòng) i 帶 i 齒 i 蝸 ； 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 不能超過(guò)各自范圍； i 總 =i 帶 i 齒 i 蝸 。 則取 i 帶 =2 ，i 齒 =5 ，i 蝸 =25 。 4.4 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 4.4.1 各軸轉(zhuǎn)速計(jì)算 軸： =960r/minn 軸： 96048/min2ri 軸： 1./i5ni 軸： 93.84/inVri 4.4.2 各軸功率計(jì)算 各軸輸入效率：聯(lián)軸器效率： 1=0.99；帶輪效率： 2=0.96；齒輪效率： 3=0.97；軸承效率： 4=0.98；蝸輪蝸桿效率： 5=0.75。 軸： pkw 軸： 20.963.84kw 軸： 572 軸： 3.0.9.74Vp k 4.4.3 各軸轉(zhuǎn)矩計(jì)算 軸： 9503.79pTNmn 軸： 6.4 軸： 950132.5pTn 軸： 684.VVNm 將上述結(jié)果匯總于表 4.1 以備查用。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 表 4.1 減速器參數(shù)表 軸名 功率(KW) 轉(zhuǎn)矩 T(Nm ) 轉(zhuǎn)速 n(r/min) 傳動(dòng)比 i 效率 軸 4 39.79 960 2 0.96 軸 3.84 76.4 480 25 0.75 軸 2.88 1432.5 19.2 軸 2.74 6814.32 3.84 5 0.97 4.5 傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.5.1 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）選擇普通 V 帶 由課文查得，工作情況系數(shù) KA=1.2 計(jì)算功率：1.04.8VAPKW 小帶輪轉(zhuǎn)速： 96/minnr （2）選取 V 帶型號(hào) 根據(jù) P V 和 n0 ，則工作點(diǎn)處在 A 型區(qū)，故 V 帶型號(hào)為 A 型帶。 （3）確定帶輪基準(zhǔn)直徑 D1和 D2 選擇小帶輪基準(zhǔn)直徑 D 1 由文獻(xiàn) P145 表 8-4 可得，小帶輪直徑 D1=100mm2 取 D2=200mm219600.29648n m 雖然略有增大，但誤差小于 5%故允許。 驗(yàn)算帶速 13.40965.24/601Dnv s 在 525m/s 范圍內(nèi)可用。 （4）確定中心距 a 和帶的基準(zhǔn)直徑長(zhǎng)度 L0 初選中心距 a0 取初中心距 0.7（D 1+D2） a0 2（D 1+D2） 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 0.7（100+200） a0 2（100+200） 210 a0 600 取 a0=0.8（D 1+D2）=540mm。 確定帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 L0 2 112()2()4Dlaa 23.0)5405 16m 根據(jù)文獻(xiàn) P143 表 8-3，取 V 帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 L=1120mm（帶長(zhǎng)修正系數(shù) Kl=0.99）2 則實(shí)際中心距 0016554622dla m 驗(yàn)算小帶輪包角 由文獻(xiàn) P141 公式 8-22 （適用） 21180()57.30Da12 （5）確定帶的根數(shù) 由文獻(xiàn) P151 表 8-6 查得 P0=0.95kw；由 P152 表 8-7 插入法求得2 ；由 查 P152 表 8-8 得 ，則有：0.1()Pi170.98K 0 43.67()(.51).vlpZk 取 Z=4 根。 （6）計(jì)算作用在軸上載荷 FR 由文獻(xiàn) P142 表 8-2，得 q=0.10kg/m，單根 V 帶的初拉力：2 20.5(1)vpqvzk 24.8.0.1(5.)9 =187.9N 作用在軸上壓力： 0 72sin418.sin4.82QFZN （7）帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 帶速 V 30m/s，材料用灰鑄鐵 HT200。 ， 采用腹板式；130Dm ， 采用腹板式。2 （8）帶輪輪槽尺寸 由文獻(xiàn) P145 表 8-5，得 ， ，Bd=11mm， ， min9f15emmin6 ， ， 。min3hainhf()2(4)293BZf 4.5.2 蝸輪蝸桿的傳動(dòng)設(shè)計(jì) （1）已知蝸桿輸入功率 P=3.84kw，轉(zhuǎn)速 n =480r/min 傳動(dòng)比 i=25，單向傳動(dòng)， 載荷基本平穩(wěn)，沖擊較小，因蝸桿傳遞的功率不大，速度只是中等，故蝸桿選用 45 號(hào)鋼，因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為 4555HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅 ZCuSn10Pb1 金屬模制造。為節(jié)約貴重的有色金屬，僅 齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵 HT100 制造。且已知蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩為 1432.5 ，蝸輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10Pb1，砂型制造,估計(jì) Vs=2.5m/s，根據(jù)Nm 表 6-5 查得 180HMP （2）選擇蝸桿頭數(shù) Z1及蝸輪齒數(shù) Z2 根據(jù) i=25，查表 6-2 得蝸桿頭數(shù) =2，蝸輪齒數(shù)為121250Zi （3）確定蝸輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T2 T2為已知，即 T2=1.43106 Nm （4）確定模數(shù) m 和蝸桿分度圓直徑 d1 因載荷平穩(wěn)，取載荷系數(shù) K=1.1，得： 22623125050().43()486.1Hdk mZ 查表 6-1 得：模數(shù) m=8mm，蝸桿分度圓直徑 =80mm，直徑系數(shù) q=10。