机械原理课程设计(传动系统设计-授课-简略)

机械原理课程设计一、机械原理课程设计的目的

1)以机械系统运动方案设计与拟定为结合点，把机械原理课程中分散于各章的理论和方法融会贯通起来，进一步巩固和加深所学的理论知识。2)使学生具有初步的机构分析和综合的能力，对机械的运动学和动力学的分析和设计有一较完整的概念。5)通过编写说明书，培养学生表达、归纳、总结和独立思考与分析的能力。3)培养学生的创新能力和工程实践能力。4)培养学生的团队协作精神。机械原理课程设计机械设计的一般过程机械设计概念设计产品规划总体方案设计技术结构设计生产施工设计改进设计确定方案(原理图)确定机构运动简图运动循环图装配图、零件图、技术文档工艺卡、工序卡等原理二、机械原理课程设计的内容机械原理课程设计机构综合：机构分析：运动、力分析原理设计阶段的机构设计也叫机构综合图解法解析法解析法的一般步骤按要求绘出机构运动简图或示意图建立合适的坐标系根据几何关系列方程，即构件位移与几何尺寸间关系方程。求解方程，手动求出解析解表达式或计算机求解。二、机械原理课程设计的内容三、机械原理课程设计的步骤机械原理课程设计

1、按选定的设计任务进行工作原理分析与确定。2、选择机器的主运动机构（执行机构）—

机构选型。3、（图解法）主运动机构的尺度综合、运动分析、动力分析。4、（解析法）主运动机构的尺度综合、运动分析、动力分析。——建模、编程、求解5、编写设计说明书。四、机械运动方案设计

原动机运动一般有匀速转动、直线往复两种主要形式。机构设计一般常将原动件运动转变成如下的各种运动要求1.传动机构的类型及功用

传动机构主要用于将原动机的运动和动力传动给执行机构（构件），使其完成特定的作业要求。常用的机构有：齿轮机构、螺旋机构、带传动与链传动、连杆机构、凸轮机构等。几种常用传动机构的基本特性齿轮机构蜗杆—蜗轮机构带传动链传动连杆机构凸轮机构螺旋机构优点传动比准确，外廓尺寸小，交率高，寿命长，功率及速度范围广，适宜于短距离传动传动比大,可实现反向自锁,用于空间交错轴传动,传动平稳中心距变化范围广,可用于长距离传动,可吸振,能起到缓冲及过载保护作用中心距变化范围广,可用于长距离传动,平均传动比准确,特殊链可用于传送物料适用于宽广的载菏范围,可实现不同的运动轨迹,可用于急回,增力,加大或缩小行程等能实现各种运动规律,机构紧凑可改变运动形式:转动变移动,传力比较大缺点制造精度要求高效率较低有打滑现象,轴上受力较大有振动冲击,有多边形效应设计复杂,不宜高速运动易磨损,主要用于运动传递滑动螺旋刚度较差,效率不高效率开式0.92~0.96闭式0.96~0.99开式0.5~0.7闭式0.7~0.9自锁0.4~0.45平皮带0.92~0.98三角带0.92~0.94同步齿形带0.96~0.98开式0.9~0.93闭式0.95~0.97在运动过程中效率随时发生变化随运动位置和压力角不同,效率亦不同滑动0.3~0.6滚动0.85~0.98速度6级精度直齿v≤18m/s6级精度非直齿v≤36m/s5级精度直齿v≤200m/s圆弧齿轮v≤100m/s滑动速度v≤15~35m/s三角带≤25kW同步齿形带≤50m/s滚子链≤15m/s齿形链≤30m/s功率渐开线齿轮≤50000kW圆弧齿轮≤6000kW锥齿轮≤1000kW小于750kW常用为50kW以下三角带≤40kW同步齿形带≤200~750kW最大可达3500kW通常为100kW以下传动比一对圆柱齿轮i≤10通常i≤5一对圆锥齿轮i≤8通常i≤3开式i≤100常用i≤15~60闭式i≤60常用i≤10~40平皮带i≤5三角带i≤7同步齿形带i≤10滚子链i≤7~10齿形链i≤15其他主要用于传动主要用于传动常用于传动链的高速端常用于传动链中速度较低处既可做为传动机构又可做为执行机构主要用于执行机构主要用于转变运动形式,可做为调整机构2.基本机构的组合

基本机构的组合大致可分为三种形式。

（1）串接式

主动件1的运动

(t)依次通过基本机构I和II，使从动件2获得某一运动规律

(t)，在这种组合机构中前一机构的从动件往往又是后一机构的主动件。

（2）并联式主动件1的运动

(t)同时传给基本机构I和II，使它们具有相同的运动规律

1(t)或不相同的运动规律

1(t)和

2(t)，并通过具有两个自由度的差动机构III使从动件2获得合成的运动规律

(t)。III使运动叠加后，传给从动件2，其运动规律为

(t)。（3）组合式

组成复合式组合机构时，基本机构有机联结，互相依存。基本机构I或II中主动件的运动

(t)，通过机构I、II中部分构件组成的差动机构III使运动叠加后，传给从动件2，其运动规律为

(t)。

该机器主要用于单件小批量生产场合，希望造价较低，工作可靠，使用和维修较简单；1)设计任务设计一个利用插刀的竖直往复运动插削键槽和型孔的直线运动机床的机械传动系统。

