工業(yè)縫紉機(jī)壓腳結(jié)構(gòu)電控系統(tǒng)改良,工業(yè),縫紉機(jī),結(jié)構(gòu),系統(tǒng),改良 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目：工業(yè)縫紉機(jī)壓腳結(jié)構(gòu) 電控系統(tǒng)改良 壓腳結(jié)構(gòu)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要 壓腳結(jié)構(gòu)是工業(yè)縫紉機(jī)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(jī)的正常工作。在普通的工業(yè)縫紉機(jī)工作中，每次輸送布料時(shí)都需要根據(jù)布料的高低程度手動(dòng)的調(diào)節(jié)壓腳結(jié)構(gòu)，這種手動(dòng)方式大大消耗了人力物力，更重要造成了時(shí)間的浪費(fèi)。隨著科技的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化慢慢滲入制造行業(yè)，電動(dòng)系統(tǒng)控制的出現(xiàn)大大解決了這一缺點(diǎn)，工業(yè)縫紉機(jī)壓腳結(jié)構(gòu)電控系統(tǒng)的改良可以說是對(duì)壓腳結(jié)構(gòu)的完美解決。 本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外工業(yè)縫紉機(jī)壓腳結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)做了充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種壓腳結(jié)構(gòu)電控系統(tǒng)。壓腳結(jié)構(gòu)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(jī)壓腳結(jié)構(gòu)電控系統(tǒng)的應(yīng)用將大大節(jié)約了流水線中每次更換布料所用的時(shí)間，提高了產(chǎn)品效率，曾加了縫紉機(jī)的使用壽命。 本文簡(jiǎn)單介紹了工業(yè)縫紉機(jī)壓腳結(jié)構(gòu)改良的原理和結(jié)構(gòu)，對(duì)加工工藝也作了簡(jiǎn)單的說明，依據(jù)電磁鐵的運(yùn)行原理，運(yùn)用力學(xué)理論對(duì)工業(yè)縫紉機(jī)壓腳結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的力學(xué)分析。 關(guān)鍵詞：工業(yè)縫紉機(jī)；電控系統(tǒng)；壓腳結(jié)構(gòu) 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(gòu)思和思路 1 1.3工業(yè)縫紉機(jī)線跡形成與工作原理 2 1.4工業(yè)縫紉機(jī)的設(shè)備組成 2 1.5國(guó)內(nèi)外工業(yè)縫紉機(jī)的發(fā)展概況 6 1.6主要設(shè)計(jì)內(nèi)容簡(jiǎn)介 7 1.7課題研究的重點(diǎn)和難點(diǎn) 7 2 壓腳結(jié)構(gòu)電控系統(tǒng)的介紹 8 2.1壓腳結(jié)構(gòu)的運(yùn)行過程 8 2.2整體設(shè)計(jì) 8 2.3功能原理方案分析 9 2.4結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計(jì) 9 2.4.1轉(zhuǎn)動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 10 3 傳動(dòng)系統(tǒng) 11 3.1曲柄與軸傳動(dòng) 11 3.1.1銜鐵的位移 12 3.1.2 銜鐵的運(yùn)動(dòng)速度 12 3.2曲柄質(zhì)量的換算 13 3.2.1曲柄慣性力 14 3.3軸與壓腳結(jié)構(gòu)的連接分析 15 4 曲柄的設(shè)計(jì) 17 4.1柄組的設(shè)計(jì) 17 4.1.1曲柄長(zhǎng)度的確定 17 4.1.2曲柄小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 17 4.1.3曲柄桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 20 4.1.4曲柄大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 23 4.2 螺栓銷的設(shè)計(jì) 24 4.2.1 螺栓銷的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 24 4.2.2 螺栓銷的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算 25 5 機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建 26 5.1對(duì)Pro/E軟件簡(jiǎn)介 26 5.2電磁鐵的創(chuàng)建 26 5.2.1 電磁鐵的特點(diǎn)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(diǎn)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(jī)構(gòu)的建模 29 5.4的創(chuàng)建 30 5.4.1 軸的特點(diǎn)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(shì)及問題 35 6.1發(fā)展趨勢(shì) 35 6.2存在問題 35 6.2.1設(shè)計(jì)困難復(fù)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(xiàn) 38 III 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 主要符號(hào)表 V 速度(m/s) D 軸直徑(m) g 重力加速度(m/s2) e 曲柄臂質(zhì)心位置與曲拐中心的距離 λ 曲柄比 r 曲柄半徑() 曲柄旋轉(zhuǎn)角速度() a 軸轉(zhuǎn)角 I 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Ω 角速度 J 旋轉(zhuǎn)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(jī)是服裝加工的主要機(jī)械設(shè)備，近年來隨著服裝采用的面料品種越來越多(針織、機(jī)織、純棉、化纖及絲綢等等)。服裝的款式變化很快，各類外衣、內(nèi)衣、運(yùn)動(dòng)衣以及職業(yè)服裝不斷更新，同時(shí)由于對(duì)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(jī)來完成。 目前，國(guó)際上的工業(yè)縫紉機(jī)制造業(yè)發(fā)展迅速，正在不斷地改進(jìn)結(jié)構(gòu)、提高速度和工作的穩(wěn)定性，而且強(qiáng)調(diào)系列化生產(chǎn)．采用—機(jī)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(jī)上采用電子裝置．改善了啟動(dòng)、停車裝置，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。由于服裝花色品種的增加，縫紉方式越來越復(fù)雜[1]于是花色縫紉機(jī)品種也日新月異。