1d （5）計(jì)算主要尺寸 蝸輪分度圓直徑 25084dZm 蝸桿導(dǎo)程角 12arctnrta1.3q 中心距 2()(05)4 （6）驗(yàn)算相對(duì)滑動(dòng)速度 VS和傳動(dòng)效率， 蝸桿分度圓速度 113.802.1/6061dnms 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 齒面相對(duì)滑動(dòng)速度 12.0.5/cos3SVms 與估計(jì)值接近。 蝸桿傳動(dòng)效率：按 =2.5m/s，硬度 ，蝸輪材料為鑄錫磷青銅，查表 6-S4HRC 6 得 ,0.5vf2.vp 由式（6-9）得, （ 0.950.97） =0.760.78，與蝸輪蝸桿功率tan()vp 0.75 吻合。 （7）蝸桿傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算 蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 蝸輪齒面的接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算公式為： 2231500H HkTkdmqz （4.3） 可得： 221250()HdkTz （4.4） 式中： 分別為蝸輪齒面的接觸應(yīng)力和許用接觸應(yīng)力（MPa） ；,H k載荷系數(shù)，通常設(shè)計(jì)可取 k=1.11.3。 則有： ，即 。2350175.480HkTMPamqzH （8）蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的近似校核公式為： 21.53FFaFkTYdm （4.5） 式中： 螺旋角影響系數(shù)， ，已知 ，則Y 140Y.31.30.924 蝸輪齒形系數(shù)，按當(dāng)量齒數(shù) 值取，2Fa 23cosvZ 。350.19cos.vZ 4.5.3 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 （1）選擇齒輪材料精度 8 級(jí) 小齒輪 45 號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)處理）硬度 240HBS1； 大齒輪 45 號(hào)鋼（正火處理）硬度 200HBS2。 HBS1- HBS2=40 HBS 由文獻(xiàn) P82 表 5-4 取齒輪等級(jí)精度為 8 級(jí)，初選 （8 020 0） 。 15 （2）取齒數(shù) Z，范圍 2040 取齒數(shù) Z1=20，Z 2=i 齒 Z1=520=100 （3）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 公式： 21312()EHdZkTi （4.6） 確定各參數(shù) K： K=1.11.8 取 K=1.1。 T1： 。619.5084.32pNmn ：文獻(xiàn) P46 表 5-8 取 =1。d2d ZE： 文獻(xiàn) P95 表 5-7 取 Z E=189.8 。MPa ZH： ，其中 cos(in)btttntan20rcrc.65osos1t ar(s14.08bt 得 2cos14.082.in65H ： ，其中Z()312.83()cosZ 得 1.82cos15.630 其中 ，取1sin.38tan0.812tan5.7dBZm 1 則 41.6().73.Z ： cos098 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 ： HlimHNkS 其中 由圖 5-28， ， ； 由圖 5-26，計(jì)limli1580MPalim2390HMPaHNK 算循環(huán)次數(shù) N： 1603.4(61)456njlh 2 52907i 取 ， 1HNK1HS 則 ， 805MPa23190HMPa （4）設(shè)計(jì)計(jì)算 2312.614.58.42.78()390d 則 .m （5）幾何尺寸計(jì)算 中心距 ， 12()2cosnaZ1cos24.3cos15.80ndZ 取標(biāo)準(zhǔn)值 ，則 ，圓整得： 。.5nm.5(0)76.8csm 0am12()15(2)aroarcos.360n 11.36mZd22.512.98cos0n m 齒寬 ，圓整 ， （510）16.db2b12b =40mm （6）齒根彎曲強(qiáng)度校核 1FFaSFnkTYdbm （4.7） 確定各參數(shù) 可查 P94 表 5-6 則， ,FaSY1122.8,.579FaSaY 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 133204.1cos.6VZ 233.8. 0.75075. .1.6Y 圖 5-39 ， =0.84Y 其中 圖 5-27， ， ；limFNkSlimFlim140FMPalim2310FMPa1FNK ； 1.251.5，取 1.4。FS 則 ，140285.7.FMPa23102.4.Pa 校核 1.614.8.57.83.930F M1F 221904. Pa2 驗(yàn)證圓周速度 313.46.85./6001dnVms 圓周速度小于 10m/s，故選浸油潤(rùn)滑。 小齒的相關(guān)參數(shù)計(jì)算 分度圓直徑 1.256.cos03nmZd 基圓直徑 .cos.25bt 齒頂高 251nham 齒根高 ()(0.).16fC 全齒高 .68f 齒頂圓直徑 21.259.adh 齒根圓直徑 .34ff m 大齒的相關(guān)參數(shù)計(jì)算 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 分度圓直徑 21.5032.98cos6nmZdm 基圓直徑 .cos.51bt 齒頂高 1nha 齒根高 (0.2).6()nCf 全齒高 .5681fm 齒頂圓直徑 2139.35.4adh 齒根圓直徑 .296ff 4.6 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）四根軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 四根軸均采用 45 鋼，調(diào)制處理。 軸：P =4KW，n =960r/min， ，其中 c 取 103，3minpdc 則 ，取 。3min41096d.20 軸：P =3.84KW，n =480r/min， 其中 c 取 103，則 3minpd3min.8410d 。 20. 