工業(yè)縫紉機壓腳結構電控系統(tǒng)改良

工業(yè)縫紉機壓腳結構電控系統(tǒng)改良,工業(yè),縫紉機,結構,系統(tǒng),改良 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 本科畢業(yè)設計(論文) 題目：工業(yè)縫紉機壓腳結構 電控系統(tǒng)改良 壓腳結構電控系統(tǒng)的設計 摘 要 壓腳結構是工業(yè)縫紉機的重要組成部分之一，它的工作狀況直接影響著工業(yè)縫紉機的正常工作。在普通的工業(yè)縫紉機工作中，每次輸送布料時都需要根據(jù)布料的高低程度手動的調節(jié)壓腳結構，這種手動方式大大消耗了人力物力，更重要造成了時間的浪費。隨著科技的發(fā)展，工業(yè)自動化慢慢滲入制造行業(yè)，電動系統(tǒng)控制的出現(xiàn)大大解決了這一缺點，工業(yè)縫紉機壓腳結構電控系統(tǒng)的改良可以說是對壓腳結構的完美解決。 本文在對國內外工業(yè)縫紉機壓腳結構現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢做了充分調研的基礎上，設計一種壓腳結構電控系統(tǒng)。壓腳結構電控系統(tǒng)是由電磁鐵、軸、連接曲柄和控制系統(tǒng)組成。工業(yè)縫紉機壓腳結構電控系統(tǒng)的應用將大大節(jié)約了流水線中每次更換布料所用的時間，提高了產(chǎn)品效率，曾加了縫紉機的使用壽命。 本文簡單介紹了工業(yè)縫紉機壓腳結構改良的原理和結構，對加工工藝也作了簡單的說明，依據(jù)電磁鐵的運行原理，運用力學理論對工業(yè)縫紉機壓腳結構進行了全面的力學分析。 關鍵詞：工業(yè)縫紉機；電控系統(tǒng)；壓腳結構 Design of the Pressure Foot Structure's Electric Control System Abstract The pressure foot structure is an important part of industrial sewing machine whose working conditions directly affect the normal operation of industrial sewing machine. In the industrial sewing machine working, each conveying and distributing all need to manually adjust the degree of the cloth presser foot structure. This manual operation greatly cost manpower and material resources, more important, resulting in time wasting. With the development of science and technology, industrial automation slowly into the manufacturing industry, the electric control system has greatly solves the disadvantages. Improvement of pressure control system of industrial sewing machine foot structure can be said to be the perfect solution for pressure foot structure. Based on the domestic industrial sewing machine presser foot structure of current situation and development trend of a full investigation on the basis of the design, a pressure foot structure control system.Presser foot structure of control system is composed of an electromagnet, shaft, connecting the crank and a control system. Application of pressure control system of industrial sewing machine foot structure will greatly reduce the time of replacing the cloth on line , improve the product efficiency, increasing the service life of the sewing machine. This paper introduces the principle and structure of the modified pressure foot structure of industrial sewing machine, the processing technology are briefly described, according