機械原理課程設計指導2010

1、湖南大學機械與汽車工程學院 College of Mechanical and Automobile Engineering Hunan University 機械原理課程設計機械原理課程設計 機械原理課程設計 1)1)注重多學科知識的綜合應用；注重多學科知識的綜合應用； 2)2)注重總結與實踐經驗的積累；注重總結與實踐經驗的積累； 3)3)充分發(fā)揮創(chuàng)造思維和想象能力，靈活應用各種設充分發(fā)揮創(chuàng)造思維和想象能力，靈活應用各種設 計方法與技巧。計方法與技巧。 機械原理課程設計 一、 機械原理課程設計的目的機械原理課程設計的目的 完成指定機械傳動系統(tǒng)的方案設計完成指定機械傳動系統(tǒng)的方案設計 機械傳動

2、系統(tǒng)設計的好壞，對機械系統(tǒng)能機械傳動系統(tǒng)設計的好壞，對機械系統(tǒng)能 否完成預期的工作任務，以及工作質量的優(yōu)劣否完成預期的工作任務，以及工作質量的優(yōu)劣 和產品的競爭力起決定性的作用。和產品的競爭力起決定性的作用。 需要創(chuàng)新需要創(chuàng)新 機械原理課程設計 創(chuàng)新的類型：創(chuàng)新的類型： v變參數(shù)設計變參數(shù)設計齒輪設計齒輪設計； v改進型設計改進型設計由尖頂從動件變?yōu)闈L子從動件；由尖頂從動件變?yōu)闈L子從動件； v開發(fā)性設計。開發(fā)性設計。 機械原理課程設計 二、機械原理課程設計的必要性機械原理課程設計的必要性 1.檢驗知識的掌握程度；檢驗知識的掌握程度； 2.市場競爭的需要；市場競爭的需要； 3.為機械創(chuàng)新設計做準

3、備。為機械創(chuàng)新設計做準備。 機械原理課程設計 三 機械傳動系統(tǒng)的方案設計機械傳動系統(tǒng)的方案設計 機械傳動系統(tǒng)：機械傳動系統(tǒng)： 由若干種不同機構組合而成，能實現(xiàn)機械工藝過程由若干種不同機構組合而成，能實現(xiàn)機械工藝過程 所需運動的系統(tǒng)。所需運動的系統(tǒng)。 擬定機械的功能原理擬定機械的功能原理 執(zhí)行機構的型式設計執(zhí)行機構的型式設計 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調設計執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調設計 執(zhí)行機構的尺度設計執(zhí)行機構的尺度設計 方案的評價與決策方案的評價與決策 機械原理課程設計 圖圖1設計流程設計流程 機械原理課程設計 四、基本理論和方法四、基本理論和方法 ( (一一) ) 功能原理設計功能原理設計 1. 1. 功能分析功

4、能分析 功能分析法功能分析法( (Function analysis) )是系統(tǒng)設計中擬定功能原是系統(tǒng)設計中擬定功能原 理方案的主要方法。理方案的主要方法。 一臺機器所能完成的功能，稱為機器的一臺機器所能完成的功能，稱為機器的總功能總功能( (Total function) )。 功能分析法就是將機械產品的總功能分解成若干功能分析法就是將機械產品的總功能分解成若干功能功能 元元( (Function element) )，然后求解功能元，再將其組合，然后求解功能元，再將其組合， 得到滿足總功能要求的多種解決方案，以供評價選擇。得到滿足總功能要求的多種解決方案，以供評價選擇。 機械原理課程設計

5、圖圖1功能分解功能分解 機械原理課程設計 例：例： 半自動平壓模切機半自動平壓模切機的工作原理：印刷、包裝行業(yè)用于的工作原理：印刷、包裝行業(yè)用于 壓制紙盒、紙制品的專用設備。該設備可用于對各種規(guī)格壓制紙盒、紙制品的專用設備。該設備可用于對各種規(guī)格 的紙板進行的紙板進行壓痕、切線壓痕、切線。經。經壓痕、切線的紙板在沿切線去壓痕、切線的紙板在沿切線去 掉邊料后，沿壓出的壓痕可折成各種紙盒、紙箱，亦可對掉邊料后，沿壓出的壓痕可折成各種紙盒、紙箱，亦可對 各種高級精細的紙材凹凸痕，壓制成各種富有立體感的精各種高級精細的紙材凹凸痕，壓制成各種富有立體感的精 美凸凹商標或印刷品。美凸凹商標或印刷品。 圖圖

