機械原理課程設計

2014年6月張三川sc.zhang@武紅霞wuh_x@鐵瑛tieying@

鄭州大學機械工程學院第一篇機械運動方案設計機械運動方案設計是對機械進行設計的最為重要的環(huán)節(jié)。運動方案的設計---即是設計者把何種原動機和何種機構組合為一部能完成特定工作任務的機械系統(tǒng)而進行地全面構思，并經(jīng)過參數(shù)計算與選擇，再用機構運動簡圖表示出來。一、運動方案設計的必備知識充分了解并掌握各種常用機構的基本知識必須了解和掌握各種動力源的性能和使用要求

動力源一般形式有電驅(qū)動、氣動、液壓驅(qū)動三種主要形式?！?機械運動方案設計的基本要求必須熟悉對設計方案的選擇有重要影響的周圍環(huán)境的信息

如車間動力源情況，是否有防爆要求，設備周圍的振源等等。充分重視其他學科的技術應用機電一體化技術，新型材料，新工藝，現(xiàn)代控制技術等。二、運動方案設計的主要步驟工藝參數(shù)的給定及運動參數(shù)的確定

工藝參數(shù)是一部機器進行方案設計和機構設計的原始依據(jù)。工藝路線也取決于設備，不同的工裝設備會產(chǎn)生不同的工藝路線，兩者相輔相成。執(zhí)行構件間運動關系的確定及運動循環(huán)的繪制

一部機器的工作任務是由多個執(zhí)行構件共同完成的。各執(zhí)行構件間必然有一定的協(xié)同動作關系，確定這種關系的一種直接方法就是運動循環(huán)圖法。執(zhí)行機構的運動協(xié)調(diào)及運動循環(huán)圖

如牛頭刨：有三個基本運動即垂直進給運動、切削運動、橫向進給運動。

運動循環(huán)圖有三種循環(huán)方式：直線式、圓周式及直角坐標式。直線式運動循環(huán)圖直線式運動循環(huán)圖：動作時序清晰明了圓周式運動循環(huán)圖直角坐標式運動循環(huán)圖各執(zhí)行構件的運動以機械原動件的相位關系清楚用直角坐標的位移線圖表示其運動時序，將其工作行程、空行程及停歇區(qū)段分別以上升、下降及水平線表示。動力源及減速器（變速）的選擇

動力源的選擇是一個非常重要的問題，必須熟悉各種動力源的特性及適應環(huán)境。減速器（變速）類型多種多樣，動力源和減速器的配合不僅涉及到機械性能，而且還和經(jīng)濟性有很大關系。機構的選擇及創(chuàng)新性設計

執(zhí)行機構是方案設計的關鍵，創(chuàng)新是其基礎。方案的比較與決策

方案的評價是一個很困難的事情，運動精度、結構強度、系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性等要全面考慮。一部機器主要由四大部分組成：

§2原動機及減速器的基本知識及其選擇一、原動機的選定原動機、傳動機構、執(zhí)行機構和控制系統(tǒng)。組成機器的四大部分必須選擇和設計得當，才能保證整部機器的性能優(yōu)良。1.電動機在電動機中有異步電動機、伺服電動機和步進電動機三大類。3.氣動動力源2.液壓動力源電動機應用場合非常廣泛，布置方便、結構緊湊液壓系統(tǒng)用于大功率驅(qū)動較多，但管路繁雜，需要液壓泵站等氣動系統(tǒng)一般用于小功率場合，動作速度快，但控制較難，也需要氣源。

在考慮總體方案時，液壓和氣動一定要考慮周圍環(huán)境是否有液或氣源，否則系統(tǒng)造價高。二、減速器（變速）系統(tǒng)

減速器是機械傳動方案中一個重要部分，它的作用是變換運動，增加扭矩，減速器有各種類型，參見下列圖表。減速器類型及用途減速器類型及用途減速器類型及用途減速器與電機的關系1.確定傳遞功率這要根據(jù)工作阻力及機械系統(tǒng)的效率確定。2.確定傳動比3.確定電機和減速器的類型4.要校驗扭矩、起動特性等等5.在一些特殊的情況要計算重量、空間尺寸等