to the operation principle of electromagnet, the mechanics theory of industrial sewing machine presser foot structure for a comprehensive analysis of the mechanics. Key Words: Industrial sewing machine；Electronic-control System；Pressure foot structure 目 錄 1 緒論 1 1.1課題背景 1 1.2課題的構思和思路 1 1.3工業(yè)縫紉機線跡形成與工作原理 2 1.4工業(yè)縫紉機的設備組成 2 1.5國內外工業(yè)縫紉機的發(fā)展概況 6 1.6主要設計內容簡介 7 1.7課題研究的重點和難點 7 2 壓腳結構電控系統(tǒng)的介紹 8 2.1壓腳結構的運行過程 8 2.2整體設計 8 2.3功能原理方案分析 9 2.4結構的選擇與設計 9 2.4.1轉動軸的設計 10 3 傳動系統(tǒng) 11 3.1曲柄與軸傳動 11 3.1.1銜鐵的位移 12 3.1.2 銜鐵的運動速度 12 3.2曲柄質量的換算 13 3.2.1曲柄慣性力 14 3.3軸與壓腳結構的連接分析 15 4 曲柄的設計 17 4.1柄組的設計 17 4.1.1曲柄長度的確定 17 4.1.2曲柄小頭的結構設計與強度、剛度計算 17 4.1.3曲柄桿身的結構設計與強度計算 20 4.1.4曲柄大頭的結構設計與強度、剛度計算 23 4.2 螺栓銷的設計 24 4.2.1 螺栓銷的工作負荷與預緊力 24 4.2.2 螺栓銷的屈服強度校核和疲勞計算 25 5 機構的創(chuàng)建 26 5.1對Pro/E軟件簡介 26 5.2電磁鐵的創(chuàng)建 26 5.2.1 電磁鐵的特點分析 26 5.2.2 電磁鐵的建模思路 27 5.2.3 電磁鐵的建模步驟 27 5.3曲柄的創(chuàng)建 28 5.3.1曲柄的特點分析 28 5.3.2拉桿的建模思路 28 5.3.3曲柄體的建模步驟 28 5.3.4拉桿機構的建模 29 5.4的創(chuàng)建 30 5.4.1 軸的特點分析 30 5.4.2 軸的建模思路 30 5.4.3 軸的建模步驟 30 5.5壓腳的創(chuàng)建 32 5.5.1連接套的創(chuàng)建 33 5.5.2曲柄螺栓的創(chuàng)建 33 6 課題發(fā)展趨勢及問題 35 6.1發(fā)展趨勢 35 6.2存在問題 35 6.2.1設計困難復雜 35 6.2.2間隙的控制誤差大 36 6.2.3故障較多 36 致 謝 37 參考文獻 38 III 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 主要符號表 V 速度(m/s) D 軸直徑(m) g 重力加速度(m/s2) e 曲柄臂質心位置與曲拐中心的距離 λ 曲柄比 r 曲柄半徑() 曲柄旋轉角速度() a 軸轉角 I 轉動慣量 Ω 角速度 J 旋轉慣性力 F 螺栓面積 V 速度 Q 屈服極限 P 徑向壓力 1 1 緒論 1.1課題背景 縫紉機是服裝加工的主要機械設備，近年來隨著服裝采用的面料品種越來越多(針織、機織、純棉、化纖及絲綢等等)。服裝的款式變化很快，各類外衣、內衣、運動衣以及職業(yè)服裝不斷更新，同時由于對成衣各部位穿著性能和要求各不相同，所以就需要多種性能的縫紉機來完成。 目前，國際上的工業(yè)縫紉機制造業(yè)發(fā)展迅速，正在不斷地改進結構、提高速度和工作的穩(wěn)定性，而且強調系列化生產(chǎn)．采用—機多用及增加附屬裝置來提高生產(chǎn)效率和更新產(chǎn)品的能力。在縫紉機上采用電子裝置．改善了啟動、停車裝置，減輕了勞動強度。由于服裝花色品種的增加，縫紉方式越來越復雜[1]于是花色縫紉機品種也日新月異。綜合應用電子、電腦、液壓、氣動等先進技術，促進了縫紉作業(yè)操作自動化和縫紉機功能自動化。廣泛應用電腦和測試技術，已體現(xiàn)了現(xiàn)代縫紉工業(yè)高精度和高速度的特點。工業(yè)縫紉機區(qū)別于一般家用縫紉機．首先它要講求效率和專用化．平均轉速為5000r／mm以上，應能自動加油。第二它要經(jīng)久耐用，在高速生產(chǎn)中不易發(fā)生故障。第三操作熟練化程度要求不高，經(jīng)過短期培訓的工人．就可以達到熟練操作水平。 而業(yè)縫紉機確是高度專業(yè)化的機種。為了適應不同用途的需要，當前世界工業(yè)縫紉機已多達4000種以上，并且，在每種工業(yè)縫紉機上安裝不同的輔助(附屬)裝置．就可進行多工種的作業(yè)。 1.2課題的構思和思路 工業(yè)縫紉機壓腳結構電控系統(tǒng)的應用將大大節(jié)約了流水線中每次更換布料所用的時間，提高了產(chǎn)品效率，曾加了縫紉機的使用壽命。本文簡單介紹了工業(yè)縫紉機壓腳結構改良的原理和結構，對加工工藝也作了簡單的說明，依據(jù)電磁鐵的運行原理，運用力學理論對工業(yè)縫紉機壓腳結構進行了全面的力學分析。 