机械原理课程设计指导书.doc

第一章机械原理课程设计概述1-1机械原理课程设计的目的 机械原理课程设计的目的是： 1 巩固和加深学生所学的机械原理知识； 2 培养学生运用理论知识独立解决工程实践问题的能力，受到一次完整的基本设计方法的训练； 3 对学生进行机构的选型与组合以及确定运动方案的训练； 4 提高学生运算、制图、表达和使用技术资料的能力； 5 训练学生掌握电算程序的编制方法，培养其使用计算机解决工程技术问题的能力。1-2 机械原理课程设计的任务 机械原理课程设计的任务是：根据给定的工作要求，进行机构的选型与组合，设计几种可能的机械运动方案，并对各种方案进行对比、选择；绘制机构运动循环图；对选定方案中的连杆机构、凸轮机构、齿轮机构及其它常用机构进行设计；绘制机械系统的运动简图；对机构进行运动分析和动力分析；编写设计计算说明书。1-3 机械原理课程设计的方法 机械原理课程设计的方法分两大类： 1 图解法：运用基本理论中的基本关系式，用图解的方法将其结果确定出来，并清晰的以线图形式表现在图纸上。图解法的几何概念清晰，方法简单。 2 解析法：运用解方程的方法求解未知量，可借助计算机进行，计算精确，结果可靠。 这两类方法各有优点，互为补充。在课程设计中应并重，互相结合，择简而用。 1-4 机械原理课程设计的步骤 由于不同的设计课题有不同的设计内容和方法，所以设计的步骤也不完全相同，有时先后顺序可能变化或交叉，要根据具体情况决定，这里只就一般情况介绍其大致步骤如下： 1了解题意。即了解机器的工作对象、加工方法和工作参数(设计时必要的原始数据)。它们是设计的依据。 2 拟定运动循环图即在了解题意的基础上确定各执行构件的运动形式和动作的先后顺序、相位，按照它们的协调要求，拟定出机械运动循环图，以协调各分支机构的设计、装配和调试。 3 构思和确定机械运动方案。即针对规定的设计要求，构思各种能够实现执行构件运动形式的机构或机械系统形成多种可能的机械运动方案。然后，对各方案进行分析、比较、评选，确定出最佳方案或较佳方案。 4 机构的尺度综合。即对选定的最佳或较佳方案中的各基本机构进行尺度设计。在这一过程中，要首先确定对各机构有相关影响的一些参数，如某些固定铰链点的位置，有些传动比、摆角等；并要具体制定出合理的设计路线，因为有时某一机构的设计结果可能是另一机构的原始参数，然后再进行各具体机构的尺度综合。最后绘出各机构的运动简图。 5 画出整个机械系统的运动简图。要按照运动循环图规定的动作顺序和相位关系，在图纸上协调好各机构中构件的相应位置。运动循环图也要在图纸上正式绘出。 6 机构分析。按照设计题目的规定，对机械系统的某一部分进行运动分析或动力分析。 7 整理设计图纸和电算资料。图纸的数量要达到课题规定的要求。图纸的质量方面要求做到作图准确，布图匀称，图面整洁，线条、字母、尺寸标注和图纸幅面等均符合制图标准。图1-l 标题栏格式 标题栏格式如图1-1所示。对于用电算进行设计的部分，要整理好数学模型和框图，打印出自编的全部程序和运算结果。 8 整理和编写设计计算说明书。课程设计的计算说明书是课程设计的重要组成部分，是学生用来说明自己的设计正确合理并供有关人员参考的技术文件，对于提高学生的技术概括能力和表达能力有重要作用。说明书的内容大致包括： 1) 设计题目； 2) 给定的设计条件、数据及要求； 3) 设计步骤。对设计中的具体步骤(如各具体机构的已知条件，设计要求，具体的计算公式和数据或作图过程，设计结果等)应详细写出，重要数据和计算结果应当列表说明，电算设计部分的数学模型、框图、程序也应反映出来； 4) 总体方案的设计结果(主要尺度和参数)； 5) 主要参考资料。 应在设计过程中逐步草拟好设计计算说明书，设计结束时再作必要的补充和整理。说明书要用钢笔写在16开报告纸上。要求层次清晰，标题醒目，叙述简明，图表齐全，文句通顺，书写工整。1-5 机械原理课程设计的答辩和成绩评定 学生完成课程设计之后，要进行答辩。答辩要求基本概念清晰，对所完成的课题的设计原理和设计过程清楚，回答问题准确。 课程设计的成绩用五级记分制：优秀、良好、中等、及格、不及格。根据完成课程设计任务的数量、质量，答辩的情况及在设计过程中的表现综合评定成绩。第二章机械原理课程设计示例a) b) c) d) e)图2-1干粉压片机工艺过程 这里举出的示例仅仅是用来说明机构设计的基本步骤和大致过程，读者可不必过多深究其中的技术细节。 设计题目：15吨压片机的加压机构1 了解题意 压片机是将陶瓷干粉料压制成直径为34m，厚度为5mm的圆形片坯。