第十二章机械传动方案的设计

1、 第第12章章 机械传动系统的方案设计机械传动系统的方案设计 12.2 原动机、原动机、 传动传动 机构和执行机构的类机构和执行机构的类 型与选择型与选择 12.1 概述概述 12.3 机械运动方案设计机械运动方案设计 机械运动方案设计举例机械运动方案设计举例 机械是机器和机构的总称，机器是由单一机构、机械是机器和机构的总称，机器是由单一机构、 多个同一机构或多种机构所组成的，设计新机器是为多个同一机构或多种机构所组成的，设计新机器是为 了完成某种生产任务。机械系统运动方案的设计就是了完成某种生产任务。机械系统运动方案的设计就是 实现工艺动作的过程。实现工艺动作的过程。 12.1 概述概述 牛

2、头刨床就是一部典型的机器。在牛头刨床中，牛头刨床就是一部典型的机器。在牛头刨床中， 连杆机构用以实现切削运动，连杆机构用以实现切削运动，棘轮机构棘轮机构及丝杠传动用及丝杠传动用 以实现工作台的水平进给，另一丝杠传动用以实现工以实现工作台的水平进给，另一丝杠传动用以实现工 作台及刀架的垂直进给。工作台、刀架与滑枕是执行作台及刀架的垂直进给。工作台、刀架与滑枕是执行 构件。构件。 2 2、充分分析给定的各项已知条件，明确设计的、充分分析给定的各项已知条件，明确设计的 目标和约束条件等；目标和约束条件等；( (根据题目、设计要求、根据题目、设计要求、 原原 始数据及工作原理，将机器进行工艺动作分解）

3、始数据及工作原理，将机器进行工艺动作分解） 如多轴钻床：如多轴钻床： 电机电机减速装置减速装置 送料机构送料机构 工作台的进给机构工作台的进给机构 钻头的切屑机构钻头的切屑机构 1 1、确定其所要完成的工作任务；、确定其所要完成的工作任务； 一、运动方案设计的主要步骤一、运动方案设计的主要步骤 5 5、确定合适的机械运动系统，即配置若干辅助机构、确定合适的机械运动系统，即配置若干辅助机构 （如各分运动的传递与变换，操作控制等）将上述各（如各分运动的传递与变换，操作控制等）将上述各 分机构联成一个完整的机械系统；分机构联成一个完整的机械系统； 4 4、机构选型及创新性设计，即分别选择能够满足各执

4、、机构选型及创新性设计，即分别选择能够满足各执 行构件运动要求的若干相同类型或不同类型的机构。行构件运动要求的若干相同类型或不同类型的机构。 2 2、动力源的选择及减速装置、动力源的选择及减速装置; ; 3 3、确定执行构件的运动形式和运动参数；如酸、确定执行构件的运动形式和运动参数；如酸 奶包装机中灌奶机构中的执行构件为直线运动，奶包装机中灌奶机构中的执行构件为直线运动， 据原始数据（据原始数据（ml/ml/杯）确定直线运动的行程。杯）确定直线运动的行程。 8 8、画运动循环图；、画运动循环图； 6 6、画机构运动简图、画机构运动简图 7 7、进行机构的运动分析及运动尺寸的确定、进行机构的运

5、动分析及运动尺寸的确定, ,如关如关 键执行构件的键执行构件的s s、v v、a a分析分析 ；间歇运动机构如槽；间歇运动机构如槽 轮机构的尺寸确定；轮机构的尺寸确定； 9 9、心得体会、心得体会 1010、参考书目、参考书目 一、原动机的选择一、原动机的选择 原动机的动力源主要有电、液及气三种。原动机的动力源主要有电、液及气三种。 电动机是最常用的原动机，其中交流异步电动机应用电动机是最常用的原动机，其中交流异步电动机应用 最广，它具有结构简单，价格便宜，效率高和控制方最广，它具有结构简单，价格便宜，效率高和控制方 便等优点。其转速有便等优点。其转速有30003000、15001500、10

