机械原理课程设计的目的与任务

1机械原理课程设计的目的与任务随着科学技术和工业生产的飞跃发展，国民经济各个部门迫切需要各种各样质量优、性能好效率高、能耗低、价格廉的机械产品。其中，产品设计是决定产品性能、质量、水平、市场竞争能力和经济效益的重要环节。产品的设计包括机械设备的功能分析、工作原理方案设计和机械运动方案设计等。这些设计内容可作为机械原理课程设计的内容。很明显，产品设计本身如果存在问题，常常属于根本性的问题，可能造成机械产品灾难性的失误。因此，我们必须重视对学生进行机械原理设计能力的培养。机械原理课程设计要求针对某种简单机械（它的工艺动作过程比较简单）进行运动方案设计，其中包括机器功能分析、工艺动作过程确定、执行机构选择、机械运动方案评定、机械尺度综合等等。通过机械原理课程设计，可以进一步巩固、掌握并初步运用机械原理的知识和理论，使学生受到确定运动方案的初步训练，掌握运动方案和机构设计的思路和方法。从而提高学生利用技术资料、运算和绘图的能力，增强学生运用计算机的能力，及早地树立工程设计的观点，激发创造精神，培养自学能力，独立工作能力和创造能力。通过编写说明书，培养学生表达、归纳、总结和独立思考与分析的能力。2第一部分机械运动方案设计概述1．机械的设计及其过程机械的设计过程，一般情况下可以用图1.1所示的框图表述。首先拟定设计任务书即确定所设计机械的工艺目的和各种功能指标。这是一项需要从技术、经济及国家有关产业政策等多方面研究论证的复杂任务。根据设计任务书的要求可以开展以下的设计工作。图1.1机械的设计过程框图31.1工艺理论与方法的分析研究工艺目的确定之后，应研究用什么样的方法去达到工艺目的。例如设计一台破碎石料的机械，破碎石料是工艺目的。石料可以被压碎、搓碎、击碎，在具体工艺指标下，用哪一种破碎方法最好？这是值得研究的。手工缝纫，穿针引线是用图1.2（a）所示的结线方法把布料缝合起来的，但按照这种结线方法设计一台机械完成缝纫动作将是十分困难的。缝纫机的发明正是因为首先研究出了新的结线方法如图1.2（b）所示，而这种方法较易于用机械来实现。图1.2（a）图1.2（b）可见，实现一种工艺目的可有不同的方法，但从节省能量、提高工效和用机械方法是否易于实现角度分析，各种方法有很大差别，研究合理，可行的工艺方法，是机械设计过程中的重要问题。1.2工艺动作的确定为了实现选定的工艺方法，机械所必需完成的动作就是工艺动作。一台简单的机械可能只有一种工艺动作，例如简易冲床，只要冲头作往复直动即可，一台复杂的机械可能需要多种工艺动作，例如按图1.2（b）所示结线方法设计的家用缝纫机，可能需要至少四种工艺动作：①机针带着上线刺布作上下往复运动。②为了使上线绕过底线，摆梭勾线往复摆动。③挑线杆完成挑线动作。④送布牙板完成步进式送布动作。确定工艺动作时不但要注意到所要求的运动形式（如往复直动，平面复杂运动等）还应注意到所要求的运动规律，例如筛分机械中的筛筐，运动形式可能是往复直动，但如果运动规律（往复运动中速度和加速度的变化规律）不当，有可能出现物料与筛筐始终是一起运动的情况，这就达不到筛分的目的。为了实现工艺方法，同时需要两个以上的工艺动作时，应安排好各个工艺动作之间的协调配合。工艺动作确定之后，据被处理或加工的物料的机械物理性质，按工艺4学的理论和方法可计算出工艺阻力，工艺阻力的大小和变化规律是进行受力分析和确定动力机容量的依据。1.3机械运动方案的设计机械运动方案设计首先根据功能原理方案中提出的工艺动作过程及各个动作的运动规律要求，选择相应的机构形式，并按一定的顺序把他们组合成机械系统，这部分工作称为“型综合”，通常用机械运动示意图来表示。然后进行机构“尺度综合”，按初步确定的机械运动方案，根据各执行构件运动规律要求进行各机构运动尺寸设计。这一阶段工作的结果是机构运动简图。1.4运动学分析经过以上各阶段的工作，得到了以机构运动简图表示的机构，这个机构能否满足所提出的工艺动作要求？