机械基础综合课程

机械基础课程综合设计指导书重庆大学国家工科机械基础课程教学基地2006年5月目录绪论…………………………………………………………………………………………11.机构的选型………………………………………………………………………………91.1主执行机构的选型…………………………………………………………………91.2辅助执行机构的选型………………………………………………………………122.原动机的选用……………………………………………………………………………143.拟定传动系统方案………………………………………………………………………153.1传动系统的选择与设计……………………………………………………………153.2有级变速传动系统的转速图………………………………………………………164.绘制系统工作循环图……………………………………………………………………195.机构尺度参数确定………………………………………………………………………246.静力分析和初定各构件的质量参数……………………………………………………257.主执行机构的运动分析………………………………………………………………268.主执行机构的动态静力分析……………………………………………………………308.1静定组………………………………………………………………………………308.2主执行机构的动态静力分析图解法………………………………………………308.3主执行机构的动态静力分析解析法………………………………………………339.飞轮设计和原动机功率的校核………………………………………………………3410部分零部件的强度结构设计…………………………………………………………36附录：平面连杆机构力分析子程序使用说明……………………………………………38参考文献……………………………………………………………………………………521绪论机械基础课程综合设计是“机械原理”和“机械设计”两门课程的综合课程设计，学生在设计时也涉及“工程制图”、“机械制造技术基础”、“理论力学”、“材料力学”等基础系列课程内容作。本指导书按着学生将要进行的设计过程编写，适用于所有设计题目。学生阅读本指导书，并按要求进行课题的设计，可达到综合课程设计的基本要求。有更高要求的学生，可在指导教师的指导下，查阅其它资料，完成更多更复杂的设计工作。任务书中提出的设计要求和指导教师对学生的要求有可能是“脱离工程实际的要求而更接近机械原理课程内容训练的要求”。个别学生可在指导教师认可的条件下，展示其思维的才华，创造性地提出并实施其新颖的设计方案，但对大多数学生来说设计要求是具有强制性的。其一是内容的强制性：方案中强制性规定了涉及“机械原理”和“机械设计”两门课程的主要内容。而其中某些内容在实际的设计中可能是没有的；其二是完成任务所用方法的强制性：设计内容及要求中强制规定了既涉及图解法的内容又涉及编写程序的任务，而图解法甚至解析法编写程序在实际工程设计中都有可能不采用。其三是时间的强制性：学生必须在两周内完成设计，而工程实际的设计问题则有可能有更长的反复设计的时间。因此学生的设计过程中仅涉及机械产品设计过程的主要部分过程而不是全部过程。0.1机械设计基础系列课程综合设计实践的地位、目标和要求（资料来源：《机械基础课程综合设计大纲》)“机械原理”和“机械设计”是高等学校工科机械工程类本科生必修的“机械基础系列课程”中的两门主干技术基础课，在培养工科学生的综合素质、机械设计和创新能力方面占有不可替代的重要地位。而机械设计基础系列课程综合设计是“机械基础系列课程”中最重要的实践环节。在机械设计基础系列课程综合设计中，通过加强机械系统方案的创新构思与设计，加强机械系统多方案的评价与优选，加强设计内容的综合性和工程性，加强现代机械设计基本功的训练与培养，加强各种现代设计方法与手段的掌握与应用，使学生具有更高的综合素质，更强的机械设计和创新能力，以适应时代的要求。通过机械设计基础系列课程综合设计，学生应达到如下要求：1）更好地掌握和加深理解“机械基础系列课程”课程，特别是“机械原理”和“机械设计”两门课程的基本概念、基本理论和基本方法；22）树立正确的设计思想，了解完整的机械产品设计过程，并重点掌握机械产品的总体方案设计、运动和动力设计，以及强度和结构设计等重要概念和内容；了解国家当前的有关技术经济政策；3）具有调查研究、分析比较的能力和机械产品或机械系统总体方案或运动方案创新设计的能力；4）进一步提高各种现代设计方法和手段应用的能力；5）进一步提高计算和绘图能力，具有运用设计标准、设计规范、设计手册、设计图册和查阅有关技术资料的能力；6）具有表达设计成果、书写技术报告及科学研究论文的能力。0.2机械产品设计过程机械设计基础系列课程综合设计主要内容（资料来源：黄茂林，秦伟主编《机械原理》第七章，机械工业出版社，2002)设计机械过程并没有一个通用的固定的程序，而须按具体情况确定。机械设计的一般进程，可分为产品规划（概念设计）、总体方案设计、结构技术设计生产施工设计（工艺设计）和改进设计五个阶段。其工作内容和任务如表1.1所示。