6、001000、 750r/min750r/min。 液压马达及液压油缸是主要的液压原动机。液压马达及液压油缸是主要的液压原动机。 气马达及气缸则是主要的气压原动机。气马达及气缸则是主要的气压原动机。 12.2 原动机、传动机构和执行机构的类型与选择原动机、传动机构和执行机构的类型与选择 二、传动机构的类型及功用二、传动机构的类型及功用 常用的传动机构有：常用的传动机构有： 1 1、齿轮机构、齿轮机构 齿轮机构应用在中心距较小，传动精度较高，各种不齿轮机构应用在中心距较小，传动精度较高，各种不 同传递动力范围的场合。同传递动力范围的场合。 2 2、螺旋机构、螺旋机构 在许多机械设备中大量应用着螺

7、旋机构（又称丝杠传在许多机械设备中大量应用着螺旋机构（又称丝杠传 动），它主要用于将回转运动转变为直线运动。动），它主要用于将回转运动转变为直线运动。 3 3、带传动与链传动、带传动与链传动 带传动及链传动多用于中心距较大的传动。带传动及链传动多用于中心距较大的传动。 4 4、连杆机构、连杆机构 连杆机构在机械设备及日常生活中有大量应用。连杆机构在机械设备及日常生活中有大量应用。 5 5、凸轮机构。、凸轮机构。 由于凸轮机构是高副接触，决定了这种机构主要由于凸轮机构是高副接触，决定了这种机构主要 用于传递运动。用于传递运动。 根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工根据机械预期实现的功能，考虑选

8、择何种工 作原理来实现这一功能要求。作原理来实现这一功能要求。 功能原理设计的任务，就是根据机械预功能原理设计的任务，就是根据机械预 期实现的功能要求，构思出所有可能的功能期实现的功能要求，构思出所有可能的功能 原理，加以分析比较并根据使用要求或者工原理，加以分析比较并根据使用要求或者工 艺要求，从中选择出既能很好的满足功能要艺要求，从中选择出既能很好的满足功能要 求，工艺动作又简单的工作原理。求，工艺动作又简单的工作原理。 三、三、执行系统的功能原理设计执行系统的功能原理设计 举例：举例： 自动送料板装置的功能原理设计自动送料板装置的功能原理设计 机械推拉原理机械推拉原理 摩擦传动原理摩擦传

9、动原理( (摩擦板摩擦板) ) 摩擦传动原理摩擦传动原理( (摩擦轮摩擦轮) ) 气吸原理气吸原理( (底吸法底吸法) ) 气吸原理气吸原理( (顶吸法顶吸法) ) 总结总结 实现某种预期的要求，可以采用多种不同实现某种预期的要求，可以采用多种不同 的工作原理；的工作原理； 不同的工作原理需要不同的工艺动作，这不同的工作原理需要不同的工艺动作，这 样所设计出的机械在工作性能、工作品质样所设计出的机械在工作性能、工作品质 和适用场合等方面都会有很大的差别。和适用场合等方面都会有很大的差别。 四、执行机构的运动类型及典型机构四、执行机构的运动类型及典型机构 执行机构的运动分为直线运动、回转运动、任

10、意执行机构的运动分为直线运动、回转运动、任意 轨迹运动、点到点的运动及位到位的运动等主要五种轨迹运动、点到点的运动及位到位的运动等主要五种 运动形式。运动形式。 曲柄滑块机构：当曲柄连续回转时，滑块可做往复直线曲柄滑块机构：当曲柄连续回转时，滑块可做往复直线 运动。运动。 1 1、实现直线运动的机构、实现直线运动的机构 齿轮齿轮- -齿条机构：齿轮的正、反向回转可以使齿条做往复齿条机构：齿轮的正、反向回转可以使齿条做往复 直线运动直线运动 螺旋机构螺旋机构：丝杠的回转可以使螺母实现往复直线运动：丝杠的回转可以使螺母实现往复直线运动 链传动（直线段部分的运动）：带有翼片的链传动，链传动（直线段部