这需要通过运动分析来验证。机构的运动分析，就是令机构的主动件按给定的运动参数运动，求出从动件的运动参数和运动规律，根据运动分析的结果判定机构所能实现的运动与工艺动作的符合程度。如果分析结果表明二者差别较大，即机构所能实现的运动变换不能满足工艺动作要求，则需要修改机构尺寸或者重新选择机构的类型。运动分析还为以后的动力学分析打下基础。在以计算机为手段的现代设计方法中，机构综合和分析工作常常是交织在一起的。分析工作已成为设计工作中不可分割的一部分。1.5机构的各个零、部件结构尺寸的初步设计在经过分析、验证了所选择的机构型式和尺寸参数能满足工艺动作要求的前提下，需要把机构简图转化为机械的结构草图。也就是把在机构简图中用简单的线条所表示的构件，用简单的符号所表示的各个构件间的联接，转化为实现工作需要的结构形状，一般叫做零、部件的结构设计。这里，要考虑的问题有材料的选择，零部件承载情况，加工、装配的可能性和方便性，以及保证他们正常工作所需要的调整、润滑5措施等。1.6机械的受力分析在机械的零、部件结构形状和尺寸初步确定了的前提下，就有可能估算出构件的动力学参数即质量、质心位置及转动惯量，利用运动分析结果就可以计算出在运转过程中构件的惯性力和惯性力偶。然后可以进行包括载荷在内的受力分析。经过受力分析不仅可以确定机械中各个零、部件在工作过程中所承受的载荷大小及其变化规律，为零、部件承载能力验算提供依据，还可以计算出为了驱动机械正常运转所需动力机的容量大小。对于轻载、低速机械，受力分析时不一定计及惯性载荷，但在高速、重载机械设计中，惯性载荷可能占相当大的比重，是不容忽视的。1.7零、部件的承载能力验算如果验算结果不满足工作要求，则应修改结构设计。1.8动力学分析与设计对于大型、高速重载机械或精密机械，动力学研究十分重要的。其内容包括：机械在外力作用下的真实运动规律，怎样提高机械运转的平稳性？如何避免和减轻机械运转过程中的震动等。近年来，对于机构运转质量的要求不断提高，在一些高速、精密的机构设计中甚至要考虑到构件在运动过程中的弹性变形和振动。动力学分析是在机械的结构设计基本完成和动力机已选定的前提下进行的。根据动力学分析的结果可能会导致某些零、部件结构形状和尺寸的修改。1.9完成机械的装配图和零件图以上，就是对于图1.1中各个环节的简要说明。图1.1中用双实线表示的框是主要依据机械原理的理论、方法解决问题的内容，有虚线的框其任务的完成也要借助于机械原理的知识，由此可以看出，机械原理的理论和方法在机械的设计过程中的地位和作用。62.机械运动方案及机构设计实例——平压印刷机机构运动方案设计2.1设计题目简介图1.3平压印刷机是印刷行业广泛使用的一种脚踏、电动两用简易印刷机，适用于印刷各种八开以下的印刷品。图1.3是该印刷机主要部件的工作情况示意图。他们实现的动作如下：（1）印头O2B往复摆动。其中O2B1是压印位置，即此时印头上的纸于固定的铅字板（阴影线部分）压紧接触；而O2B2时取走印好的纸和置放新纸的位置。（2）油辊上下滚动。在印头自位置O2B1运动至位置O2B2的过程中，油辊自位置E1经油盘和铅字板向位置E2运动，并同时绕自身的轴线转动。油辊滚过油盘使油辊表面的油墨涂布均匀；滚过固定铅字板给铅字上油墨。压印头返回时，油辊从位置E2回到E1。油辊摆杆O1E是一个长度可伸缩的构件。7（3）油盘转动。为使油辊上的油墨均匀，不仅应将油辊在油盘面上滚过，而且应在油辊经过油盘往下运动时油盘作一次小于180o而大于60o的间歇运动，使油盘上存留的油墨也比较均匀。上述三个运动和手工加纸、取纸动作应协调配合，完成一次印刷工作。