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1、目 录第一章 概述11-1 机械原理课程设计的目的11-2 机械原理课程设计的的任务11-3 机械原理课程设计的方法1第二章 机械运动方案设计22-1基本运动和机构的基本功能22-2方案组成22-3方案评选准则32-4 机械运动方案及机构设计实例6第三章 课程设计题目143-1 半自动平压模切机机构设计143-2 平台印刷机主传动机构设计183-3 牛头刨床设计233-4 插床设计273-5 搅拌机设计30第四章 平面机构的运动分析354-1 平面机构的组成354-2 级机构上点的运动分析364-3 RRR 级组的运动分析384-4 RRP 级组的运动分析444-5 RPR 级组的运动分析49
2、4-6 应用举例54第五章 设计计算说明书规范66附录：三种典型机构分析程序68参考文献75第一章 概述1-1 机械原理课程设计的目的机械原理课程设计是高等工业学校机械类专业学生第一次较全面的机械运动学和动力学分析与设计的训练，是机械原理课程的一个重要教学环节。其目的在于进一步巩固学生所学的理论知识，培养学生独立解决有关本课程实际问题的能力，使学生对于机械运动学和动力学分析与设计有一个较完整的概念，具有进行机械运动方案分析的能力。1-2 机械原理课程设计的的任务机械原理课程设计的任务是根据所给题目进行机械运动方案分析、运动分析、动态静力分析，并根据给定机器的工作要求，在此基础上对各机构进行运动
3、设计。要求学生根据设计任务，绘制必要的图纸，编制计算程序和编写计算说明书等。1-3 机械原理课程设计的方法运用教材中机械传动系统方案设计的内容，用运动循环图等，进行机械运动方案设计，绘出相应的机构运动简图；运用教材中各有关章节的分析方法(解析法)，进行机构的运动分析。第二章 机械运动方案设计机械运动方案没计的过程大致是：首先，设计者将给出的运动要求(包括输入、输出量之间的函数关系或工艺动作要求等等)及外部的各种约束条件，分解成各个基本运动、动作及其限制条件；然后，定出能完成这些基本运动或动作功能的相应的机构；再按分解成各基本运动、动作时确定的关系合成各种方案；必要时应画出协调这些机构运动先后运
4、动顺序的机构运动循环图；对这些方案进行机构的尺度设计(定尺寸)；对这些方案进行性能分析。最后，对方案进行评价，以选择一种“最佳”的方案。组成方案与对方案进行尺度设计、性能分析，在某种程度是并行进行的。2-1基本运动和机构的基本功能任何复杂的运动过程总是由一些最基本的运动合成的。基本运动的形式有：单向转动、单向移动、往复摆动、往复移动，间歇运动等。任何复杂的机构组合系统可以认为是由一些基本机构组合而成的。这些机构有高副机构(齿轮、凸轮等机构)、低副机构(如铰链四杆机构)和多自由度机构(如差动轮系、铰链五杆机机构、四杆移动副机构等等)。这些基本机构有如图2-1所示的基本功能。图 2-12-2方案组
5、成完成同一种运动功能的机构，可以由不同原理、不同的基本机构及不同的组合方式来实现这就是说，要实现某一运动功能，可以用推、拉力传动原理，摩接力传动原理，液压力及电磁力传动原理等等；可以用基本机构或其变异机构来完成，也可以用若干基本机构及变异机构组合的机构来完成。因此，完成同一运动功能就可以有许多不同的机构运动方案。方案设计要研究的问题是如何合理地运用人们的专业知识和分析能力，仔细分析各种可能的组成方案。现以一种简单的加压装置为例，说明方案的形成过程。设计一加压装置，它将由手驱动；并将驱动轴的旋转运动变换为直移的加压运动。为了产生一个较大的压力，从动件的运动(位移或速度)应被大大缩小，根据空间条件