11、分的运动）：带有翼片的链传动， 可以拖动被作业件在两链轮间的直线段做直线运动。可以拖动被作业件在两链轮间的直线段做直线运动。 2 2、实现回转运动的机构实现回转运动的机构 ：齿轮传动机构：齿轮传动机构 、双曲、双曲 柄机构（含平行四边形机构）、链传动及带传动柄机构（含平行四边形机构）、链传动及带传动 可以实现较长距离的回转运动。可以实现较长距离的回转运动。 3 3、实现运动轨迹的机构：四杆机构（连杆曲线）、实现运动轨迹的机构：四杆机构（连杆曲线）、 开式链机构开式链机构（任何开式链机构上的端点都可以实现一（任何开式链机构上的端点都可以实现一 定的运动轨迹定的运动轨迹 ）。）。 4 4、点到点的

12、运动机构：曲柄滑块机构、凸轮机构、点到点的运动机构：曲柄滑块机构、凸轮机构 5 5、位到位的运动机构：热处理炉、位到位的运动机构：热处理炉炉门开闭机构炉门开闭机构 、 飞机起落架机构飞机起落架机构 12.3 机械运动方案设计机械运动方案设计 一、一、 机构的选型机构的选型 机构的选型是指按照给定原动机的输入运动、执行构件的运动、机构的选型是指按照给定原动机的输入运动、执行构件的运动、 工作要求和其他有关约束条件选择恰当的机构类型，以构成一个符工作要求和其他有关约束条件选择恰当的机构类型，以构成一个符 合要求的机构系统。机构选型犹如在原动机和执行构件之间按照约合要求的机构系统。机构选型犹如在原动

13、机和执行构件之间按照约 束条件搭建起来的一架桥梁，使之成为一个完整的体系。束条件搭建起来的一架桥梁，使之成为一个完整的体系。 运动链简短；运动链简短； 优先选基本机构；优先选基本机构； 机械效率较高；机械效率较高； 传动机构排列顺序合理；传动机构排列顺序合理； 合理分配传动比。合理分配传动比。 1、一般原则 2 2、机构的变异、机构的变异 3 3、机构的组合、机构的组合 5 5、机构的装载式组合、机构的装载式组合 4 4、机构的封闭式组合、机构的封闭式组合 二、二、 机器的运动循环图机器的运动循环图 方案设计时要考虑各执行构件之间的动作协调配方案设计时要考虑各执行构件之间的动作协调配 合问题，

14、根据机器工作的需要，各执行构件的动作必合问题，根据机器工作的需要，各执行构件的动作必 须密切准确地协调配合，不能有任何紊乱，否则机器须密切准确地协调配合，不能有任何紊乱，否则机器 便不能完成其预期的生产任务，甚至损坏设备。便不能完成其预期的生产任务，甚至损坏设备。 工作循环：开始加工一个产品到开始加工另一个工作循环：开始加工一个产品到开始加工另一个 产品所经历的时间间隔。产品所经历的时间间隔。 运动循环：对于机器的机构系统则称为运动循环。运动循环：对于机器的机构系统则称为运动循环。 运动循环图：运动循环图：反应机械系统一个运动循环期间各执行反应机械系统一个运动循环期间各执行 构件之间动作的协调

15、关系图。构件之间动作的协调关系图。 绘制机械运动循环图的方法：绘制机械运动循环图的方法： 选定一个主要执行机构选定一个主要执行机构( (构件）做为定标件，构件）做为定标件， 用它的运动位置用它的运动位置( (转角或时间或位移）作为确定转角或时间或位移）作为确定 其它执行构件运动先后次序的基准，所选的定其它执行构件运动先后次序的基准，所选的定 标件最好是其一个运动循环与机器的一个运动标件最好是其一个运动循环与机器的一个运动 循环有着严格的一一对应。循环有着严格的一一对应。 以牛头刨床为例：有两个执行构件以牛头刨床为例：有两个执行构件 刨头和工作台，以牛刨头和工作台，以牛 头刨床主体机构头刨床主体

