机械原理课程设计实验指导书

机械原理课程设计实验指导书

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魏世民

北京邮电大学机电工程实验教学中心

2005.8

机械原理课程设计实验指导书

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一、机械原理课程设计的目的与任务

1、课程设计的目的

机械原理课程设计是继机械原理课程之后独立的设计课程。其目的是进一步加深学生对所学知识的理解。使学生对于机构分析与综合的基本理论、基本方法有一个系统的完整的概念，培养学生综合运用所学知识独立解决机构设计问题的能力和使用计算机解决工程技术问题的能力。同时培养学生的创新精神。

2、课程设计题目是：刨床机构设计或其他自选题目

3、课程设计的任务

课程设计的任务是根据要求拟定和论证机器的主体机构的设计方案，并对选定方案进行运动分析，确定飞轮转动惯量，对进给凸轮机构和齿轮机构进行设计计算，最后完成设计图纸，设计说明书（16开纸），打印源程序和计算结果、图表结果。

课程设计包括，主体机构设计，凸轮机构设计，齿轮机构设计三个部分。主体机构由学生自定设计方案，进给凸轮机构和齿轮机构采用统一设计方案。

4、课程设计的准备和注意事项

在课程设计前要阅读指导书，复习有关课程内容，拟定主体机构的设计方案前要查阅有关资料，观看录像片，了解各种机构及其使用场合，复习计算机语言和程序编制的有关知识。

图1 切削力

图3 凸轮机构尺寸

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表1 切削力P和许用传动角[γ]

H=300mm H=150mm 曲柄转速

切削力P(N) 许用传动角[γ] 切削力P(N) 许用传动角[γ] n(r/mi n)

4000 50° 45°

5000 50° 45°

4500 50° 45°

4500 50° 45° 二、主体机构设计 主体机构是指实现刨刀往复运动（主运动）的传动机构，设计方案由学生在作方案比较和论证的基础上自选。

1、主体运动的运动要求和动力要求

（1）刨刀工作行程要求速度比较平稳，空回行程时刨刀快速退回，机构行程速比系数在

1.4左右。

（2）刨刀行程H=300mm或H=150mm。曲柄转速、切削力、许用传动角等见表1，每人选取其中一组数据。

（3）切削力P大小及变化规律如图1所示，在切削行程的两端留出一点空程。

每人选取一组数据设计。

2、设计要求

在满足运动要求和动力要求的条件下，每人拟出2个设计方案。确定每个方案的机构尺寸，绘出机构运动简图，并用计算机对每个方案进行运动分析，在此基础上对所拟定方案的各种性能进行多方面的分析，论证和比较，从而选定一个比较合理的设计方案，最后对选定的方案用图解法作一个一般位置的运动分析，包括机构运动简图，速度，加速度图。

3、主体机构设计可在以下几种方案中选择，也可以自己提出运动方案。

A、摆动导杆机构与摇杆滑块机构组合

B、转动导杆机构与对心曲柄滑块机构组合

C、偏置曲柄滑块机构

D、曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构组合

E、双曲柄机构与对心曲柄滑块机构组合

F、摆动导杆机构与齿轮齿条机构组合

G、摆动从动件凸轮机构与摇杆滑块机构组合

4、为便于对机构尺寸进行修正，应编制通用程序，计算的内容包括：刨刀的位移s，速度v，加速度a，主要构件的角位移，角速度，和角加速度，并用计算机绘出刨刀的位移线图，速度线图和加速度线图。最后除输出和打印上述参数外，还要打印出全部原始数据和源程序，在源程序中要有学生的班级、班内学号、姓名与设计方案的名称。

5、变量名称与说明

在编制源程序时，为了备忘和便于他人阅读，凡属机构的尺度参数和运动参数的变量名，在程序中一定要说明其含义，变量名称首先应该与解析公式中的名称一致，希腊字母表示的变量和常数要用它的英语读音的前几个字母或用谐音拼写。如TH, BT, DLT,EPS表示θ,β,δ,ε等。