原動機運動一般有均勻速運動、直線往復兩種主要形式。機構設計一般常將原動件運動轉(zhuǎn)變成如下的各種運動要求

§3機械運動方案設計1.傳動機構的類型及功用

傳動機構主要用于將原動機的運動和動力傳動給執(zhí)行機構（構件），使其完成特定的作業(yè)要求。常用的機構有：齒輪機構、螺旋機構、帶傳動與鏈傳動、聯(lián)桿機構、凸輪機構等。幾種常用傳動機構的基本特性齒輪機構蝸桿—蝸輪機構帶傳動鏈傳動連桿機構凸輪機構螺旋機構優(yōu)點傳動比準確，外廓尺寸小，交率高，壽命長，功率及速度范圍廣，適宜于短距離傳動傳動比大,可實現(xiàn)反向自鎖,用于空間交錯軸傳動,傳動平穩(wěn)中心距變化范圍廣,可用于長距離傳動,可吸振,能起到緩沖及過載保護作用中心距變化范圍廣,可用于長距離傳動,平均傳動比準確,特殊鏈可用于傳送物料適用于寬廣的載菏范圍,可實現(xiàn)不同的運動軌跡,可用于急回,增力,加大或縮小行程等能實現(xiàn)各種運動規(guī)律,機構緊湊可改變運動形式:轉(zhuǎn)動變移動,傳力比較大缺點制造精度要求高效率較低有打滑現(xiàn)象,軸上受力較大有振動沖擊,有多邊形效應設計復雜,不宜高速運動易磨損,主要用于運動傳遞滑動螺旋剛度較差,效率不高效率開式0.92~0.96閉式0.96~0.99開式0.5~0.7閉式0.7~0.9自鎖0.4~0.45平皮帶0.92~0.98三角帶0.92~0.94同步齒形帶0.96~0.98開式0.9~0.93閉式0.95~0.97在運動過程中效率隨時發(fā)生變化隨運動位置和壓力角不同,效率亦不同滑動0.3~0.6滾動0.85~0.98速度6級精度直齒v≤18m/s6級精度非直齒v≤36m/s5級精度直齒v≤200m/s圓弧齒輪v≤100m/s滑動速度v≤15~35m/s三角帶≤25kW同步齒形帶≤50m/s滾子鏈≤15m/s齒形鏈≤30m/s功率漸開線齒輪≤50000kW圓弧齒輪≤6000kW錐齒輪≤1000kW小于750kW常用為50kW以下三角帶≤40kW同步齒形帶≤200~750kW最大可達3500kW通常為100kW以下傳動比一對圓柱齒輪i≤10通常i≤5一對圓錐齒輪i≤8通常i≤3開式i≤100常用i≤15~60閉式i≤60常用i≤10~40平皮帶i≤5三角帶i≤7同步齒形帶i≤10滾子鏈i≤7~10齒形鏈i≤15其他主要用于傳動主要用于傳動常用于傳動鏈的高速端常用于傳動鏈中速度較低處既可做為傳動機構又可做為執(zhí)行機構主要用于執(zhí)行機構主要用于轉(zhuǎn)變運動形式,可做為調(diào)整機構2.基本機構的組合基本機構的組合大致可分為三種形式。（1）串接式

主動件1的運動(t)依次通過基本機構I和II，使從動件2獲得某一運動規(guī)律(t)，在這種組合機構中前一機構的從動件往往又是后一機構的主動件。

（2）并聯(lián)式主動件1的運動(t)同時傳給基本機構I和II，使它們具有相同的運動規(guī)律

1(t)或不相同的運動規(guī)律

1(t)和

2(t)，并通過具有兩個自由度的差動機構

III使從動件2獲得合成的運動規(guī)律(t)。III使運動疊加后，傳給從動件2，其運動規(guī)律為(t)。（3）組合式

組成復合式組合機構時，基本機構有機聯(lián)結，互相依存?；緳C構I或II中主動件的運動(t)，通過機構I、II中部分構件組成的差動機構III使運動疊加后，傳給從動件2，其運動規(guī)律為(t)。3.運動方案注意問題1）傳動鏈應盡可能短過長的傳動鏈會引起傳動精度和傳動效率的降低，增加成本，或使故障率增加。2）機械效率應盡可能高