16、机构-曲柄导杆机构中的曲柄为定标件。曲柄导杆机构中的曲柄为定标件。 1.1.直线式直线式 以曲柄的转角以曲柄的转角为横坐标，曲柄每转一转为为横坐标，曲柄每转一转为 一个工作循环一个工作循环 曲柄的转角曲柄的转角 刨头刨头 工作台工作台 0 00 0 90900 01801800 0 2702700 0 3603600 0 工作行程工作行程 空回行程空回行程 进给进给 2.2.圆盘式圆盘式 曲曲 柄柄 工工 作作 台台 停停 止止 送送 进进 工工 作作 行行 程程 头头 刨刨 刨刨 头头 行行 程程 空空 回回 送送 进进 工工 作作 台台 3.3.直角坐标直角坐标式式 以上两种循环图只表示了

17、各执行构件先后次序和以上两种循环图只表示了各执行构件先后次序和 动作持续时间的长短，而不能显示出各执行构件动作持续时间的长短，而不能显示出各执行构件 在工作时间的运动规律和各执行构件在位置上的在工作时间的运动规律和各执行构件在位置上的 协调配合关系。协调配合关系。 曲柄的转角曲柄的转角 刨头往复刨头往复 移动机构移动机构 工作台间歇工作台间歇 送进机构送进机构 0 00 090900 0 1801800 02702700 0 3603600 0 工作行程工作行程( (进进) ) 空回行程空回行程( (退）退） 进给进给 静止静止 静止静止 1801800 0+ 1801800 0- 这种运动循

18、环图不仅能表示出两执行构件动作这种运动循环图不仅能表示出两执行构件动作 的先后，而且能表示出两执行构件的工作行程和空的先后，而且能表示出两执行构件的工作行程和空 回行程的运动规律以及它们在运动上的配合关系，回行程的运动规律以及它们在运动上的配合关系， 是一种较完善的工作循环图。是一种较完善的工作循环图。 机械原理课程设计示例机械原理课程设计示例 题目；题目； 设计要求；设计要求； 方案设计及讨论；方案设计及讨论； 机构设计及分析机构设计及分析 冲床冲压机构冲床冲压机构设计设计 (冲床冲压机构冲床冲压机构1/13) 冲床的工艺动作如图所示，上模冲床的工艺动作如图所示，上模 先以比较大的速度接近坯

19、料，然先以比较大的速度接近坯料，然 后以匀速进行拉延成型工作，以后以匀速进行拉延成型工作，以 后，下模继续下行将成品推出型后，下模继续下行将成品推出型 腔，最后快速返回。上模退出下腔，最后快速返回。上模退出下 模以后，送料机构从侧面将坯料模以后，送料机构从侧面将坯料 送至待加工位置，完成一个工作送至待加工位置，完成一个工作 循环。循环。 题目题目 设计冲制薄壁零件冲床的设计冲制薄壁零件冲床的 冲压机构与其配合的送料机构。冲压机构与其配合的送料机构。 (冲床冲压机构冲床冲压机构2/13) 设计要求设计要求 1 1动力源是电动机，左转动；从动件（执行构件）为动力源是电动机，左转动；从动件（执行构件

20、）为 上模，作上下往复直线运动，其大致运动规律如图所示，上模，作上下往复直线运动，其大致运动规律如图所示， 具有快速下沉、等速工作进给和快速返回的特性；具有快速下沉、等速工作进给和快速返回的特性； 2 2机构应具有较好的传力性能，特别是工作段的压力机构应具有较好的传力性能，特别是工作段的压力 角角 应尽可能小；传动角应尽可能小；传动角 大于或等于许用传动角大于或等于许用传动角 ； 3 3上模到达工作段之前，送料机构以将坯料送至待加上模到达工作段之前，送料机构以将坯料送至待加 工位置（下模上方）；工位置（下模上方）； 4 4生产率约每分钟生产率约每分钟7070件；件； 5 5执行构件（上模）的工