6、，驱动轴必须水平放置，而从动件必须沿铅垂方向运动，加压装置在铅垂方向的允许高度较小。由此可知，该加压装置的机构应有下列几个基本运动功能：一、转动变移动(水平轴的旋转变为直移运动)；二、运动轴线变向(转动轴线水平，直移沿铅垂方向)，因为运动形式有转动和移动两种形式，所以轴线变向可以有转动状态下轴线变向和移动状态下变向两种变向形式；三、为了加压，机构最好有增力作用，所以有运动缩小的功能。上述三种基本功能变化排列顾序，可得到如图2-2所示的六种基本动作结构。其中、三种结构是在移动状态下改变运动轴线方向，、三种结构是在转动状态下改变轴线方向；而、三种结构是在转动状态中增力；、三种结构是在移动状态中增力
7、。 图 2-2图2-3列出了实现上述基本功能的基本机构。图2-4中列出了四种较为合理的方案，供评选。图2-32-3方案评选准则在评价方案时，应该包括制造工艺、材料选则、结构繁简、经济实用性等方面的优劣进行比较。现在作为机械原理课程设计，目的在于完成评选方案的初步训练，所以，偏重于机构结构、运动和动力特性方面的比较。这大致有下述几个方面：一、机构功能的质量机构的功能就是转换运动和传递力。在作机构运动设计时，首先就是分析所设汁机构的功能，并根据功能来设计、选择机构，组成方案。所以一般来说。所有方案都能基本满足机构的功能要求。然而，各种方案在实现功能的质量上还是有差别的。譬如，可以考虑如下各个方面：
8、机构所能达到所要求的行程大小；达到这一行程所需的机构空间尺寸(最小)；满足要求的运动规律；机构的传力特性良好(传动角的大小)；生产率的高低；所需原动机的功率大小；有优良的动力性能(如惯牲力平衡，动载荷、冲击、振动、噪声小等等)；长时间使用以后出现的变化(磨损、变形等)。二、机构结构的合理性机构结构要简洁。可以考虑如下各个方面：使所选机构方案用结构尽量简单；构件数和运动副数尽量少；尽量选用通用件或标准件和外购件等。减少构件数和运动副数可降低制造的难易程度。同时还减少误差环节和摩擦损耗。提高机构的刚度，并且连带地降低机构产生故障的可能性，提高其工作的可靠性。而增多由专业厂生产的通用件、标准件、外购
9、件，相当于提高了零件的制造质量，可以使组配工作更简单、容易。动力源的合理选择，有利于机构的简洁化和改善运动质量。三、机构的经济性运动副的形式直接影响到机构的结构、耐用度、效率、灵敏度和加工难易程度。一般来说，转动副制造简单，容易保证运动副元素的配合精度，效率较高。若采用标准滚动轴承，则更易达到高精度、高效益和高灵敏度的要求。移动副的配合精度就较低。滑动摩擦的移动副还容易产生楔紧、自锁或爬行现象。高副易于用少数构件精确实现给定的运动规律和轨迹。但一般高副形状复杂，相对其它运动副来说制造困难，接触面小，磨损较快，故宜于低速轻载的场合。在设汁与制造的关系方面。我们应从制造是否简单的观点出发来衡量。如
10、果这个方案制造比较简易，则应该优先采用，因为这有利于提高机构的经济性。四、机构的实用性所选择的机构除了满足功能要求，经济实惠以外，还应考虑机构工作的安全、可靠性；对机构产生的振动、噪声等公害相应的防护措施；便于进行日常的检查和维修等。按照上属评判准则，试以图2-4所示的几个方案为例，作如下的评述。就机构的功能质量而言，四个方案均能达到给定的功能要求。但是，由于在铅垂方向上机构尺寸受到限制，所以可进一步在这方面进行比较、在达到同样大小行程并有良好的传力特性情况下，方案B、C在铅垂方向的空间尺寸要比A、D两种方案大得多。由于机构是手动驱动，所以冲击、振动、噪声等问题可不必考虚。方案A、D的主动件是
11、螺杆，它要转动很多圈以后才能使从动件压紧工件，所以若将转动螺杆的手柄做成飞轮状，使螺杆产生加速转动，利用惯性力矩作最后的加压，就可以以较小的驱动力，得到较大的压紧力。而方案B、C则没有这种可能。当然，若从生产率的角度来看，机构加压和松开所需的动作时间，方案B、C明显地要比A、D少。方案B中的凸轮机构是高副接触，较易磨损，故凸轮廓线上需要有一余留段，使机构加压时凸轮有多转过一个角度的余地，以便磨损后减小的行程能得到补偿，但这样设计的凸轮，在自锁性能上要稍次一些。方案C虽不易磨损，但磨损后要补偿行程是不容易的，必须凋整四杆机构的尺寸才能达到补偿的目的；方案A则只要斜面和螺杆长度留有余地，即可实行补