綜合應(yīng)用電子、電腦、液壓、氣動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)了縫紉作業(yè)操作自動(dòng)化和縫紉機(jī)功能自動(dòng)化。廣泛應(yīng)用電腦和測(cè)試技術(shù)，已體現(xiàn)了現(xiàn)代縫紉工業(yè)高精度和高速度的特點(diǎn)。工業(yè)縫紉機(jī)區(qū)別于一般家用縫紉機(jī)．首先它要講求效率和專用化．平均轉(zhuǎn)速為5000r／mm以上，應(yīng)能自動(dòng)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(xùn)的工人．就可以達(dá)到熟練操作水平。 而業(yè)縫紉機(jī)確是高度專業(yè)化的機(jī)種。為了適應(yīng)不同用途的需要，當(dāng)前世界工業(yè)縫紉機(jī)已多達(dá)4000種以上，并且，在每種工業(yè)縫紉機(jī)上安裝不同的輔助(附屬)裝置．就可進(jìn)行多工種的作業(yè)。 1.2課題的構(gòu)思和思路 工業(yè)縫紉機(jī)壓腳結(jié)構(gòu)電控系統(tǒng)的應(yīng)用將大大節(jié)約了流水線中每次更換布料所用的時(shí)間，提高了產(chǎn)品效率，曾加了縫紉機(jī)的使用壽命。本文簡(jiǎn)單介紹了工業(yè)縫紉機(jī)壓腳結(jié)構(gòu)改良的原理和結(jié)構(gòu)，對(duì)加工工藝也作了簡(jiǎn)單的說明，依據(jù)電磁鐵的運(yùn)行原理，運(yùn)用力學(xué)理論對(duì)工業(yè)縫紉機(jī)壓腳結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的力學(xué)分析。 1 1 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1.3工業(yè)縫紉機(jī)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?zhǔn)健p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(jī)構(gòu)的作用下，將面料推進(jìn)一個(gè)針跡。以上各步重復(fù)進(jìn)行．使線跡連續(xù)起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)縫制品的縫紉。這7步是通過縫紉機(jī)的引線、鉤線、挑線和送料四大機(jī)構(gòu)互相配合實(shí)現(xiàn)的 1.4工業(yè)縫紉機(jī)的設(shè)備組成 縫紉機(jī)的種類雖然很多，但最基本的結(jié)構(gòu)原理是相同的?？p紉機(jī)由機(jī)架、臺(tái)板和機(jī)頭三部分組成。機(jī)架是縫紉機(jī)的支架和動(dòng)力部分，使用者踏動(dòng)踏板，經(jīng)過連稈，接通電源啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，經(jīng)離合器帶動(dòng)皮帶，使上軸轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)頭內(nèi)各機(jī)構(gòu)配合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行縫紉。臺(tái)扳是縫紉機(jī)的工作臺(tái)面。機(jī)頭是主體，進(jìn)行縫紉主要是靠機(jī)頭內(nèi)的成縫機(jī)構(gòu)密切配合來實(shí)現(xiàn)的，縫紉機(jī)組成圖如圖1所示，機(jī)頭如圖2所示 圖1.1 工業(yè)縫紉機(jī) 縫紉機(jī)機(jī)頭由機(jī)袖、機(jī)袖托架和平盤三個(gè)部分組成，如圖1.1所示。為實(shí)現(xiàn)縫紉，縫紉機(jī)頭包括以下基本工作構(gòu)件。 (1)針 縫紉機(jī)用針通常叫做縫針(直針)．是縫紉機(jī)成縫的主要構(gòu)件。它的功能是穿刺面料引導(dǎo)縫線形成直針線環(huán)[3]。 1 針桿的運(yùn)動(dòng)分析 圖1.3 搖臂運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 如圖1.3所示．當(dāng)主軸即針桿曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，點(diǎn)C的位移等于針桿曲柄長(zhǎng)度的2倍，因?yàn)獒槜U是作上下平移運(yùn)動(dòng)，所示點(diǎn)C的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也就是針桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。根據(jù)針桿曲柄回轉(zhuǎn)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(duì)時(shí)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(zhuǎn)角φ的變化在電子計(jì)算機(jī)上算得的結(jié)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(shí)，對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)角為0o。 圖1.4 針桿的運(yùn)行軌跡 由曲線與計(jì)算結(jié)果分析可以得到如下結(jié)論。 (1) 針桿從最高位置下降時(shí)，起始速度很緩慢，大約主軸轉(zhuǎn)到105o左右，針桿速度達(dá)最大值，此時(shí)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(dòng)能，對(duì)穿刺繡料很有利。 (2) 針桿運(yùn)動(dòng)到105o后速度逐漸減慢，針桿在一個(gè)循環(huán)中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是從慢一快一慢一快的周期性變化。 (3) 當(dāng)縫針自最低位置180o上升時(shí)，正好是縫針形成線環(huán)，而這時(shí)也正好是縫針?biāo)俣染徛臅r(shí)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(shí)，速度由大到小，這時(shí)挑線機(jī)構(gòu)正處于開始收線階段，逐漸形成線跡，保證線跡質(zhì)量。 (2) 成縫器(鉤線機(jī)構(gòu)) 梭縫線跡縫紉機(jī)的成縫器是梭子，鏈縫線跡類型縫紉機(jī)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(zhǎng)、擴(kuò)大直針線環(huán)，引到線軸旋轉(zhuǎn)供線，從而實(shí)現(xiàn)上下線的交織，形成一個(gè)梭縫線跡或?qū)崿F(xiàn)上下線的相互穿套形成的鏈縫線跡[3]。 梭機(jī)構(gòu)的分析 梭子的主要構(gòu)件有梭殼、梭慶、梭芯和紗管，圖2-9a中1為梭殼，梭殼用3個(gè)螺釘緊固在下軸上，當(dāng)主軸以3000r/min的速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，梭殼以6000r／min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，梭殼上有梭嘴，是鉤線環(huán)的鉤子，殼內(nèi)有導(dǎo)槽與梭床的凸出導(dǎo)軌相配合，因此對(duì)梭殼表而的光潔度、硬度、形狀的準(zhǔn)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(dòng)。 (3) 收線器(挑線機(jī)構(gòu)) 收線器也是縫紉機(jī)成縫的主要構(gòu)件，其功能是為縫針、梭子或彎針形成線環(huán)供應(yīng)縫線．同時(shí)收緊前一個(gè)線跡[3]。 挑線機(jī)構(gòu)的分析 圖1.5 挑線機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖1.5為挑線機(jī)構(gòu)和針桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。由于在縫紉過程中，這兩個(gè)機(jī)構(gòu)有一個(gè)運(yùn)動(dòng)配合的要求，所示兩個(gè)機(jī)構(gòu)的曲柄OA和OD之間有一個(gè)夾角α，α角為30.2o,挑線機(jī)構(gòu)在起點(diǎn)(分度點(diǎn)1’)時(shí),縫針正好在最低位置，從這一點(diǎn)開 4 始終針又重新上升，并在針孔旁形成線環(huán)。挑線機(jī)構(gòu)在分度點(diǎn)7’時(shí)，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(dāng)挑線機(jī)構(gòu)的曲柄OA轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)，穿線孔K點(diǎn)描繪著復(fù)雜的曲線，如圖所示，圖中勻速運(yùn)動(dòng)的曲柄每轉(zhuǎn)30o找出一個(gè)對(duì)應(yīng)K點(diǎn)的位置,這樣就得到了K點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從K點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出，K點(diǎn)是做變速運(yùn)動(dòng)，在一段時(shí)間內(nèi)K點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度較慢(對(duì)應(yīng)的K點(diǎn)比較密)， 在另—段時(shí)間內(nèi)K點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度較快(對(duì)應(yīng)的K點(diǎn)比較疏)。例如，挑線桿的穿線孔按它的運(yùn)動(dòng)過程下降時(shí)必須慢速將面線供給縫針，這一段K點(diǎn)運(yùn)動(dòng)較慢，以滿足面線繞過梭芯運(yùn)動(dòng)的需要，圖中K點(diǎn)從9、10……到5；而向上運(yùn)動(dòng)時(shí)需要的速度較快，把面線從梭機(jī)構(gòu)中抽出并拉緊線跡，圖中K點(diǎn)從5、6……到9。 (4) 送布機(jī)構(gòu)(續(xù)料輸送器) 其用途是決定送布量的大小即線跡長(zhǎng)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(zhǎng)短的線跡。 送布機(jī)構(gòu)分析 送布的直接構(gòu)件是送布牙，這個(gè)構(gòu)件的上端面制成形狀特殊的牙齒，并在針板槽里移動(dòng)，在縫紉機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期的適當(dāng)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(shí)根據(jù)針跡長(zhǎng)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(dòng)退回到原來的位置。 圖1.6 送布機(jī)構(gòu) (5) 壓腳構(gòu)件 作用是將面料緊壓于針扳上．并與送布牙配合實(shí)現(xiàn)送布[3]。 壓腳機(jī)構(gòu)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(shí)，面料才不會(huì)和縫針一起提 6 1.5國(guó)內(nèi)外工業(yè)縫紉機(jī)的發(fā)展概況 我國(guó)已是世界縫紉機(jī)生產(chǎn)大國(guó)，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(gè)主要產(chǎn)區(qū)為代表的區(qū)域結(jié)構(gòu)趨于合理[1]。整機(jī)、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(huì)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(zhì)量水平不斷提高，高速平縫機(jī)、高速包縫機(jī)等常規(guī)產(chǎn)品己達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。不少企業(yè)已走過買圖紙生產(chǎn)，照樣機(jī)翻版的初級(jí)消化吸收階段，開始自行研究開發(fā)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代產(chǎn)品。行業(yè)研發(fā)力量不斷壯大，技術(shù)與裝備水平不斷提高。目前，國(guó)際上縫紉機(jī)行制造行業(yè)發(fā)展迅速，正在不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)，提高速度和穩(wěn)定性，并盡量加強(qiáng)系列性，采取一機(jī)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(guó)家（大多），還采用電子裝置來提高生產(chǎn)效率，改善了啟動(dòng)，停車，停針，自動(dòng)控制，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)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(fù)雜，于是，花色縫紉機(jī)的品種也越來越多。未來技術(shù)發(fā)展方向：未來縫紉機(jī)技術(shù)主要發(fā)展方向是： （1） 機(jī)電一體化--所謂的機(jī)電一體化就是結(jié)合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)于一體。在縫紉機(jī)行業(yè)所謂的機(jī)電產(chǎn)品主要就是電腦縫紉機(jī)。目前，市場(chǎng)上銷售的電腦縫紉機(jī)一般都具有自 動(dòng)剪線、自動(dòng)倒縫、自動(dòng)撥線、自動(dòng)抬壓腳等功能，其中最大優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)能高效。此外，電腦平車噪音少，可以為工人營(yíng)造良好的工作環(huán)境。相比其他工業(yè)電動(dòng)縫紉機(jī)，使用電腦縫紉機(jī)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(shì)在于，制造企業(yè)對(duì)于技術(shù)工的要求降低不少，因?yàn)殡娔X的控制，將簡(jiǎn)化以往需要熟練工人才能完成的事情。這會(huì)是未來縫紉機(jī)行業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。 （2） 高速化--為適應(yīng)縫制效率不斷提高，縫機(jī)高速化水平在不斷地提高。在縫紉機(jī)的發(fā)展過 程中，速度是最主要的技術(shù)參數(shù)之一，縫紉技術(shù)不斷升級(jí)的標(biāo)志就是縫速在不斷地加速提升。 （3） 無(wú)油化--中、低速縫紉機(jī)通常采用定時(shí)手工加油或涂抹常規(guī)潤(rùn)滑油脂的方法；而高速縫 紉機(jī)則采用不同形式的油泵做集中強(qiáng)制供油，一般來講，縫速越高，泵油壓力越大。然而強(qiáng)制供油在各種因素作用下往往不可避免地會(huì)出現(xiàn)潤(rùn)滑油溢、漏、滲的現(xiàn)象，并因此會(huì)造成對(duì)縫料的污染。特別是在高檔服裝生產(chǎn)過程中對(duì)縫料的清潔度要求更高。為適應(yīng)服裝生產(chǎn)企業(yè)要求，國(guó)內(nèi)外眾多縫紉機(jī)制造廠家近年來陸續(xù)推出微油、無(wú)油縫紉機(jī)[6]。 1 1.6主要設(shè)計(jì)內(nèi)容簡(jiǎn)介 (1) 對(duì)工業(yè)縫紉機(jī)的工作原理、內(nèi)外結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究； (2) 研究分析高速縫紉機(jī)壓腳工作穩(wěn)定性的影響因素，提出合理的設(shè)計(jì)方案 ； (3) 對(duì)壓腳工作部分尺寸及公差進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算； (4) 確定控制方案，完成電動(dòng)控制元件的選型配置； (5) 對(duì)典型零件需進(jìn)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(shè)計(jì)說明書。 1.7課題研究的重點(diǎn)和難點(diǎn) 本課題研究的重點(diǎn)是研究分析告訴縫紉機(jī)壓腳工作穩(wěn)定性的影響因素，提出合理的設(shè)計(jì)方案。難點(diǎn)在于提出合理的設(shè)計(jì)方案。 1 10 1 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 壓腳結(jié)構(gòu)電控系統(tǒng)的介紹 2.1壓腳結(jié)構(gòu)的運(yùn)行過程 壓腳結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理如圖2.1所示，自動(dòng)化將是壓腳結(jié)構(gòu)的一個(gè)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(shí)運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)輸送布料的自動(dòng)化。當(dāng)電磁鐵通電后 ，電磁鐵伸出項(xiàng)即銜鐵部分將于電磁鐵內(nèi)部的鐵芯磁化，產(chǎn)生吸引力，當(dāng)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(dòng)一段位移，從而帶動(dòng)曲柄擺動(dòng)，曲柄帶動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，軸帶動(dòng)第二個(gè)曲柄豎直方向的移動(dòng)，再由曲柄上下的擺動(dòng)帶動(dòng)拉桿的的擺動(dòng)從而最終到達(dá)壓桿的豎直方向的運(yùn)動(dòng)。達(dá)到工業(yè)電動(dòng)控制壓腳結(jié)構(gòu)這一最終的目的。 圖2.1 壓腳結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理 2.2整體設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)的工業(yè)縫紉機(jī)壓腳結(jié)構(gòu)整體效果如圖2.2所示。電控系統(tǒng)放置于縫紉機(jī)機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)軸，軸的另外一端通過螺栓與另外一個(gè)曲柄相連接，實(shí)現(xiàn)了由水平到豎直運(yùn)動(dòng)這一效果。 圖2.2 工業(yè)縫紉機(jī)壓腳結(jié)構(gòu)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(nèi)部鐵芯磁化，產(chǎn)生吸力，當(dāng)吸力大于銜鐵出彈簧的彈力后，水平方向向右移動(dòng)帶動(dòng)曲柄的水平方向的擺動(dòng)，由曲柄帶動(dòng)傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)使與軸另一端相連接的曲柄拉桿結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎直方向的移動(dòng)，從而帶動(dòng)壓腳桿豎直方向的移動(dòng)。最終實(shí)現(xiàn)壓桿的豎直運(yùn)動(dòng)。 2.4結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計(jì) 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(zhuǎn)軸，工作時(shí)既承受彎矩又承受扭矩，是機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)零件只承受彎矩而不傳遞扭矩，有些心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如鐵路車輛的軸等，有些心軸則不轉(zhuǎn)動(dòng)，如支承滑輪的軸等。 (3) 傳動(dòng)軸，主要用來傳遞扭矩而不承受彎矩，如起重機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)中的長(zhǎng)光軸、汽車的驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度和剛度，轉(zhuǎn)速高時(shí)還取決于振動(dòng)穩(wěn)定性。 2.4.2轉(zhuǎn)動(dòng)軸的選擇 轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)于直徑較小的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，可用圓鋼制造；有條件的可以直接用冷軋鋼材；對(duì)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?。轉(zhuǎn)動(dòng)軸的常用的材料是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如35、45和50，其中以45號(hào)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(jié)構(gòu)鋼；對(duì)于受力較大，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的尺寸受限制，以及某些有特殊要求的軸可用合金機(jī)構(gòu)鋼。當(dāng)采用合金鋼時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用符合國(guó)家資源結(jié)構(gòu)情況的硅錳鋼、硼鋼等。 2.4.3轉(zhuǎn)動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸，有關(guān)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(zhì)、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(zhuǎn)配工藝、安裝及運(yùn)輸，對(duì)軸的變形等因素有關(guān)。軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則： a. 