其工艺过程是： (1) 于粉料均匀筛入圆筒形的型腔内(图2-1a)； (2) 下冲头下沉3mm，预防上冲头进入型腔时把粉料扑出(图2-lb)； (3) 上、下冲头同时加压(图2-1c)，并保压段时间； (4) 上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯(图2-1d)； (5) 料筛推出片坯(图2-le)。其余设计参数是： 冲 头 压 力 16吨(150000N) 生 产 率 25片/min 机械运转不均匀系数 10 驱 动 电 机 1.7/2.8kW，940/1410r/min2 分解工艺动作，拟定执行构件的运动形式 根据工艺过程，机构应具有一个模具(圆筒形的型腔和三个执行构件(两个冲头和一个料筛)。三个执行构件的运动形式分别为： (1) 上冲头完成往复直线运动(铅垂上下)，下移至终点后有短时间的停歇，起保压作用，因冲头上升后要留有进入料筛的空间，故冲头行程约为90100mm。若机构原动件转一转(2)完成一个运动循环，则上冲头位移线图的形状大致如图2-2a所示。 (2) 下冲头先下沉3mm，然后上升8mm(加压)，停歇段时间(保压)后继续上升16mm,将成形片坯顶到与台面平齐后停歇，待料筛将片坯推离冲头后再下移21mm到待装料位置。其位移线图形状大致如图2-2b所示。图2-2各执行构件的运动线图 图2-3 压片机运动循环图 (3) 料筛在模具型腔上方往复振动筛料，然后向左退回，待坯料成形并被推出型腔后，料筛在台面上向右移动约4550mm推卸成形片坯，其位移线图大致如图2-2c所示。3 根据工艺动作服序和协调要求拟定运动循环图 上冲头加压机构的原动件每转一周完成一个运动循环，所以拟定运动循环图时，以该原动件的转角为横坐标(0360)，以各执行构件的位移为纵坐标画出位移曲线。运动循环图上的位移曲线主要着眼于运动的起迄位置，而不必准确地表示出运动规律。 本例中，料筛退出加料位置(图2-3中线段)后停歇，料筛刚退出，下冲头即开始下沉3mm(图2-3中线段)。下冲头下沉完毕，上冲头可下移到型腔入口处(图2-3中线段)，待上冲头到达台面下3mm处时，下冲头开始上升，对粉料的两面加压，这时，上、下冲头各移8mm(图2-3中线段)，然后两冲头停歇保压(图2-3中线段)，保压时间约为0.4秒，即相当于原动件转60左右。以后，上冲头先开始退出，下冲头稍后并稍慢地向上移动到台面平齐，顶出成形片坯(图2-3中线段)。下冲头停歇等待卸片坯时，料筛推进到型腔上方推卸片坯(图2-3中线段)。下冲头下移21mm的同时，料筛振动粉料(图2-3中线段而进入下一个循环。 拟定运动循环图时，还要注意一个问题，各机构执行构件的动作起迄位置可视具体情况重叠安排。例如上冲头还未退到上顶点时，料筛即可开始移动送进；而料筛尚未完全退回时，上冲头已开始下行，只要料筛和上冲头不发生碰撞即可。这样安排可增长执行构件的运动时间减小加速度，从而改善机构的运动和动力性能。 确定运动循环图后，即可据此拟定合适的运动规律曲线，进行机构设计。必要时，再对设计的机构进行运动分析，用分析得到的位移规律到运动循环图上观察机构是否协调。若有不当之处，应将运动循环图作适当的修正。4 确定机构方案 由上述分析可知，压片机构有三个分支：一是为了实现上冲头运动的主加压机构；二是为实现下冲头运动的辅助加压机构；三是实现料筛运动的上、下料机构。此外，当各机构按运动循环图确定的相位关系安装以后，应能作适当的调整，故在机构之间还应设置能调整相位的环节(也可能是机构)。上述几种机构的设计应当一一进行，这里只就其中一个机构主加压机构叙述其设计过程。 实现上冲头运动的主加压机构应有下述几种基本运动功能。 (1) 上冲头要完成每分钟25次往复运动，所以机构的原动件转速应为25r/min，若以电动机为原动力，则主加压机构应有运动缩小(减速）的功能； (2) 因上冲头是往复运动构件，故机构要有运动交替的功能； (3) 原动机的输出运动是转动，上冲头是直线运动，所以机构要有运动转换功能； (4) 因有保压阶段，所以机构上冲头在下移行程末端有较长的停歇或近似停歇的功能；机构功能齿轮机构连杆机构凸轮机构液体压力机构图2-4 实现绐定功能的基本机构 (5) 因冲头压力较大，所以希望机构具有增力的功能，以增大有效作用力，减小原动机的功率。 先取上述(1)、(2)、(3)三种必须具备的功能来组成机构方案。若每一功能仅由一类基本机构来实现，如图2-4所示，则有六种动作结构，可组合成100多种方案。