机械基础综合课程

1、机械基础课程综合设计指导书大学国家工科机械基础课程教学基地2006 年 5 月绪论11. 机构的选型 91.1 主执行机构的选型 91.2 辅助执行机构的选型 122. 原动机的选用 13. 拟定传动系统方案 153.1 传动系统的选择与设计 153.2 有级变速传动系统的转速图 164. 绘制系统工作循环图 195. 机构尺度参数确定 246. 静力分析和初定各构件的质量参数 257. 主执行机构的运动分析 268. 主执行机构的动态静力分析 308.1静定组 308.2主执行机构的动态静力分析图解法 308.3主执行机构的动态静力分析解析法 339. 飞轮设计和原动机功率的校核 3410部

2、分零部件的强度结构设计 36附录：平面连杆机构力分析子程序使用说明 3852参考文献绪论机械基础课程综合设计是“机械原理”和“机械设计”两门课程的综合课程设计， 学生在设计时也涉及“工程制图”、“机械制造技术基础”、“理论力学”、“材料力 学”等基础系列课程容作。本指导书按着学生将要进行的设计过程编写，适用于所有设计题目。学生阅读本指 导书，并按要求进行课题的设计，可达到综合课程设计的基本要求。有更高要求的学 生，可在指导教师的指导下，查阅其它资料，完成更多更复杂的设计工作。任务书中提出的设计要求和指导教师对学生的要求有可能是“脱离工程实际的要求 而更接近机械原理课程容训练的要求”。个别学生可

3、在指导教师认可的条件下，展示其 思维的才华，创造性地提出并实施其新颖的设计方案，但对大多数学生来说设计要具有 强制性的。其一是容的强制性：方案中强制性规定了涉及“机械原理”和“机械设计” 两门课程的主要容。而其中某些容在实际的设计中可能是没有的；其二是完成任务所用 方法的强制性：设计容及要求中强制规定了既涉及图解法的容又涉及编写程序的任务， 而图解法甚至解析法编写程序在实际工程设计中都有可能不采用。其三是时间的强制 性：学生必须在两周完成设计，而工程实际的设计问题则有可能有更长的反复设计的时 间。因此学生的设计过程中仅涉及机械产品设计过程的主要部分过程而不是全部过程。0.1 机械设计基础系列课

4、程综合设计实践的地位、目标和要求（资料来源：机械 基础课程综合设计大纲 ）“机械原理”和“机械设计”是高等学校工科机械工程类本科生必修的“机械基础 系列课程”中的两门主干技术基础课，在培养工科学生的综合素质、机械设计和创新能 力方面占有不可替代的重要地位。而机械设计基础系列课程综合设计是“机械基础系列 课程”中最重要的实践环节。在机械设计基础系列课程综合设计中，通过加强机械系统 方案的创新构思与设计，加强机械系统多方案的评价与优选，加强设计容的综合性和工 程性，加强现代机械设计基本功的训练与培养，加强各种现代设计方法与手段的掌握与 应用，使学生具有更高的综合素质，更强的机械设计和创新能力，以适

5、应时代的要求。通过机械设计基础系列课程综合设计，学生应达到如下要求：1 ）更好地掌握和加深理解“机械基础系列课程”课程，特别是“机械原理”和“机 械设计”两门课程的基本概念、基本理论和基本方法；2 ）树立正确的设计思想，了解完整的机械产品设计过程，并重点掌握机械产品的总 体方案设计、运动和动力设计，以及强度和结构设计等重要概念和容；了解国家当前的 有关技术经济政策；3 ）具有调查研究、分析比较的能力和机械产品或机械系统总体方案或运动方案创新 设计的能力；4 ）进一步提高各种现代设计方法和手段应用的能力；5 ）进一步提高计算和绘图能力，具有运用设计标准、设计规、设计手册、设计图册 和查阅有关技术

6、资料的能力；6 ）具有表达设计成果、书写技术报告及科学研究论文的能力。0.2机械产品设计过程机械设计基础系列课程综合设计主要容（资料来源：黄茂 林，伟主编机械原理第七章，机械工业，2002）设计机械过程并没有一个通用的固定的程序，而须按具体情况确定。机械设计的一 般进程，可分为产品规划（概念设计）、总体方案设计、结构技术设计生产施工设计 （工艺设计）和改进设计五个阶段。其工作容和任务如表1.1所示。表0.1机械产品设计过程设计阶段工作容形成文件产 品 规 划 概 念 设 计选题选择设计对象、提出设计题目（设想）调 研 和 预 测市场调查：进行需求、购买行为分析，作销售量预测及 市场占有率预测；

7、进行经济、社会环境分析，作产品社 会效益及产品生命周期预测；进行政策、法规分析，作 产品生产和销售可能性预测。技术调查：进仃产品设计、制造的新技术、新材料的调 研掌握有关产品的国外水平和发展趋势，作技术可行性 预测及产品成本预测。调研报告确定对策从经济、技术、市场各方面论证新产品开发的必要性和 产品设计、制造、销售上各项措施实施的可能性产品开发可行性论证报告确定设计任务明确设计目标及需要达到的功能目标和性能指标设计任务书总目标分 析和功 能原理 设计根据设计任务书中规定的设计任务，进行功能目标分 析，做出工艺动作的分解，明确各个工艺动作的工作原 理，提出设计、工艺等方面需要解决的关键问题功能原

