机械原理课程设计指导书(修订本)

1、机 械 原 理 课 程 设 计 示 例 与 题 目中南大学机电工程学院机械学教研室二OO四 年 五 月机 械 原 理 课 程 设 计 示 例 与 说 明一、 概述机械原理课程设计是对机械类专业学生进行的第一次设计实践性教学环节。其主要目的是进一步巩固、理解并初步运用所学知识，在接触和了解工程技术实际（如工程设计方法、工程设计资料等）的基础上，对学生进行较为系统的设计方法训练，以达到初步培养学生分析问题、解决实际工程问题的能力。通过该课程设计训练，一方面要求学生系统地运用机械原理课程的大部分重要知识，结合实际加以融会贯通，并能适当地深化与扩展；另一方面，又要求学生积极思考、广为涉猎和大胆创新。这

2、对于培养学生掌握、扩展和运用知识，初步树立正确的设计观点、掌握通用的设计方法，提高计算、制图、使用参考资料和运用计算机的能力，以及培养学生的继承能力和创新能力打下良好的基础。机械原理课程设计实质上是进行机构运动简图的设计。因此，它的主要任务是：提出设计方案、选用机构类型及其组合，确定运动学尺寸、进行运动分析和动态静力分析、飞轮转动惯量的计算等等。完成必要的计算机程序编制、图纸绘制和编写设计计算说明书。机械原理课程设计中，作图求解或解析的方法均可采用。二、机械原理课程设计的一般步骤机械原理课程设计的一般步骤如下：1选择合适的机构运动方案。根据生产上提出的运动要求，选择合适的工作原理，确定机构组合

3、应完成的运动，并将整个运动分解为若干基本动作。2根据所确定的基本动作，合理地选择能完成基本动作的各种机构，并将它们合理地组合。在选择机构类型时，不仅要考虑满足运动要求，还要考虑制造的难易、成本高低、操作方便、传动效率、安全可靠性、传动平稳性及工作精度与寿命等因素。因此，机构类型的选择是整个机械设计过程中的一个重要环节。3编制运动循环图。根据所确定的机构组合方案和工作要求，绘制各机构之间的运动循环图。4设计机构的运动学尺寸。根据运动要求及其它条件，对所选择的各个机构进行具体的运动学尺寸计算。5进行机构的运动分析和动态静力分析。根据确定下来的运动学尺寸，采用图解法或解析法对机构进行必要的运动分析和

4、受力分析。6绘制组合后的机构运动简图。7编写机械原理课程设计的设计计算说明书。三、课程设计示例1设计题目：牛头刨床机构2机构简介牛头刨床是一种常用于平面加工的机床（图1(a)）。电机经一级带传动、两级齿轮传动驱动执行机构（如图1的导杆机构1-2-3-4-5-6），使刨头6和刨刀7作往复直线运动。刨头右行时，刨刀进行切削加工，称为工作行程，要求速度较低而均等。刨头左行时，刨刀不进行切削，称为空回行程，要求速度快以节省时间。因此刨头在整个运动循环中受力变化大，对主轴（曲柄2）匀速运转有很大影响，故需安装飞轮来减小主轴的速度波动，以提高切削质量和减小电机功率。同时，要求刨刀不进行切削的过程中，工件随

5、工作台实现自动进给运动（如图中的凸轮机构2-9、四杆机构1-9-10-11、棘轮机构和螺旋机构（图中未画出）等机构传动来完成的）。(a) (b)图13设计数据表1 设计数据 方案内容齿轮机构设计符号non2d od om12mo1Z1Z oZ 1单位r.p.m mm144072（100）（300）6351519502010411184473.513165146415导杆机构设计及运动分析导杆机构的动态静力分析KHlO2O4lBCxs6ys6lO4s4G4G6FrJs4yF mm NKgm2mm1.55004300.3lO4B18040 0.5lO4B22062080001.2100400350

6、0.34lO4B180012046015000.418560035022076080001.31701.86003702102205200.9165270036019801906300.9150 凸轮机构设计飞轮转动惯量的确定lO9DlO2O9maxoO1oJ o2J oJ oJ o1 mm 度 kgm2130(148)42157510650.150.50.20.20.3120(146)30156020501/300.50.20.20.3130451865060110451865060四、课程设计内容及要求1设计方案的选择与确定 按照“功能分解组合法”将牛头刨床整个运动分解成若干个基本动作，每