在这许多种方案中，有些机构，如曲柄滑块机构，就兼有运动转换和交替换向的功能。这样，有些方案的动作结构或机构组合就显得繁琐而不合理，因而可以直观进行判断，舍弃一些方案。例如，我们可以从中选出如图2-5所示的四种方案作为评选方案。这种做法似乎比较繁琐，但它的好处是可以开阔思路，尽量考虑周全，少漏掉一些可行的方案。特别是对初次进行c)方案三 d)方案四 图2-5 压片机构的四种方案a)方案一 b)方案二 设计者，更属必要。 由于上冲头在下移行程末端还有停歇和增力的附加要求，所以对上述方案再作增改。要使机构的从动件在行程中停歇，即运动速度为零，大致有下述几种办法： (1) 如图2-5中的方案一、三用转动凸轮推动从动件，则与从动件行程末端相对应的凸轮廓线用同心圆弧廓线时，从动件在行程末端停歇。曲线导杆机构(图3-6a)也有同样的作用。 (2) 使机构的运动副或运动链暂时脱离，这可采用基本机构的变异机构，如槽轮机构(图2-6b)。也可采用换向机构或离合器(图2-6c)，当换向轮处于中间位置时，从动件A、Ba)方案五 c)方案七图2-6 按停歇要求补充的几个方案b)方案六螺杆停歇。， (3) 在机构串联组合时，使两机构的从动件在速度零位时串接。因为速度零位附近的速度一般也较小，这就使得串联组合机构中输出构件的速度在较长一段时间内接近为零。如图2-5中方案四所示。(4) 用其它方式组合机构。如用轨迹点串联时，当轨迹点在直线段或圆弧段上运动时，从动件停歇(如图2-7、2-8所示）。并联组合时，将两个输入构件的运动规律相加，可使输出构件的速度在预定区域内接近于零(如图2-9所示）。图2-7 利用轨迹直线段的停歇运动机构 图2-8 利用轨迹圆弧段的停歇运动机构图2-9 并联式组合机构之一 从功率传递的角度看，机构增力的要求与机构停歇的要求有着内在的联系，因为，若不计摩擦损，耗输入与输出功率应相等，所以速度低时力应大。根据这个道理可使冲头在下移行程的末端8mm的范围内有足够低的速度，这是增力的一个措施。此外，适当地安排机构中构件的相对位置，得到良好的传力条件，即得到较大的有效作用力，这也是一种增力的办法。所以，这类要求不必另立方案，只需在选择的方案中将构件作适当的配置就可以了。 至此，在图2-5、2-6、2-7、2-8，2-9所示的十种方案中，已充分考库了所提出的功能要求。5 评选机构方案 按照前述的方案评选原则，充分分析各方案的优缺点，然后选出几个比较合适的方案。 方案一、三都采用了凸轮机构。凸轮机构虽然能得到理想的运动规律，但要使从动件达到90100mm的行程，凸轮的向径比较大，于是凸轮机构的运动空间就比较大。而且凸轮与从动件是高副接触，不宜用于低速大压力的场合。 方案二采用曲柄滑块机构，曲柄长度仅为滑块行程的一半，机构结构简洁尺寸也较小，但滑块在行程的末端只作瞬时停歇，运动规律不理想。如用方案四，将曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构串联，则可得到比较好的运动规律，尺寸也不至于过大，又因为它是全低副机构，适宜用于低速，重载的场合。 其余方案虽可达到所要求的机构功能，但均不如前述几个方案的结构简洁。所以。选用方案四是比较适宜的。 至于下冲头和料筛驱动机构，也可照上述方法选定方案，这里就不在详述了。前者因位移不大，运动规律复杂，可考虑用凸轮机构；后者因要完成振动动作，所以可用凸轮机构完成小振动动作，用串联的连杆机构实现运动的转换和放大。6机构尺度设计 机构尺度设计的方法很多，这里仅介绍一种方法，供参考。 本方案是由曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构串联组合而成的，属于构件固接式串联组合。今将第一个机构的输出构件(在速度为零的位置)和第二个机构的输入构件(在其输出构件速度接近为零的位置)固接起来，即机构串联起来，那么，在这个位置附近(段较长的时间)组合机构的输出构件将近似停歇。其原理说明如下：图2-10 主加压机机构设计原理 假设已知曲柄滑块机构的运动规律s-2曲线如图2-10a所示，图2-10b所示为机构处于滑块速度接近于零的位置；曲柄摇杆机构的运动规律1-1曲线如图2-l0c中实线所示，而图2-l0d所示为该机构中摇杆正处于速度为零的位置。若将图2-l0b和d所示的两个机构在图示位置串联，则串联以后构件OAA和OAA，成为一个构件，如图2-10e所示。因此，第一个机构中的1和第二个机构中的2，的关系为2=0+1。其中0为一常数。所以，若将图2-l0c中的坐标1用2来表示，则相当于曲线平移了一个距离0 (如图中虚线所示）。