中南大学机械原理及机械设计课程设计指导书

机械原理及机械设计课程设计指导书

何竞飞

中南大学机械设计设计系

一、课程设计的目的

本课程设计是“机械原理与机械设计”课程的重要的实践性环节，是学生入学以来第一次综合设计能力的训练，在学生培养目标中占有重要地位。

通过课程设计这一实践环节，使学生更好地掌握和加深理解本课程的基本理论和方法，进一步提高学生查阅技术资料、绘制工程图和应用计算机等能力, 特别是加强培养学生创新意识和分析问题、解决问题的能力。

二、课程设计的基本要求

按照一个简单机械系统的功能要求，综合运用所学知识，拟定机械系统的运动方案，并对其中的某些机构进行分析和设计。学生应在教师指导下独立完成设计任务。要求绘制适量图纸、编制计算机程序和撰写设计说明书。具体要求包括：

1、课程设计内容应以完整的机械系统（包括原动机、执行机构和传动系统）为设计对象，也可选作其他机械装置，但工作量应相当；

2、设计过程应包括：方案讨论，执行机构设计，传动系统设计，原动机选择，结构设计，完成一般机械设计的全过程训练；

3、设计图纸应符合国家标准，尺寸公差标注正确，技术要求完整合理；

4、鼓励创新思维；提倡广泛查阅资料；强调在教师指导下，按时独立完成。

课程设计应完成并提交的设计资料：

1) 平面刨削机床运动简图设计及运动分析线图（A1图纸）及减速器设计装配图（A1图纸）各一张；

2) 零件工作图若干张（传动零件、轴、箱体等）；

3) 设计说明书一份，内容包括：方案选择、电动机选择、传动比分配、机构运动分析和动力学分析、传动件及连接件的设计计算，选择联轴器等装置的功能、技术参数、装配维护注意事项等。

三、课程设计主要内容

1、设计题目

牛头刨床是一种常用的平面切削加工机床，电动机经带传动、齿轮传动（图中未画出）最后带动曲柄1（见图1）转动，刨床工作时，是由导杆机构1-2-3-4-5带动刨头和刨刀作往复运动，刨头5右行时，刨刀切削，称工作行程，此时要求速度较低并且均匀；刨头左行时，不进行切削，称空回行程，此时速度较高，以节省时间提高生产率，为此刨床采用有急回作用的导杆机构。

图1

牛头刨床的工艺功能要求如下：

1）刨削速度尽可能为匀速，并要求刨刀有急回特性。

2）刨削时工件静止不动，刨刀空回程后期工件作横向进给，且每次横向进给量要求相同，横向进给量很小并可随工件的不同可调。

3）工件加工面被抛去一层之后，刨刀能沿垂直工件加工面方向下移一个切削深度，然后工件能方便地作反方向间歇横向进给，且每次进给量仍然要求相同。

4）原动机采用电动机。

表1：牛头刨床的原始参数

图2

2、设计任务安排

每组数据6人，每人的执行机构和齿轮传动装置均不一样，具体安排如下：

3、设计内容

1)系统总体方案的分析讨论和制定；

2)选择电动机，分配传动比，计算各轴运动和动力参数；

3)执行机构的运动分析计算、动力学分析计算，及构件尺寸设计；

4)传动零件的工作能力设计计算，确定主要零件的主要参数或尺寸；

5)减速器装配图结构设计；

6)减速器零件图结构设计

7)编写设计计算说明书；

4、课程设计进行方式

1）要求在教师指导下分阶段完成。

2）系统总体方案的分析讨论和制定分组完成，最后由教师指定设计方案。

3）每个学生独立完成后续设计任务；

4)答辩。

5)确定成绩。

四、系统总体方案的分析讨论和制定

1．拟定运动循环图

考虑到刨刀的垂直进给运动周期相对较长，而且一个周期中的运动时间比静止时间短得多，为了简化机构设计，此运动可以采用手动，所有该设计只要求拟定刨刀切削运动执行机构和工件横向进给运动执行机构之间的顺序和协调配合关系。

2、执行机构的选型

该机器的三个工艺动作采用三个执行机构来完成。

1)刨刀切削运动

按照原始条件，原动机采用电动机，电机转子的回转运动经过减速传动装置后再传给刨刀切削运动的执行机构，所以它应具备将回转运动转换成双向移动的功能，常用于实现这一功能的执行机构有以下几种：