軸：P =2.88KW，n =19.2r/min， 其中 c 取 103，則in20.6 。 3min.8192d54.7m 軸：P =2.74KW，n =3.84r/min，c 取 103，則 ，取 3min2.74108d5.0m d =60mm。 （2）低速軸的計(jì)算 估算軸的基本直徑 輥輪處：60mm 軸承處：60mm 軸肩： 110mm 齒輪處：55mm 軸承處：60mm 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 確定各軸段長(zhǎng)度 輥輪處：39mm 軸承處：70mm 軸肩： 25mm 齒輪處：60mm 軸承處：71mm （3）軸的受力分析 求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩 6662.749.5109.510.8103pT Nmn 求軸上作用力 齒輪上的切向力 652.1tTFd 齒輪上的徑向力 4tan0tan29.810.3r N 齒輪上的軸向力 5t1t6.7a 確定軸上圓角和倒角尺寸 參照 30220 型軸承的安裝尺寸，軸上過(guò)渡圓角半徑全部取 ，軸端倒角1rm 為 ，其余取 。2452.54 計(jì)算軸的支承反力 水平面上的支反由 得， 12rvrF21()arrvdFab 得 ,419.360rvFN4449.80.3610.r N 垂直面上的支反力： 12Hrt ()rtFab 得： 417.30N 2rH 計(jì)算軸的彎矩，畫(huà)彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖 水平彎矩圖： 2rMFa4.710862.10Nm 垂直彎矩圖： 1936vb 462.35rv 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 合成彎矩圖： 26262611(.0)(.810)3.510HvMNm26262 (.).190HvMNm 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面 B）的強(qiáng) 度，根據(jù)： 軸的計(jì)算應(yīng)力： （ ） 221()caT0.3 6623.5081) 4Nm B 面的計(jì)算應(yīng)力： 63.147.9caMMPaW 由表 11-4 查得，對(duì)于 45 號(hào)鋼， ，其中 ,0b15WPa 且 ，因此軸的強(qiáng)度足夠安全。47.82caP15P 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 圖 4.2 軸的載荷分析圖 4.7 軸承設(shè)計(jì) 4.7.1 滾動(dòng)軸承的選擇和計(jì)算 與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力小，功率消耗小，起動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)。滾 動(dòng)軸承的類(lèi)型按照軸承所能承受的外載荷不同，可分為向心軸承、推力軸承和向心推 力軸承三大類(lèi)。 選用軸承時(shí)，首先是選擇軸承類(lèi)型。選擇軸承類(lèi)型時(shí)應(yīng)考慮的主要因素有軸承的 載荷，軸承的轉(zhuǎn)速，軸承的調(diào)心性能及軸承的安裝和拆卸。其中，軸承所受載荷的大 小、方向和性能，是選擇軸承類(lèi)型的主要依據(jù)。根據(jù)載荷的大小選擇軸承類(lèi)型時(shí)，由 于滾子軸承中主要元件間是線(xiàn)接觸，宜用于承受較大的載荷，承受后的變形也較小。 而球軸承中則主要為點(diǎn)接觸，宜用于承受較輕的或中等的載荷。 根據(jù)載荷的方向選擇軸承類(lèi)型時(shí)，對(duì)于純軸向載荷，一般選用推力軸承。較小的 純軸向載荷可選用推力球軸承；較大的純軸向載荷可選用推力滾子軸承。對(duì)于純徑向 載荷，一般選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承。當(dāng)軸承在承受徑向載荷 Fr 的同時(shí)，還有不大的軸向載荷 Fa時(shí)，可選用深溝球軸承或接觸角不大的角接觸球軸 承或圓錐滾子軸承；當(dāng)軸向載荷較大時(shí)，可選用接觸角較大的角接觸球軸承或圓錐滾 子軸承，或者選用向心軸承和推力軸承組合在一起的結(jié)構(gòu)，分別承擔(dān)徑向載荷和軸向 載荷。 根據(jù)以上因素,選擇圓錐滾子軸承。其徑向承載能力較大，可以同時(shí)承受徑向載 荷和軸向載荷。內(nèi)外圈可分離，游隙可調(diào)整，裝拆方便。一般成對(duì)使用。適用于轉(zhuǎn)速 不太高、剛性較大的軸，且可大量生產(chǎn)，價(jià)格最低。 因此輸出軸上選用 30220 型軸承。其中 ，25rCKN ， ， 。且 ， ，305orCKN1pTf0.4e49.810F3.8/minnr 。 49.83.52sFNY 求 ： r129.rrF 得： ， 。5160rF52710r 求 ： s 1.4.s N Mechanism and MachinesA system that transmits forces in a predetermined manner to accomplish specific objectives may be considered a machine. A mechanism may be defined in a similar manner, but the term mechanism is usually applied to a system where the principal function is to transmit motion. Kinematics is the study of motion in mechanism, while the analysis of force and torques in machined is called dynamics.Once the need for a machine or mechanism with given characteristics is identified, the design process begins. Detailed analysis of displacements, velocities, and accelerations is usually required. This part of the design process is then followed by analysis of force and torques. The design