12、偿。而方案D，主要是活塞密封件磨损后漏油，必须更换密封后才能修复。这四个方案中的机构易磨损程度依次为方案B、C、A、D，而易修复程度则依次为D、A、B、C。图2-4又如，方案C是否可以改成曲柄滑块机构；这里所以用六杆机构是因为要得到更大的增力作用。若压紧力不大，则可改用曲柄滑块机构。方案A用了左、右螺旋机构和两组楔块机构，若工件的加工面较窄，则可去掉一组螺旋和楔块机构，若加压面较宽，则应用两组机构。至于运动副形式，因这里有移动运动，所以选用移动副。本例中用人力驱动，所以没有动力源的选择向题。方案A、D中螺旋副的加工要比转动副复杂一些。方案B中的凸轮廓线的加工难度比较大。当被加压工件尺寸变化时，
13、方案A、D可用改变输入构件转角的办法来调整从动件的加压行程。此时机构性能不变；方案C则只能用改变工件夹持器的位置来来适应机构的加压行程，增加了结构制造和使用上的困难。就机构的实用性而言，使用安全可靠是最主要的。从这一点来看，方案A的螺旋和楔块机构都可以使其具有自锁性能。而且采用面接触的两个对称机构，加压时机构稳定，螺杆受拉力，受力情况好（无压杆稳定问题）；有两个自锁坏节，所以工作绝对可靠，而且加压性能不受工件尺寸变化的影响。在日常检修、维护方面，各方案均较简单，只是采用液压缸，应考虑防漏问题。上述各方案有其各自的优缺点，最后怎样来确定采用哪个方案，目前流行一种定量式判别办法，就是将上述各项指标
14、按其重要程度分别规定“分”值，然后逐项评分，哪个方案得到的总分最多，就认为哪个方案最优。对于简单的机构，我们可抓住关键性的性能指标和突出的优点或缺点来决定方案的取舍。象上述评论的例子中，在铅垂方向尺寸最小的情况下，再比较增力性能和自锁可靠性，可确定方案A、D是较好的方案。若考虑到液压缸的防漏要求比较严格，制造要求较高，那么可优先考虑采取方案A。2-4 机械运动方案及机构设计实例不同的设计课题有不同的具体设计内容和方法，这里列举的实例仅用来说明机构的设计步骤和大致过程。例一：设计5吨压片机的加压机构一、了解题意设计的第步就是要了解题意，即了解机器的工作对象、加工方法和工作参数（设计时必要的原始数
15、据）它们都是设计机构的依据。压片机是将陶瓷干粉料压制成直径为34mm、厚度为5mm的圆形片坯。其工艺过程是：1、干粉料均匀筛入圆筒形型腔(图2-5a)；2、下冲头下沉3mm，预防上冲头进人型腔时把粉料扑出(图2-5b)；3、上、下冲头同时加压(图2-5c)并保压一段时间；4、上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯(图2-5d)；5、料筛推出片坯(图2-5e)。其余设计参数是：冲头压力：15吨(150000N)；生产率：每分钟25片；机器运转不均匀系数：10%；驱动电机：1.7/2.8kW，940/1410r/min。二、分解工艺动作，拟定执行机构的运动形式根据工艺过程，机构应具有一个模具(圆筒形型腔)和三个执行构件(一个上冲头、一个下冲头和一个料筛)。三个执行构件的运动形式为：图2-51、上冲头完成往复(铅垂上下)直移运动，下移至终点后有短时间的停歇，起保压作用，因冲头上升后要留有料筛进入的空间，故冲头行程约为90-100mm。若机构主动件一转完成一个运动循环，则上冲头位移线图的形状大致如图2-6a所示2、下冲头下沉3mm，然后上升8 mm(加压)后停歇保压，继而上升16 mm，将成型片坯顶到与台面平齐后停歇，待料筛将片坯推离冲头后在下移