21、作段长度执行构件（上模）的工作段长度l l=30-100mm=30-100mm， 对应曲柄转角对应曲柄转角 = =（1/3-1/21/3-1/2） ；上模行程长度必须；上模行程长度必须 大于工作段长度的两倍以上；大于工作段长度的两倍以上； 6 6行程速比系数行程速比系数k k1.51.5； 7 7许用传动角许用传动角=40=40o o； 8 8送料距离送料距离hh=60-250mm=60-250mm； (冲床冲压机构冲床冲压机构3/13) 方案设计及讨论方案设计及讨论 方案二：方案二：导杆导杆摇杆滑块冲压机构和凸轮送料机构摇杆滑块冲压机构和凸轮送料机构 方案三：方案三： 六连杆冲压机构和凸轮六

22、连杆冲压机构和凸轮连杆送料机构连杆送料机构 方案四：方案四： 凸轮凸轮连杆冲压机构和齿轮连杆冲压机构和齿轮连杆送料机构连杆送料机构 方案一：齿轮方案一：齿轮连杆冲压机构和凸轮连杆冲压机构和凸轮连杆送料机构连杆送料机构 (冲床冲压机构冲床冲压机构4/13) 方案一：齿轮方案一：齿轮连杆冲压机构和凸轮连杆冲压机构和凸轮连杆送料机构连杆送料机构 冲压机构采用了有两个自由度的双曲柄七杆机构，用齿轮副将冲压机构采用了有两个自由度的双曲柄七杆机构，用齿轮副将 其封闭为一个自由度。恰当地选择点其封闭为一个自由度。恰当地选择点c c的轨迹和确定构件尺寸，可保的轨迹和确定构件尺寸，可保 证机构具有急回运动和工作

23、段近于匀速的特性，并使压力角证机构具有急回运动和工作段近于匀速的特性，并使压力角 尽可能尽可能 小。小。 送料机构是由凸轮机构和连杆机构串联组成的，按机构运动循环送料机构是由凸轮机构和连杆机构串联组成的，按机构运动循环 图可确定凸轮推程运动角和从动件的运动规律。图可确定凸轮推程运动角和从动件的运动规律。 (冲床冲压机构冲床冲压机构5/13) 方案二：方案二：导杆导杆摇杆滑块冲压机构和凸轮送料机构摇杆滑块冲压机构和凸轮送料机构 冲压机构是在导杆机构的基础上，串冲压机构是在导杆机构的基础上，串 联一个摇杆滑块机构组合而成的。导联一个摇杆滑块机构组合而成的。导 杆机构按给定的行程速比系数设计，杆机构

24、按给定的行程速比系数设计， 它和摇杆滑块机构组合可达到工作段它和摇杆滑块机构组合可达到工作段 近于匀速的要求。适当选择导路位置，近于匀速的要求。适当选择导路位置， 可使工作段压力角可使工作段压力角 较小。较小。 送料机构的凸轮轴通过齿轮机构与送料机构的凸轮轴通过齿轮机构与 曲柄轴相连。按机构运动循环图可确曲柄轴相连。按机构运动循环图可确 定凸轮推程运动角和从动件的运动规定凸轮推程运动角和从动件的运动规 律，则机构可在预定时间将工件送至律，则机构可在预定时间将工件送至 待加工位置。待加工位置。 (冲床冲压机构冲床冲压机构6/13) 方案三方案三 ：六连杆冲压机构和凸轮六连杆冲压机构和凸轮连杆送料

25、机构连杆送料机构 冲压机构是由铰链四杆机构和摇杆滑块机构串联组合而成的。四杆机冲压机构是由铰链四杆机构和摇杆滑块机构串联组合而成的。四杆机 构可按行程速比系数用图解法设计，然后选择连杆长构可按行程速比系数用图解法设计，然后选择连杆长l lef ef及导路位置，按工 及导路位置，按工 作段近于匀速的要求确定铰链点作段近于匀速的要求确定铰链点e e的位置。若尺寸选择适当，可使执行构的位置。若尺寸选择适当，可使执行构 件在工作段中运动时机构的传动角件在工作段中运动时机构的传动角 满足要求，满足要求， 压力角压力角 较小。凸轮送较小。凸轮送 料机构的凸轮轴通过齿料机构的凸轮轴通过齿 轮机构与曲柄轴相连