process may continue long after first model have been produce and include redesigns of component that affect velocities, accelerations, force, and torques. In order to successfully compete form year to year, most manufacturers must continuously modify their product and their methods of production. Increases in production rate, upgrading of product performance, redesign for cost and weight reduction, and motion analysis of new product lines are frequently required. Success may hinge on the correct kinematic and dynamic analysis of the problem.Many of the basic linkage configurations have been incorporate into machines designed centuries ago, and the term we use to describe then have change over the year. Thus, definitions and terminology will not be consistent throughout the technical literature. In most cases, however, meanings will be clear form the context of the descriptive matter. A few terms of particular interest to the study of kinematic and dynamics of machines are define below.Link A link is one of the rigid bodies or members joined together to form a kinematic chain. The term rigid link or sometimes simply link is an idealization used in the study of that does not consider small deflections due to strains in machine members. A perfectly rigid or inextensible link can exist only as a textbook type of model of a real machine member. For typical machine part, maximum dimension changes are of only a one-thousandth of the part length. We are justified in neglecting this small motion when considering the much greater motion characteristic of most mechanisms. The word link is used in a general sense to include cams, gears, and other machine members in addition to cranks, connecting rods and other pin-connected components.Degrees-of-freedom The number of degrees-of-freedom of a linkage is the number of independent parameters required to position of every link relative to the frame or fixed link. If the instantaneous configuration of a system may be completely defined by specifying one independent variable, that system has one degree-of-freedom. Most practical mechanisms have one degree-of-freedom.An unconstrained rigid body has six degrees-of-freedom: translation in three coordinates and rotation about three coordinate axes. If the body is restricted to motion in a plane, there are three degrees-of-freedom: translation in two coordinate directions and rotation within the plane.Lower and Higher Pairs Connections between rigid bodies consist of lower and higher pairs of elements. The two elements of a lower pair have theoretical surface contact with one another, while the two elements of a higher pair have theoretical point or line contact (if we disregard deflections).Lower pairs are desirable from a design standpoint since the load at the joint and the resultant wear is spread over the contact surface. Thus, geometric changes or failure due to high contact stresses and excessive wear may be prevented.Mechanism A mechanism is a kinematic chain