節(jié)約材料，減輕重量，盡量采用等強(qiáng)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(diào)整； c. 采用各種減小應(yīng)力集中和提高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)措施； d. 便于加工制造和保證精度。進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮到便于加工、檢測(cè)、裝配和維修。通常要注意以下幾點(diǎn)： （1） 考慮工藝加工必要的結(jié)構(gòu)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(yīng)按GB/T2822-1981圓正為標(biāo)準(zhǔn)值； （4） 確定各段長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)還應(yīng)保證零件所需的滑動(dòng)距離、裝卸或 調(diào)整所需的空間，并注意轉(zhuǎn)動(dòng)零件不得與其他零件相碰，與輪轂配裝的軸段長(zhǎng)度一般應(yīng)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(yīng)該無(wú)過盈地達(dá)到配合部位； （6） 為便于導(dǎo)向和避免擦傷配合面，軸地兩端及有過盈配合地臺(tái)階應(yīng)處置成倒角； （7） 為了減少加工刀具地種類和提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，軸上地倒角、圓角、鍵槽等應(yīng)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(dòng)系統(tǒng) 3 傳動(dòng)系統(tǒng) 3.1曲柄與軸傳動(dòng) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3.1所示,簡(jiǎn)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(diǎn)，A為銜鐵或銜鐵與外部套子。 當(dāng)軸按等角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸O上任意點(diǎn)都以O(shè)點(diǎn)為圓心做等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，銜鐵A點(diǎn)沿電磁鐵中心線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，曲柄AB則做復(fù)合的平面運(yùn)動(dòng)，其大頭B點(diǎn)與軸一端相連，做等速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而小頭與銜鐵相連，做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際分析中，為使問題簡(jiǎn)單化，一般將曲柄簡(jiǎn)化為分別集中于大頭和小頭的兩個(gè)集中點(diǎn)上，認(rèn)為它們分別做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣就不需要對(duì)曲柄的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究。 圖3.1 曲柄轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖 圖3.1.1 曲柄轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 銜鐵做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(duì)曲柄軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及壓腳結(jié)構(gòu)工作有很大影響，因此，研究曲柄軸運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要任務(wù)就是研究曲柄的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 3.1.1銜鐵的位移 假設(shè)在某一時(shí)刻，軸轉(zhuǎn)角為，并按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，曲柄軸線在其運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)偏離軸線的角度為，如圖3.1 所示。 當(dāng)=時(shí)，銜鐵中心A在最上面的位置A1，此位置稱為上止點(diǎn)。當(dāng)=180時(shí)，A點(diǎn)在最下面的位置A2，假設(shè)此位置稱為下止點(diǎn)。（=180是假設(shè)出一種特殊結(jié)果，為了求出銜鐵的運(yùn)動(dòng)，與軸的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，在不違背定義域情況下，特殊適用于普通）。 此時(shí)電磁鐵的位移x為: x===(r+) = （3.1） 式中：—曲柄比[7]。 式（3.1）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，由圖3.1可以看出： 又由于 （3.2） 可將式（3.3）中的根號(hào)按牛頓二項(xiàng)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(jì)。只保留前兩項(xiàng)，則 （3.3） 將式（3.3）帶入式（3.4）得 （3.4） = 3.1.2 銜鐵的運(yùn)動(dòng)速度 將電磁鐵位移公式對(duì)時(shí)間t進(jìn)行微分，即可求得電磁鐵速度的精確值為 (3.5) 將式（3.5）對(duì)時(shí)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(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)所組成。 當(dāng)或時(shí)，電磁鐵速度為零，電磁鐵在這兩點(diǎn)改變運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)時(shí)，，此時(shí)電磁鐵得速度等于曲柄銷中心的圓周速度。 3.2曲柄質(zhì)量的換算 曲柄是做復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)的零件。為了方便計(jì)算，將整個(gè)曲柄（包括有關(guān)附屬零件）的質(zhì)量用兩個(gè)換算質(zhì)量和來代換，并假設(shè)是集中作用在曲柄小頭中心處，并只做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量；是集中作用在曲柄大頭中心處，并只沿著圓周做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，如圖3.2所示： 圖3.2 曲柄質(zhì)量的換算簡(jiǎn)圖 為了保證代換后的質(zhì)量系統(tǒng)與原來的質(zhì)量系統(tǒng)在力學(xué)上等效，必須滿足下列三個(gè)條件： （1） 曲柄總質(zhì)量不變，即。 （2） 曲柄重心的位置不變，即。 （3） 曲柄相對(duì)重心G的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，即。 