8、理解及功能结构方案设计阶段工作容形成文件体 方 案 设 计方 案 设 计拟定总体方案和基本性能参数、结构参数，进行执行系 统、传动系统的设计，选择原动机。对完成各工艺动作 和工作性能的执行机构的运动方案进行全面创新构思， 对各可行方案进行运动规律设计、机构型式设计和协调 设计总体方案示意 图，机械系统 运动简图，运 动循环图，总 体方案设计计 算说明书万案 评价 与决尺S朿对各可行方案进行运动分析、动力分析及有关计算，作 模拟设计试验，以进行功能、性能评价和技术、经济评 价。在可行方案群中选择最优方案，确认其总体设计方 案。结 构 技 术 设 计结构万案拟定根据经济性、稳定性、运输安装、管理维

9、修、环境保护 等因素，拟定执行系统、传动系统的结构方案以及与原 动机之间联接的方案可靠性造型设计从人机工程、民族风格、用户心理感受、易操作性以及 美学观念出发，进行产品造型、色彩表面处理的设计结构设计及材料选择从加工工艺、装配工艺性、摩擦润滑、振动噪音、传 热、腐蚀等因素出发，设计零部件的结构，确定各零件 的相对位置、结构型式及联结方法根据运动、动力计算，强度和刚度计算，选择零件材 料、热处理方法和要求，确定零部件各部分的形状、尺 寸公差、精度及制造安装的技术条件。确定外购的标准 件、元器件规格和技术要求设计图绘制绘制总装配图、各类系统图（包括执行系统、传动系 统、控制系统、润滑系统、气液压系

10、统、电路系统）、 部件装配图和零件图。编制设计计算说明书详细设计图纸及设计说明书工艺设计进行加工工艺、装配工艺设计。制定工艺流程及零部件 检验标准工艺文件及工 装设计图，实设计阶段工作容形成文件施工 工 艺 设 计工装设计进行加工、装配时必需的工具、量具、夹具和模具的设 计，包括必要的专用加工设备及装置的设计验施工设计制定装配调试、试运行及性能测试的步骤及各阶段的技 术指标。制疋包装、运输、基础安装的要求。确疋随机 器提供的备件、专用工具明细表产品使用说明书改进设计阶段引人并行设计观念，将前面各阶段的评价信息反馈到新 一轮的设计中，进行改进设计0.2.1 机械总体方案设计的目的和容进行总体方案

11、设计的具体目的，就是在通过调查研究进行机械产品规划、确定设计 任务、明确设计的要求和条件的基础上，寻求问题的解法及原理方案构思，进行功能原 理设计，拟定机械功能结构方案，选择机构类型，得出一组可行的机械系统运动方案， 为下一步进行详细的结构设计作好原理方案方面的准备，提出战略性、指导性的意见， 也为最终进行评价、优选决策提供诸如可行性、先进性等等相关技术原理方面详尽的科 学依据。机械系统主要由原动机、传动系统、执行系统和控制系统所组成。总体方案设计的 主要容就是围绕这几部分的方案设计。1. 执行系统的方案设计主要包括执行系统的功能原理设计、动作及运动设计、执行机构的型式设计、执行系统的协调设计

12、和执行系统的方案评价与决策。2. 原动机类型的选择和传动系统的方案设计其中传动系统的方案设计主要包括传动类型和传动路线的选择，传动链中机构顺序的安排和各级传动比的分配。3. 控制系统的方案设计4. 其它辅助系统的设计主要包括润滑系统、冷却系统、故障检测系统、安全保障系统和照明系统等的设计。一般而言，传动机构是指转速变换机构，而执行机构是指运动形式和运动规律变换 机构。有时，传动系统、执行系统及控制系统的界限并不能明显的划分，特别是在现代 机电一体化系统中变得模糊而更具综合性。而上述各项设计容，也必须围绕机械产品这 个“整机”来进行创新设计和整体优化。0.2.2 机械执行系统运动方案设计的主要容

13、1 ） 功能原理设计 任何一部机械的设计都是为了实现某种预期的功能要求，包括 工艺要求和使用要求。所谓功能原理设计，就是根据机械预期实现的功能，考虑选择何 种工作原理（或功能原理）来实现所需的功能要求。实现某种预期的功能要求，可以采 用多种不同的工作原理。这些功能原理广义的可分为物理的、化学的和生物学的等等 （在机械系统中主要是考虑物理的工作原理）。还可以更进一步划分为具体的工作原 理。例如物理学的还可分为力学的、电磁学的、光学的、热学的、材料弹塑性形变的等 等。而力学的还可更具体的分为摩擦的、推拉的、惯性的、重力的、吸附的、粘着的 等等。例如要求设计一个齿轮成型设备，可选择基于材料弹塑性变形

14、原理的冲压、 滚扎等；也可选择基于熔融成型原理的、化学腐蚀的、电化学的；还可以采用基于材料 切削原理的仿形法和成法等等。不同的功能原理，所设计出的机械其性能、结构、工作 品质、适用场合等都会有很大的差异，这必须根据更具体的工作要求，如强度、精度寿 命以及产量、效率、成本、环保等诸多因素综合考虑确定。同时尽可能在满足要求的前 提下多采用几个方案。2 ）动作及运动设计 在工作原理选定之后要根据工艺要求进行工艺动作的分解及执 行运动的确定。首先要进行工艺动作分解，例如齿轮成型选定了成切削原理进行加工， 则根据成工艺，可分解为切削、分度（成）、进刀三个工艺动作。一般工艺动作可直接 作为执行运动，这就确