1 1 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 1.3工業(yè)縫紉機線跡形成與工作原理 線跡形成過程一般分為7步[2](棱式線跡只需6步；鏈式、包縫線跡需7步)：直針穿刺面料，面線通過面料：直針線環(huán)形成，下成縫器(梭子或彎針等)穿套并鉤住已形成的直針線環(huán)，彎針三角線環(huán)形成；直針退出面料．收線器收緊線跡；在送料機構的作用下，將面料推進一個針跡。以上各步重復進行．使線跡連續(xù)起來，實現(xiàn)對縫制品的縫紉。這7步是通過縫紉機的引線、鉤線、挑線和送料四大機構互相配合實現(xiàn)的 1.4工業(yè)縫紉機的設備組成 縫紉機的種類雖然很多，但最基本的結構原理是相同的。縫紉機由機架、臺板和機頭三部分組成。機架是縫紉機的支架和動力部分，使用者踏動踏板，經(jīng)過連稈，接通電源啟動電動機，經(jīng)離合器帶動皮帶，使上軸轉動，機頭內各機構配合運動進行縫紉。臺扳是縫紉機的工作臺面。機頭是主體，進行縫紉主要是靠機頭內的成縫機構密切配合來實現(xiàn)的，縫紉機組成圖如圖1所示，機頭如圖2所示 圖1.1 工業(yè)縫紉機 縫紉機機頭由機袖、機袖托架和平盤三個部分組成，如圖1.1所示。為實現(xiàn)縫紉，縫紉機頭包括以下基本工作構件。 (1)針 縫紉機用針通常叫做縫針(直針)．是縫紉機成縫的主要構件。它的功能是穿刺面料引導縫線形成直針線環(huán)[3]。 1 針桿的運動分析 圖1.3 搖臂運動簡圖 如圖1.3所示．當主軸即針桿曲柄轉動一周時，點C的位移等于針桿曲柄長度的2倍，因為針桿是作上下平移運動，所示點C的運動規(guī)律也就是針桿的運動規(guī)律。根據(jù)針桿曲柄回轉角φ求出針桿的位置S： X=Rcosφ+Lcosα （1.1） S=X-(L-R)=Rcosφ+Lcosα-L+R=R(cosφ+1)+L(cosα-1) 上式S對時間的一次微分得到針桿的速度，兩次微分得到針桿的加速度。然后把針桿的位移、速度、加速度隨曲柄(即主軸)轉角φ的變化在電子計算機上算得的結果列于附錄2，并繪制成曲線如圖1.4.4所示，針桿在最高位置時，對應的主軸轉角為0o。 圖1.4 針桿的運行軌跡 由曲線與計算結果分析可以得到如下結論。 (1) 針桿從最高位置下降時，起始速度很緩慢，大約主軸轉到105o左右，針桿速度達最大值，此時正是針穿刺縫料的階段，也是針受阻力最大的位置，但由于最大的速度產(chǎn)生了最大的動能，對穿刺繡料很有利。 (2) 針桿運動到105o后速度逐漸減慢，針桿在一個循環(huán)中的運動特點是從慢一快一慢一快的周期性變化。 (3) 當縫針自最低位置180o上升時，正好是縫針形成線環(huán)，而這時也正好是縫針速度緩慢的時候．這樣有益于線環(huán)的順利形成．并且使形成的線環(huán)具有一定的穩(wěn)定性。4縫針在255o～310o時，速度由大到小，這時挑線機構正處于開始收線階段，逐漸形成線跡，保證線跡質量。 (2) 成縫器(鉤線機構) 梭縫線跡縫紉機的成縫器是梭子，鏈縫線跡類型縫紉機的成縫器指的是彎針或鉤針。成縫器的功能是鉤住和帶走、拉長、擴大直針線環(huán)，引到線軸旋轉供線，從而實現(xiàn)上下線的交織，形成一個梭縫線跡或實現(xiàn)上下線的相互穿套形成的鏈縫線跡[3]。 梭機構的分析 梭子的主要構件有梭殼、梭慶、梭芯和紗管，圖2-9a中1為梭殼，梭殼用3個螺釘緊固在下軸上，當主軸以3000r/min的速度轉動時，梭殼以6000r／min的轉速轉動，梭殼上有梭嘴，是鉤線環(huán)的鉤子，殼內有導槽與梭床的凸出導軌相配合，因此對梭殼表而的光潔度、硬度、形狀的準確性有一定的要求。覆蓋在梭嘴部位上面的彈簧片3用來壓住線環(huán)，限制其向外滑動。 (3) 收線器(挑線機構) 收線器也是縫紉機成縫的主要構件，其功能是為縫針、梭子或彎針形成線環(huán)供應縫線．同時收緊前一個線跡[3]。 挑線機構的分析 圖1.5 挑線機構簡圖 圖1.5為挑線機構和針桿機構的運動簡圖。由于在縫紉過程中，這兩個機構有一個運動配合的要求，所示兩個機構的曲柄OA和OD之間有一個夾角α，α角為30.2o,挑線機構在起點(分度點1’)時,縫針正好在最低位置，從這一點開 4 始終針又重新上升，并在針孔旁形成線環(huán)。挑線機構在分度點7’時，縫針剛好使最高位置，此后縫針又重新下降開始第二次穿刺面料。 當挑線機構的曲柄OA轉一轉時，穿線孔K點描繪著復雜的曲線，如圖所示，圖中勻速運動的曲柄每轉30o找出一個對應K點的位置,這樣就得到了K點的運動軌跡，從K點的運動軌跡可以看出，K點是做變速運動，在一段時間內K點運動速度較慢(對應的K點比較密)， 在另—段時間內K點運動速度較快(對應的K點比較疏)。例如，挑線桿的穿線孔按它的運動過程下降時必須慢速將面線供給縫針，這一段K點運動較慢，以滿足面線繞過梭芯運動的需要，圖中K點從9、10……到5；而向上運動時需要的速度較快，把面線從梭機構中抽出并拉緊線跡，圖中K點從5、6……到9。 (4) 送布機構(續(xù)料輸送器) 其用途是決定送布量的大小即線跡長度。利用繼料輸送器按一定量和一定方向推送縫料，獲得一定長短的線跡。 送布機構分析 送布的直接構件是送布牙，這個構件的上端面制成形狀特殊的牙齒，并在針板槽里移動，在縫紉機運轉周期的適當階段，牙齒稍微拾起高出針板的水平面I—I，使牙齒壓入并抓住面料，同時根據(jù)針跡長度和指定的方向傳送面料(如箭頭所示)，然后送布的牙齒下降到針板上平面以下的位置，如圖1-4-6所示，送布牙向后移動退回到原來的位置。 圖1.6 送布機構 (5) 壓腳構件 作用是將面料緊壓于針扳上．