6、2半自動平壓模切機工作原理半自動平壓模切機工作原理 機械原理課程設計 功能分解功能分解 工藝動作分解：工藝動作分解： 模切機的模切動作包括紙板輸送、定位夾緊、紙板停模切機的模切動作包括紙板輸送、定位夾緊、紙板停 頓時凹模和凸模加壓進行沖壓模切，然后將紙板送到收紙頓時凹模和凸模加壓進行沖壓模切，然后將紙板送到收紙 臺。臺。 這一系列工藝動作可分解為如下三個執(zhí)行機構分別完這一系列工藝動作可分解為如下三個執(zhí)行機構分別完 成的成的3組工藝動作：組工藝動作： 1.模切機構模切機構在紙板停頓時進行沖壓模切在紙板停頓時進行沖壓模切 2.走紙機構走紙機構 3.定位夾緊機構定位夾緊機構 機械原理課程設計 半自動

7、平壓模切半自動平壓模切 模切機構模切機構走紙機構走紙機構定位夾緊機構定位夾緊機構 總功能總功能 分功能分功能 圖圖3 3 半自動平壓模切機功能分解半自動平壓模切機功能分解 機械原理課程設計 2. 2. 功能求解功能求解 根據(jù)機構的基本功能，歸納整理為功能元。根據(jù)機構的基本功能，歸納整理為功能元。 半自動平壓模切半自動平壓模切 模切機構模切機構走紙機構走紙機構定位夾緊機構定位夾緊機構 運動如何從原動件傳遞運動如何從原動件傳遞 到各執(zhí)行端？此過程即為整到各執(zhí)行端？此過程即為整 理功能元及求解的過程理功能元及求解的過程 原動件的動原動件的動 力從哪里來？力從哪里來？ 即原動機是什即原動機是什 么？么

8、？ 機械原理課程設計 列出功能元解的目錄列出功能元解的目錄。為了便于設計人員進行。為了便于設計人員進行 功能原理的構思，可以將有關的功能元解，按一定的功能原理的構思，可以將有關的功能元解，按一定的 分類排序原則，用矩陣表的形式列出。分類排序原則，用矩陣表的形式列出。 注意功能求解的技巧注意功能求解的技巧 圖圖5 5功能分析功能分析 機械原理課程設計 圖圖4基本功能元及符號表示基本功能元及符號表示 機械原理課程設計 例：例：半自動平壓模切機半自動平壓模切機的分功能的分功能-模切機構模切機構的功能求解的功能求解 假設原動機為電動機，假設原動機為電動機，電動機水平放置電動機水平放置，凸模、凹模上下布

9、置，凸模、凹模上下布置 圖圖2半自動平壓模切機工作原理半自動平壓模切機工作原理 機械原理課程設計 則則半自動平壓模切機半自動平壓模切機的模切機構應具備以下的模切機構應具備以下3 3個基本功個基本功 能元能元： 1.1.運動位移或速度縮小功能運動位移或速度縮小功能：減小位移量（或速度），以：減小位移量（或速度），以 實現(xiàn)增力要求實現(xiàn)增力要求 2.2.運動軸線變向功能運動軸線變向功能：將水平軸運動變換為鉛垂方向運動：將水平軸運動變換為鉛垂方向運動 3.3.運動形式變換功能運動形式變換功能：將轉動變換為往復移動：將轉動變換為往復移動 根據(jù)以上分析，可構思出如下功能技術矩陣根據(jù)以上分析，可構思出如下功

10、能技術矩陣 機械原理課程設計 12345 A 連桿機構連桿機構凸輪機構凸輪機構齒輪機構齒輪機構蝸輪蝸桿蝸輪蝸桿 機構機構 螺旋機構螺旋機構 B 錐齒輪機錐齒輪機 構構 摩擦輪機摩擦輪機 構構 C 連桿機構連桿機構凸輪機構凸輪機構螺旋機構螺旋機構齒輪齒條齒輪齒條 機構機構 摩擦輪機摩擦輪機 構構 功能元功能元 解解 表表1 執(zhí)行機構功能形態(tài)學矩陣執(zhí)行機構功能形態(tài)學矩陣 機械原理課程設計 矩陣中的三個功能元可選不同的解，模切功能由三矩陣中的三個功能元可選不同的解，模切功能由三 個功能元組成，故也有多個解。個功能元組成，故也有多個解。 圖圖6基本功能結構圖基本功能結構圖 將各分功能將各分功能 分析完