当s-2曲线和1-1曲线按图2-10中a和c所示的位置安排时，则沿着图中箭头所示走向从1得2，由2得s，而从1和s得到1-s曲线上的点，依此可得出一条1-s曲线。从图2-10a和c的局部放大图f中可知，在1由b-c-0-a的区域内(转角约为70)，滑块的位移s约在接近零的一个很小的范围(约0.37m)内变动，依靠运动副的间隙和构件的弹性，可近似认为这时滑块是停歇的。 由此看来，若使s-2曲线上s为零的附近的一段曲线变化比较平缓，1-1曲线在1的最小值附近的曲线也比较平缓的话，滑块近似停歇时所占的1角就比较大；又为了使构件AB受力小一些，同时也使机构能得到较合理的布置，可将曲柄摇杆机构OAABOB整个绕OA逆时针方向转一个角度0，如图2-l0g所示，这并不影响机构的运动性能，反而改善了构件AB的受力条件。 根据以上分析，该机构可按如下步骤设计:a) b)图2-11 曲柄滑块机构和曲柄摇杆机构特性 (1) 确定曲柄滑块机构尺寸。根据曲柄滑块机构的特性(图2-11a)，=l/r愈小，在s=0处的位移变化愈大，所以应选较大的；但愈大，从s=0到90l00mm的位移所需曲柄的转角也愈大；又因为曲柄是与曲柄摇杆机构中的摇杆串联的，而摇杆的转角应小于180，且希望其值小一些为好。所以，应选取一个合适的曲柄长度和值，满足滑块有90l00mm的行程而曲柄转角则在60左右，同时在2=178182的范围内滑块位移不大于0.4nm(可近似看作滑块停歇)或更小些。图2-12为该机构的运动简图。(2)确定曲柄摇杆机构尺寸。在压片位置，机构应有较好的传动角。所以，当摇杆在OAA位置时，曲柄摇杆机构的连杆AB，与摇杆OAA的夹角应接近90。此时，OB若选在AB的延长线上，则AB受力最小。故在此线上选适当位置作OB的位置时，可再考虑急回特性的要求，或摇杆速度接近零的区域中的位移变化比较干稳的要求。它与机构尺寸的大致关图2-12 主加压机构设计系是：行程速度变化系数K或极位夹角1愈大，在位置A时的位移变化愈大(图2-11b)，所以，OB距点A远一些较好，但又受机构尺寸和急回特性的限制，不能取得太远。选定OB后，可定出与OAA两个位移3、4 (或I、三个位置)对应的OBB的两个位移3、4 (或I、三个位置)。按上述命题设计出曲柄摇杆机构的尺度，角0为两机构的相位角。设计结果如图2-12所示。其后，再对设计结果进行运动分析，可得到机构正确的运动规律。最后，再回到运动循环图上检查它与其它执行构件的运动是否有干涉的情况出现。必要时可修正运动循环图。整个压片机的图2-13 压片机构时序式组合机构简图如图2-13所示。第三章 机械原理课程设计参考材料3-1 机械运动方案设计的方法 机械运动方案设计的过程大致是：首先设计者将给出的运动要求(包括输入、输出量之间函数关系或工艺动作要求等等)以及外部的各种约束条件，分解成各个基本运动、动作及其限制条件；然后，定出能完成这些基本运动或动作功能的相应的机构；再按分解成各基本运动、动作时确定的关系合成各种方案；必要时应画出协调这些机构运动先后顺序的机构运动循环图；对这些方案进行机构的尺度设计(确定尺寸)；对这些方案进行性能分析；最后，对方案进行评价，以选择一种“最佳”的方案。其实，组成方案与对方案进行尺度设计、性能分析，有时是不可分的，因为在实际工作中，如果对大致的尺寸没有确定，就不可能确定出选用哪个方案，所以，这些工作在某种程度上是并行的。运动放大(缩小)或力缩小(放大)运动形式变换如转动变移动运动方向交替变换运动轴线变向运动合成(分解)运动脱离(连接)图3-1 机构的基本功能1 基本运动和机构的基本功能 任何复杂的运动过程总是由一些最基本的运动合成的。基本运动的形式有：单向转动、单向移动、住复摆动、往复移动、间歇运动等。 任何复杂的机构组合系统都可以认为是由一些基本机构组合而成的。基本机构有高副机构(如：凸轮、齿轮等机构)。低副机构(如：铰链四杆机构)和多自由度机构(如：差动轮系、铰链五杆机构，四杆四移动副机构)等。各种基本机构有如图3-1所示的基本功能。2 方案组成图3-2 关联树木法完成同一种运动功能的机构，可以由不同原理、不同的基本机构及不同的组合方式来实现。这就是说，要实现某一运动功能，可以用推、拉力传动原理，摩擦力传动原理，液压力及电磁力传动原理等等；可以用基本机构或变异机构来完成，也可以用若干基本机构和变异机构组合的机构来完成。因此，完成同一运动功能就可以有许多不同的机构运动方案。方案设计要研究的问题是如何合理地运用人们的专业知识和分析能力，仔细分析各种可能的组成方案。