in which one link is considered fixed for the purpose of analysis, but motion is possible in other links. As noted above, the link designated as the fixed link need not actually be stationary relative to the surface of the earth. A kinematic chain is usually identified as a mechanism if its primary purpose is the modification or transmission of motion.Machine A mechanism designed for the purpose of transmitting forces or torques is usually called a machine.Engine A machine that involves conversion of energy to produce mechanical power is commonly called an engine. Thus, the crankshaft, connecting rod, piston, and cylinder of an automotive engine would be an engine by the above definitions, while other drive train components such as the transmission, differential, and universal joint would be considered machines. Machines and engines may have the same configuration as other mechanisms that do not convert energy and are not intended to transmit significant levels of force or torque. Thus, for the purpose of kinematic analysis, the above distinction between mechanism, machine, and engine may be of only academic importance.A Mechanism has been defined as “a combination of rigid or resistant bodies so formed and connected that they move upon each other with definite relative motion.”Mechanisms form the basic geometrical elements of many mechanical devices including automatic packaging machinery, typewriters, mechanical toys, textile machinery, and others. A mechanism typically is designed to create a desired motion of a rigid body relative to a reference member. Kinematic design of mechanisms is often the first step in the design of a complete machine. When forces are considered, the additional problems of dynamics, bearing loads, stresses, lubrication, and the like are introduced, and the larger problem becomes one of machine design.The function of a mechanism is to transmit or transform motion from one rigid body to another as part of the action of a machine. There are three types of common mechanical devices that can be used as basic elements of a mechanism.Gear Systems Gear systems, in which toothed members in contact transmit motion between rotating shafts. Gears normally are used for the transmission of motion with a constant angular velocity ratio, although noncircular gears can be used for nonuniform transmission of motion.Cam Systems Cam systems, where a uniform motion of an input member is converted into a nonuniform motion of the output member. The output motion may be either shaft rotation, slider translation, or other follower motions created by direct contact between the input cam shape and the follower. The kinematic design of cams involves the analytical or graphical specification of the cam surface shape required to drive the follower with a motion that is a prescribed function of the input motion.Plane and Spatial Linkages They are also useful in creating mechanical motions for a point or rigid body. Linkages can be used for three basic tasks.