15、定了该齿轮加工机床要具有三个独立的执行运动，即往复直线运 动（切削）、对滚运动（成）、径向进刀（直线）运动。执行运动确定之后，就确定了 执行构件的数目。一般一个执行运动对应一个执行构件，有时也可将几个执行运动合并 由一个执行构件来完成。例如齿轮加工机床，对滚运动需由刀具和工作台两个执行构件 来实现；而切削和进刀则可由一个执行构件刀具来完成。很多情况是一个工作原理，可以有多种工艺动作分解。如切削平面，则可按铣削、刨 削、磨削等不同工艺分解成不同的工艺动作及执行运动的不同形式和数量，最后设计出 的机床结构也是大不相同的。3 ）执行机构型式设计 实现同一种运动，可以选用不同型式的机构。所谓机构型式

16、设计，是指究竟选择何种机构来实现上述运动。例如，为了实现刀具的上下往复运动， 既可以采用齿轮齿条机构、螺旋机构；也可以采用曲柄滑块机构、凸轮机构；还可以机 构组合或结构变异创造发明新的机构等。究竟选择哪种机构，还需要考虑机构的动力特 性、机械效率、制造成本。4 ） 执行系统的协调设计 一部复杂的机械，通常由多个执行构件及执行机构组合 而成。当选定执行构件及其运动后，还必须使这些执行构件的运动以一定的次序协调动 作，使其统一于一个整体，互相配合，以完成预期的工作要求。例如齿轮加工机床的成 运动，必须使工作台（工件）及刀具按一定的传动比关系实现对滚运动。如果各个机构 动作不协调，就会破坏机械的整个

17、工作过程，达不到工作要求，甚至会损坏机件和产 品，造成生产和人身事故。所谓执行系统的协调设计，就是根据工艺过程对各动作的要 求，分析各执行构件应如何协调和配合，设计出协调配合图。这种协调配合图通常称为 机械的运动循环图，作为选择执行机构型式和拟定机械运动方案的依据。它具有指导各 执行机构和控制系统的设计、安装和调试的作用5 ） 机构的尺度设计 机构的尺度设计是对所选择的各个执行机构进行运动和动力 设计，确定各执行机构（一般为运动形式变换机构）的运动学尺寸，绘制出各执行机构 的运动简图。运动形式变换机构的运动学尺寸设计，就是确定该机构构件的长度和运动学参数。 如转动副间的相对位置尺寸、移动副的导

18、路位置、高副运动副元素的几何形状及尺寸、 螺旋机构导程（或螺纹头数与螺距）、棘轮齿数及形状、槽轮机构尺寸及槽数、不完全 齿轮机构的齿轮齿数及形状等。6 ）运动和动力分析 对整个执行系统进行运动分析和动力分析，以检验是否满足运 动要求和动力性能方面的要求。7 ）方案评价与决策 方案评价包括定性评价和定量评价。前者是指对结构的繁简、 尺寸的大小、加工的难易等进行评价，后者是指将运动和动力分析后所得的执行系统的 具体性能与使用要求所规定的预期性能进行比较，从而对设计方案做出评价。如果评价 的结果认为合适，则可绘制出执行系统的运动简图，即完成了执行系统的方案设计；如 果评价的结果是否定的话，则需要改变

19、设计策略，对设计方案进行修改。修改设计方案 的途径因实际情况而异：既可以改变运动参数，重新进行机构尺度设计；也可以改变机 构型式，重新选择新的机构；还可以重新进行工艺动作分解，进行执行运动设计；甚至 还可以否定原来所采用的功能原理设计，重新寻找新的功能原理。需要指出的是，选择方案与对方案进行尺度设计和性能分析，有时是不可分的。因 为在实际工作中，大体尺寸还没有确定，就不可能对方案做出确切评价，确定选择哪种 方案。所以，这些工作在某种程度上是并行的。0.3 机械设计基础系列课程综合设计步骤和容 根据机械设计基础系列课程综合设计的特点和要求，学生的机械基础系列课程综合 设计只涉及机械产品设计过程中

20、的两个阶段 : 总体方案设计阶段和结构技术设计阶段。并 且也不涉及总体方案设计阶段的功能原理设计和动作及运动设计两个过程，设计任务书 中所下达的是经过了功能原理设计和动作及运动设计两个过程的后期任务。学生要按照 下述步骤完成下述容。表0.2机械设计基础系列课程综合设计步骤和容设计步骤应完成的容应完成的成果草稿应完成的成果、 正式文件1.机构的选型主执行机构、辅助 主执行机构（进刀机 构、调节机构、送 料机构等）的选型各种机构比较、评 价、选择的依据； 最后选出的1个最 终方案传动系统图12.原动机的选用选出原动机类型、 型号计算过程、依据、结果3.拟定传动系统方案 及传动系统参数设计 计算设计

21、出传动系统方 案及设计出传动系 统参数计算过程、依据、结果4.绘制系统工作循环 图设计出2个最终方 案的工作循环图各角度的设计过 程、依据、结果工作循环图15.各机构的参数确定设计出主执行机构和辅助执行机构的运动学尺寸设计或和综合的过 程、依据、结果主执行机构的机 构运动简图（1 号图的部分容）6.静力分析和初定各 构件的质量参数主执行机构的解析 法静力分析各构件的质量参数静力分析的程序 清单和打印结果7.主执行机构的运动 分析主执行机构的解析 法运动分析和一个 位置的图解法运动 分析。1）程序清单、打 印结果；2）速度 图和加速度图（1 号图的部分容）8.机构的动态静力分 析主执行机构的解析

