机械原理课程设计指导书.doc
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1、第1章 概 述1.1 机械设计的过程、内容及机械原理课程设计的意义设计是创造性的建立满足功能要求的技术系统的活动过程。机械设计的步骤和内容一般可分为四个阶段,即:产品规划阶段、方案设计阶段、详细设计阶段和改进设计阶段。1. 产品规划阶段本阶段主要是通过市场调查了解市场需求,做出市场预测,对产品开发的可能性作综合研究并提出可行性报告,本阶段最终目的是确定任务并给出详细的设计任务书。2. 方案设计阶段通过规划阶段明确了设计任务,确定了系统的功能。当然能实现同一功能的系统可以有不同的工作原理,同一原理又可以有不同的运动方案。通过功能分析并确定了工作原理的基础上进行工艺动作构思,初步拟定出从原动机经传
2、动机构到执行机构的运动方案,并画出各执行构件动作相互协调配合的运动循环图,设计各执行机构,画出机构运动简图并作机构的运动学分析和动力学分析计算,这是机械产品方案设计阶段的主要内容。3. 详细设计阶段 该阶段是将机械运动简图具体化为机器及零部件的合理结构。完成机械产品的总体设计、部件和零件设计,完成全部生产图纸并编制设计说明书等技术文件。4. 改进设计阶段本阶段的主要任务是根据试验、使用、鉴定所暴露的问题,进一步做出相应的技术完善工作,以确保产品的设计质量。设计是一个创新的过程,而在设计的四个阶段中,方案设计的创新及其优劣尤为重要,它对机械系统功能的实现、性能的好坏、经济性及其市场竞争力具有决定
3、性的作用,直接关系到机械设计全局的成败,因此机械系统的方案设计在整个机械设计中占有极其重要的地位。而机械原理课程的内容正是为方案设计提供了理论依据和基本方法,机械原理课程设计则是机械系统运动方案设计的一个综合训练。机械原理课程设计是本科阶段的第一个课程设计,它对初步掌握机械系统的方案设计和了解机械设计的内容和方法具有重要意义。1.2 课程设计的目的通过综合运用机械原理及相关课程所学内容,针对一个实际机械系统完成课程设计,达到以下目的:1. 巩固和加深对机械原理课程内容的理解;2. 初步掌握机械系统方案设计的方法并对机械设计的全过程有个初步了解;3. 培养学生分析问题和解决问题的能力,并对学生的
4、创新意识和创新方法进行初步训练;4. 培养学生自学、查阅资料和独立工作的能力,同时培养学生的团队协作精神;5. 培养学生运用计算机技术解决实际工程的能力。第2章 机械系统运动方案设计机械系统运动方案的设计就是要完成从原动机、传动机构到执行机构的方案设计,其中传递动力和实现预期运动是机械系统的两个基本任务,执行机构或执行构件的运动参数和力参数是设计的原始依据,机械系统运动方案设计的结果就是要完成一份满足系统功能要求的运动简图。其中执行机构的设计是方案设计的核心。2.1 机械运动方案设计的步骤与内容方案设计的主要步骤如图2-1流程图所示,其主要内容包括功能原理方案的设计和构思;机械运动方案的设计和
5、机械运动系统的尺度综合。图2-1 机械运动方案设计流程图下面简述主要步骤的大致内容:2.1.1 分析确定系统的总功能,明确任务的功能目标 对于总功能的描述要抓住本质,尽量做到准确合理的描述,这样即可使设计目的明确又可以开阔思路。对于总功能的分析常采用“黑箱法”,即把待设计的系统看作为一个内容未知的“黑箱”,如图2-2所示,根据已知的待设计系统的输入和输出的能量流、物料流和信息流的转换关系,便可反映出系统的总功能。例如图2-3所示,对一冲床的系统功能分析,输入的是机械能、板料、控制讯号,而输出的是冲制好的工件和余下的边角料。通过对系统输入与输出的主要内容分析可知,冲床系统的功能是使物料变形和分离