机器具有一般的工作精度：加工表面的平面度：8～9级精度加工表面的垂直度：8～9级精度五、机械传动系统设计实例机械原理课程设计插床主要由齿轮机构、导杆机构和凸轮机构等组成，如图所示。电动机经过减速装置(图中只画出齿轮)，使曲柄1转动，再通过导杆机构1-2-3-4-5-6，使装有刀具的滑块沿导路作往复运动，以实现刀具切削运动。为了缩短空程时间，提高生产率，要求刀具具有急回运动。刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴上的凸轮驱动摆动从动杆和其他有关机构(图中未画出)来完成的。机械原理课程设计2）机器工作原理的确定3）机器传动系统方案的拟定与主运动机构的选型（1）机器传动系统方案的拟定机械原理课程设计插床传动系统机构组合情况的初步方案图Ⅰ——减速传动机构（带传动+齿轮传动）Ⅱ——插刀往复直线急回运动机构Ⅲ——工作台间歇直线运动机构w1原动机ⅠV2V3w1′w1″ⅡⅢ（2）主运动机构（执行机构）的选型及分析机械原理课程设计

该方案由两个四杆机构组成。其特点如下：

1）是一种平面连杆机构，结构简单，加工方便，能承受较大载荷；

2）具有急回作用，只要正确选择参数，即可满足行程速比系数K和滑块行程H的要求；

3）当以曲柄为主动件时，机构传动角

较大。工作行程中，能使插刀速度较慢，且变化平稳，符合切削要求。

由此可见，此方案加工简单，占用面积比较小，传力性能好。方案一导杆机构摇杆滑块机构机械原理课程设计方案二

将方案一中的连杆4与滑块5的转动副变为移动副，并将连杆4变为滑块4，既得方案二。

该方案除具备方案一的特点外，因构件4与5间的传动角始终为900，所以受力更好。机械原理课程设计方案三1）该方案是四杆机构，结构比前述方案简单。特点如下：

2）具有急回作用，但急回作用不明显。增大a和e或减小b，均能使K增大到所需值，但会使滑块速度变化剧烈，速度波动大，并且使最小传动角减小，传动性能变坏。显然，此方案传动角不符合要求。3）横向尺寸约为纵向尺寸的2倍，机构欠匀称。机械原理课程设计方案四

该机构由两个四杆机构组成（b<a)，特点如下：

2）滑块5的行程H=2C，增大L可增大4与5间的传动角，并使滑块5的速度变化平缓。

1）只要正确选择参数，即可满足行程速比系数K要求，若K增大，将使导杆3的角速度变化剧烈，产生冲击。

3）因曲柄1和导杆3都作整周运动，所以机构的横、纵向尺寸较大。另外，构件4与5间的最小传动角一般比方案一、二的小，并且横、纵向尺寸均不如方案一和二。转动导杆对心曲柄滑块机械原理课程设计方案五

该机构由导杆机构和齿轮齿条机构组成，特点如下：

1）加工齿轮齿条比较复杂，特别是制作精度高的齿条较困难。

2）齿轮齿条之间为高副接触，易磨损，磨损后传动不平稳，并将产生噪声和振动。

3）导杆作变速往返摆动，特别在空回行程中，导杆角速度有较剧烈的变化，使齿轮机构受到很大的惯性冲击和振动。

4)需解决扇形齿轮的动平衡问题，否则动载荷增大。

由于齿条在较大的冲击载荷下工作，齿轮很容易产生折断，所以此方案不理想。机械原理课程设计方案六

该机构由凸轮机构和摇杆滑块机构组成，特点如下：

1）凸轮机构虽可使从动件获得任意的运动规律，但凸轮制造复杂，表面硬度较高，因此加工和热处理的费用较大。

2）凸轮与从动件间为高副接触，只能承受较小载荷，表面磨损较快，磨损后凸轮的廓线形状将发生变化。

3）由于滑块的急回运动性质，使凸轮机构受到的冲击较大。

4）滑块行程比较大，调节较困难，这将使凸轮机构压力角过大。为减少压力角，必增大基圆半径，从而使整个机构的尺寸十分庞大。

5）需力封闭或几何封闭的方法，保持高副始终接触，使结构复杂。因此，该方案不适用于载荷和行程较大的机床。（2）主运动机构的选型及分析机械原理课程设计

从以上六个方案的比较中可知，为了实现给定的插刀运动要求，以采用方案一较为合适。机械原理课程设计3）主运动机构的尺度综合与运动分析例：根据设计题目要求，尺度综合已知参数和条件拟定如下：方案指标123456789101112K