(1) Rigid body guidance. A rigid body guidance mechanism is used to guide a rigid body through a series of prescribed positions in space.(2) Path generation mechanism will guide a point on a rigid body through a series of points on a specified path in space.(3) Function generation. A mechanism that creates an output motion that is a specified function of the input motion.Mechanisms may be categorized in several different ways to emphasize their similarities and differences. One such grouping divides mechanisms into planar, spherical, and spatial categories. All three groups have many things in common; the criterion which distinguishes the groups, however, is to be found in the characteristics of the motions of the links.A planar mechanism is one in which all particles describe plane curves in space and all these curves lie in parallel planes; i.e. the loci of all points are plane curves parallel to a single common planar mechanism in its true size and shape on a single drawing or figure. The plane four-bar linkage, the plate cam and follower, and the slider-crank mechanism are familiar examples of planar mechanisms. The vast majority of mechanisms in use today are planar.A spherical mechanism is one in which each link has some point which remains stationary as the linkage moves and in which the stationary points of all links lie at a common location; i.e., the locus of each point is a curve contained in a spherical surface, and the spherical surfaces defined by several arbitrarily chosen points are all concentric. The motions of all particles can therefore be completely described by their radial projections, or “shadows,” on the surface of a sphere with properly chosen center. Hookes universal joint is perhaps the most familiar example of a spherical mechanism.Spatial mechanisms, on the other hand, include no restrictions on the relative motions of the particles. The motion transformation is not necessarily coplanar, nor must it be concentric. A spatial mechanism may have particles with loci of double curvature. Any linkage which contains a screw pair, for example, is a spatial mechanism, since the relative motion within a screw pair is helical. 機(jī)構(gòu)與機(jī)器一個(gè)系統(tǒng)，它按預(yù)先確定的方式來(lái)傳輸動(dòng)力完成的具體的目標(biāo)也許可以被認(rèn)為是機(jī)器。一種機(jī)構(gòu)也可以以類(lèi)似的方式定義，但長(zhǎng)期的機(jī)構(gòu)通常是適用于一個(gè)系統(tǒng)的主要職能是傳遞運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)學(xué)是研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，而分析力和力矩的機(jī)械稱(chēng)為動(dòng)力學(xué)。 一旦需要給出識(shí)別一個(gè)機(jī)構(gòu)或機(jī)械裝置的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)過(guò)程就開(kāi)始了。通常需要仔細(xì)地分析位移，速度和加速度。這部分的設(shè)計(jì)過(guò)程后，其次是分析力和力矩。設(shè)計(jì)過(guò)程中可能會(huì)繼續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間后產(chǎn)生第一種模式，其中包括重新設(shè)計(jì)的組成部分，影響速度，加速度，力和力矩。年復(fù)一年的為了競(jìng)爭(zhēng)成功，大部分的制造商必須不斷地修改他們的產(chǎn)品及其生產(chǎn)方法。提高生產(chǎn)速度，提高產(chǎn)品性能，重新設(shè)計(jì)的成本和減輕體重，運(yùn)動(dòng)分析和新的生產(chǎn)線(xiàn)往往是需要的。