机械原理课程设计

洛阳理工学院机械原理课程设计设计说明书2010/12/设计课题：活塞式压气机机构设计与分析院系：机电工程系专业：车辆工程班级 B设计者：张xx指导教师：；李xx目录一、活塞式压气机的功能与设计要求31.活塞式压气机的功能32.课程设计内容与要求33.活塞式压缩机的工作原理4二、确定执行构件的运动协调配合关系5三、确定机器的运动方案5四、机构的尺寸设计71.曲柄滑块机构的尺寸设计72.曲柄滑块机构的运动分析83.齿轮机构尺寸设计104.凸轮机构设计11五、课程设计感想14六、参考文献1514一、活塞式压气机的功能与设计要求 1.活塞式压气机的功能 活塞式压气机在国民经济各部门占有重要的地位，在各工业部门获得广泛应用。在冶金工业中， 冶铁炼钢都需要把一定量的空气送给高炉燃烧，以提高高炉内的温度，尤其炼钢过程中，需要高压氧气压缩机，其出口压力达32kg/cm2。另外氧气的制取过程中，需要用到压缩机压缩空气提高压力，以使氧气和氨气在不同沸点实现分离；在石油及天然气的储运过程中，离不开管道，储罐或压缩机，管道是输送工具，储罐是储存设备，而压缩机等是连接管道和储罐的输送动力；化工行业中，化肥的生产也离不开压缩机，压缩机可以提高氨和氢混合气的压力，然后把混合气体送入合成塔合成氨；精炼石油的过程中，裂化和重整两个工程需要对气体进行压缩；其他需要动力风源的地方，压缩机都是流程中关键的设备之一；在动力和国防工业中，压缩机的使用也是具有举足轻重的地位。例如，小功率燃气机是一种小动力装置，它的特点是体积小，重量轻，便于移动，维护方便，启动快，因而广泛应用于航空，航海，风在应急发电站，移动电站等方面。 2.课程设计内容与要求机器运动方案的生成与最优方案的选择或对已给的几种方案进行分析比较，机器各组成机构的运动尺寸设计和动态静力分析，机器运动简图设计，主体机构运动分析，确定执行构件相互协调配合关系。设计数据要求示功数据表3.活塞式压缩机的工作原理当活塞式压缩机的曲轴旋转时，通过连杆的传动，活塞便做往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生周期性变化。活塞式压缩机的活塞从气缸盖处开始运动时，气缸内的工作容积逐渐增大，这时，气体即沿着进气管，推开进气阀而进入气缸，直到工作容积变到最大时为止，进气阀关闭；活塞式压缩机的活塞反向运动时，气缸内工作容积缩小，气体压力升高，当气缸内压力达到并略高于排气压力时，排气阀打开，气体排出气缸，直到活塞运动到极限位置为止，排气阀关闭。当活塞式压缩机的活塞再次反向运动时，上述过程重复出现。总之，活塞式压缩机的曲轴旋转一周，活塞往复一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成一个工作循环。机构简图如下图1-1（图中仅画出排气凸轮机构简图）二、确定执行构件的运动协调配合关系 如图1-1，电动机通过V带带动曲柄1转动，经连杆2推动活塞3往复运动。活塞3将向右移动压缩汽缸内的空气至所需压力。曲柄转一周，活塞往复移动一次，完成一个由进气、压缩、排气、膨胀等四个过程组成的工作循环。图1-1a即为一个工作循环中气缸内气体压力与其容积变化的示功图，abcda即对应上述四个工作过程。曲柄转动时，与曲柄相固连的齿轮z1带动齿轮z2及凸轮轴上的进气和排气凸轮4，以完成进、排汽阀的启闭。 三、确定机器的运动方案原动机做匀速运动，驱动各执行构件动作，其中排气阀的启闭动作可考虑直接用凸轮作为主动件，以保证运动协调配合。因为采用集中驱动，所以由电动机到原动件得主传动链总传动比i=n/n1=15002/60=3.14。执行构件（曲柄）做连续转动，所以主传动链中，只需要知道一级减速运动分支和将连续回转运动变换为往复直线运动的功即可画出主传动链的功能框。然后再根据其执行的运动形式的运动参数大小，确定所需的功能，画出各辅助传动的功能框图。这样得到液压式压气机的功能框图。如下：图12 功能框图参考现有机器，考虑到各组机构使用的可行性和合理性，选择了机器的两种方案：方案一、主传动采用带传动，主体机构采用齿轮机构和凸轮机构，并采用离合器控制机器的运转。方案二、主传动采用齿轮机构进行减速，主体机构虽然可以采用其他机构，但在动力传动中曲柄滑块机构较其他机构简单、合理，所以应采用曲柄滑块机构，辅助机构仍采用齿轮机构。综合功能框图的传动路线，考虑到机构和轴线的配置以及一些其他功能即可做出机器的两种运动方案。这两种方案区别在于主传动机构与辅助传动机构不同。方案一带传动结构简单，传动平稳，具有过载保护作用。齿轮传动结构紧凑、寿命长、效率高。采用变位齿轮不仅可以避免根切现象，而且可以采用变位修正法来提高齿轮的传动承载能力（而齿轮的尺寸和重量变化不大），改善齿轮的啮合性能和配凑齿轮的中心距等。凸轮机构能够使从动件实现任意给定的运动规律，且结构紧凑，工作可靠，易于设计。采用滚子代替顶尖，使接触磨损变小，可传递较大的力。采用等加速与等减速运动，能产生柔性冲击，满足运动要求。方案二主传动采用齿轮传动，具有传动平稳，承载能力高等特点，但它的制造成本和安装精度要求高。