并與送布牙配合實現(xiàn)送布[3]。 壓腳機構的分析 是把面料壓緊在針板和送布牙上配合送布。送布牙本身不能送布、因此沒有壓腳是不可能送布的。壓腳靠壓力將面料固定在針板上，所以在縫針回升時，面料才不會和縫針一起提 6 1.5國內外工業(yè)縫紉機的發(fā)展概況 我國已是世界縫紉機生產(chǎn)大國，生產(chǎn)集中度明顯提高，以上海、浙江、陜西、天津、江蘇、廣東等六個主要產(chǎn)區(qū)為代表的區(qū)域結構趨于合理[1]。整機、零部件生產(chǎn)企業(yè)間專業(yè)分工與協(xié)作體系已經(jīng)形成，社會化生產(chǎn)程度不斷提高。產(chǎn)品門類基本齊全，品種豐富，現(xiàn)常年生產(chǎn)的產(chǎn)品己從20年前的數(shù)十種增加到現(xiàn)在的1000多種。產(chǎn)品質量水平不斷提高，高速平縫機、高速包縫機等常規(guī)產(chǎn)品己達到或接近國際先進水平。不少企業(yè)已走過買圖紙生產(chǎn)，照樣機翻版的初級消化吸收階段，開始自行研究開發(fā)，創(chuàng)新設計擁有自主知識產(chǎn)權的新一代產(chǎn)品。行業(yè)研發(fā)力量不斷壯大，技術與裝備水平不斷提高。目前，國際上縫紉機行制造行業(yè)發(fā)展迅速，正在不斷改進結構，提高速度和穩(wěn)定性，并盡量加強系列性，采取一機多用，增加附屬裝置來提高生產(chǎn)效率和翻改品種的能力，有的國家（大多），還采用電子裝置來提高生產(chǎn)效率，改善了啟動，停車，停針，自動控制，減輕了勞動強度。另外，隨著人們穿著服裝的花色品種越來越多，縫紉方式也越來直復雜，于是，花色縫紉機的品種也越來越多。未來技術發(fā)展方向：未來縫紉機技術主要發(fā)展方向是： （1） 機電一體化--所謂的機電一體化就是結合應用機械技術和電子技術于一體。在縫紉機行業(yè)所謂的機電產(chǎn)品主要就是電腦縫紉機。目前，市場上銷售的電腦縫紉機一般都具有自 動剪線、自動倒縫、自動撥線、自動抬壓腳等功能，其中最大優(yōu)點就是節(jié)能高效。此外，電腦平車噪音少，可以為工人營造良好的工作環(huán)境。相比其他工業(yè)電動縫紉機，使用電腦縫紉機不僅能夠節(jié)省電能、提高生產(chǎn)效率，而且能夠有效改善生產(chǎn)環(huán)境，最主要的優(yōu)勢在于，制造企業(yè)對于技術工的要求降低不少，因為電腦的控制，將簡化以往需要熟練工人才能完成的事情。這會是未來縫紉機行業(yè)的主要發(fā)展趨勢。 （2） 高速化--為適應縫制效率不斷提高，縫機高速化水平在不斷地提高。在縫紉機的發(fā)展過 程中，速度是最主要的技術參數(shù)之一，縫紉技術不斷升級的標志就是縫速在不斷地加速提升。 （3） 無油化--中、低速縫紉機通常采用定時手工加油或涂抹常規(guī)潤滑油脂的方法；而高速縫 紉機則采用不同形式的油泵做集中強制供油，一般來講，縫速越高，泵油壓力越大。然而強制供油在各種因素作用下往往不可避免地會出現(xiàn)潤滑油溢、漏、滲的現(xiàn)象，并因此會造成對縫料的污染。特別是在高檔服裝生產(chǎn)過程中對縫料的清潔度要求更高。為適應服裝生產(chǎn)企業(yè)要求，國內外眾多縫紉機制造廠家近年來陸續(xù)推出微油、無油縫紉機[6]。 1 1.6主要設計內容簡介 (1) 對工業(yè)縫紉機的工作原理、內外結構進行分析研究； (2) 研究分析高速縫紉機壓腳工作穩(wěn)定性的影響因素，提出合理的設計方案 ； (3) 對壓腳工作部分尺寸及公差進行設計計算； (4) 確定控制方案，完成電動控制元件的選型配置； (5) 對典型零件需進行選材及熱處理工藝路線分析； (6) 繪制零件圖及裝配圖； (7) 編寫設計說明書。 1.7課題研究的重點和難點 本課題研究的重點是研究分析告訴縫紉機壓腳工作穩(wěn)定性的影響因素，提出合理的設計方案。難點在于提出合理的設計方案。 1 10 1 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 2 壓腳結構電控系統(tǒng)的介紹 2.1壓腳結構的運行過程 壓腳結構的傳動系統(tǒng)工作原理如圖2.1所示，自動化將是壓腳結構的一個顯著的功能，它可以在工作過程提高工作效率，壓腳電控系統(tǒng)主要由電磁鐵，曲柄，軸，拉桿，壓腳桿同時運行，以實現(xiàn)輸送布料的自動化。當電磁鐵通電后 ，電磁鐵伸出項即銜鐵部分將于電磁鐵內部的鐵芯磁化，產(chǎn)生吸引力，當吸引力大于，電磁鐵中與銜鐵相連的彈簧的彈力后，銜鐵部分將水平向右移動一段位移，從而帶動曲柄擺動，曲柄帶動軸的轉動，軸帶動第二個曲柄豎直方向的移動，再由曲柄上下的擺動帶動拉桿的的擺動從而最終到達壓桿的豎直方向的運動。達到工業(yè)電動控制壓腳結構這一最終的目的。 圖2.1 壓腳結構的傳動系統(tǒng)工作原理 2.2整體設計 本課題設計的工業(yè)縫紉機壓腳結構整體效果如圖2.2所示。電控系統(tǒng)放置于縫紉機機殼之上，電磁鐵伸出向銜鐵放置于軸套上與銜鐵通過螺釘連接，另一端由螺栓固定，加緊曲柄，曲柄另一端加緊轉動軸，軸的另外一端通過螺栓與另外一個曲柄相連接，實現(xiàn)了由水平到豎直運動這一效果。 