22、 法动态静力分析； 一个位置的图解法 动态静力分析或静 力分析1）程序清单，打 印结果；2）杆组力图和机 构力矢量（1号 图的部分容）9.飞轮设计飞轮设计计算过程、依据、结果Mv图、能量指 示图10.强度结构设计主要部件的强度结计算过程、依据、部件装配图和零构设计结果件图11.编与设计计算说明 书设计计算说明书0.4机械设计基础系列课程综合设计的评分方法和评分标准学生的“机械设计基础系列课程综合设计”成绩分为二部分：第一部分为平时成 绩，第二部分为设计成果成绩。第一部分平时成绩占总成绩的40%。首先，指导教师根据学生的出勤率和“调研确定整体方案”、“编程上机”、“画图”、“整理设计说明书”、“

23、交流与讨论”等主 要实践环节中的表现给出成绩；第二部分设计成果成绩，我们按照“方案设计”占 20%，“设计图纸”占40%，“设计说明书”占 40%的比例评定成绩。学生如在某一 方面，特别是在设计方案上如有所创新、有所突破者可得高分。1 机构的选型机构选型的任务是选择主执行机构、辅助主执行机构(进刀机构、调节机构、送料机构等 )的类型。要求学生： 1) 在选型、讨论过程中应记录下各种机构比较、评价、选择的 依据； 2) 最后选出的 2 个最终方案 (这两个方案也是后续步骤的实施方案 )。1.1 主执行机构的选型 牛头刨床的刨刀机构、自动送料冲床的冲压机构和平台印刷机的版台运动执行机构 等均为主执

24、行机构。它们均是实现往复移动输出的机构。机构选型的大致步骤为： 第一步：按预期运动转换类型列出所有备选机构； 第二步：按机构的优缺点和应用场合筛选备选机构； 第三步：按工作特点筛选备选机构； 第四步：按预期运动规律筛选备选机构； 第五步 : 对不理想的机构进行变异组合扩展得到新机构； 第六步 : 选出多个理想的机构。需指出的是： 1) 工程实际问题要复杂的多，设计者的设计能力也高低变化 ,所以上述 步骤是引导学生思考的步骤 ,并不权威； 2) “理想的机构”是定性分析的理想的机构 , 最 终的理想的机构还需对系统进行运动、动力、强度结构等定量分析才能评价出来，因此 工程设计是反反复复的过程 ,

25、而课程设计做不到这一点。1.1.1 按预期运动转换形式列出所有备选机构 预期运动转换类型：在课程设计的题目中，主执行机构是实现往复移动输出的机 构，当原动机为电动机时，主执行机构是“将转动形式转换为往复移动形式”机构。a)b)学生在机械设计中学过“带传动”、“链传动”、“齿轮传动”，它们可组合出所需的传动系统，不能对运动形式进行转换。学生在机械原理中学过的“连杆机构”、“凸轮机构”和“其它常用机构”(又称间歇运动机构)可对运动形式进行转换，而“轮系”则不行。“将转动形式转换为往复移动形式”的机构只剩下“连杆机构”和“凸轮机构”， 当然，也可以采用组合机构，例如齿轮-连杆组合机构两种、凸轮-连杆

26、组合机构等 等。1.1.2 按机构的优缺点和应用场合筛选备选机构“连杆机构”、“凸轮机构”、“组合机构”各有哪些优缺点？各用在哪些应用场 合？在进行机构型式设计时，必须回答这个问题。单自由度连杆机构有四杆机构、六杆机构、八杆机构；实现“将转动转换为往复移动”的四杆机构只有曲柄滑块机构。六杆n级机构是由原动件、机架和两个n级组组成。组合方式有串联、并联和混联 三种，你只能选择哪种方式？理论上，只要后接n级组是RRPn级组，都能实现“将转动转换为往复移动”功能。请学生以列表形式和以机构示意图形式组合出所有“能将转 动转换为往复移动“的六杆n级机构。对于二自由度机构，例如五杆机构、七杆机构(包括组合

27、机构)等，可以采用运动 封闭的方法，将其封闭为单自由度机构。川级机构(当然是六杆机构)也能实现“将转动转换为往复移动”功能 ，在机构选型中 可讨论川级机构，但强烈建议最终方案别选择川级机构。(不过，若选择川级机构为最终方案，并成功完成设计计算，很可能备受推崇。)经过这一步，你的备选机构有多少？请列出。1.1.3 按工作特点筛选备选机构设计任务书中的“设计要求与技术条件”，对设计对象提出了行程、急回特性、受 力等方面的要求，在进行机构型式设计时，应给予充分考虑。学生还需归纳总结出其它特点。工作特点对机构的要求：(1) 工作行程大：要求机构是行程扩大机构；(2) 工作阻力较大：要求机构在具有较大的

28、力增益的区间工作；(3) 正向运动的大部分时间有工作阻力：要求机构具有急回特性；(4) 正向运动的极短时间有工作阻力：要求机构在具有较大的力增益的区间工作。图1.1给出了两种行程扩大机构，学生还可以寻找出或组合出其它几种行程扩大机 构。D图1.1行程扩大机构当不计摩擦及惯性力时，机构的输入角速度i力矩Mi与输出角速度 o力矩Mo满足关系Mi i= M o o，所以力 Mo / Mi= i / o， Mo/ Mi为力增益。当 i不变（由工作频率 决定）而o很小时，机构的增益很大。由此可看出机构在极限位置附近的o很小。结论是：极限位置附近是机构的具有较大力增益的区间。曲柄压机就是在曲柄滑块机构曲柄

