机械原理课程设计指导2010

1、湖南大学机械与汽车工程学院College of Mechanical and Automobile EngineeringHunan University机械原理课程设计机械原理课程设计机械原理课程设计1)1)注重多学科知识的综合应用；注重多学科知识的综合应用；2)2)注重总结与实践经验的积累；注重总结与实践经验的积累；3)3)充分发挥创造思维和想象能力，灵活应用各种设充分发挥创造思维和想象能力，灵活应用各种设 计方法与技巧。计方法与技巧。机械原理课程设计一、 机械原理课程设计的目的机械原理课程设计的目的完成指定机械传动系统的方案设计完成指定机械传动系统的方案设计机械传动系统设计的好坏，对机械

2、系统能机械传动系统设计的好坏，对机械系统能否完成预期的工作任务，以及工作质量的优劣否完成预期的工作任务，以及工作质量的优劣和产品的竞争力起决定性的作用。和产品的竞争力起决定性的作用。需要创新需要创新机械原理课程设计创新的类型：创新的类型：v变参数设计变参数设计齿轮设计齿轮设计；v改进型设计改进型设计由尖顶从动件变为滚子从动件；由尖顶从动件变为滚子从动件；v开发性设计。开发性设计。机械原理课程设计二、机械原理课程设计的必要性机械原理课程设计的必要性v检验知识的掌握程度；检验知识的掌握程度；v市场竞争的需要；市场竞争的需要；v为机械创新设计做准备。为机械创新设计做准备。机械原理课程设计三 机械传动

3、系统的方案设计机械传动系统的方案设计机械传动系统：机械传动系统：由若干种不同机构组合而成，能实现机械工艺过程由若干种不同机构组合而成，能实现机械工艺过程所需运动的系统。所需运动的系统。拟定机械的功能原理拟定机械的功能原理执行机构的型式设计执行机构的型式设计执行系统的协调设计执行系统的协调设计执行机构的尺度设计执行机构的尺度设计方案的评价与决策方案的评价与决策机械原理课程设计图图1设计流程设计流程机械原理课程设计四、基本理论和方法四、基本理论和方法( (一一) ) 功能原理设计功能原理设计 1. 1. 功能分析功能分析 功能分析法功能分析法( (Function analysis) )是系统设计

4、中拟定功能原是系统设计中拟定功能原理方案的主要方法。理方案的主要方法。 一台机器所能完成的功能，称为机器的一台机器所能完成的功能，称为机器的总功能总功能( (Total function) )。功能分析法就是将机械产品的总功能分解成若干功能分析法就是将机械产品的总功能分解成若干功能功能元元( (Function element) )，然后求解功能元，再将其组合，然后求解功能元，再将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案，以供评价选择。得到满足总功能要求的多种解决方案，以供评价选择。机械原理课程设计图图1功能分解功能分解机械原理课程设计例：例： 半自动平压模切机半自动平压模切机的工作原理：印刷

5、、包装行业用于的工作原理：印刷、包装行业用于压制纸盒、纸制品的专用设备。该设备可用于对各种规格压制纸盒、纸制品的专用设备。该设备可用于对各种规格的纸板进行的纸板进行压痕、切线压痕、切线。经。经压痕、切线的纸板在沿切线去压痕、切线的纸板在沿切线去掉边料后，沿压出的压痕可折成各种纸盒、纸箱，亦可对掉边料后，沿压出的压痕可折成各种纸盒、纸箱，亦可对各种高级精细的纸材凹凸痕，压制成各种富有立体感的精各种高级精细的纸材凹凸痕，压制成各种富有立体感的精美凸凹商标或印刷品。美凸凹商标或印刷品。图图2半自动平压模切机工作原理半自动平压模切机工作原理机械原理课程设计功能分解功能分解工艺动作分解：工艺动作分解：模

6、切机的模切动作包括纸板输送、定位夹紧、纸板停模切机的模切动作包括纸板输送、定位夹紧、纸板停顿时凹模和凸模加压进行冲压模切，然后将纸板送到收纸顿时凹模和凸模加压进行冲压模切，然后将纸板送到收纸台。台。这一系列工艺动作可分解为如下三个执行机构分别完这一系列工艺动作可分解为如下三个执行机构分别完成的成的3组工艺动作：组工艺动作：模切机构模切机构在纸板停顿时进行冲压模切在纸板停顿时进行冲压模切走纸机构走纸机构1.定位夹紧机构定位夹紧机构机械原理课程设计半自动平压模切半自动平压模切模切机构模切机构走纸机构走纸机构定位夹紧机构定位夹紧机构总功能总功能分功能分功能图图3 3 半自动平压模切机功能分解半自动平