这样，可以提示或启发我们探索新的机构。为清晰地表达这一思考方法，可采用一种称为“关联树木法”的方法来得出各种组成方案。如图3-2所示。 现以一简单的加压装置为例，说明方案的形成过程。 设计一加压装置，它将由手动驱动，并将驱动轴的旋转运动变换成为直线加压运动。为了产生一个较大的压力，从动件的运动(位移或速度)应被大大地缩小；根据空间条件，驱动轴必须水平放置，而从动件必须铅垂方向运动；加压装置在铅垂方向的允许高度较小。 由此可知，该加压装置的机构应该有下列几个基本运动功能： (1) 转动变移动(水平轴的旋转变为直线运动)；图3-3 加压装置的基本动作结构 (2) 运动轴线变向(转动轴线水平，直线运动沿铅垂方向)，因为运动形式有转动和移动两种形式，所以轴线变向可以有转动状态下轴线变向和移动状态下变向两种变向形式； (3) 为了加压，机构最好有增力作用，所以要有运动缩小的功能。 上述三种基本功能变更排列顺序，可得到如图3-3所示的六种基本动作结构。其中I、三种结构是在移动状态下改变运动轴线方向的；、V、三种结构是在转动状态下改变运动轴线方向的；而、V三种结构是在转动状态中增力的；I、三种结构是在移动状态中增力的。 图3-4列出了实现上述基本功能的基本机构。若在图3-4的每行中各选一个机构组成一个动作结构，即与任务相适应的机构，则可组成53=125个机构方案。此外，还有用一个基本机构同时完成上述三种基本功能的方案。如移动从动件凸轮机构是一个基本结构，若将其从动件直立放置，则不仅满足了由转动变移动的转换运动形式的要求，同时也实现了运动轴线变向，而其增力作用可在设计廓线时得到一定程度的满足。这100多种方案中，凭经验、凭直观可先删除一些明显不符合要求的方案。如利用摩擦原理的机构作加压机构，除非在加压力很小的情况下，否则是不适用的。再如，用手驱动加压的情况下，若要求去掉驱动力后仍能保持压力，则所选机构必须要有自锁性能，否则也只能舍弃。图3-5中列出了存留方案中的四种，供最后评选。3 方案评选准则 在评价方案时，应该包括对制造工艺，材料选择，结构繁简，经济适用性等方面的优劣进行比较，这需要随着学习的进程而逐步深入和完善。现在作为机械原理课程设计，目的在于完成评选方案的初步训练，所以，偏重于机构的结构、运动和动力特性方面的比较。这大致有下述几个方面。图3-5 加压装置部分方案 1) 机构功能的质量 机构的功能就是转换运动和传递力。在作机构运动设计时，首先就是分析所要设计的机构的功能，并根据功能来设计。选择机构，组成方案。所以一般来说，所有方案都能基本满足机构的功能要求。然而，各种方案在实现功能的质量上还是有差别的。因此，对实现功能的质量应进行分析比较。如：机构是否能达到所要求的行程大小？达到这一行程所需的机构空间尺寸是否合适(最小)？是否能满足要求的运动规律？机构的传力特性是否良好(传动角大)？生产率是否满足要求(高还是低)？所需原动机的功率大小？是否有优良的动力性能(如惯性力平衡、动载荷、冲击、振动、噪声较小等)？精度如何？长时间使用以后出现的变化(磨损、变形等)，是否有应付的办法？上述这些工作质量上的缺陷能否设法缓解或消除或有替代方案？2) 机构结构的合理性 机构要简洁。应检查方案中有没有不必要的部分？能否用结构更简单的机构代替？构件数和运动副数是否尽量少？能否用通用件或标准件和外购件？ 通常，机械制造的难易程度与构件的数量的平方成比例，这是因为零件的制造技术和零件间的接合(装配)技术两方面的问题同时存在的缘故，因此，减少构件和运动副数量可降低制造的困难程度，同时减少误差环节和摩擦损耗，提高机构的刚度，并且连带地降低机构产生故障的可能性，提高其工作的可靠性。而增多由专业厂生产的通用件、标准件、外购件，相当于提高了零件的制造质量，可以使组配工作更简单。因此，有时宁用有设计误差但结构简单的近似机构，而不采用理论上没有误差的结构复杂的精确机构。例如，不用八杆精确直线机构，而用四杆近似直线机构。 动力源的合理选择，也有利于机构的简洁化和改善运动质量。例如，从动件作直线运动，若能从现场的现成气、电、液压源中选择一个合适的直线运动动力源(如气缸、液压缸、 直线电机等)那么就可省去运动变换机构，简化了机构系统。若现场不具备某些动力源，那么，为简化机构而特别设置一个新的动力源，也许是不合适的。3) 机构的经济性 作为学生，在现阶段还很难比较全面地衡量所设计机构的经济性。例如，从“用户”的立场来检查机构的功能是否考虑充分；从制造者的立场来检查效率与成本是否有矛盾，能否使用廉价的材料，能否有更简洁的加工方法等等。