（1）移动从动件凸轮机构：易实现工作行程为匀速及具有急回特性的要求，但受力差，易磨损，行程大时基圆大，凸轮尺寸大，较难平衡和制造。

（2）平面连杆机构：受力好，磨损小，工作可靠，且具有急回特性，但只能实现近似均速运动。

（3）齿条机构：可实现工作行程为匀速移动的要求，但行程开始及终止时有冲击，适用于大行程而不宜小行程，且必须增加换向变速机构才能得到急回运动。

（4）螺旋机构：能得到均速移动的工作行程，且为面接触，受力好，但行程开始和终止时有冲击，安装和润滑较困难，且必须增设换向和变速机构，才能得到急回运动。

（5）组合机构：如凸轮——连杆组合机构，能实现给定的运动要求，但具有凸轮机构存在的缺点，且设计制造较复杂。

2）工件横向进给运动

工件的横向进给运动量是很小的，且每次要求等量进给，又因为必须防止工件在刨削力的作用下沿横向移动，所以横向进给执行机构除了能实现小而且等量进给外，在非进给时还应具备有自动固定的功能。螺旋机构能满足这些功能，而且结构简单，容易制造。因此，可

选用螺旋机构作为横向进给运动的执行机构，其动力仍然来自驱动刨刀运动的电动机，不必另设动力源。

工件要能间歇移动，螺旋必须作间歇转动，所以在螺旋机构之前必须串联一个间歇转动机构，且与刨刀切削运动执行机构相联，这样可以方便实现切削运动和横向进给运动的协调配合。能够实现将连续回转运动转化成间歇转动的机构有：

（1）槽轮机构：结构简单，制造容易，工作可靠，但每次转角较大且不可调整，为了反向回转，必须增加反向机构。

（2）曲柄摇杆棘轮机构：结构简单，制造容易，每次转角较小，容易调整且为等量转动，采用双向式棘轮还可以方便地实现棘轮反转。

（3）不完全齿轮机构：可以实现等速转位和等量转角，但不可调整，如需反转必须增加反向机构。

（4）凸轮式间歇运动机构：传动平稳，噪音低，适用于高速场合，但凸轮加工复杂，精度要求高，每次转角不可调，如需反转应增设反向机构。

（5）星轮机构：具有槽轮机构的启动性能，又兼有不完全齿轮机构等速转位的优点，可以实现等量转角，但不可调，同时星轮加工制造困难。

3）刨刀垂直进给运动

为了实现刨刀的垂直进给运动，可以在刨刀切削运动执行件上设置一个在垂直于刨削方向上能作间歇移动的执行机构。与横向进给类似，该执行机构同样应具有小进给量可调且在非进给时具有自动固定的功能，同时考虑到动力源可以采用手动，因此采用一个简单螺旋机构作为刨刀垂直进给运动的执行机构，既简单又工作可靠。

3、运动方案的确定

如上所述可知，能实现机器总体工艺功能的方案有许许多多，通过分析比较确定实现该机器的三个工艺动作的执行机构分别为：

1）刨刀切削运动采用平面连杆机构。

2）工件横向进给运动采用曲柄摇杆棘轮机构与螺旋机构串联。

3）刨刀垂直进给运动采用螺旋机构。

为了实现刨刀切削速度尽可能为匀速，作为刨刀切削运动的执行机构――平面连杆机构，建议采用平面六杆机构并绘制多种机构示意图，本次设计要求不少于三种。考虑到设计内容多，时间短，为减少重复工作量，只要求任选两种进行尺度综合及运动特性评定，并确定最终方案。

五、选择电动机，分配传动比，计算各轴运动和动力参数

1．确定电机功率Pd 与选型

1) 根据机构位置和切削阻力F r 确定一个运动循环中阻力矩所做的功。

W r =F r ×（0,9H ）+0.1F r ×（1,1H ）

2) 计算刨刀切削运动所需的功率 P r = W r ×kv m / H (1 +k)

3) 考虑到机械摩擦损失及工件横向进给运动所需功率

1

130

d d

n P M M πω==

其中， η的计算见机械设计课程设计指导书[3]，确定电机功率，并选定电机型号。

2．计算电机轴与执行机构原动件的速比i 和选定减速机构

电机轴转速n d 比执行机构原动件（曲柄AB ）的转速n 1大得多，其比值1

d

n i n =

，所以其间必须配置减速机构，可以根据i 值选定减速机构的类型及其速比。减速机构传动比常用比值如下：

3．计算各轴运动和动力参数

见机械设计课程设计指导书[3]

六、执行机构的构件尺寸设计、运动分析计算及动力学分析计算

1．主机构的尺度综合及运动特性评定

1）原动件曲柄AB 的转速n 1(r/min)