成功或許取決于正確的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析的問(wèn)題。許多基本的連接裝置構(gòu)造世紀(jì)以前已經(jīng)成為機(jī)器設(shè)計(jì)的組成部分，和我們使用這個(gè)術(shù)語(yǔ)形容當(dāng)時(shí)的變化超過(guò)一年。因此，定義和專(zhuān)門(mén)的術(shù)語(yǔ)將不符合整個(gè)技術(shù)的文獻(xiàn)。在大多數(shù)情況下，但是，含義將是明確的背景下形成的重要性的描述。有幾個(gè)方面特別感興趣的研究機(jī)器運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的定義如下。 桿件 一個(gè)桿件是一個(gè)嚴(yán)格的機(jī)構(gòu)或其共同組成一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈。長(zhǎng)期嚴(yán)格的桿件或有時(shí)只是使用一個(gè)理想化的桿件研究，由于機(jī)件拉緊不考慮微小撓度。一個(gè)完全不彎曲或不可拉長(zhǎng)的桿件可能存在不僅是一種教科書(shū)式的模型，一個(gè)真正的機(jī)器的構(gòu)件。對(duì)于典型的機(jī)械部分，最大尺寸的變化是只有長(zhǎng)度部分的千分之一。當(dāng)我們考慮多數(shù)機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)特性時(shí)我們有理由忽視這個(gè)小小的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)桿件定理中使用的一般意義上包括凸輪，齒輪，和其他構(gòu)件除了曲柄、連桿和其他引腳連接組件。自由度 自由度的數(shù)量的聯(lián)系是一些獨(dú)立的參數(shù)必須立場(chǎng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)相對(duì)內(nèi)或固定桿件。如果即可改造的系統(tǒng)可以完全確定指定一個(gè)獨(dú)立的變量，該系統(tǒng)有一個(gè)自由度。多數(shù)實(shí)用的機(jī)械裝置就有一個(gè)自由度。 一個(gè)無(wú)約束剛體有6個(gè)自由度：直線(xiàn)移動(dòng)在三個(gè)坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)三個(gè)坐標(biāo)軸。如果該機(jī)構(gòu)是限制于在一個(gè)平面運(yùn)動(dòng)，那有三個(gè)自由度：直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)在兩個(gè)坐標(biāo)方向和在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。 高副和低副 鏈接的剛體之間包括高副和低副兩個(gè)要素。這兩個(gè)因素中的低副是兩個(gè)理論表面之間的接觸，而這兩個(gè)因素中的高副是理論的點(diǎn)或線(xiàn)接觸（如果我們忽視了撓度）。 低副是從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看是可取的，由于聯(lián)合負(fù)荷以及由此產(chǎn)生的磨損分布在整個(gè)接觸面。因此，幾何變化或失敗而高接觸應(yīng)力和過(guò)度磨損或許是可以避免的。機(jī)械裝置 機(jī)械裝置是一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈系中的一環(huán)被認(rèn)為是特定的目的是為了分析，但運(yùn)動(dòng)可能是其他的環(huán)節(jié)。如上所述，特定的桿件為指定的桿件不需要與實(shí)際相對(duì)固定在地球表面。如果運(yùn)動(dòng)學(xué)鏈主要目的是緩和或傳輸動(dòng)力，其就通常被作為一種機(jī)械裝置， 機(jī)器 這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是為達(dá)到轉(zhuǎn)遞動(dòng)力或力矩的目的通常是所謂的機(jī)器。 發(fā)動(dòng)機(jī) 一個(gè)機(jī)器需要能量轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的機(jī)械動(dòng)力通常稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，曲軸，連桿，活塞和氣缸的自動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)由上面所述的發(fā)動(dòng)機(jī)的定義，而其他的傳動(dòng)部件，例如變速箱，差速器，和萬(wàn)向聯(lián)軸器都被稱(chēng)為為機(jī)械裝置。機(jī)器和發(fā)動(dòng)機(jī)或許有相同裝置，其他的機(jī)械裝置不能轉(zhuǎn)換動(dòng)力，而是為了傳輸大的動(dòng)力或者是扭矩。因此，為了運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析，上述機(jī)械裝置、機(jī)器、發(fā)動(dòng)機(jī)之間的區(qū)別，可能僅僅在學(xué)術(shù)上有重要性。機(jī)構(gòu)就是：由剛體或者是有承載能力的物體連接而組成的組合體，他們?cè)谶\(yùn)動(dòng)時(shí)候彼此間具有確定的相互運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)是由構(gòu)成這些機(jī)械設(shè)備的基本的幾何單元，這些機(jī)械設(shè)備包括自動(dòng)包裝機(jī)、打字機(jī)、機(jī)械的玩具、紡織機(jī)等等。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是使一個(gè)剛體相對(duì)某一個(gè)參考的構(gòu)件產(chǎn)生所需要的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)通常是設(shè)計(jì)一個(gè)完整的機(jī)器的第一步。在考慮力的作用時(shí)應(yīng)該考慮動(dòng)力學(xué)、軸承的載荷、應(yīng)力、潤(rùn)滑等一系列問(wèn)題。