26、，轮机构与曲柄轴相连， 若按机构运动循环图确若按机构运动循环图确 定凸轮转角及其从动件定凸轮转角及其从动件 的运动规律，则机构可的运动规律，则机构可 在预定时间将工件送至在预定时间将工件送至 待加工位置。待加工位置。 (冲床冲压机构冲床冲压机构7/13) 方案四：方案四：凸轮凸轮连杆冲压机构和齿轮连杆冲压机构和齿轮连杆送料机构连杆送料机构 冲压机构是由凸轮冲压机构是由凸轮连杆机连杆机 构组合，依据滑块构组合，依据滑块dd的运动要的运动要 求，确定固定凸轮的轮廓曲求，确定固定凸轮的轮廓曲 线。线。 送料机构是由曲柄摇杆、送料机构是由曲柄摇杆、 扇形齿轮与齿条机构串联而扇形齿轮与齿条机构串联而 成

27、，若按机构运动循环图确成，若按机构运动循环图确 定曲柄摇杆机构的尺寸，则定曲柄摇杆机构的尺寸，则 机构可在预定时间将工件送机构可在预定时间将工件送 至待加工位置。至待加工位置。 (冲床冲压机构冲床冲压机构8/13) 选择方案一：选择方案一： 齿轮齿轮连杆冲压连杆冲压 机构和凸轮机构和凸轮连连 杆送料机构杆送料机构 机构设计及分析机构设计及分析 冲压机构的设计冲压机构的设计 七杆机构的设计七杆机构的设计、运动和动力分析运动和动力分析 齿轮机构的设计齿轮机构的设计； 四杆机构的设计；四杆机构的设计； 凸轮机构的设计凸轮机构的设计 送料机构的设计送料机构的设计 运动循环图运动循环图 (冲床冲压机构冲

28、床冲压机构9/13) 设计七杆机构可用设计七杆机构可用解析法解析法、实验法实验法。 七杆机构的设计七杆机构的设计 首先根据对执行构件（滑块首先根据对执行构件（滑块 f f）提出的运动特性和动力）提出的运动特性和动力 特性要求选定与滑块相连的特性要求选定与滑块相连的 连杆长度连杆长度cfcf，并选定能实，并选定能实 现上述要求的点现上述要求的点c c的轨迹，的轨迹， 然后按导向两杆组法设计五然后按导向两杆组法设计五 连杆机构连杆机构abcdeabcde的尺寸。的尺寸。 l lab ab= =l ldede=100mm =100mm， l lae ae=200mm =200mm， l lbc bc

29、= = l ldc dc=283mm =283mm， l lcf cf=430mm =430mm，a a点与导路的点与导路的 垂直距离为垂直距离为162mm162mm，e e点与导路的垂直距离点与导路的垂直距离 为为223mm223mm。 (冲床冲压机构冲床冲压机构10/13) 七杆机构的运动、动力分析七杆机构的运动、动力分析 分析滑块分析滑块f f的速度和加速度，并画出速度线图，的速度和加速度，并画出速度线图， 以分析是否满足设计要求。以分析是否满足设计要求。 在进行机构动力分析时，先依据机加工手册，在进行机构动力分析时，先依据机加工手册， 估计生产阻力估计生产阻力p p=1.5kn=1.5kn，并认为在工作段内为常，并认为在工作段内为常 数，然后求得加于曲柄数，然后求得加于曲柄abab的平衡力矩的平衡力矩mmb b，用其，用其 平均值并计入各传动的效率，确定电动机的型号平均值并计入各传动的效率，确定电动机的型号 为为y112m4y112m4，额定功率为，额定功率为4kw4kw。 (冲床冲压机构冲床冲压机构11/13) 齿轮机构设计齿轮机构设计 齿轮机构的中心距齿轮机构的中心距a=200mma=200mm，模数，模数m=10mmm=10mm， 采用标准直齿圆柱齿轮传动，采用标准直齿圆柱齿轮传动，z z 1 1=z =z 2 2