机构创新运动课程设计说明书

课程设计报告

学生姓名:XXXX 学号：20113190XXX

学院:机械工程学院

班级: XXX

题目: 机构运动创新设计

指导教师：苏天一职称: 2015 年 1 月8日

目录

一、绪论 1

二、课程设计目的 1

三、课程设计要求和内容 1

四、原始数据及技术参数 2

五、设计原理及设备 2

六、机构简图及自由度计算 3

七、机构动力分析与计算 4

八、机构运动分析与计算 6

十、参考文献 8

一、概述：

机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力,利用人类已有的相关科学技术成果(含理论、方法、技术原理等),进行创新构思,设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品(装置)的一种实践活动。它包含两个部分:一是改进完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、经济性、适用性等；二是创造设计出新机器、新产品，以满足新的生产或生活的需要。而机构运动方案创新设计是各类复杂机械设计中决定性的一步，机构的设计选型一般先通过作图和计算来进行，一般比较复杂的机构都有多个方案，需要制作模型来试验和验证，多次改进后才能得到最佳的方案和参数。本实验所用搭接试验台能够任意选择平面机构类型，组装调整机构尺寸等功能，能够比较直观、方便的搭接、验证、调试、改进、确定设计方案，较好地改善了在校学生对平面机构的学习和设计一般只停留在理论基础上这一现象。

二、课程设计目的：

(1)通过此次课程设计，既培养对机械系统的整体方案认识，加强学生的工程实践背景的训练，拓展学生的知识面，培养学生的创新意识、综合设计及工程实践动手能力；

（2）通过机构的拼接，在培养工程实践动手能力的同时，可以发现一些基本机构及机械设计中的典型问题，通过解决问题，可以对运动方案设计中的一些基本知识点融会贯通，对机构系统的运动特性有一个更全面的理解；

(3)加深对平面机构的组成原理、组成结构的认识，了解平面机构组成及运动特性，进一步掌握机构运动方案的各种创新设计方法。

三、课程设计要求和内容：

（1）设计要求：

a.程中应保证，机构的自由度数等于原动件数；

b.根据拟定的设计方案，选择所需的零件，利用机构运动方案创新设计实验台

将零件按机构运动的传递顺序进行连接；

c.分清机构中各构件所占据的运动平面，避免各运动构件发生运动干涉；

d.实物连接完成后，需检验机构的自由度是否合理，机构是否能满足要求，完

成预定运动，之后才可以连接电机，进行仿真运动。

（2）设计内容和步骤：

a.掌握本课程设计的基本原理；

b.熟悉CQJP-D机构运动创新设计方案拼接及仿真实验台的使用方法；

c.确定本组的机构运动创新设计方案，保证方案的合理性和可行性，并根据所

设计的方案连接实物；

d.画出结构简图，正确计算机构自由度，并对所设计的机构进行运动学和动力

学分析。

四、原始数据及技术参数：

（1）原始数据：

CQJP-D机构运动创新设计方案拼接及仿真实验台，YY系列电机一台，皮带轮和皮带各一个，主动轴一个，转动副轴三个，齿轮两个，连杆1一个，连杆2一个，连杆3三个，紧联接螺钉若干，松连接螺钉若干，六角扳手和活动扳手。

（2）主要技术参数：

电机的技术参数为：P=60W ，U=220V ，I=0.95A ，n=1350r/min , i0=50

齿轮1：d=88mm , z=42

齿轮2：d=120mm , z=56

连杆1：L=120mm , 数量为1

连杆2：L=260mm , 数量为1

连杆3：L=350mm , 数量为3

五、设计原理及设备：

（1）课程设计所需设备：

CQJP-D机构运动创新设计方案拼接及仿真实验台

（2）实验原理：

本组的设计方案是在基于曲柄摇杆和曲柄滑块的机构特性基础上，将其与齿轮传动的特点相结合而成的。

此机构由电动机输出动能，由皮带带动小齿轮转动，小齿轮与大齿轮啮合，动能经大齿轮后，能够输出较低的速度；杆1固定在大齿轮上，相当于曲柄，与杆1相连的杆2相当于连杆，与杆2相连的杆3相当于摇杆，杆3随杆1的转动可以实现在一定角度内往复摆动，杆4首端与杆2、杆3末端相连，组成复合铰

链，杆4末端连接滑块，当杆3摆动时，杆4拖动滑块做直线往复运动，实现将圆周转动转变为摇杆摆动，进而转化为滑块的往复直线运动的功能。

图1 机构实物样品图

六、机构运动简图及其自由度计算

自由度的计算公式为：

F=3n-2Pl-Ph （Pl为低副，Ph为高副）

由图2可知：

此机构中共有7个转动副和一个移动副；还有一个平面高副。

则，可知：

n=6 , Pl=8 , Ph=1

即，自由度数F为：

F=3×6-2×8-1=1

由机构简图可知，此机构中只有一个原动件，而成机构的自由度也为1，

故，所设计的机构能够稳定运行。

图2 机构运动简图

七、机构运动分析与计算

(1)由电机铭牌可知：

P2=60w , n 0=1350r/min ,i0=50

由减速器传动比为：i0=50 ，可知：

n1=n0/i0=1350/50=27r/min

由公式

1

221z z n n =和n1=27r/min ，可知： n2=211z z n ?=27×42/56=20r/min 则 n2=20r/min 由W2=2πn=2π×n2 和 V=WR ，可知：