在所考慮的問(wèn)題的范圍擴(kuò)大之后，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)就變成了機(jī)器設(shè)計(jì)。作為機(jī)器的一個(gè)組成部分，機(jī)構(gòu)的作用是在剛體之間相互傳遞或轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)。經(jīng)常用到的基本機(jī)構(gòu)有以下三種：應(yīng)該考慮動(dòng)力學(xué)、軸承的載荷、應(yīng)力、潤(rùn)滑等一系列問(wèn)題。在所考慮的問(wèn)題的范圍擴(kuò)大之后，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)就變成了機(jī)器設(shè)計(jì)。作為機(jī)器的一個(gè)組成部分，機(jī)構(gòu)的作用是在剛體之間相互傳遞或轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)。經(jīng)常用到的基本機(jī)構(gòu)有以下三種：齒輪機(jī)構(gòu) 在這種機(jī)構(gòu)中，各各轉(zhuǎn)軸之間的運(yùn)動(dòng)是由相互嚙合的齒輪來(lái)傳遞。齒輪通常用來(lái)傳遞角速度比常值的運(yùn)動(dòng)，但是非圓輪可以用來(lái)傳遞角速度比為變數(shù)的運(yùn)動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu) 在這種機(jī)構(gòu)中，輸入件的等速連續(xù)運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換成輸出件的不等速運(yùn)動(dòng)。輸出的運(yùn)動(dòng)可以是軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、滑塊的移動(dòng)、或者其他從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)都是從動(dòng)件與作為輸入件的凸輪的輪廓的直接接觸而產(chǎn)生的。凸輪的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)就是采用解析法或者是圖解法來(lái)確定凸輪的輪廓形狀，使其能夠帶動(dòng)從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)輸出運(yùn)動(dòng)的制定函數(shù)這個(gè)功能。平面和空間連桿機(jī)構(gòu) 此類(lèi)機(jī)構(gòu)也是用來(lái)使機(jī)構(gòu)上的某一點(diǎn)或者是剛體實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的，兩岸的基本作用有三種：（1）剛體導(dǎo)向 剛體導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是用來(lái)引導(dǎo)一個(gè)剛體，使其通過(guò)空間的一系列預(yù)訂的位置;（2）實(shí)現(xiàn)軌跡 實(shí)現(xiàn)軌跡機(jī)構(gòu)將引導(dǎo)剛體上的一個(gè)點(diǎn)，使其通過(guò)空間指定的空間軌跡上的一系列點(diǎn)；（3）實(shí)現(xiàn)函數(shù) 此類(lèi)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的輸出運(yùn)動(dòng)是輸出運(yùn)動(dòng)的指定函數(shù)。為了強(qiáng)調(diào)各種機(jī)構(gòu)之間的相同之處和不同之處，可以把它們按照幾種不同的方式進(jìn)行分類(lèi)。一種分類(lèi)方式就是將機(jī)構(gòu)分成平面、球面和空間等三類(lèi)。這三類(lèi)機(jī)構(gòu)有很多共同之處，然而，可以根據(jù)其構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)來(lái)確定分類(lèi)準(zhǔn)則。在平面機(jī)構(gòu)中，所有的質(zhì)點(diǎn)在空間所走過(guò)的軌跡都是平面曲線(xiàn)，所有這些平面曲線(xiàn)都位于相互平行平面上，也就是說(shuō)所有的軌跡都是平行于一個(gè)共同平面的平面曲線(xiàn)。這一特性使平面機(jī)構(gòu)上任意選定的一個(gè)點(diǎn)都可以按其真實(shí)尺寸和形狀在一個(gè)視圖上表示出運(yùn)動(dòng)軌跡。平面四桿機(jī)構(gòu)、平板凸輪機(jī)構(gòu)和其他的從動(dòng)件、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是大家都比較熟悉的平面機(jī)構(gòu)的例子?，F(xiàn)在使用的機(jī)構(gòu)大多數(shù)機(jī)構(gòu)是平面機(jī)構(gòu)。在球面機(jī)構(gòu)中，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，每一個(gè)構(gòu)件上都有一個(gè)點(diǎn)是靜止的所有構(gòu)件的靜止點(diǎn)都處于同一個(gè)位置，也就是說(shuō)每一點(diǎn)的軌跡都是球面曲線(xiàn)。所有各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所在的球面都是同心的。因而，所有質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)都能用它們?cè)谝赃m當(dāng)選取的點(diǎn)為中心的球面上的徑向投影來(lái)完整的進(jìn)行描述。虎克萬(wàn)向聯(lián)軸器或許會(huì)是人們最熟悉的一個(gè)球面機(jī)構(gòu)的例子。從另一方面講，在空間機(jī)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不受約束。運(yùn)動(dòng)的變換不要求共面，不要求同心。空間機(jī)構(gòu)上許多質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡可能具有雙重曲率。舉例子，任何含有螺旋副的連桿機(jī)構(gòu)，由于它的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是螺旋線(xiàn)形的，因此是空間的機(jī)構(gòu)。