7、压模切机功能分解机械原理课程设计 2. 2. 功能求解功能求解 根据机构的基本功能，归纳整理为功能元。根据机构的基本功能，归纳整理为功能元。半自动平压模切半自动平压模切模切机构模切机构走纸机构走纸机构定位夹紧机构定位夹紧机构 运动如何从原动件传递运动如何从原动件传递到各执行端？此过程即为整到各执行端？此过程即为整理功能元及求解的过程理功能元及求解的过程 原动件的动原动件的动力从哪里来？力从哪里来？即原动机是什即原动机是什么？么？机械原理课程设计 列出功能元解的目录列出功能元解的目录。为了便于设计人员进行。为了便于设计人员进行功能原理的构思，可以将有关的功能元解，按一定的功能原理的构思，可以将有

8、关的功能元解，按一定的分类排序原则，用矩阵表的形式列出。分类排序原则，用矩阵表的形式列出。 注意功能求解的技巧注意功能求解的技巧图图5 5功能分析功能分析机械原理课程设计图图4基本功能元及符号表示基本功能元及符号表示机械原理课程设计例：例：半自动平压模切机半自动平压模切机的分功能的分功能-模切机构模切机构的功能求解的功能求解假设原动机为电动机，假设原动机为电动机，电动机水平放置电动机水平放置，凸模、凹模上下布置，凸模、凹模上下布置图图2半自动平压模切机工作原理半自动平压模切机工作原理机械原理课程设计 则则半自动平压模切机半自动平压模切机的模切机构应具备以下的模切机构应具备以下3 3个基本功个基

9、本功能元：能元： 运动位移或速度缩小功能运动位移或速度缩小功能：减小位移量（或速度），以：减小位移量（或速度），以实现增力要求实现增力要求 运动轴线变向功能运动轴线变向功能：将水平轴运动变换为铅垂方向运动：将水平轴运动变换为铅垂方向运动 运动形式变换功能运动形式变换功能：将转动变换为往复移动：将转动变换为往复移动1.1.根据以上分析，可构思出如下功能技术矩阵根据以上分析，可构思出如下功能技术矩阵机械原理课程设计12345A连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构齿轮机构齿轮机构蜗轮蜗杆蜗轮蜗杆机构机构螺旋机构螺旋机构B锥齿轮机锥齿轮机构构摩擦轮机摩擦轮机构构C连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构螺旋机构螺

10、旋机构齿轮齿条齿轮齿条机构机构摩擦轮机摩擦轮机构构功能元功能元解解表表1 执行机构功能形态学矩阵执行机构功能形态学矩阵机械原理课程设计矩阵中的三个功能元可选不同的解，模切功能由三矩阵中的三个功能元可选不同的解，模切功能由三个功能元组成，故也有多个解。个功能元组成，故也有多个解。图图6基本功能结构图基本功能结构图 将各分功能将各分功能分析完，整合分析完，整合总功能的结构总功能的结构机械原理课程设计图图7半自动平压模切机的执行系统设计方案半自动平压模切机的执行系统设计方案机械原理课程设计减速运动分支轴平移轴平移模切机构模切机构夹紧机构夹紧机构走纸机构走纸机构ABCDEB图图8半自动平压模切机运动转

11、换功能框图半自动平压模切机运动转换功能框图机械原理课程设计12345A圆柱齿轮圆柱齿轮机构机构蜗轮蜗杆机构蜗轮蜗杆机构带传动带传动链传动链传动摆线针轮摆线针轮传动传动B圆柱齿轮圆柱齿轮机构机构链传动链传动带传动带传动C曲柄滑块曲柄滑块机构机构不完全齿轮齿不完全齿轮齿条机构条机构移动从动移动从动件凸轮机件凸轮机构构D凸轮机构凸轮机构不完全齿轮齿不完全齿轮齿条机构条机构E槽轮机构槽轮机构不完全齿轮机不完全齿轮机构构凸轮分度凸轮分度机构机构功能元功能元解解表表2 平压模切机功能形态学矩阵平压模切机功能形态学矩阵机械原理课程设计注意：注意： 机械执行系统的功能原理及运动方案设机械执行系统的功能原理及运