29、 与连杆拉伸共线位置附近工作的。图1.2 力增益的六杆n级机构具有急回特性且具有“将转动转换为往复移动”功能的四杆机构是偏心式曲柄滑块 机构，学生应该能组合出具有急回特性的且具有“将转动转换为往复移动”功能的六杆 机构。请一一列出。经过这一步，你的备选机构还有多少？请列出。1.1.4按预期运动规律筛选备选机构冲床工作时要现较复杂的预期运动规律（见设计任务书之三），请相关学生列出其 它能够实现较复杂运动规律的机构。牛头刨床要求切削时刨刀近似等速，学生应该知道 控制住行程速比系数就能满足这一要求。经过这一步，你的备选机构还有多少？请列出。1.1.5对机构进行变异、组合和扩展你的备选机构都可能在某些

30、方面有优点，而另一些方面有缺点。你能通过变异、组 合和扩展等一系列手段改进机构吗？这一步不要求学生必修做，但可以试一试，尤其是 做冲压床设计的学生。其他学生如何做，由指导教师决定。1.1.6确定最终方案经过以上步骤，你已经得到了一系列备选方案，你需要在其中选出两个方案加以实 施。请你通过列表比较的方式，比较各备选方案的优缺点，指出你的选择依据。表中要 列哪些项目，由学生自己确定或征求指导教师的意见。1.2辅助执行机构的选型辅助执行机构是指控制工件运动的机构（如工作台进给机构、送料机构）和调节机 构（如行程调节机构位和置调节机构）。1.2.1控制工件运动的辅助执行机构的选型课程设计中控制工件运动

31、的辅助执行机构的选型应考虑以下几点：（1 ）与主执行机构有相同的工作周期。这就要求辅助执行机构与主执行机构的运动严格协调，这也意味着辅助执行机构与主执行机构尽量用同一个原动件。（2）辅助执行机构是“将连续转动转换成间歇运动”机构。间歇运动机构是机械原理中“其它常用机构”章节的容。有哪些“间歇运动机构”？各自的功能是将什么 的运动形式转换成间歇运动的？间歇运动的形式？各有哪些优缺点？是平面机构还是空 间机构？如果某一“间歇运动机构”是“将连续转动转换成间歇运动”机构，可直接使用 吗？如果某一“间歇运动机构”是“将往复摆动转换成间歇运动”机构，又怎么办？ 如果某一“间歇运动机构”是平面机构，输出构

32、件的运动平面与要求的不一致，怎 么办？回答出上述问题后，你可组合出许许多多控制工件运动的辅助执行机构，从中选出 你所需的机构。图1.3所示为冲床的三种送料机构。a）间歇滚轮传动机构b ）棘轮机构c）推勾式送料图1.3冲床的送料机构1.2.2调节机构的选型（1 ）行程调节：行程调节机构是完成执行构件行程能在一定围人工无级调整”这一功能的机构。理论上，“将连续转动转换成往复运动”的四杆机构都可以“通过适当调节杆长来改变输出构件的行程”。用螺旋机构就可改变杆长。有些构件杆长的变化对输出运动围的影响极其显著，比如曲柄。图1.4给出了一种通过螺旋机构调节曲柄长度的方法，图中螺杆1与曲柄2组成转动副，螺母

33、 3与螺杆1组成螺旋副，螺母 3与曲柄 2组成移动副，转动螺杆 1即可调节转动副 A和B之间的距离。（2）位置调节：用螺旋机构调节即可两个构件的相对位置。请相关学生选出或构造出至少一种行程调节位机构和至少一种置调节机构。图1.4用螺旋机构调节曲柄的长度2原动机的选用图2.1给出了各种原动机的类型。课程设计中的原动机是交流异步电动机。请学生根据输出功率、效率计算确定电动机的型号。在确定电动机额定转速时要顾 及到传动系统的设计中的总传动比及分配问题。内燃机f连续回转原 动 件 运 动 形 式往复摆动液压马达气动马达I电动机液压马达L 气动马达汽油机V 柴油机燃气轮机交流异步电动机广直流电动机J交流

34、变频变速电动机伺服电动机步进电动机力矩电动机图2.1 各种原动机的类型3 拟定传动系统方案3.1 传动系统的选择与设计 传动系统的作用通常是实现减速、增速和变速，有时也用作实现运动形式的转换， 并且在传递运动的同时，将原动机的输出功率和转矩传递给执行机构。通常要把原动机的输出运动传给执行机构，仅选用一种传动装置或机构的情况较少 见，大多数情况是选择若干种传动装置或机构合理地加以组合布置，构成一个传动系统，才能实现预期的工作要求。在进行传动装置和机构的选择与设计时应注意以下问题：(1) 设原动机的转速为nd，执行机构原动件的设计转速为nr，则传动装置系统的总传动比i 帀如果传动装置系统由n个传动

35、装置或机构串联组成，其每个传动装置或机构的传动比分别为ii, i2, in,贝Ui = il.i2.i3. in每种传动装置或机构的传动比的取值可参阅表3.1。若i大于推荐值时，通常应该用两级或两级以上的传动装置或机构串联组合来进行传动。表3.1常用传动机构的合理取值围传动机构种类平带V带摩擦轮齿轮蜗杆链圆周速度m/s52553015251512015351540减速比58 157 104 8 806 10取大功率kw2000750 1200150 250500005503750(2) 当系统为减速传动时，宜使il i2 i3in，并使相邻两级传动比相差不要太大。这样可使中间各级轴有相对较高的