齿轮机构将主动件的往复运动变为从动件的间歇运动，虽然也能完成气门的开闭，但不能按要求的位移曲线形式控制气门的开闭，而且齿爪和齿轮齿开始接触的瞬间有刚性冲击，因而传动平稳性较差，易产生磨损。根据以上简单的分析，初步决定采用方案一作为机器的运动方案。参考同类机器，采用三相异步电动机集中驱动。取Me=1500r/min。四、机构的尺寸设计1.曲柄滑块机构的尺寸设计（a）图13（b）设曲柄长为L1，连杆长为L2,当曲柄转到如图13（a）所示位置时，此时转动中心O1到滑块上B点的距离LO1B=LABLO1A，当曲柄转到如图13（b）所示位置时，滑块刚好走完一个行程H，且此时有LO1B=LAB+LO1A，有以上两个位置关系可得H=2LO1A，由H=150mm得LO1A=75mm，又由=LAB/LO1A=5得LO1B=375mm，所以，L1=75mm，L2=375mm2.曲柄滑块机构的运动分析以滑块上的点B为动点，动系固连在连杆AB上，绝对运动为动点B沿O1B的直线运动，速度为V ，法向加速度为n ，切向加速度为 。相对运动为动点B绕A点的转动，速度为Vr，法向加速度为rn，切向加速度为r 。牵连运动为点A绕O1点的匀速转动，速度为Ve ，法向加速度为en ，切向加速度为e 。当曲柄转到如图14所示位置时，对其进行速度和加速度分析，速度分析如下： 图14速度与加速度矢量图由题意得，Ve=1LO1A=600.075=4.5m/s，由力学理论知，做平面的刚体上某一点的绝对速度可以看作是刚体上任选动点相对速度与牵连速度的合成，因此滑块B的速度可以看作是速度Ve和速度Vr的矢量和，则我们可得下列速度关系式： V = Ve + Vr方向 O1B O1A AB大小 ？ 1LO1A ？根据上式作出速度多边形，在多变形上量出个速度对应的长度，再乘以速度比例尺v=2m/s mm，即得相应速度： V = 1.84m/s Vr = 3.92m/s加速度分析：类似于速度矢量分析，根据牵连运动为转动时的加速度合成定理，我们易得下例加速度关系式： = e + r + k 即 = ne + nr + r + k方向 O1B AO1 BA AB Vr大小 ？ Vr/LAB Ve/LO1A ？ 2VeVr/LO1A 根据上式作出其加速度多边形，在多边形上量出各加速度对应的长度，再乘以加速度比例尺=10m/s mm，即得相应加速度： = 28.92m/s r = 33.02m/s3.齿轮机构尺寸设计因为z1=22，z2=22，m=6，=135所以，标准中心距=m(z1+z2)/2=132通过查看“系数界限图”和计算的两齿轮的变位系数x1 = 0.28，x2 = 0.24且，所以应采用变位齿轮正传动方式传动= =23.15分度圆分离系数：y = (-)/m = 0.5齿顶降低系数： =x1+x2y=0.02分度圆直径：d = mz = 132mm基圆直径：db1=db2=mz=124mm节圆直径：d= d/d1=d2=135mm齿顶高：h1 = (h*+x1-)m =7.56mm h2 = (h*+x2-) m=7.32mm齿根高：hf1=(h*+c*-x1)m=5.82mm hf2= (h*+c*-x2)m=6.06mm全齿高：h=(2h*+c*-)m=13.38mm齿顶圆直径：d1=(z1+2h*+2x1)m=147.36mm d2=(z2+2h*+2x2)m=146.88mm齿根圆直径：df1=(z1-2h*-2c*+2x1)m=120.36mm df2=(z2-2h*-2c*+2x2)m=119.88mm分度圆齿厚：s1=m/2+2x1mtan=10.51mm s2=m/2+2x2 mtan=10.36mm分度圆槽宽：e1=m/2-2x1mtan=8.33mm e2=m/2-2x2 mtan=8.48mm图15 齿轮啮合图4.凸轮机构设计（1）由mmin=30，和机械原理图盘形凸轮基圆半径诺模图查得又因为h=10mm，所以，h/rb=0.36，rb=27.78mm根据要求机构被设计成中速低载机构，本着降低成本原则和制造简单等因素取rb=28mm（2）利用计算机采用图解法作出从动件曲线，如图16所示（3）由rb=28mm和从动件运动规律设计凸轮轮廓，利用计算机并采用图解法作出凸轮理论轮廓线，如图17所示（4）求出凸轮理论轮廓线外凸部分最小曲率半径。（5）设计滚子半径：欲保证滚子与凸轮正常接触，滚子半径小于等于凸轮理论轮廓线外凸部分最小曲率半径，通常设计滚子半径rT0.8mm，所以根据各方面因素考虑取rT6.5mm。（6）经检验min=30，所以同理可求得排气凸轮的上述数据如图18所示 图16 图16路程s：1=1m/s/mm速度v：=24m/mm加速度：=5m/s2/mm23（7）完成凸轮设计。五、课程设计感想课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，活塞式压气机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握活塞式压气机的开发技术是十分重要的。回顾起此次活塞式压气机课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编