刨刀工作行程的刨削平均速度1

()/m H v πθω=+，极位夹角11801o K K θ-=+，曲柄AB

角速度1

130

n πω=

，代入整理得1601(1)

m

v n H K

=

+。 2）针对选定的两种平面六杆机构示意图，根据执行构件和原动件的运动参数进行机构尺度综合，即确定各构件的运动尺寸。

3）因为要求速度波动越小越好，所以可以按照速度均方根偏差最小的条件对初步选定的两种平面六杆机构进行运动特性比较，然后选取速度均方根偏差较小者为刨刀切削运动执行机构。

速度均方根偏差v ?=式中n 为对应于刨刀切削工作段曲柄AB 转角范围所取的计算点数，v i 为对应点刨刀的实际速度，v m 为刨刀的切削平均速度。

2．主机构运动分析计算

计算方法见机械原理课程设计指导书[4

3．估算飞轮转动惯量

步骤如下：

1）取曲柄AB 为等效构件，根据机构位置和切削阻力F r 确定一个运动循环中的等效阻力矩M r （φ）。

2）根据M r （φ）值，采用数值积分中的梯形法，计算曲柄处于各个位置时M r （φ）的

功0

()()r r M d W ????=?。因为驱动力矩可视为常数，所以按照20

1()2d r M M d π

??π=

?确定

等效驱动力矩M d 。

3）由M （φ）＝M d －M （φ）确定等效力矩M （φ）。

4）根据M （φ）的值采用数值积分中的梯形法，计算一个运动循环中曲柄处于计算位置时等效力矩M （φ）的功ΔW （φ）。

5）将曲柄位置号和对应的M （φ）及ΔW （φ）值列成表格。 6）由[W]＝ΔW max -ΔW min 求出最大赢亏功[W]。 7）求电机转子及减速机构各构件的等效转动惯量J c 。 8）设飞轮安装在等效构件同一轴上，按照2

[]

F c m

W J J δω=

-计算飞轮转动惯量J F 。

4．绘制机械运动简图及主机构运动分析曲线

根据上述最后确定的机械运动方案绘制出机械运动简图，其中包括驱动电机、减速机构和三个执行机构。画出主机构运动分析曲线。

七、传动零件的工作能力设计计算，确定主要零件的主要参数或尺寸

见机械设计课程设计指导书[3]

八、减速器装配图结构设计；

见机械设计课程设计指导书[3]

九、减速器零件图结构设计

见机械设计课程设计指导书[3]

十、编写设计说明书

内容：

1．目录：包含标题和页次。

2．设计题目：包含机器工艺功能要求和原始参数。

3．机器运动方案简图初步拟定：包含1）、机器工艺动作分解及要求。2）、机器运动循环图。3）、三个执行机构的选型，要求先绘出示意图，再作文字叙述并作出结论。

4．电机功率与型号的确定：包含1）、计算刨刀切削阻力所做的功。2）计算刨刀切削运动所需的功率。3）考虑到机械摩擦损失计算电机功率P d计算。

5．减速机构的选定：包含减速比i，减速机构的类型及其传动比值的确定。

6．刨刀切削运动机构的尺度综合及运动特性评定：要求包含除作图外的所有计算工作量。包括1）、机构运动尺寸计算。2）原动件转速n1的计算。3）速度均方根偏差计算等。为了醒目，可以先列计算式，计算结果采用表格形式表示，最后作出评定结论。

7．飞轮转动惯量的估算：包含求飞轮转动惯量的各个步骤。其中M（φ）及ΔW（φ）值可以用列表形式给出。

8．机械运动简图的最终确定及绘制。

9．传动零件的工作能力设计计算，确定主要零件的主要参数或尺寸

10．减速器装配图结构设计

11．减速器零件图结构设计

12．参考资料：包括序号、编著者、资料名、出版单位、出版年月。

13．设计心得与意见。

要求：

1．设计说明书采用统一的设计说明书用纸，用钢笔撰写。

2．要求说明书有大小标题，条理清楚，叙述简要明确，文句通顺，字迹端正。

3．说明书中的图样应准确、整洁，运动副及构件按规定符号绘制，表格应匀称醒目。

4．引用公式和数据应注明出处（参考资料序号及页次），使用的符号与脚注必须前后一致。

5．说明书应有封面、逐页编号，装订成册。

参考文献：

[1]邹慧君，机械设计原理，上海交通大学出版社，1995.7

[2]郑文纬、吴克坚，机械原理（第七版），高等教育出版社，2002.6

[3] ，机械设计课程设计指导书，高等教育出版社，2002.6

[4] ，机械原理课程设计指导书，高等教育出版社，2002.6