11、，整合分析完，整合 總功能的結構總功能的結構 機械原理課程設計 圖圖7半自動平壓模切機的執(zhí)行系統(tǒng)設計方案半自動平壓模切機的執(zhí)行系統(tǒng)設計方案 機械原理課程設計 減速運動分支 軸平移 軸平移 模切機構模切機構 夾緊機構夾緊機構 走紙機構走紙機構 AB C D EB 圖圖8半自動平壓模切機運動轉換功能框圖半自動平壓模切機運動轉換功能框圖 機械原理課程設計 12345 A 圓柱齒輪圓柱齒輪 機構機構 蝸輪蝸桿機構蝸輪蝸桿機構帶傳動帶傳動鏈傳動鏈傳動擺線針輪擺線針輪 傳動傳動 B 圓柱齒輪圓柱齒輪 機構機構 鏈傳動鏈傳動帶傳動帶傳動 C 曲柄滑塊曲柄滑塊 機構機構 不完全齒輪齒不完全齒輪齒 條機構條機構

12、 移動從動移動從動 件凸輪機件凸輪機 構構 D 凸輪機構凸輪機構不完全齒輪齒不完全齒輪齒 條機構條機構 E 槽輪機構槽輪機構不完全齒輪機不完全齒輪機 構構 凸輪分度凸輪分度 機構機構 功能元功能元 解解 表表2 平壓模切機功能形態(tài)學矩陣平壓模切機功能形態(tài)學矩陣 機械原理課程設計 注意：注意： 機械執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理及運動方案設機械執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理及運動方案設 計的多方案性計的多方案性 為實現(xiàn)同一預定的功能目標，可以選擇為實現(xiàn)同一預定的功能目標，可以選擇 不同的功能原理來實現(xiàn)，選用不同的技術原不同的功能原理來實現(xiàn)，選用不同的技術原 理來完成。理來完成。 機械原理課程設計 各種剪切機構各種剪切機

13、構 機械原理課程設計 機械原理課程設計 機械原理課程設計 在進行機構形式設計時，除在進行機構形式設計時，除應滿足基本功能所要求的應滿足基本功能所要求的 運動形式或運動軌跡運動形式或運動軌跡外，還應遵循以下幾項原則外，還應遵循以下幾項原則： （二）執(zhí)行機構的型式設計與系統(tǒng)的協(xié)調二）執(zhí)行機構的型式設計與系統(tǒng)的協(xié)調 根據(jù)各基本動作或功能的要求，選擇或創(chuàng)造合適根據(jù)各基本動作或功能的要求，選擇或創(chuàng)造合適 的機構型式來實現(xiàn)這些動作的工作過程，稱為的機構型式來實現(xiàn)這些動作的工作過程，稱為執(zhí)行機執(zhí)行機 構的型式設計構的型式設計，又稱為，又稱為機構的型綜合機構的型綜合。 1.1.機構盡可能簡單機構盡可能簡單 2

14、.2.具有較好的動力學特性具有較好的動力學特性 3.3.機構安全可靠機構安全可靠 機械原理課程設計 一個執(zhí)行構件一個執(zhí)行構件 、執(zhí)行構件的運動設計、執(zhí)行構件的運動設計 1)1)執(zhí)行構件的數(shù)目執(zhí)行構件的數(shù)目 取決于機械分功能或分動作的多少，兩者不取決于機械分功能或分動作的多少，兩者不 一定相等，要具體分析確定。一定相等，要具體分析確定。 如立式鉆的方案如立式鉆的方案: : 機械原理課程設計 2)2)執(zhí)行構件的運動形式和運動參數(shù)執(zhí)行構件的運動形式和運動參數(shù) 復合運動復合運動 往復擺動往復擺動 執(zhí)執(zhí) 行行 構構 件件 運運 動動 形形 式式 回轉運動回轉運動 每分鐘轉數(shù)每分鐘轉數(shù) rpmrpm 由兩

15、個以上單一運動合成由兩個以上單一運動合成 間歇回轉間歇回轉 停歇往復直線停歇往復直線 停歇單向直線停歇單向直線 沿可變曲線運動沿可變曲線運動 連續(xù)回轉連續(xù)回轉 沿固定曲線運動沿固定曲線運動 曲線運動曲線運動 直線運動直線運動 往復直線往復直線 每分鐘轉位次數(shù)、轉角大小、運動系數(shù)每分鐘轉位次數(shù)、轉角大小、運動系數(shù) 每分鐘擺動次數(shù)、轉角大小、行每分鐘擺動次數(shù)、轉角大小、行 程速比系數(shù)程速比系數(shù) 每分鐘行程數(shù)目、大小、行程速比系數(shù)每分鐘行程數(shù)目、大小、行程速比系數(shù) 每循環(huán)停歇次數(shù)、位置、時間、每循環(huán)停歇次數(shù)、位置、時間、 行程大小和工作速度。行程大小和工作速度。 每次進給量的大小。每次進給量的大小。