6、曲柄转角的计算间隔可取3°－6°，输出打印的间隔可扩大到10°－15°。

7。设计方案的比较和论证

对于提出的两种设计方案要进行比较和论证，选出一个较好的方案。可从以下几方面进行比较

A、刨刀的行程、行程速比系数和最小传动角是否满足要求。

B、刨刀工作行程的运动平稳性，最大速度值和最大加速度值。

C、结构的复杂程度，如构件的数量，连架杆的复杂程度（如单支撑、双支撑等）。

D、加工工艺的难易，加工费用的高低和装配工艺的难易等。

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E、最大轮廓尺寸和重量的大小，材料费用的高低。

F、工作可靠性和耐久性。

G、机构平衡的难易。

8、飞轮转动惯量的确定

在对主体机构作运动分析的基础上，在满足运转不均匀系数δ=0.15的条件下，用简化计算方法确定飞轮的转动惯量。选取主体机构的曲柄为等效构件，作用在曲柄上的驱动力矩Md为常量，生产阻力为切削力P，飞轮安装在曲柄轴上，要求计算等效构件10－12个等分位置及切削起始点和终点的等效阻力矩，并在图纸上绘制等效阻力矩Mr（φ）和等效驱动力矩Md（φ）线图（φ为曲柄的角位置），再绘制等效力矩作功线图，从而求得最大盈亏功，用简化计算方法确定飞轮转动惯量JF

9加速度线图，等效阻力矩、驱动力矩线图，等效阻力矩作功及等效驱动力矩作功图。

三、进给凸轮机构设计

1、设计方案

进给机构采用如图2、3所示的凸轮机构－－铰链四杆机构－－棘轮机构－－螺旋机构的设计方案。课程设计只进行凸轮机构综合，凸轮机构为摆动从动件盘形凸轮机构，凸轮安装在主体机构的曲柄轴上，与曲柄一起作顺时针转动，其工作循环为升－停－降－停四个行程。对应的凸轮行程运动角为φ01、φ02、φ03 和φ04。推程许用压力角为[α]回程许用压力角为[α’]，推程最大摆角为ψmax，摆杆长度为L，参考设计数据见表2，每人选取一组数据。

表2 凸轮机构设计数据

L（mm） 方案 ψm a x [α] [α’] H=300mm H=150mm

1 125 65 15° 35° 60°

2 135 70 15° 38° 65°

3 130 70 15° 42° 70°

从动件在推程和回程中的运动规律及各行程的运动角均由学生自定。

2、设计要求

根据机器的工作情况选择适当的推杆运动规律。绘制刨刀运动与工作台进给运动相互协调的工作循环图，根据工作循环图确定凸轮各行程的运动角（上停程φ02＝10°），并在满足压力角条件和最小曲率半径条件下确定基圆半径，滚子半径、凸轮转动中心与推杆中心间的中心距。可以用凸轮CAI软件确定凸轮的基圆半径及各部分尺寸，并用计算机绘制凸轮的廓线图和机构简图。也可以用图解法在图纸上绘制推杆运动线图和包括理论廓线与实际廓线的凸轮机构

图。 进给凸轮机构速度低，且对运动规律无特殊要求，但为了提高使用寿命，应在考虑加工容易的同时，适当改善其动力特性，合理地选择推杆的运动规律。

小（参考“机械原理”，P497－P500。）推程的凸轮运动角不可选得太小，否则将增大凸轮的尺寸，降低动力性能，一般可取＝70°－80°，上停程运动角建议取＝10°，回程时推杆也不可回得太快，一般回程运动角φ03 与φ01 接近或稍小些，其余为下停程。在说明书中必须说明与凸轮推程的起始点相对应的主体机构曲柄的角位置。