1.92.41.51.51.51.51.51.82.11.91.72.2Hmm100150160140110135120110120130200220lO2O3mm150185200180170140160170160150210230ξ

10.81.00.81.01.11.00.91.10.850.91.0n2rpm120120140150130140130130140130300400FN120010001200140013001200130011001300140020003000m3N160200170160190200190170150180160165m5N320360330400380400410330320340400500amm506545555070507055605045bmm507070605060606055656055cmm120160120110130140100130140150130120dmm125130135120130140110140150150140130Js3kg·m20.140.300.40.300.250.50.450.200.350.250.40.5机械原理课程设计3）主运动机构的尺度综合与运动分析例：根据设计题目要求，尺度综合已知参数和条件拟定如下：K——行程速比系数；H——工作行程(mm)；lO2O3——铰链中心O2和O3之间的距离(mm);ξ——连杆与导杆之比lBC

/lO3B；n2——曲柄1的转速；F——工作阻力；m3——导杆3的重量；m5——滑块5的重量；Js3——导杆3质心转动惯量(kg·m2)；机械原理课程设计3）主运动机构的尺度综合与运动分析求l1，lBO3，l4，x，

画出指定位置机构运动简图，注意选取比例尺机械原理课程设计3）主运动机构的尺度综合与运动分析机械原理课程设计3）主运动机构的尺度综合与运动分析表1-2机构位置分配表学生序号1234567速度图（位置）123456789101112始终加速度图（位置）123456789101112始终力分析图（位置）123456789101112始终学生序号12345678速度图（位置）123456789101112始终5x5"加速度图（位置）123456789101112始终5x5"力分析图（位置）123456789101112始终5x5"例：主运动机构进行运动分析：

机械原理课程设计3）主运动机构的尺度综合与运动分析位移线图作滑块的运动线图。为了能直接从机构运动简图上量取滑块位移，取位移比例尺μs=μl，根据机构及滑块5上C点的各对应位置，作出滑块的运动线图sc(t)。例：主运动机构进行运动分析：

机械原理课程设计3）主运动机构的尺度综合与运动分析用相对运动图解法作速度、加速度多边形。选取速度比例尺μv[(m·s-1)/mm]和加速度比例尺μa[(m·s-2)/mm]，作该位置的速度和加速度多边形（见图）。

①求vA其中

(rad/s)

②列出向量方程,求vA2和vA3用速度影像法求vB和aB例：主运动机构进行运动分析：

机械原理课程设计3）主运动机构的尺度综合与运动分析

③列出向量方程,求vc和aca）速度图b）加速度图

收集其他6位同学在各位置求出的速度和加速度，作出滑块的速度vc(t)线图和加速度ac(t)线图。机械原理课程设计4）主运动机构的动态静力分析

已知各构件重力G及其对重心轴的转动惯量Js3、阻力线图及已得出的机构尺寸、速度和加速度。

求：按位置分配表所分配确定2个位置的各运动副中反作用力及曲柄上所需平衡力矩。绘制机构的力分析图（以上内容作在运动分析的同一张图纸上）。机械原理课程设计位置7的力分析图4）主运动机构的动态静力分析用数学工具描述实际问题，就是建立数学模型。它有助于我们利用数学方法研究事物规律。+--=0

（1）5）解析法求解——主运动机构的运动分析假设曲柄1等速转动，画出滑块C的位移和速度的变化规律曲线；计算图如下：建立直角坐标系，O3为原心，水平为x轴方向，竖直为y轴方向。各杆矢量θ均由x轴开始，并以沿逆时针方向计量为正。由矢量闭合得出如下方程：对于封闭图形O3O2AO3

对于封闭图形O3BCEO3

机械原理课程设计绘图步骤：1、列出数学模型。2、编写程序。(matlab)3、上机运算。(使用绘图函数绘图)4、整理计算说明书。5）解析法求解——主运动机构的运动分析写出自编的主程序，子程序。最后的附录中附上打印出自编的全部程序，对程序中的符号变量作出说明，并列出数学模型中的符号与程序中符号的对照表。机械原理课程设计绘图步骤：1、应用Solidworks三维辅助设计软件建立各构件三维模型。2、采用联接进行装配，注意各运动副的约束。3、设定初始条件进行运动仿真。4、进行动力学分析。5、整理计算说明书。6）解析法求解——主运动机构的运动分析

七编写设计说明书。要求：严格按说明书规范书写；A4纸。机械原理课程设计内容大致包括；目录

1)设计题目(包括设计条件和要求)。2)主运动机构的综合。3)用图解法对主运动机构进行运动分析。

4)用解析