36、转速和较小的扭矩，转轴及轴上的零件可以设计 得尺寸较小，从而获得较为紧凑的结构。(3) 因为传动轴及轴上的传动零件的尺寸，主要取决于所传递的扭矩。当系统传递的 功率一定时，轴的转速愈高，其扭矩愈小，传动轴与传动零件的尺寸可以设计得愈小， 故宜将传动能力小的机构安排在高速级。如带传动和摩擦传动宜布置在高速级；需要密 圭寸的齿轮传动宜布置在高速级，这样因齿轮尺寸小，可减小密圭寸箱体的外廓尺寸；生产 成本咼、加工困难的零件宜布置在咼速级，如锥齿轮传动宜布置在咼速级。(4) 为了使机器运转平稳，减少震动冲击和噪音，宜将带传动布置在高速级，从而可 利用传动带的弹性吸振、打滑，防止过载时损坏基它零件。链传

37、动冲击、振动大，宜布 置于中、低速膜的形成，从而提高蜗杆传动的效率。(5) 蜗杆传动宜布置在高速级，以便提高齿面的相对滑动速度，有利于液体动力润滑 油膜的形成，从而提高蜗杆传动的效率。(6) 为了减少能耗、减轻振动，宜将转换运动形式的机构，如凸轮机构、连杆机构、 螺旋机构等布置在与执行机构相连的低速级一端。(7) 选择尽可能短的传动链结构。因为这样作可减少机械的构件、零件数目，降低制 造成本，提高机械效率和系统的传动精度和可靠性，同时也关系到设备的使用、保养和 维修的简便程度。上面介绍了传动链系统中有关传动装置或机构的选择与布置问题，在实际生产中， 当传动链系统是减速时，减速器是一种常用的独立

38、的闭式传动装置。目前国生产的大多 数减速器已经标准化，设计时可查阅有关技术资料进行选取。此外，当需要在原动机与执行机构间实现调速时，可选择相应的机械调速装置。调 速机械装置有两种：有级变速传动装置和无级变速传动装置。当执行机构要求有多档固 定转速，而动力源又不能调速时，可采用有级变速传动装置。有级变速传动装置常用直 齿圆柱齿轮作为传动构件，因为直齿圆柱齿轮换挡比较方便。机械式无级变速传动装 置，能在机器不停止运动的条件下实现调速。这种传动装置一般均靠摩擦来实现传动， 故寿命较短，一般常用于小功率的传动系统。以上两类变速传动装置也有标准产品可供 选择，选用时可查阅有关技术资料。3.2有级变速传动

39、系统的转速图对于有级变速传动系统，为清楚地表示机器或机械系统中主轴的每一种转速是通过 哪些齿轮传动的，以及各对齿轮的传动比之间的在联系，只有算出各种转速，并按转速 大小排序、画出传动路线的转速图。以下来研究转速图的原理和画法。3.2.1 转速图的概念图3.1表示某机床主传动系统运动简图和转速图。图中竖线表示主传动系统各轴， 距离相等的一组水平线与竖线相交，得相应交点(图中用园点表示)代表各轴所具有的 转速。相邻两档转速之比称为公比 0(图中710/450450/280280/180 虻10/1801.58 )。图中等距竖线并不代表实际 轴间距相等，但相邻的两根等距横线，便代表了成公比0的两档转

40、速。图中倾斜的连线和上方的数字比代表传动比，向右下方倾斜时，表示减速，向右上方倾斜时，表示增 速。3.2.2 转速图的拟定方法和步骤以下以牛头刨床为例，具体说明转速图的拟定方法和步骤，由题意：刨刀每分钟的往复次数为1580次，6档，即转速级数 Z=6，公比$= 580 /15疋1.4，则刨刀各档速度分别为：80 , 57 , 41 , 29 , 21 , 15。设电动机的转速为 960转/分。1 ）确定变速组数目和变速组排列方案由于转速级数Z=6，故取两个变速组，根据各变速组中传动副数应遵循前多后少的原则，选择Z 6 3 X2即前面用一个三联齿轮，后面用一个双联齿轮。图3.1某种机床主传动系统

41、的运动简图和转速图左图为主传动系统的运动简图，图中29/46 为交换齿轮，38-28为双联齿轮。右图为该主传动系统对应的转速图2）确定基本组和扩大组根据前紧后松的原则，选择6=3 12 3方案，即第一变速组为基本组，其三档传动比在转速图上相差一格；第二变速组为扩大组，两档传动比在转速图上相差三格。3）确定是否增加定传动比降速级由于本传动系统的最大传动比i=960/15=64，如仅用二级变速组来实现降速，则每级传动比要取到 8才能达到要求，显然太大了。为减小二级变速组的传动比，必须增加 定传动比的降速级。考虑到主执行机构中的主动件必须与大齿轮固联，且驱动它的小齿 轮不能做成滑动齿轮，故这一对齿轮

42、的传动比固定。通过类比，选定为4 ;另外，为减小变速部分的各齿轮的径向尺寸，通常在电动机之后再增加一级V带传动或其它传动（如蜗杆传动）。设增加一级V带传动，传动比选定为 4.2，则二级变速组的最大传动比为64/（ 4 X 4.2 ） =3.81 十44) 分配速比由上边计算知，变速组的最大传动比为3.81 - 1.44，设取第一变速组、第二变速组的最大传动比均为 1.4 X 1.4=1.96，则第一变速组的三个传动比分别为：1.96、1.4和1 ；第二变速组的二个传动比为 1.96 和 0.714 。5) V 带传动带轮基准园直径之比和各对齿轮齿数比的确定( 1 )V 带传动带轮基准园直径之比