16、 機械原理課程設計 2 2、各執(zhí)行構件間運動的協(xié)調配合和機械的工作循環(huán)圖、各執(zhí)行構件間運動的協(xié)調配合和機械的工作循環(huán)圖 1 1）各執(zhí)行構件間運動的協(xié)調配合關系）各執(zhí)行構件間運動的協(xié)調配合關系 a)a)運動彼此獨立無需協(xié)調配合：運動彼此獨立無需協(xié)調配合： 外圓磨床的砂輪和工件的兩個運動彼此獨立。故應外圓磨床的砂輪和工件的兩個運動彼此獨立。故應 為每個運動單獨設計各自的運動鏈。為每個運動單獨設計各自的運動鏈。 砂輪砂輪 工件工件 砂輪架砂輪架 機械原理課程設計 b)b)動作協(xié)調配合：動作協(xié)調配合： 圖示圖示沖床沖床的兩個執(zhí)行構件中，要求：的兩個執(zhí)行構件中，要求： 送料構件將原料送入模孔上方后，沖頭

17、才可進入?？姿土蠘嫾⒃纤腿肽？咨戏胶?，沖頭才可進入?？?進行沖壓；進行沖壓； 當沖頭上移一段距離后，才能進行下次送料動作。當沖頭上移一段距離后，才能進行下次送料動作。 機械原理課程設計 c)c)各執(zhí)行構件運動速度的協(xié)調配合：各執(zhí)行構件運動速度的協(xié)調配合： 范成法加工時，刀具與齒坯之間必須保持精確的傳動比。范成法加工時，刀具與齒坯之間必須保持精確的傳動比。 對于有運動協(xié)調配對于有運動協(xié)調配 合要求的構件，往往采合要求的構件，往往采 用以一臺原動機，用以一臺原動機， 通過通過 傳動系統(tǒng)分配運動，實傳動系統(tǒng)分配運動，實 現(xiàn)協(xié)調動作?，F(xiàn)協(xié)調動作。 機械原理課程設計 2 2）機械的工作（運動）循環(huán)圖

18、）機械的工作（運動）循環(huán)圖 定義：定義：設計機械時，用以表示機械在一個工作循環(huán)過設計機械時，用以表示機械在一個工作循環(huán)過 程中，各執(zhí)行構件之間運動配合關系的圖形。程中，各執(zhí)行構件之間運動配合關系的圖形。 定標件：定標件：用其運動位置（轉角或位移）作為確定其它用其運動位置（轉角或位移）作為確定其它 執(zhí)行構件運動先后次序的基準。執(zhí)行構件運動先后次序的基準。 形式：形式：直線式、圓周式、直角坐標式三種。直線式、圓周式、直角坐標式三種。 直線式工作循環(huán)圖直線式工作循環(huán)圖 退回退回 停停 止止 沖沖 制制 進給進給 沖頭沖頭 送料器送料器 曲柄轉角曲柄轉角 0 90 180 270 360 此例中主軸作

19、為定標件。此例中主軸作為定標件。 退回退回 機械原理課程設計 沖頭沖頭 送料器送料器 曲柄轉角曲柄轉角 0 90 180 270 360 直角坐標式工作循環(huán)圖直角坐標式工作循環(huán)圖 機械原理課程設計 機構和性能一覽表機構和性能一覽表 輸出運動 形式 輸入運動 形式 機構名稱機構簡圖運動特性動力特性其它特性 連續(xù)回轉連續(xù)回轉 常用機構（自己回去總結）常用機構（自己回去總結） 機械原理課程設計 機構的變異機構的變異 構件結構形狀構件結構形狀 運動尺寸運動尺寸 更換機架更換機架 或原動件或原動件 增加輔助構件增加輔助構件 目的：目的：獲得新的機構或特性，已滿足使用要求。獲得新的機構或特性，已滿足使用要

20、求。 機構的變異機構的變異 機械原理課程設計 ）機構的串聯(lián)組合）機構的串聯(lián)組合 機構的組合機構的組合 前一個機構的輸出，作為下一個機構的輸入，前一個機構的輸出，作為下一個機構的輸入， 依次串聯(lián)。依次串聯(lián)。 一般串聯(lián)組合：一般串聯(lián)組合： 后一級機構的主動件固連后一級機構的主動件固連 在前一級機構的一個連架在前一級機構的一個連架 桿上。桿上。 5 5 1 1 2 2 3 3 4 4 1 1 IIII I I 1 1s s3 3s s4 4 IIIII I 特殊串聯(lián)組合：特殊串聯(lián)組合： 后一級機構的主動件串接在后一級機構的主動件串接在 前一級機構的一個連桿上。前一級機構的一個連桿上。 1 1 2 2