这方面的知识需要在以后阶段的学习中逐步掌握和充实，并要在积累定的经验以后才能对机构的经济性作深入的分析。然而，像运动副的形状构件的尺寸公差对机构运动性能和经济性的影响等问题，现在还是可以考虑的。例如，运动副的形式直接影响到机械的结构、耐用度、效率、灵敏度和加工难易程度等。一般来说，转动副制造简单，容易保证运动副元素的配合精度，效率高。若采用标准滚动轴承，则更易达到高精度，高效率和高灵敏度的要求。移动副的配合精度较低，滑动摩擦的移动副还容易产生楔紧、自锁或爬行现象。高副易于用少数构件精确实现给定的运动规律和轨迹，但一般高副形状复杂，相对其它运动副来说制造困难，接触面积小，磨损较快，故适用于低速轻载的场合；在设计与制造的关系方面，我们应当从制造是否简单的观点来衡量。如果这个方案的机构设计虽然比较繁难，但是制造容易，还是应该优先采用的，因为这有利于提高机构的经济性。4) 机构的实用性 理论上可行的机构，到能够将其付诸实用，还是有段距离的，所以设计者要为“用户”着想，除了满足功能要求，经济实惠以外，还应考虑机构工作的安全、可靠性；对机构产生的振动、噪声等公害有没有相应的防护措施；机构总体布置上对操作是否方便；是否便于进行日常的检查和维修等等。 按照上述评判准则，试以图3-5所示的几种方案为例，作如下的评述。 就机构的功能质量而言，四个方案均能达到给定的功能要求，但是，由于在铅垂方向上机构尺寸受到限制，所以可进一步在这方面进行比较。在达到同样大小行程并有良好的传力特性情况下，方案B、C在铅垂方向上的空间尺寸要比A、D两种方案大得多。(请注意，实现运动功能质量方面的比较常常要通过设计计算或粗略估算后才能定夺。) 由于机构是手动驱动，所以冲击、振动和噪声等问题可不必考虑。本例中没有提出生产率、效率的问题，所以可不深入研究。但是，可看到方案A、D的原动件是螺杆，它要转很多圈以后才能使从动件压紧工件，所以若将传动螺杆的手柄做成飞轮状，使螺杆产生加速转动，利用惯性力矩作最后的加压就可以用较小的驱动力，得到较大的压紧力。而方案B、C则没有这种可能。当然，若从生产率的角度来看，机构加压和松开所需的动作时间，方案B、C明显要比方案A、D少。至于这些机构在长时间使用以后的变化问题，可看到方案B中的凸轮机构是高副接触，较易磨损，故凸轮廓线上需要留有一余留段，使机构加压时凸轮有多转过一个角度的余地，以便磨损后减小的行程能得到补偿，但这样设计的凸轮，在自锁性能上要稍差一些；方案C虽不易磨损，但磨损后要补偿行程是不容易的，必须调整四杆机构的尺寸才能达到补偿的目的；方案A则只要斜面和螺杆长度留有余地，即可实行补偿；方案D主要是活塞密封件磨损后漏油必须更换密封圈才能修复。这四个方案中的机构容易磨损的程度依次为方案B、C、A、D。而易修复程度依次为D、A、B、C。 这里研究的四个方案，可以说已经是众多方案中最简洁的方案了。当然，还可再作进一步的分析研究，如方案C是否可以改成曲柄滑块机构？这里所以用六杆机构是因为要得到更大的增力作用。若压紧力不大，则可改用曲柄滑块机构。又方案A用了左右螺旋机构和两组楔块机构，若工作件的加压面较窄，则可去掉一组螺旋和楔块机构；若加压面较宽，则应用两组机构。至于运动副形式，因这里有直线运动，所以用移动副也是顺理成章之事。当然，不用移动副而使构件作直线运动的机构也是有的，但这个机构就不是简洁的了。 本例中用人力驱动，所以没有动力源的选择问题。 方案A、D中螺旋副的加工要比转动副复杂一些，然而方案B中的凸轮廓线是最难加工的运动副元素。因为要使机构具有良好的反行程自锁和行程补偿性能，凸轮不能用最简单的圆廓线，这又增加了廓线的加工难度。 当被加工工件尺寸变化时，方案A、D可用改变输入构件的转角来调整从动件的加压行程，此时机构的性能不变；而方案C则只能用改变工件夹具的位置来适应机构的加压行程，增加了结构、制造和使用上的困难。 就机构的实用性而言，使用安全可靠是最主要的。从这一点来看，方案A的螺旋和楔块机构都可以使其具有自锁性能，而且采用面接触的两个对称机构，加压时机构稳定；螺杆受拉力，受力情况良好(无压杆稳定问题)；有两个自锁环节，所以工作可靠，而且加压性能不受工件尺寸变化的影响。方案B、C在自锁性能方面显然不如方案A、D。在日常检修、维护方面，各方案均较简单。只是方案D的液压缸防漏问题是一个比较棘手的问题。 从以上评述可知，各方案总是有其各自的优缺点，那么最后又怎样来确定采用哪个方案呢？目前正流行一种定量式评判办法，就是将上述指标按其重要程度分别规定“分”值，然后逐项平分，哪个方案得到的总分最多，就认为哪个方案最优。