其中，曲柄長(zhǎng)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(jiǎn)單的幾何圖形，分別計(jì)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(gè)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(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量 銜鐵（包括銜鐵上的套子）是沿電磁鐵中心做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的。它們的質(zhì)量可以看作是集中在電磁鐵銷中心上，并以表示。質(zhì)量與換算到曲柄小頭中心的質(zhì)量之和，稱為往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，即。 （2） 不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量 曲拐在繞軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄銷和一部分曲柄臂的質(zhì)量將產(chǎn)生不平衡離心慣性力，稱為曲拐的不平衡質(zhì)量。為了便于計(jì)算，所有這些質(zhì)量都按離心力相等的條件，換算到回轉(zhuǎn)半徑為的曲柄軸頸中心處，以表示，換算質(zhì)量為： 式中：—曲拐換算質(zhì)量，； —曲柄軸頸的質(zhì)量，； —一個(gè)曲柄臂的質(zhì)量，； —曲柄臂質(zhì)心位置與曲拐中心的距離，。 質(zhì)量與換算到大頭中心的曲柄質(zhì)量之和稱為不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量，即 由上述換算方法計(jì)算得： 往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量=0.583，不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量=0.467。 3.2.1曲柄慣性力 把曲柄曲柄機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量簡(jiǎn)化為二質(zhì)量和后，這些質(zhì)量的慣性力可以從運(yùn)動(dòng)條件求出，歸結(jié)為兩個(gè)力。往復(fù)質(zhì)量的往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)慣性力。 （1） 往復(fù)慣性力 （3.7） 式中：—往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量； —曲柄比； —曲柄半徑，； —曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，； —軸轉(zhuǎn)角。 是沿氣缸中心線方向作用的，公式（3.7）前的負(fù)號(hào)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(zhuǎn)數(shù)，； 已知額定轉(zhuǎn)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(jī)工作循環(huán)表，將每一工況的軸轉(zhuǎn)角代入式（3.2），計(jì)算得往復(fù)慣性力，結(jié)果。 （2） 旋轉(zhuǎn)慣性力 （3.9） 3.3軸與壓腳結(jié)構(gòu)的連接分析 當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)夾角為α角度時(shí)，整個(gè)連桿曲柄機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式簡(jiǎn)圖如圖3.4所示 圖3.4 曲柄與連桿的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 OA表示曲柄的長(zhǎng)度L1，AB表示連桿的長(zhǎng)度L2，XB為壓桿實(shí)際運(yùn)行的位移 即 機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度 L=L1+L2 （3.10） =30.81+238.06=268.87mm 壓桿的運(yùn)行位移 XB=L*sinα （3.11） =268.87*sin10=46.69mm 最終實(shí)現(xiàn)了壓腳桿豎直方向移動(dòng)46.69mm 26 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ４ 柄組的設(shè)計(jì) 4.1曲柄的設(shè)計(jì) 4.1.1曲柄的工作情況、設(shè)計(jì)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(fù)運(yùn)動(dòng)，曲柄大頭與曲柄銷相連和軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，曲柄體除有上下運(yùn)動(dòng)外，還左右擺動(dòng)，做復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。 2、設(shè)計(jì)要求 曲柄主要承受銜鐵壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先保證曲柄具有在足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)鋼度。如果強(qiáng)度不足，就會(huì)發(fā)生曲柄螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴(yán)重事故，同樣，如果曲柄組剛度不足，也會(huì)對(duì)曲柄曲柄機(jī)構(gòu)的工作帶來不好的影響。 所以設(shè)計(jì)曲柄的一個(gè)主要要求是在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強(qiáng)度。為此，必須選用高強(qiáng)度的材料；合理的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。 3、材料的選擇 為了保證曲柄在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強(qiáng)度，采用精選含碳量的優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼45模鍛，表面噴丸強(qiáng)化處理，提高強(qiáng)度。 4.1.2曲柄長(zhǎng)度的確定 設(shè)計(jì)曲柄時(shí)首先要確定曲柄大小頭孔間的距離，即曲柄長(zhǎng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 1、曲柄小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 曲柄小頭主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖4.1所示，小頭襯套內(nèi)徑和小頭寬度已在 電磁鐵組設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shí)溫度升高，過盈增大，小頭斷面中的應(yīng)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(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算[9]。 