21、 3 3 A A 5 5 4 4 D D C C B B F F E E M M 機械原理課程設計 例：前面的半自動平壓模切機的型式設計例：前面的半自動平壓模切機的型式設計 根據(jù)功能技術矩陣圖中的根據(jù)功能技術矩陣圖中的3 3個分功能中各任選一個分功能中各任選一 個機構，就可以組合成一個能實現(xiàn)模切機的總體功能個機構，就可以組合成一個能實現(xiàn)模切機的總體功能 的方案。的方案。 剔除重復和明顯不合適的方案后，即可得到一系剔除重復和明顯不合適的方案后，即可得到一系 列可供選擇的方案。列可供選擇的方案。 圖圖7 7為部分方案示意圖。為部分方案示意圖。 機械原理課程設計 圖圖7模切機構部分方案示意圖模切機構

22、部分方案示意圖 機械原理課程設計 擬定走紙機構方案擬定走紙機構方案 生產工藝對走紙機構的動作要求比較簡單，就是生產工藝對走紙機構的動作要求比較簡單，就是 間歇進給。可選擇間歇進給。可選擇間歇運動機構間歇運動機構帶動帶動撓性傳動機構撓性傳動機構完完 成送紙的工藝動作。成送紙的工藝動作。 間歇運動機構有：間歇運動機構有：不完全齒輪機構，棘輪機構，不完全齒輪機構，棘輪機構， 槽輪機構槽輪機構 撓性傳動機構有：撓性傳動機構有：平帶帶輪傳動機構，雙列鏈輪平帶帶輪傳動機構，雙列鏈輪 傳動機構傳動機構 由此可組成多種可供選擇的送紙機構方案由此可組成多種可供選擇的送紙機構方案 機械原理課程設計 擬定定位夾緊機

23、構方案擬定定位夾緊機構方案 輸送紙板鏈上固定有模塊輸送紙板鏈上固定有模塊1 1，其上裝有夾緊片。生產，其上裝有夾緊片。生產 工藝對定位夾緊機構的要求就是控制該夾緊片按時張開工藝對定位夾緊機構的要求就是控制該夾緊片按時張開 和夾緊。為此可選用結構簡單，便于設計的和夾緊。為此可選用結構簡單，便于設計的滾子移動從滾子移動從 動件盤形凸輪機構動件盤形凸輪機構來控制夾緊片的張開、夾緊。來控制夾緊片的張開、夾緊。 圖圖4半自動平壓模切機工作原理半自動平壓模切機工作原理 機械原理課程設計 （三（三) ) 機械傳動方案的評價機械傳動方案的評價 1 1）評價指標）評價指標 機械功能的實現(xiàn)質量機械功能的實現(xiàn)質量

24、精確性、穩(wěn)定性、適應性、擴展性；精確性、穩(wěn)定性、適應性、擴展性； 機械工作性能機械工作性能 運轉的平穩(wěn)性、傳力性能、承載能力等；運轉的平穩(wěn)性、傳力性能、承載能力等； 機械的動力性能機械的動力性能 沖擊、振動、噪聲、耐磨性能等；沖擊、振動、噪聲、耐磨性能等； 機械的經濟性機械的經濟性 設計工作量大小、制造成本、維修難易、能耗等設計工作量大小、制造成本、維修難易、能耗等 機械結構的合理性機械結構的合理性 復雜程度、尺寸及重量大小等。復雜程度、尺寸及重量大小等。 機械原理課程設計 2 2）方案評價）方案評價 機械原理課程設計 機械原理課程設計 機械原理課程設計 往復擺動往復擺動 電電 動動 機機 氣缸氣缸 原原 動動 件件 運運 動動 形形 式式 連續(xù)回轉連續(xù)回轉 往復直線往復直線 液壓馬達液壓馬達 氣動馬達氣動馬達 內內 燃燃 機機 液壓馬達液壓馬達 氣動馬達氣動馬達 直線電機直線電機 油缸油缸 柴油機柴油機 燃氣輪機燃氣輪機 汽油機汽油機 直流電動機直流電動機 交流變頻變速電動機交流變頻變速電動機 伺服電動機伺服電動機 步進電動機步進電動機 力矩電動機力