6、。 图2-2 黑箱图 图2-3冲床系统的功能分析2.1.2 功能原理设计当明确了主功能后,应针对主功能提出一些原理性构思,即所谓的“功能原理设计”。因为要实现同一功能要求,可以有不同的功能原理,而不同的功能原理则有不同的工艺动作,其执行机构的运动方案也将不同。 图2-4 点钞机功能原理构思1- 推力 2-摩擦力 3-离心力 4-重力 5-粘力 6-气吹 7-气吸 8-静电例如:设计一点钞机,关键是如何将钞票分离的工作原理。图2-4所示即为其功能原理的构思示意图,从图中可以看出,要达到使钞票分离可以通过多种“物理效应”来实现,如图中的摩擦、离心力、气吹等。然后利用某种“作用原理”,如图中的摩擦轮
7、、转动架、气嘴等,最后达到“功能目标”的结果。又如,要加工螺栓上的螺纹,可以采用车削加工原理、滚压工作原理和套丝工作原理。这几种不同的螺纹加工原理适用于不同的工况,满足不同的加工需要和加工精度要求,其执行系统的运动方案也不一样。功能原理设计的重点在于提出创新构思,使思维尽量 “发散”,力求提出尽量多的方案以供评价选优,因为不同的功能原理可能带来本质的变化,对产品的成败常常起到决定性的作用。2.1.3 功能分解 初定了主要功能的工作原理后,还需做功能分解,因为对于一般的机械系统很难直接找到满足总功能的系统解,因此,需将总功能分解到可以直接求解的功能元,在机械产品中就是将工艺动作过程分解为若干个执
8、行机构。由总功能、分功能、功能元组成的系统,即为功能树,树的末端是功能元。前级功能是后级功能的目的功能,而后级功能是解决前级功能的手段功能。2.1.4 功能元求解 针对功能元再寻求功能元的解,即寻求满足功能元动作的执行机构。这个过程也常常称为执行机构的形式设计,或称执行机构的行综合。注意这个过程仍然要采用“发散性思维”,即凡是能满足功能元功能的所有的“物理效应”的解都作为初步解列出来,这是一项极具创造性的工作,因此可以说是一个展示你创造性思维的活跃阶段。例如要实现一工件的夹紧功能,可以采用机械力、电磁力或液体压力等。同一原理又可以有若干方案,如机械力可以分别通过斜面、凸轮、螺旋等机械来实现。如
9、果一个功能元有m个解决原理,而一种原理又有n个解,经排列组合则这个功能元的解可以有m n个方案。把各功能元的解建在一个直角坐标上,便形成了一个“形态学矩阵”,通过这个矩阵可以组合若干方案。然后再作评价选优。例如:设计挖掘机,对其总功能与分功能的分析如图2-5所示。图2-5 挖掘机的功能分解图由此进一步列出形态学矩阵如表2-1:表2-1 挖掘机的总体设计形态学矩阵分功能解 法123456A. 动力源B. 移位传动C. 移 位D. 取物传动E. 取 物电动机齿轮传动轨道及车轮拉 杆挖 斗汽油机蜗杆传动气 垫绳传动钳式斗柴油机带传动履 带气缸传动抓 斗蒸汽透平链传动轮 胎液压缸传动液动机液力耦合器气
10、动马达行星轮传动可能组合方案 N = 66443 = 1728如按A1+B4+C3+D4+E1组合,则得到履带式挖掘机;按A5+B5+C4+D4+E5组合,则得到液压轮胎式挖掘机。在机构选型时要注意以下几点: 要仔细分析透工艺动作的要求; 要熟悉各种基本机构及其变异、组合,了解其运动特性,会灵活选用机构设计手册或其它机构专著中各种型式的机构; 要多积累机构选型方面的知识,具有较丰富的实践经验,如选不到合适的机构型式时,还要会创造性地构思出合适的机械型式,以满足运动要求。具体选型时,还应考虑到原动机的类型,并注意机构选型的基本原则。执行机构的输入运动都是从原动机经过变速、传动装置传递过来的,原动
11、机的型式直接影响执行机构选用的型式,所以机构选型时要考虑采用何种原动机。表2-2列出了常用原动机的运动型式。不同的原动机型式,在同样的执行构件运动形式下,要求选用不同的执行机构,表2-3列举一些为实现某一执行构件运动形式采用不同的原动机可以采用的执行机构型式。表2-2 常用原动机的运动型式序 号运动型式原动机类型性 能 与 特 点1连续转动电动机结构简单、价格低、维修方便、单机容量大内燃机机动灵活性好,但初始成本高2往复移动直线电动机结构简单、维修方便活塞式油缸或气缸尺寸小、易调速、速度低、运转费用较高3往复摆动双向电动机结构简单、维修方便摆动活塞式油缸或气缸尺寸小、易调速、速度低、运转费用较