圖2.2 工業(yè)縫紉機壓腳結構整體效果圖 2.3功能原理方案分析 如圖2.2所示，電磁鐵接通電源后伸出向銜鐵與內部鐵芯磁化，產(chǎn)生吸力，當吸力大于銜鐵出彈簧的彈力后，水平方向向右移動帶動曲柄的水平方向的擺動，由曲柄帶動傳動軸的旋轉使與軸另一端相連接的曲柄拉桿結構產(chǎn)生豎直方向的移動，從而帶動壓腳桿豎直方向的移動。最終實現(xiàn)壓桿的豎直運動。 2.4結構的選擇與設計 2.4.1軸的分類 常見的軸有曲軸、直軸和軟軸三種。直軸又可分為： (1) 轉軸，工作時既承受彎矩又承受扭矩，是機械中最常見的軸，如各種減速器中的軸等。 (1) 心軸，用來支承轉動零件只承受彎矩而不傳遞扭矩，有些心軸轉動，如鐵路車輛的軸等，有些心軸則不轉動，如支承滑輪的軸等。 (3) 傳動軸，主要用來傳遞扭矩而不承受彎矩，如起重機移動機構中的長光軸、汽車的驅動軸等。軸的材料主要采用碳素鋼或合金鋼，也可采用球墨鑄鐵或合金鑄鐵等。軸的工作能力一般取決于強度和剛度，轉速高時還取決于振動穩(wěn)定性。 2.4.2轉動軸的選擇 轉動軸的材料一般是經(jīng)過扎制或鍛造經(jīng)切削加工的碳素鋼或合金鋼。對于直徑較小的轉動軸，可用圓鋼制造；有條件的可以直接用冷軋鋼材；對于重要的，大直徑或階梯直徑變化較大的軸，采用鍛坯。為節(jié)約金屬和提高工藝性，直徑大的軸還可以造成空心的，并且?guī)в泻附拥幕蝈懺斓耐咕墶＾D動軸的常用的材料是優(yōu)質碳素結構鋼，如35、45和50，其中以45號鋼最為常見[5]。不太重要及受載荷交小的軸可用Q235、Q275等普通碳素鋼結構鋼；對于受力較大，轉動軸的尺寸受限制，以及某些有特殊要求的軸可用合金機構鋼。當采用合金鋼時，應優(yōu)先選用符合國家資源結構情況的硅錳鋼、硼鋼等。 2.4.3轉動軸的設計 轉動軸的合理外形和全部結構尺寸，有關因素－軸上安裝零件類型、尺寸及其位置、零件的固定方式、載荷的性質、方向大小及分布情況，軸承的類型與尺寸，軸的毛坯、制造和轉配工藝、安裝及運輸，對軸的變形等因素有關。軸結構設計原則： a. 節(jié)約材料，減輕重量，盡量采用等強度外形尺寸或大的截面系數(shù)的截面形狀； b. 易于軸上零件的精確定位、穩(wěn)定、裝配、拆卸和調整； c. 采用各種減小應力集中和提高強度的結構措施； d. 便于加工制造和保證精度。進行軸的結構設計時，還要考慮到便于加工、檢測、裝配和維修。通常要注意以下幾點： （1） 考慮工藝加工必要的結構要素（中心孔、螺尾腿刀槽、砂輪越程槽等）； （2） 合理確定軸與零件的配合屬性、加工精度和表面精度 （3） 配合直徑一般應按GB/T2822-1981圓正為標準值； （4） 確定各段長度時應盡可能使結構緊湊，同時還應保證零件所需的滑動距離、裝卸或 調整所需的空間，并注意轉動零件不得與其他零件相碰，與輪轂配裝的軸段長度一般應略小于輪轂2-3mm，以保證軸向定位可靠； （5） 除特殊要求外，一般軸上所有零件都應該無過盈地達到配合部位； （6） 為便于導向和避免擦傷配合面，軸地兩端及有過盈配合地臺階應處置成倒角； （7） 為了減少加工刀具地種類和提高勞動生產(chǎn)效率，軸上地倒角、圓角、鍵槽等應盡可 能地取相同地尺寸，或盡量減少不相同尺寸的倒角、圓角、鍵槽的數(shù)量。 11 3傳動系統(tǒng) 3 傳動系統(tǒng) 3.1曲柄與軸傳動 傳動機構如圖3.1所示,簡圖如圖3.1所示，圖3.1.1中電磁鐵中心線通過軸中心O，OB為軸半徑，AB為曲柄，B為曲柄與軸接觸點，A為銜鐵或銜鐵與外部套子。 當軸按等角速度旋轉時，軸O上任意點都以O點為圓心做等速旋轉運動，銜鐵A點沿電磁鐵中心線做往復運動，曲柄AB則做復合的平面運動，其大頭B點與軸一端相連，做等速的旋轉運動，而小頭與銜鐵相連，做往復運動。在實際分析中，為使問題簡單化，一般將曲柄簡化為分別集中于大頭和小頭的兩個集中點上，認為它們分別做旋轉和往復運動，這樣就不需要對曲柄的運動規(guī)律進行單獨研究。 圖3.1 曲柄轉軸機構運動圖 圖3.1.1 曲柄轉軸機構運動簡圖 銜鐵做往復運動時，其速度和加速度是變化的。它的速度和加速度的數(shù)值以及變化規(guī)律對曲柄軸旋轉機構以及壓腳結構工作有很大影響，因此，研究曲柄軸運動規(guī)律的主要任務就是研究曲柄的運動規(guī)律。 3.1.1銜鐵的位移 假設在某一時刻，軸轉角為，并按順時針方向旋轉，曲柄軸線在其運動平面內偏離軸線的角度為，如圖3.1 所示。 當=時，銜鐵中心A在最上面的位置A1，此位置稱為上止點。當=180時，A點在最下面的位置A2，假設此位置稱為下止點。（=180是假設出一種特殊結果，為了求出銜鐵的運動，與軸的旋轉關系，在不違背定義域情況下，特殊適用于普通）。 此時電磁鐵的位移x為: x===(r+) = （3.1） 式中：—曲柄比[7]。 式（3.1）可進一步簡化，由圖3.1可以看出： 又由于 （3.2） 可將式（3.3）中的根號按牛頓二項式定理展開，得： … 考慮到≤ 1∕3，其二次方以上的數(shù)值很小，可以忽略不計。只保留前兩項，則 （3.3） 將式（3.3）帶入式（3.4）得 （3.4） = 3.1.2 銜鐵的運動速度 將電磁鐵位移公式對時間t進行微分，即可求得電磁鐵速度的精確值為 (3.5) 將式（3.5）對時間微分，便可求得銜鐵速度得近似公式為： （3.6） ≈12mm/s 從式（3.6）可以看出，電磁鐵速度可視為由與兩部分簡諧運動所組成。 當或時，電磁鐵速度為零，電磁鐵在這兩點改變運動方向。當時，，此時電磁鐵得速度等于曲柄銷中心的圓周速度。 3.2曲柄質量的換算 曲柄是做復雜平面運動的零件。