7、个基本动作选择合适的机构型式，再初步进行机构的组合。（1）切削运动：原动机传动装置往复运动刨头切削运动； （2）进给运动：原动机传动装置间歇运动工作台移动要求：整理计算说明书约1-2页。内容包括：功能的分解及机构类型的选择，几个方案的示意图及其比较与选用等等。（图1(b)为主机构的几个方案）2传动机构设计 已知：带轮直径、电机转速、曲柄2的转速。 要求：（1）齿轮传动中各对齿轮的传动比、齿轮的几何尺寸； （2）整理计算说明书约2页。步骤：（1）计算总传动比，分配各级传动的传动比，确定齿轮齿数； （2）计算齿轮的几何尺寸； （3）整理计算说明书。内容包括：已知条件和要求、传动比的计算、齿轮几何尺

8、寸的计算等（可用表格形式）。3主机构设计（导杆机构设计） 已知：刨头6的行程H，行程速比系数K，曲柄2和导杆4的转动中心距离及其它的构件尺寸关系。 要求：（1）确定主机构的类型及其曲柄2、导杆4等构件的长度； （2）确定刨头6上的铰支点C的移动方向与位置； （3）画出机构运动简图（与后面运动分析、力分析等共一张1#图纸）； （4）整理计算说明书约1-2页。 步骤：（1）由H、K、lO2O4计算l O4B、l O2A、l BC； （2）按连杆5传力给刨头最有利条件来确定X-X导路：它应在B点所画圆弧高度的平分线上； （3）选取长度比例尺l，按表2所分配的位置用细线在1#图纸上作此机构的位置图。（

9、此图纸还须画运动分析图、动态静力分析图、以及滑块6的运动线图等）曲柄位置是这样划分的，取1和8为工作行程的起点和终点所对应的曲柄位置。以1为起始点，将曲柄圆周沿曲柄转动方向分成12等分。1和7为切削起点和终点所对应的曲柄位置，4和10为曲柄所在垂直位置，如图2所示； （4） 整理计算说明书。内容包括：已知条件和要求，各构件长度的计算和比例尺的选取，以及各固定铰支点的相对位置等。图2表2 机构位置分配表序号123456789101112131415位置编号12345677889101011127109811112143256714进给机构设计已知：工作台的行程，最大进给量和最小进给量（自定），螺

10、旋机构转动中心O11到曲柄转动中心O2的距离lO2O11。 要求：（1）传动机构方案，各机构中的构件的尺寸； （2）确定各固定铰支点的位置； （3）画出机构运动简图（2#图纸）； （4）整理计算说明书约1-2页。 步骤：（1）根据进给量确定间歇运动机构类型和各构件尺寸； （2）根据间歇运动机构的要求确定其它传动机构类型和各构件尺寸； （3）进行机构的组合。选定比例尺，绘制机构运动简图，确定各固定铰支点的位置； （4）整理计算说明书。内容包括：已知条件和要求，机构类型选择，各构件长度计算和比例尺的选取，以及各固定铰支点的相对位置等。5凸轮机构的设计 已知：摆杆的最大摆角、许用压力角、凸轮的各运动

11、角及摆杆的长度。 要求：（1）选定摆杆的运动规律，确定凸轮机构各部分尺寸、滚子半径； （2）画出摆杆的运动线图和凸轮轮廓曲线（2#图纸）； （3）整理计算说明书约1页。 步骤：（1）选定摆杆的运动规律，选定比例尺，绘制出运动线图； （2）选定比例尺，选定凸轮基圆半径，绘制凸轮轮廓曲线； （3）整理计算说明书约1页。内容包括：已知条件和要求，比例尺的选取，确定凸轮机构各部分尺寸、滚子半径。6机构的组合及结构分析 已知：刨头6的工作循环过程，主机构和传动机构、进给机构（凸轮机构）的各构件尺寸及位置。 要求：（1）绘制刨刀7和工作台（摆杆9）的圆周式的工作循环图（如图3、图4）； （2）确定各机构之

12、间的装配位置尺寸； （3）确定机构组合的原动件数目及主机构的结构类型； （4）绘制一张3#图纸，整理计算说明书约1页。 步骤：（1）确定刨刀7不接触工件时所对应的曲柄转角1，1，2，2。根据刨刀7在工作行程和空回行程的起始和终了时，各有一段与工件不接触的长度0.05H，作图确定它对应的曲柄所转过的角度大小； （2）绘制机构的圆周式工作循环图，确定曲柄2与凸轮之间的装配角度。曲柄2从位置1沿2方向转过1 = 180+（为极位夹角）时，是刨刀7的工作行程，再转过1 = 180- 时，是刨刀7的空回行程。当曲柄2从1位置转到（1- 2）时，刨刀进行切削。摆杆应在刨刀切削刚终了时才能开始摆离凸轮中心O