有些機構傳動效率較低，在設計過程中一定要認真加以考慮。在有些工作位置也可能出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，致使機器不能正常工作。3）傳動比分配應盡可能合理

傳動比的分配要注意一級傳動時最大傳動比的限制，各級傳動比的分配原則應當是從電機的執(zhí)行機構一般由小到大，使高速端承受低扭矩，結構合理、機構緊湊。

4）傳動機構的順序安排

帶傳動不宜傳遞大扭矩，多安排在高速端，凸輪機構一般用于傳動系統(tǒng)的末端。

第二篇課程設計任務一、設計題目：插床設計

插床主要由齒輪機構、導桿機構和凸輪機構等組成，如圖3-23所示。電動機經(jīng)過減速裝置(圖中只畫出齒輪)，使曲柄1轉(zhuǎn)動，再通過導桿機構1-2-3-4-5-6，使裝有刀具的滑塊沿導路作往復運動，以實現(xiàn)刀具切削運動。為了縮短空程時間，提高生產(chǎn)率，要求刀具具有急回運動。刀具與工作臺之間的進給運動，是由固結于軸上的凸輪驅(qū)動擺動從動桿和其他有關機構(圖中未畫出)來完成的。

注：從動桿的加速度運動規(guī)律為等加速、等減速運動。

導桿機構的設計及運動分析凸輪機構的設計齒輪機構設計n1KHlBClO2O3abcψmax[α]lO4DФФSФ’z1z2mαr/minmmlO3Bmmoommommo6021001150505012515401256010601340820導桿機構的動態(tài)靜力分析及飛輪轉(zhuǎn)動慣量確定G3G5JS3dQδNkgm2mmN1603200.1412010001/25表1數(shù)據(jù)組號原動件導桿機構的設計及運動分析凸輪機構的設計齒輪機構設計導桿機構的動態(tài)靜力分析及飛輪轉(zhuǎn)動慣量確定n1KHlBClO2O3abcψmax[α]lO4DФФSФ’z1z2mαG3G5JS3dQδr/minmmlO3BmmommommoNkgm2mmN160210011505050125154012560106013408201603200.1412010001/2527028011505050125154012560106013408201603200.1412010001/2538029011505050125154012560106013408201603200.1412010001/2547027011505050125184012560106015508201603200.141209001/2556029011505050125184012560106015508201603200.141209001/25650210011505050125184012560106015508201603200.141209001/2575029011505050125154012560106010458201603200.141208001/2588028011505050125154012560106010458201603200.141208001/2599027011505050125154012560106010458201603200.141208001/25方案一

插床的主傳動機構采用導桿機構、連桿滑塊機構組成的6桿機構。二、主傳動方案方案二

插床的主傳動機構采用轉(zhuǎn)動導桿機構和曲柄滑塊機構。

方案三

插床的主傳動機構采用雙曲柄機構和曲柄滑塊機構

三、設計內(nèi)容1、導桿機構的運動分析已知：行程速比系數(shù)K，滑塊5的沖程H，中心距，比值，各構件重心S的位置，曲柄每分鐘轉(zhuǎn)。要求：設計導桿機構，作機構的運動簡圖，并作機構兩個位置的速度、加速度多邊形以及刨頭的運動線圖，作滑塊的運動線圖。以上內(nèi)容與后面動態(tài)靜力分析一起畫在1號圖紙上。曲柄位置圖的作法：如圖取滑塊5在上極限時所對應的曲柄位置為起始位置1，按轉(zhuǎn)向?qū)⑶鷪A周十二等分，得12個位置點，位置9對應于滑塊5處于下極限的位置，再作出開始切削和終止切削所對應的1和8’兩位置，共計有14個位置，可按下表進行分組。表2機構位置分配圖2、導桿機構的動態(tài)靜力分析

已知：各構件的質(zhì)量G及其對重心軸的轉(zhuǎn)動慣量（數(shù)據(jù)表中未列出的構件的重量可以忽略不計），阻力線圖（圖1b）及已在導桿機構設計和運動分析中得出的機構尺寸、速度和加速度。

要求：按位置分配表所分配確定1～2個位置的各運動副中反作用力及曲柄上所需平衡力矩。以上內(nèi)容作