圖4.1曲柄小頭主要結(jié)果尺寸 （1）襯套過盈配合的預(yù)緊力及溫度升高引起的應(yīng)力 計(jì)算時(shí)把曲柄小頭和襯套當(dāng)作兩個(gè)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(shí)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(duì)于鋼 ； —襯套材料的線膨脹系數(shù)，對(duì)于青銅； 、—曲柄材料與襯套材料的伯桑系數(shù)，可??； —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(jì)算小頭承受的徑向壓力為： 由徑向均布力引起小頭外側(cè)及內(nèi)側(cè)纖維上的應(yīng)力，可按厚壁筒公式計(jì)算， 外表面應(yīng)力 （4.2） 內(nèi)表面應(yīng)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(yīng)力變化為非對(duì)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(duì)稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限， （合金鋼），??； —材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱的敏感系數(shù)，取=0.2； —應(yīng)力幅， ； —平均應(yīng)力，； —工藝系數(shù)，，取0.5； 則 曲柄小頭的疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)，一般約在范圍之內(nèi)[4]。 3、曲柄小頭的剛度計(jì)算 須計(jì)算曲柄小頭在水平方向由于往復(fù)慣性力而引起的直徑變形，其經(jīng)驗(yàn)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(duì)于一般曲柄，此變形量的許可值應(yīng)小于直徑方向間隙的一半，標(biāo)準(zhǔn)間隙一般為，則校核合格。 4.1.4曲柄桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 1、曲柄桿身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 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(qiáng)度校核 曲柄桿身在不對(duì)稱的交變循環(huán)載荷下工作，它受到位于計(jì)算斷面以上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量的慣性力的拉伸，在爆發(fā)行程，則受燃?xì)鈮毫蛻T性力差值的壓縮，為了計(jì)算疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，必須現(xiàn)求出計(jì)算斷面的最大拉伸、壓縮應(yīng)力。 （1）最大拉伸應(yīng)力 由最大拉伸力引起的拉伸應(yīng)力為： （4.6） 式中：—曲柄桿身的斷面面積，汽油機(jī)，為電磁鐵投影面積，取。 則最大拉伸應(yīng)力為： （2）桿身的壓縮與縱向彎曲應(yīng)力 桿身承受的壓縮力最大值發(fā)生在做功行程中最大燃?xì)庾饔昧r(shí)，并可認(rèn)為是在上止點(diǎn)，最大壓縮力為： （4.7） 曲柄承受最大壓縮力時(shí)，桿身中間斷面產(chǎn)生縱向彎曲。此時(shí)曲柄在擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲，可認(rèn)為曲柄兩端為鉸支，長(zhǎng)度為；在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲可認(rèn)為桿身兩端為固定支點(diǎn)，長(zhǎng)度為，因此在擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： （4.8） 式中：—系數(shù)，對(duì)于常用鋼材，，??； —計(jì)算斷面對(duì)垂直于擺動(dòng)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(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： 同理，在垂直于擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)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(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)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(duì)稱的交變循環(huán)載荷，把或看作循環(huán)中的最大應(yīng)力，看作是循環(huán)中的最小應(yīng)力，即可求得桿身的疲勞安全系數(shù)。 循環(huán)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，在曲柄擺動(dòng)平面為： （4.12） （4.13） 在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)為： （4.14） （4.15） 曲柄桿身的安全系數(shù)為： （4.16） 式中：—材料在對(duì)稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，（合金鋼），?。? —材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱的敏感系數(shù)，取=0.2； —工藝系數(shù)，，取0.45。 則在曲柄擺動(dòng)平面內(nèi)曲柄桿身的安全系數(shù)為： 在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)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(nèi)，則校核合格。 4.1.5曲柄大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 (1) 曲柄大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要尺寸 曲柄大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定于曲柄銷直徑、長(zhǎng)度、曲柄軸瓦厚度和曲柄螺栓直徑。其中在、在軸設(shè)計(jì)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(tái)高度，取，取，為了提高曲柄大頭結(jié)構(gòu)剛度和緊湊性，曲柄螺栓孔間距離，取，一般螺栓孔外側(cè)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(qiáng)度校核 假設(shè)通過螺栓的緊固連接，把大頭與大頭蓋近似視為一個(gè)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(yùn)動(dòng)開始的，計(jì)算得： 作用在危險(xiǎn)斷面上的彎矩和法向力由經(jīng)驗(yàn)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(yīng)力為： （4.20） 式中：—大頭蓋斷面的抗彎斷面系數(shù)， 計(jì)算曲柄大頭蓋的應(yīng)力為： 一般電磁鐵曲柄大頭蓋的應(yīng)力許用值為，則校核合格。 