43、经类比初选电机功率 P=3.5 kw ，其余略。(2)第一变速组的三对齿轮副首先确定最大传动比时的齿数比。设小齿轮齿数Z1=20 ，则大齿轮齿数Z2=1.94 X 20=39Z =Z 1+Z 2=20+39=59第二对齿轮副中小齿轮齿数按下式计算乙=Z / (1+i ) =59心+1.4)=24.58，取 乙 为25，则大齿轮齿数 Z2=59-25=34 ；第三对齿轮副的传动比为 1，故 Z1= Z 2=59/2=29.5，实取为 Z1= Z 2=29 。( 3 )第二变速组的二对齿轮副同( 2 )，先确定最大传动比时的齿数比。设小齿轮齿数Z3=23 ，则大齿轮齿数Z4=1.94 X 23=4

44、5 ，则 Z =Z3+Z4=23+45=68；第二对齿轮副中小齿轮齿数按下式计算乙=Z / (1+i) =68/(1+0.714)=39.67 ，取 Za 为 40 ,则大齿轮齿数 Z4=68- 40=28 。( 4 )最后一级定传动比齿轮副参考同类刨床，小齿轮齿数 Z5=25 ，则大齿轮齿数 Z6=iXZ5=4X 25=100 。1 )计算刨刀实际的每分钟往复次数(略) 画出牛头刨床主运动链的转速图(略)。4绘制系统工作循环图设计机械时，用以表示机械在一个工作循环过程中，各执行构件之间运动配合关系 的图形叫做系统工作循环图。绘制系统工作循环图的过程就是系统协调设计过程。当机器或机械系统总体方

45、案确定以后，在进行运动设计之前，还必须考虑各执行机 构的工艺动作、运动时间或运动速度间的协调配合关系。传动系统中各执行机构关系通 常有以下3种情况:(1)在某些传动系统中，各执行构件的运动是彼此独立的，不存在各执行构件在动作 上的严格协调配合问题。在这种情况下，为了简化传动链，通常可分别为每种运动设计 一个独立的传动链，由单独的原动机驱动。例如图4.1所示的外圆磨床，砂轮和工件的四个运动彼此独立。应为每个运动单独设 计各自的运动链。砂轮架图4.1 外圆磨床(2) 各执行构件间必须保证严格的速度协调配合。如按成法加工齿轮时，刀具和工件 的成运动必须保持其一恒定的传动比。又如在车床上车制螺纹时，主

46、轴的转速和刀架的 走刀速度也必须保持恒定的速比关系。在这种情况下，通常采用集中分流驱动，用传动 链来调整和保证执行构件间的速比关系。(3) 要求各执行构件的动作须协调配合。即要求各执行构件在运动时间的先后上和运 动位置的安排上必须准确而协调的相互配合。课程设计的题目都属于这种情况。课程设计题目中绘制系统工作循环图的任务是完成主执行机构与控制工件运动的辅 助执行机构之间的协调设计。一般情况下，主执行机构在完成正行程中的工作形成时，即可考虑让控制工件运动的辅助执行机构的输出构件（作间歇运动）开始动作。但是， 什么时间开始动作，在多长时间完成动作是由“干涉条件”决定的。以牛头头刨床为例。牛头刨床在主

47、执行机构的一个运动循环（曲柄转角=0 360 ），滑块（刀具）作切削运动（正行程，正行程的曲柄转角与行程速比系数 相关）和退刀运动（回程）。牛头刨床的刨刀铰接在滑块上。假设在开始退刀时工件作 进给运动，当退刀过程中刀具与已经作了给进运动的工件发生位置干涉时，刀具会绕其 轴线转动而避免干涉。因此牛头刨床理论上可以在回程的起始点开始作进给运动。图4.2所示冲床的两个执行构件中，要求：1）送料构件将原料送入模孔上方后，冲头才可进入模孔进行冲压;2）当冲头上移一段距离后，才能进行下次送料动作。a）等待送料b）送料完成等待冲压c）上模正行程d ）上模完成回程等待送料e）送料完成等待冲压图4.2冲床的工作

48、循环可以看出，在不知道主执行机构的运动循环情况时，协调设计就无从下手。而主执 行机构的运动循环情况是在第6步“机构的参数确定”中确定的。因此“协调设计”与“机构的参数确定”是并行、交叉设计。各执行机构运动协调配合关系用工作循环图表示。在编制运动循环图时，要从机械 中选择一个构件作为定标构件，用它的运动位置（转角、位移或运动时间）作为确定各 执行构件动作先后次序的基准。课程设计时建议选主执行机构的曲柄为定标构件，用曲 柄转角作为确定各执行构件动作先后次序的基准，在图中标出各机构的各种动作的起始 角和终止角。工作循环图通常有 3种形式：1）圆环式运动循环图；2）直线式运动循环图；3）直角 坐标式运

49、动循环图。如图4.3所示为表示牛头刨床中，执行构件刨头和工作台间运动配合关系的圆环式 运动循环图。此循环图绘制的步骤大致如下：1）选择定标构件。由于两执行构件的工作循环的周期是相同的，即在导杆机构的曲柄（图4.1（b）旋转360。的时间完成一个工作循环。并且导杆机构的曲柄1既是切削运动执行机构的原动件又是工作台进给组合部分的运动源头，故选择曲柄1作定标构件，显然是恰当的。a）牛头刨床圆环式运动循环图b）牛头刨床主执行机构图4.3牛头刨床圆环式运动循环图的制定2）作一圆环表示曲柄1在一个工作循环中的转角，根据导杆机构的行程速比系数K，求出其极位夹角，从而可将圆环分为两倍分：圆环的上半部分的圆心角