但这种办法也不尽如人意，因为在各项指标规定分值时，具有很大的主观随意性，不过在机构系统比较复杂，因素众多的情况下，也许这是一种比较好的办法。而对于简单的机构，则显得有些繁琐了，这时，我们可抓住关键性的性能指标和突出的优点或缺点来决定方案的取舍。象上述评论的例子中，在铅垂方向尺寸最小的情况下，再比较增力性能和自锁可靠性，可确定方案A、D是较好的方案。 若考虑到液压缸的防漏要求比较严格，制造要求较高，那么可优先考虑选用方案A。3-2 齿轮啮合图的绘制 齿轮啮合图是将齿轮各部分尺寸按一定的比例尺在图纸上画出轮齿啮合关系的一种图形。它可直观地表达一对齿轮的啮合特性和啮合参数，并可借助图形作某些必要的分析。1 渐开线的画法渐开线齿廓按渐开线的形成原理绘制，其步骤如下(参看图3-6，以小齿轮廓线为例)。(1) 按公式计算出各圆直径d、db、d、df及da，画出各相应的圆。图3-6 渐开线的画法 (2) 连心线与节圆的交点为节点P。过P点作基圆的切线，与基圆相切于Nl，则即为理论啮合线的一段，也是渐开线发生线的一段。 (3) 将线段分成若干等分：、(4) 设0为渐开线的起点，根据渐开线特性质知弧长Nl0=。因弧长不易测量可按下式计算弧Nl0所对应的弦长按此弦长在基因上取得0点。 (5) 将基圆上的弧长Nl0分成与发生线同样等分，得基圆上的对应分点l、2、3 (6) 过点1、2、3作基圆的切线，并在这些切线上分别截取线段，使、，得1、2、3诸点。光滑连接0、1、2、3各点的曲线即为节圆以下部分的渐开线。 (7) 将基圆上的分点向左伸延，作出5、6、7，如图3-6所示。取、，可得节园以上部分渐开线各点1、2、3，直至画到(或略超出)齿顶圆为止。 (8) 当dfdb时，在渐开线与齿根圆之间直接用过渡圆角连接。2 啮合图的绘制步骤 (1) 作出有效啮合线长度：啮合线是一对齿轮啮合点的轨迹。先由计算所得的几何尺寸画出中心距为a的齿轮传动中心连线O1O2后，再分别以O1和O2为圆心画出一对基圆，根据两轮规定的转动方向作两基圆的内公切线，两切点N1、N2的连线即为理论啮合线。然后分别以O1和O2为圆心，作半径为ra1和ra2的齿顶圆交理论啮合线于B1和B2点，则线段B1B2即为有效啮合线或实际啮合线。 (2) 绘制啮合区内参加啮合的齿轮轮齿：先按渐开线的画法制作齿廓模板，然后在节点P处画上第对啮合轮齿，再自分度圆与渐开线的交点(图中即为P点)向左、右分别量取若干个等于周节(齿距)p和齿厚s的弧长，为精确起见可按下式求这些弧长所对应的弦长。 长度分别等于p和s的弧所对的弦长和分别为： 再利用模板绘制其余各对轮齿。 (3) 作出齿廓实际工作段：由于B1、B2为起始与终止啮合点，故以O1为圆心，以O1 B2为半径作圆弧交齿轮1齿廓于bl点，则a1b1为1齿轮齿廓的实际工作段；同样，以O2为圆 心，以O2 B1为半径作圆弧交齿轮2齿廓于b2点，则a2b2为2齿轮齿廓的实际工作段。 (4) 作出啮合弧：由齿廓实际工作段上、下瑞点a1、b1与a2、b2点分别作基圆的切线交节圆上cl、d1与c2、d2，则cld1与c2d2弧即为啮合弧。 (5) 绘制参加啮合轮齿多少的区域分布图。(6) 绘制两齿轮轮齿的滑动系数曲线：滑动系数是轮齿接触点K处两齿面间的相对切向速度(即滑动速度)与该点的切向速度的比值。滑动系数的大小反映了齿轮的齿面的磨损程度，它是衡量齿轮传动质量的指标之一。图中U1、U2分别表示为小齿轮和大齿轮的滑动系数变化曲线，纵坐标为滑动系数，横坐标N1N2为理论啮合线，B1B2为实际啮合线。U1和U2值可按下式求出。图3-7 齿轮啮合图 式中l = N1N2；i12 =1 /2= z2 /z1。改变x值(此值由N1点量起)即可求出U1和U2的大小，并绘制出两齿廓的滑动系数曲线。图中阴影部分为齿廓实际工作段的滑动系数的变化规律。第四章机械原理课程设计选题4-1 印刷机翻纸机构图4-1 翻纸机构示意图1 机构简介 图4-1所示为待设计的印刷机翻纸机构，原动机经减速装置减速后，使原动件1得到n1的转速，再经六杆机构ABCDEF，使走盘5获得往复直线运动(印版水于安放在走盘上)。固联在走盘上的齿条5带动齿轮7转动，齿轮7通过离合器(图中未示出)控制大辊筒8的运动。当走盘从左极限开始右行时，离合器闭合，大辊筒开始转动，其外圆柱面带着印纸与印版表面做纯滚动，达到印刷的目的。与此同时，通过适当的传动装置(待设计)，大辊筒8把运动传递给小辊筒10，已印好的书页经大辊筒传递卷到小辊筒上。