大齿轮的线速度为：V2=2πn ×R2=2×3.14×20×60=0.126m/s

因为杆1与大齿轮固定在一起，故杆1的速度与大齿轮线速度相同。

（2）杆1与杆2的运动速度分析

利用速度合成法，由图3可知：

Va=W ×R=0.126m/s

tan θ=250

50 , 即θ=arctan0.2=12.6° 则α=60°+12.6°=72.6°

由正弦定理，可知：

OBA AO AB ∠=sin sin α 可得αsin sin ?=∠AB AO OBA =??6.72sin 260

120=0.42 则 ?==∠6.2742.0arcsin OBA

由正弦定理，可知：

αθsin sin sin v v v a

b

ab

OBA =∠='

则，可得： s m v v a b /078.06.27sin sin =??=

α

由?='∠+∠+∠180θαOBA ,可知：

?=?-?-?='∠8.796.726.27180θ 图3 杆1、2速度分析图 由θα'=sin sin v v ab

a

，可知：

131.091.095.0126.0=?

=v ab 由l v ab ab w =，可知： s rad l v w ab

ab ab /5.0==

（3）对杆2与杆4进行分析

如图4所示，利用速度瞬心法，图中C '速度瞬心，

则，可知：

w v bc b C B ?'=

即 C B v w b bc '= ,则有

滑块速度为：w v bc c C C ?'=

即 C B C C v v b c '?'=

杆4与滑块运行轨迹的夹角为θ，则有

v v b c ?-??+=)90sin()30sin(θθ=0.078×)

90sin()30sin(θθ-??+ 当θ=0°时，v c =0.078×0.5=0.039m/s

当θ=15°时，v c =0.078×0.702=0.055m/s

当θ=30°时，v c =0.078m/s

可得，滑块速度v c 随夹角θ的变化曲线图，如图5所示

图4 滑块速度分析图 图5 速度变化曲线

八、机构动力分析与计算

（1）由 P=UI,可知：

P1=U1×I1=220V ×0.95A=209w

由 Tn=9550×P1/n 0 ，可知：

Tn =9550×209/1350=1.5N ·m

由减速器的传动比为 i0=50，可知：

n1=n0/i0=1350/50=27r/min

由公式

1

221z z n n =和n1=27r/min ，可知： n2=211z z n ?=27×42/56=20r/min 则大齿轮的转速： n2=20r/min

由P2=60w ，可知：

大齿轮的转矩T=9.55=n

p 2228.7N.m (2)对杆1进行受力分析， 由T=9.55=n p 2228.7N.m

由T=FL ，可知：L F AB

ab T ==110.4N

(3)对复合铰链B 点进行受力分析

由图6可知：

θθcos 4.110cos ?==F F ab bd

即负载F 为

θsin F ab F ==110.4θsin 图6 B 点受力分析图

则，可知负载随夹角的变化而变化，即：当夹角变大时，F 变小。

(4)由机构运动分析可知，

杆3的角速度为:

W3=0.5rad/s

则杆3的转动角度θ=20°，如图7所示：

图7 杆3转角范围

九、心得体会：

通过这一周的机械创新设计课程设计，使我们进一步巩固、加深和拓宽所学的知识；并且通过设计实践，树立了正确的设计思想，增强自己的创新意识，熟悉掌握机构设计的一般规律，也培养了自己分析和解决问题的能力。使自己进行了一个全面的机构设计基本技能的训练，并从开始的结构总体设计及传动方案的拟定中，让我清楚的了解了自己所学的理论知识在实践中的应用，也很好的锻炼了自己自主学习和创新能力。在机构所需零件的选择及机构运动分析过程中，不但考验了自己计算过程中的细心程度，还提高了自己快速查阅资料的一种能力；在最后的结构简图绘制过程中，再次锻炼并提高了自己手工绘图的能力。

当然，在这个过程中我们也遇到了一些问题，在面对这些问题的时候自己曾焦虑、烦恼，但是最后在大家的一起努力之下还是解决了。才发现当我们面对很多问题的时候所采取的具体行动也是不同的,这当然也会影响我们的结果.很多时候问题的出现所期待我们的是一种解决问题的心态,而不是看我们学习理论知识的能力到底有多强,那是一种态度的端正和目的的明确,只有这样把自己身置于具体的问题之中,我们才能更好的解决问题。

总的来说，此次课程设计能亲自动手操作，见识了各种齿轮，连杆等机械机构，并且能够有机会按照自己的设计方案，进行实物组装及仿真运动；另外，在此次课程设计中我们也会遇到各种各样的问题，比如在实物连接过程中，连杆不能顺利运动，齿轮啮合不成功等，不过，最终我们还是克服困难，按照自己的设计方案连接出实物模型，并且仿真成功。此次课程设计培养了我们的创新思维和动手能力，让我们在机械的道路上更好的成长。

十、参考文献：

[1]孙桓，陈作模 . 机械原理[M] . 北京：高等教育出版社，2001.

[2]孟宪源 . 现代机构手册[M] . 北京：机械工业出版社，1994.

[3]郁明山 . 现代机械传动手册[M] . 北京：机械工业出版社，1996.

[4]邹慧君 . 机械运动方案设计手册[M] . 上海：上海交通大学出版社，1994.

[5]张春林 . 机械创新设计[M] . 北京：机械工业出版社，1999.