3、凸轮机构设计可以在下面的解析法4和图解法5中任选一种。要求打印图形或手工绘图，图中包括位移、速度、加速度线图和凸轮理论廓线、实际廓线图。

4、凸轮机构设计如果采用解析法，可由表2确定摆杆长度L，再用CAI软件确定凸轮的

基圆半径及中心距，使凸轮廓线不失真，且满足压力角条件，滚子半径等条件。然后打印出凸轮的位移、速度、加速度线图，凸轮的廓线和机构简图。解析法比较简便，推荐大家采用。

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5、在计算机出现以前，凸轮机构设计是采用图解法，大家仍然可以使用。步骤如下：首先确定凸轮机构的基本尺寸，按下式选定凸轮和推杆的中心距，

a（0.9-1.3）L

式中L是推杆的长度为已知值，见表2。再用近似计算方法按许用压力角确定基圆半径。除等速运动规律外，可以近似认为推程、回程的最大压力角出现在凸轮转角

φp =0.5φ01 φpˊ=0.8φ03

位置，并按下式确定推杆的初始摆角ψ0，见图3：

推程：cos[ψ0＋ψP－[α]]×(a/(1－｜dψ/dφ｜P))= Lcos[α]

回程：cos[[α’] －ψ0－ψP’]×(a/(1＋｜dψ/dφ｜P’))= Lcos[α’]

式中脚标P表示凸轮转角φp或φp’处的参数。按下式计算推程和回程所要求的基圆半径：

221/2 r 0=（a+L+2×a×L×cosψ）

最后确定大者为实际基圆半径。

推杆运动线图要求按比例绘出整个循环的运动线图（下停程可省）。绘图时每个行程的凸轮运动角分为8－10等分，采取适当比例尺，可以近似以弦长代替弧长即代替角度。

为方便起见，可将联接凸轮中心与推杆转动中心的中心线置于水平位置，然后画出基圆和理论廓线，并在理论廓线的曲率半径最小处，画出理论廓线的最小曲率半径并按以下关系确定滚子半径rf：

rf<ρmi n －3（mm）

或 rf<0.8ρmi n（mm）

确定了滚子半径后，就可绘出凸轮的实际廓线；

四、齿轮机构设计

1、设计要求

齿轮传动机构采用图3所示的设计方案，运动由电机输入，经皮带轮d1、d2及齿轮，Z1，Z2 及Z3，Z4，驱动主体机构的曲柄转动。电机转速，皮带轮直径以及齿轮的模数见表3。

表3 齿轮机构设计有关参数

d2 d1 m2（Z3Z4）m1（Z1Z2）电机转速（r/mi n） 行程H（mm）

1440 6（mm）（mm）

1440 3（mm） 2（mm） 齿轮1，2采用标准齿轮，齿轮3，4由于受力较大，拟采用正传动。啮合角建议在22°－25°之间选取。

2、设计方法、过程

根据电机转速和曲柄转速以及皮带轮直径，算出两级齿轮传动的总传动比，再按传动比先小后大的原则分配两级传动比的大小。选择齿数时，为避免根切，一般应满足小齿轮的齿数大于18。计算时按P325公式10－20，10－21，10－22，10－24求出xΣ=x3+x4, y, Δy。按小齿轮变位系数大，大齿轮变位系数小，或为零的原则分配变位系数x3 ，x4，最后给出所有四个齿轮的尺寸并校核ε＞1。注意当大齿轮的变位系数选择为零时，仍然需要齿顶消减，因此与标准齿轮不同，称为零变位齿轮。

五、编写设计说明书

建议用边设计边整理，最后汇集成册的方法。内容包括：

1、设计题目

2、主体机构设计方案的拟定，各方案的机构运动简图，以及方案的分析和论证。

3、所有设计分析计算的基本过程，参数选择，和计算结果，项目较多时应列表。

4、电算程序流程图，主要计算公式和主要推导过程，打印源程序与输入输出数据，线图 和机构简图。

六、其它题目