50、为180。+ ，对应刨刀工作时曲柄 1的转角；下半部分表示刨刀空回行程时曲柄1的转角。3）在前述圆环之外再画一圆环，表示进给运动组合部分中，曲柄摇杆机构的曲柄在 一个工作循环中的转角。以环中所表示的刨头运动规律为基准，并在外环中合理地安排 好工作台停动时间所对应的曲柄的转角位置，那么，由此二圆环所组成的循环图可形象、准确地表示出设计者对二执行构件间运动协调配合的要求。依据上述运动循环图就能比较容易地设计出两曲柄在两连接齿轮上的相对位置，以及为保证工作台能正确运动的曲柄摇杆机构、棘轮机构、螺旋机构等的运动简图参数。 所以，传动系统的运动循环图是对系统进行进一步的运动设计、控制系统设计、以及设 备

51、的安装、调试等工作的重要依据。冲头退回送料器停J1曲柄转角090180270360图4.4冲床执行构件的直线式工作循环图图4.4所示为冲床两执行构件的直线式运动循环图。所谓直角坐标式运动循环图，其绘制原理基本上与上述两种循环相同，只是在直线 式循环图中引入一纵坐标来表示执行构件的位移或速度甚至加速度的大小。这样的循环 图，不仅能表示出执行构件间运动的先后秩序，而且能表示出各执行构件在各种行程中 的运动规律以及各执行构件间在运动上的配合关系。所以，这是一种比较复杂也比较完 善的运动循环图。关于直角坐标式运动循环图用下例说明制定过程。【例4.1】机械原理教材图 3-9所示的工作循环图的制定过程。图

52、4.5电阻压帽自动机凸轮机构。该压帽机的生产率Q=30件/min 。 机械的工作循环时间机械的工作循环时间是指作循环运动的机械完成一个工作循环所需要的时间，通常 用T表示。机械的工作循环时间往往与各执行构件的运动循环时间一致。因为执行构件 的运动节奏就是整台机器的工作节奏。执行构件的运动循环一般由若干个动作组成，因 此，执行构件的运动循环时间 T可以表示为T 执=T=t i+t 2+ +t n工艺过程L电阻体上料II I送帽I I压帽I图4.5电阻自动压帽机机械工作循环图的设计步骤设计机械工作循环图时，由于机械系统的功能是已知的，理论生产率已确定，即机 械系统工作循环时间 T已基本确定，各执行

53、构件的运动方式也初步拟定。机械工作循环 图可按以下步骤进行设计。A. 确定机械工作循环时间TT=1 / Q式中，Q为生产率。对于图 4.5所示电阻自动压帽机T= 1/Q=(160)/30=2sB. 确定各执行构件的简化运动简图图4.5中有三个执行构件，它们分别是送料杆(图中未画出)、夹紧杆和压帽杆。 可以通过调查研究、试验、类比等方法确定各执行构件的动作顺序、时间和相应的分配 轴转角。C. 协调各执行构件的动作顺序以送料杆的运动为基础，协调其他两个执行构件的运动。由送料与夹紧的关系知， 只有当送料杆将工件送到位后，夹紧杆才能去夹紧，但夹紧杆从静止运动至夹紧位置有 一段行程，为了节省时间，可以在

54、送料杆尚未送到位时，夹紧杆就开始运动，只要保证 送料杆送到位后夹紧杆才运动至夹紧位置和两执行构件不发生空间碰撞即可。由于机构 运动的误差，应在送料杆送到位后一小段时间，夹紧杆才运动至夹紧位置。按此原则， 将夹紧杆运动至夹紧位置的时间滞后于送料杆送到位的时间，可根据滞后时间确定相应 的分配轴转角。同理，将压帽杆开始慢压的时间滞后于夹紧杆运动至夹紧位置的时间， 也可确定相应的滞后分配轴转角。D .绘制机械工作循环图按上述协调后各执行构件的运动顺序，可初步绘制机械工作循环如图4.6所示。序号凸轮名称凸轮轮廓图从动件位移曲线图电阻体 上料凸轮90o50o00-送电阻体等待夹紧7回程*2400r电阻体

55、夹紧凸轮4501200压回程4Q285”电阻自夹紧动压帽机工作唯循环图V/ V/5机构尺度参数确定正向运动的大部分时间有工作阻力的机构，要求具有急回特性。现以牛头刨床的主 执行机构设计为例，按行程速比系数综合运动学尺寸的过程。设计任务书中的设计条件与要求中规定刨刀取最常用行程400mm450mm 时其行程速比系数以控制为1.42.0，这是尺度综合的依据。设计条件给出了在一定围变化K值和H值。这个K与H对应关系并非必须严格遵守不得有误差，它只是说明具有这种关 系的机构在理论上及实践中都曾有良好的性能。因此建议牛头刨床按K=1.5、H=450mm进行尺度综合。图5.1牛头刨床主执行机构尺度综合若牛头刨床采用图 5.1 的主执行机构，一些设计给定参数需由学生自己确定。机架 AC 长度：牛头刨床可取值 LAC =400500mm 。该值的大小影响曲柄的长度进而影响曲 柄销 B 处的转动副约束反力和移动副约束反力。其最佳值至少是在