為了方便計算，將整個曲柄（包括有關附屬零件）的質量用兩個換算質量和來代換，并假設是集中作用在曲柄小頭中心處，并只做往復運動的質量；是集中作用在曲柄大頭中心處，并只沿著圓周做旋轉運動的質量，如圖3.2所示： 圖3.2 曲柄質量的換算簡圖 為了保證代換后的質量系統(tǒng)與原來的質量系統(tǒng)在力學上等效，必須滿足下列三個條件： （1） 曲柄總質量不變，即。 （2） 曲柄重心的位置不變，即。 （3） 曲柄相對重心G的轉動慣量不變，即。 其中，曲柄長度，為曲柄重心至小頭中心的距離。由條件可得下列換算公式： 用平衡力系求出重心位置[8]。將曲柄分成若干簡單的幾何圖形，分別計算出各段曲柄重量和它的重心位置，再按照索多邊形作圖法，求出整個曲柄的重心位置以及折算到曲柄大小頭中心的重量和 ，如圖3.3所示： 圖3.3 索多邊形法 （1） 往復直線運動部分的質量 銜鐵（包括銜鐵上的套子）是沿電磁鐵中心做往復直線運動的。它們的質量可以看作是集中在電磁鐵銷中心上，并以表示。質量與換算到曲柄小頭中心的質量之和，稱為往復運動質量，即。 （2） 不平衡回轉質量 曲拐在繞軸線旋轉時，曲柄銷和一部分曲柄臂的質量將產(chǎn)生不平衡離心慣性力，稱為曲拐的不平衡質量。為了便于計算，所有這些質量都按離心力相等的條件，換算到回轉半徑為的曲柄軸頸中心處，以表示，換算質量為： 式中：—曲拐換算質量，； —曲柄軸頸的質量，； —一個曲柄臂的質量，； —曲柄臂質心位置與曲拐中心的距離，。 質量與換算到大頭中心的曲柄質量之和稱為不平衡回轉質量，即 由上述換算方法計算得： 往復直線運動部分的質量=0.583，不平衡回轉質量=0.467。 3.2.1曲柄慣性力 把曲柄曲柄機構運動件的質量簡化為二質量和后，這些質量的慣性力可以從運動條件求出，歸結為兩個力。往復質量的往復慣性力和旋轉質量的旋轉慣性力。 （1） 往復慣性力 （3.7） 式中：—往復運動質量； —曲柄比； —曲柄半徑，； —曲柄旋轉角速度，； —軸轉角。 是沿氣缸中心線方向作用的，公式（3.7）前的負號表示方向與電磁鐵加速度的方向相反。 其中曲柄的角速度為： （3.8） 式中：—軸轉數(shù)，； 已知額定轉數(shù)=30，則； 曲柄半徑=33，曲柄比=0.25~0.315，取=0.27，參照附錄表2：四缸機工作循環(huán)表，將每一工況的軸轉角代入式（3.2），計算得往復慣性力，結果。 （2） 旋轉慣性力 （3.9） 3.3軸與壓腳結構的連接分析 當軸旋轉夾角為α角度時，整個連桿曲柄機構運動方式簡圖如圖3.4所示 圖3.4 曲柄與連桿的運動簡圖 OA表示曲柄的長度L1，AB表示連桿的長度L2，XB為壓桿實際運行的位移 即 機構的長度 L=L1+L2 （3.10） =30.81+238.06=268.87mm 壓桿的運行位移 XB=L*sinα （3.11） =268.87*sin10=46.69mm 最終實現(xiàn)了壓腳桿豎直方向移動46.69mm 26 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） ４ 柄組的設計 4.1曲柄的設計 4.1.1曲柄的工作情況、設計要求和材料選用 1、工作情況 曲柄小頭與套子相連接，與銜鐵一起做往復運動，曲柄大頭與曲柄銷相連和軸一起做旋轉運動。因此，曲柄體除有上下運動外，還左右擺動，做復雜的平面運動。 2、設計要求 曲柄主要承受銜鐵壓力和往復慣性力所產(chǎn)生的交變載荷，因此，在設計時應首先保證曲柄具有在足夠的疲勞強度和結構鋼度。如果強度不足，就會發(fā)生曲柄螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴重事故，同樣，如果曲柄組剛度不足，也會對曲柄曲柄機構的工作帶來不好的影響。 所以設計曲柄的一個主要要求是在盡可能輕巧的結構下保證足夠的剛度和強度。為此，必須選用高強度的材料；合理的結構形狀和尺寸。 3、材料的選擇 為了保證曲柄在結構輕巧的條件下有足夠的剛度和強度，采用精選含碳量的優(yōu)質中碳結構鋼45模鍛，表面噴丸強化處理，提高強度。 4.1.2曲柄長度的確定 設計曲柄時首先要確定曲柄大小頭孔間的距離，即曲柄長度它通常是用曲柄比來說明的，通常0.3125，取，，則。 4.1.3 曲柄小頭的結構設計與強度、剛度計算 1、曲柄小頭的結構設計 曲柄小頭主要結構尺寸如圖4.1所示，小頭襯套內徑和小頭寬度已在 電磁鐵組設計中確定，，。 為了改善磨損，小頭孔中以一定過盈量壓入耐磨襯套，襯套大多用耐磨錫青銅鑄造，這種襯套的厚度一般為，取，則小頭孔直徑，小頭外徑，取。 2、曲柄小頭的強度校核 以過盈壓入曲柄小頭的襯套，使小頭斷面承受拉伸壓力。若襯套材料的膨脹 系數(shù)比曲柄材料的大，則隨工作時溫度升高，過盈增大，小頭斷面中的應力也增大。此外，曲柄小頭在工作中還承受電磁鐵組慣性力的拉伸和扣除慣性力后氣壓力的壓縮，可見工作載荷具有交變性。上述載荷的聯(lián)合作用可能使曲柄小頭及其桿身過渡處產(chǎn)生疲勞破壞，故必須進行疲勞強度計算[9]。 圖4.1曲柄小頭主要結果尺寸 （1）襯套過盈配合的預緊力及溫度升高引起的應力 計算時把曲柄小頭和襯套當作兩個過盈配合的圓筒，則在兩零件的配合表面，由于壓入過盈及受熱膨脹，小頭所受的徑向壓力為： （4.1） 式中：—襯套壓入時的過盈，； 一般青銅襯套，取， 其中：—工作后小頭溫升,約； —曲柄材料的線膨脹系數(shù)，對于鋼 ； —襯套材料的線膨脹系數(shù)，對于青銅； 、—曲柄材料與襯套材料的伯桑系數(shù)，可取； —曲柄材料的彈性模數(shù)，鋼[10]； —襯套材料的彈性模數(shù)，青銅； 計算小頭承受的徑向壓力為： 由徑向均布力引起小頭外側及內側纖維上的應力，可按厚壁筒公式計算， 外表面應力 （4.2） 內表面應力 （4.3） 的允許值一般為，校核合格。 （2）曲柄小頭的疲勞安全系數(shù) 曲柄小頭的應力變化為非對稱循環(huán)，最小安全系數(shù)在桿身到曲柄小頭的過渡處的外表面上為： （4.4） 式中：—材料在對稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限， （合金鋼），取； —材料對應力循環(huán)不對稱的敏感系數(shù)，取=0.2； —應力幅， ； —平均應力，； —工藝系數(shù)，，取0.5； 則 曲柄小頭的疲勞強度的安全系數(shù)，一般約在范圍之內[4]。 3、曲柄小頭的剛度計算 須計算曲柄小頭在水平方向由于往復慣性力而引起的直徑變形，其經(jīng)驗公式為: （4.5） 式中：—曲柄小頭直徑變形量，； —曲柄小頭的平均直徑，； —曲柄小頭斷面積的慣性矩， 則 對于一般曲柄，此變形量的許可值應小于直徑方向間隙的一半，標準間隙一般為，則校核合格。 4.1.4曲柄桿身的結構設計與強度計算 1、曲柄桿身結構的設計 曲柄桿身從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，采用工字形斷面，桿身截面寬度約等于(為銜鐵直徑)，取，截面高度，取。 為使曲柄從小頭到大頭傳力比較均勻，在桿身到小頭和大頭的過渡處用足夠大的圓角半徑。 2、曲柄桿身的強度校核 曲柄桿身在不對稱的交變循環(huán)載荷下工作，它受到位于計算斷面以上做往復運動的質量的慣性力的拉伸，在爆發(fā)行程，則受燃氣壓力和慣性力差值的壓縮，為了計算疲勞強度安全系數(shù)，必須現(xiàn)求出計算斷面的最大拉伸、壓縮應力。 （1）最大拉伸應力 由最大拉伸力引起的拉伸應力為： （4.6） 式中：—曲柄桿身的斷面面積，汽油機，為電磁鐵投影面積，取。 則最大拉伸應力為： （2）桿身的壓縮與縱向彎曲應力 桿身承受的壓縮力最大值發(fā)生在做功行程中最大燃氣作用力時，并可認為是在上止點，最大壓縮力為： （4.7） 曲柄承受最大壓縮力時，桿身中間斷面產(chǎn)生縱向彎曲。此時曲柄在擺動平面內的彎曲，可認為曲柄兩端為鉸支，長度為；在垂直擺動平面內的彎曲可認為桿身兩端為固定支點，長度為，因此在擺動平面內的合成應力為： （4.8） 式中：—系數(shù)，對于常用鋼材，，取； —計算斷面對垂直于擺動平面的軸線的慣性矩，。 ； 將式（4.8）改為： （4.9） 式中 —曲柄系數(shù)，； 則擺動平面內的合成應力為： 同理，在垂直于擺動平面內的合成應力為： （4.10） 將式（4.10）改成 （4.11） 式中：—曲柄系數(shù)，。 則在垂直于擺動平面內的合成應力為： 和的許用值為 ，所以校核合格。 （3）曲柄桿身的安全系數(shù) 曲柄桿身所受的是非對稱的交變循環(huán)載荷，把或看作循環(huán)中的最大應力，看作是循環(huán)中的最小應力，即可求得桿身的疲勞安全系數(shù)。 循環(huán)的應力幅和平均應力，在曲柄擺動平面為： （4.12） （4.13） 在垂直擺動平面內為： （4.14） （4.15） 曲柄桿身的安全系數(shù)為： （4.16） 式中：—材料在對稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，（合金鋼），??； —材料對應力循環(huán)不對稱的敏感系數(shù)，取=0.2； —工藝系數(shù)，，取0.45。 則在曲柄擺動平面內曲柄桿身的安全系數(shù)為： 在垂直擺動平面內曲柄桿身的安全系數(shù)為： 桿身安全系數(shù)許用值在的范圍內，則校核合格。 4.1.5曲柄大頭的結構設計與強度、剛度計算 (1) 曲柄大頭的結構設計與主要尺寸 曲柄大頭的結構與尺寸基本上決定于曲柄銷直徑、長度、曲柄軸瓦厚度和曲柄螺栓直徑。其中在、在軸設計中確定，，，則大頭寬度，軸瓦厚度，取，大頭孔直徑。 曲柄大頭與拉桿的分開面采用平切口，大頭凸臺高度，取，取，為了提高曲柄大頭結構剛度和緊湊性，曲柄螺栓孔間距離，取，一般螺栓孔外側壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓頭支承面到桿身或大頭蓋的過渡采用盡可能大的圓角。 (2)曲柄大頭的強度校核 假設通過螺栓的緊固連接，把大頭與大頭蓋近似視為一個整體，彈性的大頭蓋支承在剛性的曲柄體上，固定角為，通常取，作用力通過曲柄銷作用在大頭蓋上按余弦規(guī)律分布，大頭蓋的斷面假定是不變的，且其大小與中間斷面一致，大頭的曲率半徑為。 拉桿的最大載荷是在銜鐵運動開始的，計算得： 作用在危險斷面上的彎矩和法向力由經(jīng)驗公式求得： （4.17） 由此求得作用于大頭蓋中間斷面的彎矩為： （4.18） 作用于大頭蓋中間斷面的法向力為： （4.19） 式中：，—大頭蓋及軸瓦的慣性矩，， ， ，—大頭蓋及軸瓦的斷面面積，， ， ， 在中間斷面的應力為： （4.20） 式中：—大頭蓋斷面的抗彎斷面系數(shù)， 計算曲柄大頭蓋的應力為： 一般電磁鐵曲柄大頭蓋的應力許用值為，則校核合格。 