12、高表2-3 采用不同原动机实现同一执行构件运动形式的分析序 号原动机类型执行构件运动型式可采用的执行机构型式1电动机连续转动双曲柄机构、齿轮机构、转动导杆机构、万向联轴节等。2电动机往复摆动曲柄摇杆机构、摆动导杆机构、摆动从动杆凸轮机构、曲柄摇块机构等。3电动机往复移动曲柄滑块机构、直动从动件凸轮机构、齿轮齿条机构等。4电动机单向间歇转动槽轮机构、曲柄摇杆机构与棘轮机构串联而成的机构组合、不完全齿轮机构等。5摆动活塞式气缸往复摆动平行四边形机构、曲柄摇杆机构、双摇杆机构、双曲柄机构。6摆动活塞式气缸单向间歇转动棘轮机构、曲柄摇杆机构与槽轮机构的组合、曲柄摇杆机构与不完全齿轮机构的组合等。各执行
13、构件的运动形式已经确定之后,选用什么样的执行机构,机构选型时应遵循的原则列于表2-4。表2-4 选用执行机构的原则与方法序 号机 构 选 型 原 则实 施 办 法1依照生产工艺要求,选择恰当的机构型式和运动规律 按执行构件运动形式选用相应的机构型式; 选用机构的运动误差不超过允许限度,可以采用近似的实现运动规律的机构; 机构的执行构件在工作循环中的速度、加速度的变化应符合要求,以保证产品质量。2结构简单、尺寸适度、在整体布置上占的空间小,达到布局紧凑 机构的结构在满足要求时力求简单、可靠; 由主动(输入)件到从动件(执行构件)间的运动链要尽量短,它包括构件和运动副数尽量减少。3制造加工容易 在
14、采用低副机构时,转动副容易加工,易保证运动副元素的配合精度,移动副元素加工较困难,不易保证配合精度; 采用高副机构可以减少运动副和构件数,但高副元素形状一般较为复杂,制造较困难。4考虑动力源的形式 有气、液源时常利用气动、液压机构以简化机构结构,便于调节速度; 一般采用电动机,但要考虑合适的传动装置将原动机的连续转动转化为执行机构的相关运动。5动力特性要好 考虑机构的平衡,使动载荷最小; 执行构件的速度、加速度变化应符合要求; 采用最大传动角的机构以减小原动轴上的力矩。6具有较高的生产效率与机械效率 机构的传动链尽量短; 尽量少采用移动副(易发生楔紧或自锁现象); 合适的机构型式,可提高生产效
15、率; 机构的动力特性要好; 执行机构的选择要考虑到动力机的运动方式、功率、扭矩及其载荷特性能够相互匹配协调; 机构的传力特性好,有利于机械效率的提高。2.1.5 机械系统运动方案综合当按照工艺动作要求选择好执行机构后,则要进一步拟定总体方案,即作动力源、传动系统及执行机构的确定。通过前面求各执行机构的解所建立起的形态学矩阵,经排列组合可以得到大量的系统设计方案,但在组合时要注意考虑以下几点:(1) 设计的附加要求;(2)设计的全局要求;(3)功能元解的相容性。在方案组合的基础上,再对这些方案深入分析,进行评价和决策选优,其中评价是对各种方案进行比较和评定,而决策则是根据目标和评价结果选定最佳方
16、案。评价的目标一般包括三个方面的内容:(1) 技术评价:评价方案技术上的可行性和先进性,包括工作性能指标、可靠性、使用维护性等;(2) 经济评价:评价方案的经济效益,包括成本(生产成本和使用成本要综合考虑)、利润、实施方案的措施费用及投资的回收期以及市场占有率等。(3) 社会评价:评价方案实施后对社会带来的利益和影响,包括是否符合国家科技发展的政策,是否有益于改善环境(环保因素),是否有利于资源开发和新能源的利用,是否有利于可持续性发展等。常用评价方法可以分为简单评价法、数学分析法、试验评价法三大类。具体选用哪种方法可以根据问题的复杂程度和重要程度来决定。常用的方法有:排队法、点评价法、评分法
17、等。这些方法操作简单,一般适合初评或定性评价。另外像技术经济评价法、有效价值法、模糊评价法的评价结论则更趋合理。2.1.6 执行机构的运动协调设计(即运动循环图设计)1. 概述运动循环图是保证执行机构动作协调配合不发生干涉及保证高生产率的一个重要环节,在机械设计,以及在以后的制造、安装、调试、维修中都将有重要作用。其应用主要表现在以下几方面:(1) 确定各执行机构原动件在主轴上的方位,或者控制各个执行机构原动件的凸轮安装在分配轴上的方位;(2) 指导各执行机构的具体设计;(3) 作为装配、调试自动机械的依据;(4) 作为分析、研究提高机械生产率途径的基本文件;(5) 作为分析、研究各执行机构的