2.2原始数据和设计要求（1）实现印头，油辊，油盘运动的机构由一个电动机带动，通过传动系统使该机构具有1600~1800次/小时的印刷能力；（2）电动机功率N=0.8kW，转速n=930r/min,电动机放在机架的左侧或底部，可自行决定;（3）根据印刷纸张幅面（280×460mm2）,最大印刷幅面为260×380mm2,设定lO2B=250mm;（4）印头摆角1y=700，且要求印头返回行程(自位置O2B1至O2B2)和工作行程(自位移O2B2至O2B1)的平均速度之比(行程速度变化系数)K=1.118;（5）油辊自铅垂位置O1E1运动至O1E2的摆角2y=1100，油辊在位置O1E1时，恰与油盘的上边缘接触，油盘直径为400mm;（6）要求机构传动性能良好，即印头和油辊在两极限位置处的传动角g大于或等于许用传动角[g]。结构应紧凑，制造方便。2.3设计任务：（1）机构运动方案设计，并以机构运动简图，机械传动系统图及运动循环图表述设计方案。（2）进行机构的运动分析与力的分析。（3）完成设计说明书2.4设计步骤：2.41明确题目及设计要求82.42执行机构方案选型及评价根据设计要求，三个主要动作必须协调，这是方案设计的出发点。由于只给出一个动力源，因此实现这些动作的机构必须联动。其次，三个动作中，印头运动需具有急回特性，油辊可看作是实现两个位置的运动（油辊摆杆O1E的伸缩运动也是由一机构控制的），而油盘是实现间歇运动。完成这些运动的机构以及将它们连成整机，均应力求结构简单，紧凑。拟定运动方案时，因首先构思实现动作要求的执行机构，然后勾划描述各机构动作协调配合关系的运动循环图，最后再确定各机构前面的传动路线，以满足生产率的要求。（1）实现本题前两个动作要求的机构运动方案方案1：两个曲柄摇杆机构按时序式连接。如图1.4所示，曲柄摇杆机构O1ABO2实现印头的往复摆动；曲柄摇杆机构O3CDO1实现油辊的往复摆动。电机带动双联齿轮2、4输入运动，通过齿轮1、3分别驱动曲柄O1A和O3C。此方案的优点是印头和油辊都有急回作用，且两套机构可分开进行位置调整。缺点是结构稍复杂一些。图1.49方案Ⅱ：曲柄摇杆机构和双摇杆机构串联。如图1.5所示，曲柄摇杆机构O1ABO2实现压印头的往复摆动（与方案Ⅰ相同），曲柄动力由电机通过齿轮机构输入。而双摇杆机构O2BCO1是以曲柄摇杆机构的从动件O2B为主动件，使油辊实现往复摆动。它与方案Ⅰ比较，在满足同样要求的情况下结构较为紧凑。图1.5方案Ⅲ：凸轮机构和连杆机构按时序式联接。如图1.6所示，由凸轮1驱动双摇杆机构O1ABO2完成印头的往复摆动；由同轴传动的凸轮2通过齿轮驱动摆杆O′1E摆动。利用凸轮机构同样可方便地满足印头的急回作用，并通过两凸轮的相位和从动件的角位移规律协调印头和油辊的运动，且可使它们在极限位置有停歇时间，对操作有利。图1.610（2）实现油盘间歇运动的机构方案图1.6凸轮机构和连杆机构按时序式联接视油盘中心线对输入轴线O1的不同布局而有不同的机构方案。方案Ι：如图1.7所示，它有圆锥齿轮和间歇运动机构（如槽轮机构、不完全齿轮机构或棘轮机构等）组成。此方案可用于油盘轴线和轴线O1相交或交错的情况。方案Ⅱ：如图1.8所示，是用拔杆机构来实现间歇运动。在油盘转轴下端布置三个或四个叉枝2，再由固定在轴O1上的拔杆或凸轮1间歇推动叉枝2，使油盘得到间歇转动。此方案用于油盘轴线O2与轴线O1交错的情况。因轴线O1就是油辊摆杆O1E的转轴，故凸轮的安装相位必须恰当。图1.7圆锥齿轮和间歇运动机构图1.8拔杆机构2.23主要机构设计1.印头往复运动机构（1）曲柄摇杆机构（图1.5O1ABO2）要求：图解法和解析法相结合设计步骤：1)按给定的行程速比系数K作图。2)建立运动方程3)编写源程序上机求解，使O1位置满足尺寸要求（O1O2之间要有足够容纳油盘的空间，O1应满足在机器外形尺寸之内）。同时还应满足γmin≥35°4)最后得出满足传动角要求和位置要求的最佳尺寸lo1A,lAB,lo1o2。11（2）凸轮—连杆机构选用凸轮驱动双摇杆机构O1ABO2完成印头往复摆动（图1.6）要求：用图解法设计步骤：1)用图解法根据图的位置大小选定双摇杆机构O1ABO2的尺寸。(摆杆O1A极限摆角小于70º)验算两极限位置γmin≥35°2)根据印头的急回特性确定凸轮的升程转