当走盘从右向左返回时，离合器脱开，大、小辊筒停止转动，主轴转动一周，走盘往复运动一次，完成一次印刷，其间小辊筒首先把上一循环中印好的书页传给翻纸叉12，再由翻纸叉把书页由左边翻到右边。 对翻纸叉的工作要求：设走盘在左极限时主轴的角位置为零位，当主轴逆时针转动最初90的过程中，翻纸叉在左极限位置不动，接到书页后翻纸叉顺时针转动180把书页翻到右极限位置；接着翻纸叉逆时针转回左极限位置，完成一个运动循环。翻纸叉运动周期为2s，且工作、空回行程时间相等，2 原始数据及设计要求 主轴转速n1=30r/min；走盘机构的极位夹角=3；齿轮参数为z7=53，m=4mm；大小辊筒的直径分别为d8=210mm，d10=94mm，传动比i8,10=n8/n10=0.5；各杆尺寸列于表4-1。表4-1 翻纸机构原始参数lABlBClCDlCFlDElAElAO1lO1O2lO3O2ly1ly2ly3ly4ly5ly61905004203001707706961605504207861601062462083 设计任务 (1) 设计5种翻纸机构运动方案，对其性能进行分析比较，选定一个较佳方案在2号图 纸上绘出其运动简图和运动循环图; (2) 设计所选方案中的凸轮机构，图解法要求在3号图纸上面出凸轮的理论廓线和实际 廓线，解析法要求编制程序，上机打印出计算结果和凸轮廓线； (3) 设计所选方案中的齿轮机构，确定齿轮的基本参数，计算其基本尺寸；绘制齿轮传 动啮合图并验算齿轮传动重合度； (4) 设计所选方案中的连杆机构，在3号图纸上面出机构运动简图； (5) 对走盘机构进行运动分析，绘出位移s-、速度v-、加速度-曲线。 4-2 印刷机蘸油机构图4-2 蘸油机构示意图1 机构简介 图4-2所示为侍设计的印刷机蘸油机构，原动件1经适当的传动装置把运动传给杆4，并带动铰接在其上的蘸油辊5上下往复摆动。蘸油辊5在其上极限位置停留时与供油辊2接触，供油辊带动蘸油辊作纯滚动，并把油盒中的油墨传到蘸油辊5上；蘸油辊在其下极限位置停留时，与水平运动的墨板6接触(图中未示出墨板的传动装置），把油墨传给墨板6。与此同时，主轴1经适当的传动装置把运动传给与油盒斜面3相接触的供油辊2，通过供油辊的间歇转动，把油盒中的油墨带出。2 原始数据及设计要求 机构尺寸列于表4-2 表4-2 蘸油机构原始参数 y1y2y3y4lO1IlIJ25500550200805801005050主轴转速n1=30r/min; 蘸油次数N=30次/min； 蘸油辊的运动循环为：蘸油辊由下极限位置向上极限位置运动的过程占1/12周期，相当于主轴转过30；蘸油辊在上极限位置与供油辊接触过程占5/12周期，相当于主轴转150，蘸油辊返回下极限位置的过程占1/12周期，相当于主轴转30；蘸油辊在下极限位置停留过程占5/12周期，相当于主轴转150。供油辊的运动循环为：供油辊自转60占2/5周期，相当于主轴转144；供油辊停歇占3/5周期，相当于主轴转216。3 设计任务 (1) 设计5种蘸油机构的运动方案，并对其性能进行分析比较，选定一个较佳方案，在2号图纸上绘出其运动简图和运动循环图； (2) 设计所选方案中的凸轮机构，图解法要求在3号图纸上画出凸轮的理论廓线和实际廓线；解析法要求编制程序，上机打印出计算结果和凸轮廓线； (3) 设计所选方案中的其它常用机构，在3号图纸上绘出各机构的运动简图； (4) 对供油辊进行运动分析：要求在3号图纸上绘出某一个位置的速度和加速度多边形 (其余位置可在说明书中作出)以及位移s-、速度v-、加速度-曲线。4-3 轧辊机构图4-3 轧辊机构示意图1 机构简介 图4-3所示轧机是由送料辊送进铸坯由工作辊将铸坯轧制成定尺寸的方形、矩形或圆形截面坯料的初轧机。它在水平面内和铅垂面内各布置一对轧辊(图中只画出了铅垂面内的一对轧辊)。两对轧辊交替轧制。轧机中工作辊中心M应沿轨迹mm运动，以适应轧制工作的需要。坯料的截面形状由轧辊形状来保证。2 原始数据及设计要求 根据轧制工艺要求，并考虑减轻设备的载荷，对轧辊中心点M的轨迹可提出如下基本要求： (1) 在金属变形区末段，应是与轧制中心线平行的直线段，在此直线段内轧辊对轧件进行干整，以消除轧件表面因周期间歇轧制引起的波纹。因此，希望该平整直线段L尽可能长些。 (2) 轧制是在铅垂面和水平面内交替进行的，当一个面内的一对轧辊在轧制时，另一面内的轧辊正处在空回行程中。从实际结构上考虑，轧辊的轴向尺寸总是大于轧制品的截面宽度。所以，要防止两对轧辊在交错而过时发生碰撞。为此，轧辊中心轨迹曲线mm除要有适