13、2点。由此可定出曲柄2和凸轮轮廓变化段起点处滚子中心D点所构成的AO2D角度为装配角； （3）确定各机构的固定铰支点与O2，O4的装配尺寸，绘制其运动简图； （4）计算机构组合后的机构自由度，对导杆机构进行结构分析； （5）整理计算说明书。内容包括：已知条件和要求，比例尺的选取，角度与尺寸的计算，绘制的工作循环图，导杆机构的结构分析等。 图3 图47导杆机构的运动分析 已知：曲柄2的转速，导杆机构中各构件尺寸及重心位置，滑块（刨头）6的移动导路X-X及机构的两个位置简图。 要求：（1）两个机构位置的速度多边形和加速度多边形； （2）滑块6的位移、速度、加速度运动线图； （3）以上内容画在1#图

14、纸上（与前面“3”的内容一起）； （4）整理计算说明书约2-3页。 步骤：（1）选取比例尺l、v、a，用矢量方程图解法分别作出所分配的机构两个位置的速度多边形与加速度多边形，并将结果填入表3； （2）以曲柄2的1位置为起始位置，根据其各个位置作图求出滑块6所对应的位移S6i，选取位移比例尺s及时间比例尺t画滑块6的位移线图； （3）由滑块6的位移线图，选取极距H，用图解法求出它的速度线图，并将其所得数据填入表3中； （4）汇集其他同学所求的加速度的数据，绘制滑块6的加速度线图； （5）用解析法求出滑块6的速度与加速度数据填入表3中； （6）整理计算说明书。内容包括：已知条件和要求，比例尺的选取

15、及计算。以一个位置为例说明求解速度与加速度的过程，列出矢量方程式。另一个位置的可在表3中写出结果。表 3 机构运动分析数据项目位置V6 6 S444图解线图解析图解解析图解大小/方向大小/方向单位 米 / 秒米/秒2米/秒21/ 秒1 / 秒28导杆机构的动态静力分析 已知：滑块6和导杆4的重量及其位置，导杆4绕其重心的转动惯量，切削力F的变化规律，各构件尺寸及其运动参数。 要求：按所分配的位置确定各运动副中的反力和曲柄上所需加的平衡力矩（以上内容与运动分析一起作在同一张1#图纸上）；整理计算说明书约2页。 步骤：（1）计算滑块6和导杆4上的惯性力PI6、PI4和惯性力偶MI4，并将导杆4上的

16、惯性力和惯性力偶合成为一个总惯性力PI4及其至重心S4的距离Lh，填入表4中； 表4 机构力分析数据 项目位置图 解 法解 析 法PI4PI6PI4MI4LhPI4PI6PI4MI4Lh单位 N(牛)Nmm(米) NNmm(米) （2）将导杆机构分解为若干个杆组示力体。选取长度比例尺画出示力体，标出切削阻力、惯性力、重力和运动副反力； （3）进行动态静力分析。选取力比例尺作力多边形，图解各运动副反力、加在曲柄上的平衡力偶Mb，并将结果填入表5内（对于位置1、7，因切削阻力的突变，需要作两个力多边形，求解两种情况的反力和平衡力偶）； （4）用解析法求曲柄2上的平衡力偶和各运动副反力； （5）汇集

17、同学所求的平衡力偶Mb填入表6内； （6）整理计算说明书。内容包括：已知条件和要求，比例尺的计算，以一个位置为例，说明动态静力分析求解力或力矩的过程，写出矢量方程式和计算式。另一个位置的分析可只将结果分别列入表5、6中。表 5 某位置的平衡力矩（单位：Nm）项 目位 置FrFR6FR65FR54FR23FRO2PR04Mb大小 / 方向图解解析图解解析单位 N (牛)Nm（牛米）表 6各位置的平衡力矩（单位：Nm）位置112344567788910101112Mb图解解析方向9飞轮转动惯量的确定 已知：机器运转的不均匀系数，曲柄2上的平衡力偶Mh，驱动力矩为常数，有定传动比的转动惯量为JO、J

18、O、JO1、JO2。要求：（1）确定加在曲柄2上的飞轮转动惯量JF； （2）绘制功图，图解求解最大盈亏功Wmax； （3）完成2#图纸1张，整理计算说明书约1页。步骤：（1） 选取力矩比例尺M和曲柄2的转角比例尺作等效阻力矩Mr()曲线（Mr = Mh ）图；（2）选取极距H对Mr()曲线进行图解积分法求得等效阻力功Wr()曲线图； （3）作出驱动功Wd()曲线图和等效驱动力矩曲线图（Md = 常数）； （4）作图求解最大盈亏功Wmax； （5）计算曲柄上的等效转动惯量和需要加的飞轮转动惯量； （6）整理计算说明书。内容包括：已知条件和要求，比例尺的选择，功与转动惯量的计算等等。五注 意 事