4.2 螺栓銷的設(shè)計(jì) 4.2.1 螺栓銷的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 根據(jù)氣缸直徑初選曲柄螺紋直徑，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，取。 電磁鐵工作時(shí)曲柄螺栓受到兩種力的作用：預(yù)緊力和最大拉伸載荷，預(yù)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(yù)緊力；二是保證電磁鐵工作時(shí)，曲柄大頭與套子結(jié)合面不致因慣性力而分開所必須具有的預(yù)緊力[15]。 曲柄上的螺栓數(shù)目為2，則每個(gè)螺栓承受的最大拉伸載荷為往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)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(yù)緊力由軸瓦最小應(yīng)力，由實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)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(yīng)較理論計(jì)算值大些，一般取，取。 4.2.2 螺栓銷的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算 曲柄螺栓預(yù)緊力不足不能保證連接的可靠性，但預(yù)緊力過大則可能引起材料超出屈服極限，則應(yīng)校核屈服強(qiáng)度，滿足 （4.21） 式中：—螺栓最小截面積，； —螺栓的總預(yù)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(qiáng)度為： 則校核合格。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建 5.1對(duì)Pro/E軟件簡(jiǎn)介 Pro/E軟件是美國(guó)PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一體化軟件。無(wú)論是造型設(shè)計(jì)、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(dòng)態(tài)修改的特點(diǎn)。 Pro/E更是以其基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)、單一數(shù)據(jù)庫(kù)下的全相關(guān)性等新概念而聞名于世。另外還具有模具設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)、靜態(tài)干涉檢查，計(jì)算質(zhì)量特征（如質(zhì)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(zhuǎn)動(dòng)態(tài)觀察結(jié)構(gòu)形體，更可以進(jìn)行方便的動(dòng)態(tài)修改和調(diào)整。進(jìn)行力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析、數(shù)控加工等。運(yùn)用Pro/E軟件分別對(duì)曲柄曲柄機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件進(jìn)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(diǎn)分析 電磁鐵的磁性有無(wú)可以用通、斷電流控制；磁性的大小可以用電流的強(qiáng)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；電磁鐵的磁性有無(wú)可以用通、斷電流控制；磁性的大小可以用電流的強(qiáng)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??；它的磁極可以由改變電流的方向來控制，等等。即：磁性的強(qiáng)弱可以改變、磁性的有無(wú)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(yīng)，使軟鐵具有磁性的裝置。 (1) 將軟鐵棒插入一螺線形線圈內(nèi)部，則當(dāng)線圈通有電流時(shí)，線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)使軟鐵棒磁化成暫時(shí)磁鐵，但電流切斷時(shí)，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(chǎng)，加上原有線圈內(nèi)的磁場(chǎng)，使得總磁場(chǎng)強(qiáng)度大為增強(qiáng)，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(chǎng)愈強(qiáng)。 5.2.2 電磁鐵的建模思路 （1）為了快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建電磁鐵模型，先抽取電磁鐵模型中的對(duì)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(gè)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(yùn)用【偏移坐標(biāo)系基準(zhǔn)點(diǎn)工具】，選取基準(zhǔn)坐標(biāo)系，完成電磁鐵輪廓點(diǎn)的創(chuàng)建。 （2） 運(yùn)用【插入基準(zhǔn)曲線】，將上一步創(chuàng)建的點(diǎn)連成曲線 （3） 運(yùn)用【旋轉(zhuǎn)工具】，選擇旋轉(zhuǎn)角度為“90”，完成結(jié)果如圖6.1所示： 創(chuàng)建電磁鐵銷孔 （1） 運(yùn)用【旋轉(zhuǎn)工具】，選擇【去除材料】，創(chuàng)建剪切特征。 （2） 運(yùn)用【拉伸工具】創(chuàng)建銷座模型并拉伸出通孔。 （3） 運(yùn)用【旋轉(zhuǎn)工具】，選擇【去除材料】，創(chuàng)建電磁鐵銷卡環(huán)槽。 （4） 運(yùn)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(jié)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(jié)果 5.3曲柄的創(chuàng)建 5.3.1曲柄的特點(diǎn)分析 （1） 曲柄有兩個(gè)互相垂直的對(duì)稱面，一個(gè)對(duì)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(gè)對(duì)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(tái)。 （3） 曲柄體和拉桿屬于配做的成對(duì)零件，需要同步加工，在裝配和工作時(shí)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(duì)曲柄體和拉桿分別建模，完成后進(jìn)行裝配。曲柄具有兩個(gè)互相垂直的對(duì)稱面，建模過程中可以利用兩個(gè)對(duì)稱平面，對(duì)局部特征進(jìn)行鏡像和復(fù)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(yùn)用拉伸工具，拉伸方式為盲孔，拉伸為實(shí)體如圖5.5所示： 圖5.5 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)3D