12、动方案设计的多方案性计的多方案性 为实现同一预定的功能目标，可以选择为实现同一预定的功能目标，可以选择不同的功能原理来实现，选用不同的技术原不同的功能原理来实现，选用不同的技术原理来完成。理来完成。机械原理课程设计 各种剪切机构各种剪切机构 机械原理课程设计机械原理课程设计机械原理课程设计在进行机构形式设计时，除在进行机构形式设计时，除应满足基本功能所要求的应满足基本功能所要求的运动形式或运动轨迹运动形式或运动轨迹外，还应遵循以下几项原则外，还应遵循以下几项原则：（二）执行机构的型式设计与系统的协调二）执行机构的型式设计与系统的协调 根据各基本动作或功能的要求，选择或创造合适根据各基本动作或功

13、能的要求，选择或创造合适的机构型式来实现这些动作的工作过程，称为的机构型式来实现这些动作的工作过程，称为执行机执行机构的型式设计构的型式设计，又称为，又称为机构的型综合机构的型综合。1.1.机构尽可能简单机构尽可能简单2.2.具有较好的动力学特性具有较好的动力学特性3.3.机构安全可靠机构安全可靠机械原理课程设计一个执行构件一个执行构件、执行构件的运动设计、执行构件的运动设计1)1)执行构件的数目执行构件的数目 取决于机械分功能或分动作的多少，两者不取决于机械分功能或分动作的多少，两者不一定相等，要具体分析确定。一定相等，要具体分析确定。如立式钻的方案如立式钻的方案: :机械原理课程设计2)2

14、)执行构件的运动形式和运动参数执行构件的运动形式和运动参数复合运动复合运动往复摆动往复摆动执执行行构构件件运运动动形形式式回转运动回转运动每分钟转数每分钟转数 rpm rpm由两个以上单一运动合成由两个以上单一运动合成 间歇回转间歇回转停歇往复直线停歇往复直线停歇单向直线停歇单向直线沿可变曲线运动沿可变曲线运动连续回转连续回转沿固定曲线运动沿固定曲线运动曲线运动曲线运动直线运动直线运动往复直线往复直线每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟摆动次数、转角大小、行每分钟摆动次数、转角大小、行程速比系数程速比系数每分钟行程数目、大小、行程速比系数每分钟行程数目、大

15、小、行程速比系数每循环停歇次数、位置、时间、每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度。行程大小和工作速度。每次进给量的大小。每次进给量的大小。 机械原理课程设计2 2、各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图、各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图1 1）各执行构件间运动的协调配合关系）各执行构件间运动的协调配合关系a)a)运动彼此独立无需协调配合：运动彼此独立无需协调配合：外圆磨床的砂轮和工件的两个运动彼此独立。故应外圆磨床的砂轮和工件的两个运动彼此独立。故应为每个运动单独设计各自的运动链。为每个运动单独设计各自的运动链。砂轮砂轮工件工件砂轮架砂轮架机械原理课程设计b)b)动

16、作协调配合：动作协调配合：图示图示冲床冲床的两个执行构件中，要求：的两个执行构件中，要求：送料构件将原料送入模孔上方后，冲头才可进入模孔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；进行冲压；当冲头上移一段距离后，才能进行下次送料动作。当冲头上移一段距离后，才能进行下次送料动作。机械原理课程设计c)c)各执行构件运动速度的协调配合：各执行构件运动速度的协调配合：范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。 对于有运动协调配对于有运动协调配合要求的构件，往往采合要求的构件，往往采用以一台原动机，用以一台原动机， 通过通过传动系统分

17、配运动，实传动系统分配运动，实现协调动作。现协调动作。机械原理课程设计2 2）机械的工作（运动）循环图）机械的工作（运动）循环图定义：定义：设计机械时，用以表示机械在一个工作循环过设计机械时，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。程中，各执行构件之间运动配合关系的图形。定标件：定标件：用其运动位置（转角或位移）作为确定其它用其运动位置（转角或位移）作为确定其它 执行构件运动先后次序的基准。执行构件运动先后次序的基准。形式：形式：直线式、圆周式、直角坐标式三种。直线式、圆周式、直角坐标式三种。直线式工作循环图直线式工作循环图 退回退回停停 止止冲冲 制制 进给进给

18、冲头冲头送料器送料器曲柄转角曲柄转角 0 90 180 270 360此例中主轴作为定标件。此例中主轴作为定标件。 退回退回机械原理课程设计冲头冲头送料器送料器曲柄转角曲柄转角 0 90 180 270 360直角坐标式工作循环图直角坐标式工作循环图 机械原理课程设计机构和性能一览表机构和性能一览表输出运动形式输入运动形式机构名称机构简图运动特性动力特性其它特性连续回转连续回转常用机构（自己回去总结）常用机构（自己回去总结）机械原理课程设计机构的变异机构的变异构件结构形状构件结构形状运动尺寸运动尺寸更换机架更换机架或原动件或原动件增加辅助构件增加辅助构件目的：目的：获得新的机构或特性，已满足使