18、动作如何紧密配合,相互协调的重要文件。常用的运动循环图有三种表示方法,即直线式循环图、圆周式循环图和直角坐标式循环图。三种方法各有其特点。直线式循环图能清楚地表示整个运动循环由各执行机构的执行构件行程之间的相互顺序和时间(或转向)的关系,绘图简单,但无法显示执行构件的运动规律。圆周式循环图直观性较强,因为机器的运动循环通常是在分配轴转周的过程中完成。所以通过它能直接看出各个执行机构原动件在分配轴上所处的相位,便于凸轮机构的设计、安装、调试。但同心圆太多时,看起来不清楚。直角坐标式循环图不仅能清楚地看出各执行机构的运动起止时间,而且各机构执行机构的运动规律、位移情况及相互关系一目了然,并可指导执
19、行机构的几何尺寸设计。图2-6是以牛头刨床为例用三种方法表示的运动循环图 图2-6 牛头刨床的运动循环图2. 运动循环图的设计步骤与方法运动循环图一般是在机器的传动方式以及执行机构的结构均已初步拟定好后再进行。(1) 首先确定执行机构的运动循环时间T执。实际就是指执行机构的一个工作循环所占用的时间。例如一曲柄摇杆机构,曲柄为原动件,n曲 = 20 r/min,摇杆为执行构件,曲柄每转一周360,摇杆往复一次完成一个工作循环,则其运动循环时间为T执 = 1/ n曲 = 3 s。(2) 确定组成循环的各个区段 运动循环中一般有工作行程、空回行程和停歇区段,为了提高生产率,一般应使空回行程尽量短,这
20、样机构就存在急回特性,要根据工艺要求确定其行程速比系数K。(3) 确定执行构件各区段运动的时间及相应的分配轴转角在确定了执行机构的运动循环时间T执 和组成循环的各个区段后,即可进一步确定执行构件各区段运动的时间及相应的分配轴转角。例如:在曲柄摇杆机构中,执行机构摇杆的运动循环时间为:T执 = t工作 + t空程 = 2 + 1 = 3 s,与此相应的曲柄轴转角(即分配轴转角)360= 工作 + 空程 = 240+ 120。(4) 初步绘制执行机构的运动循环图根据以上计算,选定比例系数即可画出相应执行机构的运动循环图。(5) 对各执行机构作同步化设计,最后画出整机的运动循环图。同步化设计包括:运
21、动循环的时间同步化和空间同步化。当各个执行机构的运动循环图都绘制好以后,必须按其工艺动作的顺序将它们恰当地组合在一起,绘出整台机器的工作循环图。这时应考虑到各执行机构在时间和空间的协调性,即不仅在时间上各执行机构要按一定的顺序进行(称为运动循环的同步化),而且在空间上各执行机构在工作过程中不产生空间位置的相互干涉(称为运动空间的空间同步化)。在满足时间同步化时,不是简单地让最大运动循环时间等于各执行机构循环时间之和,还应考虑尽量提高生产率,各执行机构在不发生干涉的情况下可以交错运行,空间同步化的协调也是同样。2.1.7 机构尺度设计运用所学方法设计各执行机构,初步确定机构尺寸,画机构运动简图。
22、2.1.8 性能参数计算运用所学方法对各初选方案进行运动分析、动力学分析及相关计算。2.1.9 方案评价与决策对方案作技术、经济及社会评价,必要时作反馈修改,最后从中选择最优方案。2.1.10 绘制系统运动简图、编写设计计算说明书将选定的最优方案绘制系统运动简图、编写总体方案设计计算说明书。2.2 机械运动方案设计举例 压片机加压机构方案创新设计2.2.1 设计要求1. 工艺参数:(1) 要求将陶瓷干粉压制成直径为35 mm,厚度为5 mm的圆形片坯;(2) 冲头压力:15吨(150000 N);(3) 生产率:25片/分钟;(4) 机器运转不均匀系数 = 0.1。2. 工艺流程: (1) 干
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