4.2 螺栓銷的設計 4.2.1 螺栓銷的工作負荷與預緊力 根據(jù)氣缸直徑初選曲柄螺紋直徑，根據(jù)統(tǒng)計，取。 電磁鐵工作時曲柄螺栓受到兩種力的作用：預緊力和最大拉伸載荷，預緊力由兩部分組成：一是保證曲柄軸瓦過盈度所必須具有的預緊力；二是保證電磁鐵工作時，曲柄大頭與套子結合面不致因慣性力而分開所必須具有的預緊力[15]。 曲柄上的螺栓數(shù)目為2，則每個螺栓承受的最大拉伸載荷為往復慣性力和旋轉慣性力在氣缸中心線上的分力之和， 即 （4.20） 軸瓦過盈量所必須具有的預緊力由軸瓦最小應力，由實測統(tǒng)計可得一般為，取30，由于電磁鐵可能超速，也可能發(fā)生電磁鐵拉缸，應較理論計算值大些，一般取，取。 4.2.2 螺栓銷的屈服強度校核和疲勞計算 曲柄螺栓預緊力不足不能保證連接的可靠性，但預緊力過大則可能引起材料超出屈服極限，則應校核屈服強度，滿足 （4.21） 式中：—螺栓最小截面積，； —螺栓的總預緊力，； —安全系數(shù)，，取1.7； —材料的屈服極限，一般在800以上[16]。 那么曲柄螺栓的屈服強度為： 則校核合格。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 5 機構的創(chuàng)建 5.1對Pro/E軟件簡介 Pro/E軟件是美國PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一體化軟件。無論是造型設計、工程出圖，以及3D裝配等方面，Pro/E都具有操作容易、使用方便、可動態(tài)修改的特點。 Pro/E更是以其基于特征的參數(shù)化設計、單一數(shù)據(jù)庫下的全相關性等新概念而聞名于世。另外還具有模具設計，動態(tài)、靜態(tài)干涉檢查，計算質量特征（如質心、慣性矩）等功能模塊。用Pro/E創(chuàng)建的三維參數(shù)化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻轉動態(tài)觀察結構形體，更可以進行方便的動態(tài)修改和調整。進行力學分析、運動分析、數(shù)控加工等。運用Pro/E軟件分別對曲柄曲柄機構的各個零件進行模型的建立，具體步驟如下： 5.2電磁鐵的創(chuàng)建 5.2.1電磁鐵的特點分析 電磁鐵的磁性有無可以用通、斷電流控制；磁性的大小可以用電流的強弱或線圈的匝數(shù)多少來控制；也可通過改變電阻控制電流大小來控制磁性大??；電磁鐵的磁性有無可以用通、斷電流控制；磁性的大小可以用電流的強弱或線圈的匝數(shù)多少來控制；也可通過改變電阻控制電流大小來控制磁性大小；它的磁極可以由改變電流的方向來控制，等等。即：磁性的強弱可以改變、磁性的有無可以控制、磁極的方向可以改變，磁性可因電流的消失而消失。 電磁鐵：利用電流的磁效應，使軟鐵具有磁性的裝置。 (1) 將軟鐵棒插入一螺線形線圈內部，則當線圈通有電流時，線圈內部的磁場使軟鐵棒磁化成暫時磁鐵，但電流切斷時，則線圈及軟鐵棒的磁性隨著消失。 (2) 軟鐵棒磁化后所生成的磁場，加上原有線圈內的磁場，使得總磁場強度大為增強，故電磁鐵的磁力大于天然磁鐵。 1 (3) 螺線形線圈的電流愈大，線圈圈數(shù)愈多，電磁鐵的磁場愈強。 5.2.2 電磁鐵的建模思路 （1）為了快速準確地創(chuàng)建電磁鐵模型，先抽取電磁鐵模型中的對稱部分，由列表曲線創(chuàng)建電磁鐵的1/4輪廓。 （2）鏡像生成電磁鐵的整個輪廓。 （3）創(chuàng)建電磁鐵的頂部凹槽特征。 （4）創(chuàng)建電磁鐵頭部的氣環(huán)槽和油環(huán)槽。 （5）創(chuàng)建各部分的倒圓角。 5.2.3電磁鐵的建模步驟 創(chuàng)建電磁鐵1/4輪廓 （1） 運用【偏移坐標系基準點工具】，選取基準坐標系，完成電磁鐵輪廓點的創(chuàng)建。 （2） 運用【插入基準曲線】，將上一步創(chuàng)建的點連成曲線 （3） 運用【旋轉工具】，選擇旋轉角度為“90”，完成結果如圖6.1所示： 創(chuàng)建電磁鐵銷孔 （1） 運用【旋轉工具】，選擇【去除材料】，創(chuàng)建剪切特征。 （2） 運用【拉伸工具】創(chuàng)建銷座模型并拉伸出通孔。 （3） 運用【旋轉工具】，選擇【去除材料】，創(chuàng)建電磁鐵銷卡環(huán)槽。 （4） 運用【拉伸工具】，拉伸方式為“通孔”，選擇【去除材料】，創(chuàng)建裙部特征，結果如圖6.2所示。 圖5.1 創(chuàng)建的電磁鐵1/4輪廓 圖5.2 拉伸切除結果 5.3曲柄的創(chuàng)建 5.3.1曲柄的特點分析 （1） 曲柄有兩個互相垂直的對稱面，一個對稱面平行于曲柄的圓環(huán)形端面，也就是鍛造曲柄毛坯的模具分型面；另一個對稱面則通過兩端圓孔的軸線。 （2） 曲柄毛坯通過鍛造成型，因此，曲柄體和拉桿都具有模鍛斜度，包括曲柄體上的槽和凸臺。 （3） 曲柄體和拉桿屬于配做的成對零件，需要同步加工，在裝配和工作時沒有互換性[19]。 5.3.2拉桿的建模思路 曲柄由曲柄體和拉桿組成，所以可以對曲柄體和拉桿分別建模，完成后進行裝配。曲柄具有兩個互相垂直的對稱面，建模過程中可以利用兩個對稱平面，對局部特征進行鏡像和復制操作，從而快速完成特征創(chuàng)建。 5.3.3曲柄體的建模步驟 創(chuàng)建曲柄體1/2桿身 運用拉伸工具，拉伸方式為盲孔，拉伸為實體如圖5.5所示： 圖5.5 曲柄搖桿機構3D