19、用要求。获得新的机构或特性，已满足使用要求。机构的变异机构的变异机械原理课程设计）机构的串联组合）机构的串联组合 机构的组合机构的组合 前一个机构的输出，作为下一个机构的输入，前一个机构的输出，作为下一个机构的输入，依次串联。依次串联。一般串联组合：一般串联组合：后一级机构的主动件固连后一级机构的主动件固连在前一级机构的一个连架在前一级机构的一个连架杆上。杆上。5 51 12 23 34 41 1IIIII I1 1s s3 3s s4 4IIIII I特殊串联组合：特殊串联组合：后一级机构的主动件串接在后一级机构的主动件串接在前一级机构的一个连杆上。前一级机构的一个连杆上。1 12 23 3

20、A A5 54 4D DC CB BF FE EM M机械原理课程设计 例：前面的半自动平压模切机的型式设计例：前面的半自动平压模切机的型式设计根据功能技术矩阵图中的根据功能技术矩阵图中的3 3个分功能中各任选一个分功能中各任选一个机构，就可以组合成一个能实现模切机的总体功能个机构，就可以组合成一个能实现模切机的总体功能的方案。的方案。剔除重复和明显不合适的方案后，即可得到一系剔除重复和明显不合适的方案后，即可得到一系列可供选择的方案。列可供选择的方案。图图7 7为部分方案示意图。为部分方案示意图。机械原理课程设计图图7模切机构部分方案示意图模切机构部分方案示意图机械原理课程设计 拟定走纸机构

21、方案拟定走纸机构方案生产工艺对走纸机构的动作要求比较简单，就是生产工艺对走纸机构的动作要求比较简单，就是间歇进给。可选择间歇进给。可选择间歇运动机构间歇运动机构带动带动挠性传动机构挠性传动机构完完成送纸的工艺动作。成送纸的工艺动作。间歇运动机构有：间歇运动机构有：不完全齿轮机构，棘轮机构，不完全齿轮机构，棘轮机构，槽轮机构槽轮机构挠性传动机构有：挠性传动机构有：平带带轮传动机构，双列链轮平带带轮传动机构，双列链轮传动机构传动机构由此可组成多种可供选择的送纸机构方案由此可组成多种可供选择的送纸机构方案机械原理课程设计 拟定定位夹紧机构方案拟定定位夹紧机构方案输送纸板链上固定有模块输送纸板链上固定

22、有模块1 1，其上装有夹紧片。生产，其上装有夹紧片。生产工艺对定位夹紧机构的要求就是控制该夹紧片按时张开工艺对定位夹紧机构的要求就是控制该夹紧片按时张开和夹紧。为此可选用结构简单，便于设计的和夹紧。为此可选用结构简单，便于设计的滚子移动从滚子移动从动件盘形凸轮机构动件盘形凸轮机构来控制夹紧片的张开、夹紧。来控制夹紧片的张开、夹紧。图图4半自动平压模切机工作原理半自动平压模切机工作原理机械原理课程设计（三（三) ) 机械传动方案的评价机械传动方案的评价1 1）评价指标）评价指标机械功能的实现质量机械功能的实现质量 精确性、稳定性、适应性、扩展性；精确性、稳定性、适应性、扩展性； 机械工作性能机械

23、工作性能 运转的平稳性、传力性能、承载能力等；运转的平稳性、传力性能、承载能力等； 机械的动力性能机械的动力性能 冲击、振动、噪声、耐磨性能等；冲击、振动、噪声、耐磨性能等； 机械的经济性机械的经济性 设计工作量大小、制造成本、维修难易、能耗等设计工作量大小、制造成本、维修难易、能耗等 机械结构的合理性机械结构的合理性 复杂程度、尺寸及重量大小等。复杂程度、尺寸及重量大小等。 机械原理课程设计2 2）方案评价）方案评价机械原理课程设计机械原理课程设计机械原理课程设计往复摆动往复摆动电电 动动 机机气缸气缸原原动动件件运运动动形形式式连续回转连续回转往复直线往复直线液压马达液压马达气动马达气动马达内内 燃燃 机机液压马达液压马达气动马达气动马达直线电机直线电机油缸油缸柴油机柴油机燃气轮机燃气轮机汽油机汽油机直流电动机直流电动机交流变频变速电动机交流变频变速电动机伺服电动机伺服电动机步进电动机步进电动机力矩电动机力