19、项1准备物品（1） 1号图纸1张，2号图纸3张，计算说明书纸约18张；（2） 绘图工具一套（包括曲线板）。2作图要求（1） 作图准确，布图匀称，图面整洁；（2） 图幅大小、线条、尺寸等标准均应符合制图标准。3计算说明书要求：（1） 步骤清楚，叙述简要明确，文句通顺，书写端正；（2） 根据进度安排，及时整理，不要等到最后才进行整理。4时间分配参考表作业内容传动方案齿轮几何尺寸导杆机构进给机构凸轮机构运动分析动态静力分析飞轮转动惯量组合总结天数205050.5052211附录 图解微分法和图解积分法 一些在数学上有微积分关系的物理量，常可用图解微分法和图解积分法进行研究。例如已知机构的位移曲线后，

20、可不必通过机构各个位置的速度和加速度图解，直接用图解微分法作出相应的速度曲线和加速度曲线。一、图解微分法现以由位移曲线求速度为例加以说明。设有一位移曲线S=S（t）如附图1所示，纵坐标y代表位移S，所用的比例尺为s（m/mm），横坐标x代表时间t，所用的比例尺为t（s/mm）。求位移曲线上某点C的速度时，如能作出该点的切线t-t，则所作切线的斜率即代表该点的速度。由于切线不容易准确作出，在工程上常用邻近两点弦线的斜率来作为切线的斜率。在C点左右作两条离开C点由等距离的纵坐标与位移曲线相交于l与n点，由于弦线ln与中点的切线接近平行，所以C点的速度可表为：V =ds/dt=sdy/（tdx）=s

21、y/（tx） (1)14一般x取得很小时，弦线的斜率就和中点的切线的斜率越为接近，因而算出速度的精确度也较高。为了节省计算和作图的工作量，一般常取各个时间间隔的x相等。于是可将上式中的s/（tx）合成为一个常数K，从而只要依次量出各个时间间隔的y，就可算出相应各时间间隔中点的速度，即： V=K（y） （2）例如在图附-1中C、D点的速度分别等于K（mn）、K（pq）。速度算出后，再选择适当的速度比例尺V进行换算，即可作出速度曲线。为了简捷地作出速度曲线，可将(1)式改写成含有弦线与横坐标倾角的形式：v = (s/t)tg=(s/（Ht）)(Htg)= v(Htg) （3） 附图1 式中 v =

22、 (s/（Ht）)（m/s）/mm） （4）如附图1所示，在速度曲线的横坐标轴上，由原点O向左取一定长度H，得P点，作射线pcln，于是线段oc=(Htg)，这样C点可直接用线段oc表示，但此时所作速度曲线的速度比例尺v并非任取，而是由式（3）导出。附图2所示为上述图解微分法在作机构速度线图中的应用。由位移曲线s=s(t)作速度曲线v=v(t)的步骤如下：1）将s=s(t)曲线的横坐标分成若干等分（图中为十二等分），过这些等分点作纵坐标与曲线相交得点1、2、3、；2）过点O、1、2、3、作弦线O1、12、23、；3）在速度曲线的横坐标轴上，自原点O向左取一段等于H得合适距离得P点；4）过P点引

23、平行于各弦线O1、12、23、的射线与纵坐标轴相交于1、2、3、点；5）将所得1、2、3、点分别投影到相应的纵坐标线上，得到一系列长方形（图中用阴影线表示）；6）将坐标原点O及各长方形顶边中点、b、c、等顺序连成圆滑曲线，即得所求的速度曲线v=v(t)。附图2二、图解积分法 图解积分是用作图方法求出待积曲线下一个个区间的面积，它是图解微分法逆过程。仍以附图2为例，由速度曲线v=v(t)求位移曲线s=s(t)。将v=v(t)曲线的横坐标分成若干等分，并在曲线上定出各等分的中点a、b、c、，把这些中点投影到纵坐标轴上，得1、2、3、等点。由横坐标轴上距原点为定长H的P点连直线P1、P2、P3、。接着在位移曲线上自原点O开始，按O1、12、23、等区间，依次作与射线P1、P2、P3、分别平行的线段O1、12、2