表0.1机械产品设计过程设计阶段工作内容形成文件产品规划概念设计选题选择设计对象、提出设计题目（设想）调研和预测市场调查：进行需求、购买行为分析，作销售量预测及市场占有率预测；进行经济、社会环境分析，作产品社会效益及产品生命周期预测；进行政策、法规分析，作产品生产和销售可能性预测。技术调查：进行产品设计、制造的新技术、新材料的调研掌握有关产品的国内外水平和发展趋势，作技术可行性预测及产品成本预测。调研报告确定对策从经济、技术、市场各方面论证新产品开发的必要性和产品设计、制造、销售上各项措施实施的可能性产品开发可行性论证报告确定设计任务明确设计目标及需要达到的功能目标和性能指标设计任务书3设计阶段工作内容形成文件总体方案设计目标分析和功能原理设计根据设计任务书中规定的设计任务，进行功能目标分析，做出工艺动作的分解，明确各个工艺动作的工作原理，提出设计、工艺等方面需要解决的关键问题功能原理解及功能结构方案方案设计拟定总体方案和基本性能参数、结构参数，进行执行系统、传动系统的设计，选择原动机。对完成各工艺动作和工作性能的执行机构的运动方案进行全面创新构思，对各可行方案进行运动规律设计、机构型式设计和协调设计总体方案示意图，机械系统运动简图，运动循环图，总体方案设计计算说明书方案评价与决策对各可行方案进行运动分析、动力分析及有关计算，作模拟设计试验，以进行功能、性能评价和技术、经济评价。在可行方案群中选择最优方案，确认其总体设计方案。结构技术设计结构方案拟定根据经济性、稳定性、运输安装、管理维修、环境保护等因素，拟定执行系统、传动系统的结构方案以及与原动机之间联接的方案可靠性造型设计从人机工程、民族风格、用户心理感受、易操作性以及美学观念出发，进行产品造型、色彩表面处理的设计结构设计及材料选择从加工工艺、装配工艺性、摩擦润滑、振动噪音、传热、腐蚀等因素出发，设计零部件的结构，确定各零件的相对位置、结构型式及联结方法根据运动、动力计算，强度和刚度计算，选择零件材料、热处理方法和要求，确定零部件各部分的形状、尺寸公差、精度及制造安装的技术条件。确定外购的标准件、元器件规格和技术要求设计图绘制绘制总装配图、各类系统图（包括执行系统、传动系统、控制系统、润滑系统、气液压系统、电路系统）、部件装配图和零件图。编制设计计算说明书详细设计图纸及设计说明书4设计阶段工作内容形成文件施工工艺设计工艺设计进行加工工艺、装配工艺设计。制定工艺流程及零部件检验标准工艺文件及工装设计图，实验工装设计进行加工、装配时必需的工具、量具、夹具和模具的设计，包括必要的专用加工设备及装置的设计施工设计制定装配调试、试运行及性能测试的步骤及各阶段的技术指标。制定包装、运输、基础安装的要求。确定随机器提供的备件、专用工具明细表产品使用说明书改进设计阶段引人并行设计观念，将前面各阶段的评价信息反馈到新一轮的设计中，进行改进设计0.2.1机械总体方案设计的目的和内容进行总体方案设计的具体目的，就是在通过调查研究进行机械产品规划、确定设计任务、明确设计的要求和条件的基础上，寻求问题的解法及原理方案构思，进行功能原理设计，拟定机械功能结构方案，选择机构类型，得出一组可行的机械系统运动方案，为下一步进行详细的结构设计作好原理方案方面的准备，提出战略性、指导性的意见，也为最终进行评价、优选决策提供诸如可行性、先进性等等相关技术原理方面详尽的科学依据。机械系统主要由原动机、传动系统、执行系统和控制系统所组成。总体方案设计的主要内容就是围绕这几部分的方案设计。1.执行系统的方案设计主要包括执行系统的功能原理设计、动作及运动设计、执行机构的型式设计、执行系统的协调设计和执行系统的方案评价与决策。2.原动机类型的选择和传动系统的方案设计其中传动系统的方案设计主要包括传动类型和传动路线的选择，传动链中机构顺序的安排和各级传动比的分配。3.控制系统的方案设计4.其它辅助系统的设计主要包括润滑系统、冷却系统、故障检测系统、安全保障系统和照明系统等的设计。一般而言，传动机构是指转速变换机构，而执行机构是指运动形式和运动规律变换机构。有时，传动系统、执行系统及控制系统的界限并不能明显的划分，特别是在现代机电一体化系统中变得模糊而更具综合性。而上述各项设计内容，也必须围绕机械产品这个“整机”来进行创新设计和整体优化。50.2.2机械执行系统运动方案设计的主要内容1）功能原理设计任何一部机械的设计都是为了实现某种预期的功能要求，包括工艺要求和使用要求。所谓功能原理设计，就是根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理（或功能原理）来实现所需的功能要求。实现某种预期的功能要求，可以采用多种不同的工作原理。这些功能原理广义的可分为物理的、化学的和生物学的等等（在机械系统中主要是考虑物理的工作原理）。还可以更进一步划分为具体的工作原理。例如物理学的还可分为力学的、电磁学的、光学的、热学的、材料弹塑性形变的等等。而力学的还可更具体的分为摩擦的、推拉的、惯性的、重力的、吸附的、粘着的等等。例如要求设计一个齿轮成型设备，可选择基于材料弹塑性变形原理的冲压、滚扎等；也可选择基于熔融成型原理的、化学腐蚀的、电化学的；还可以采用基于材料切削原理的仿形法和范成法等等。不同的功能原理，所设计出的机械其性能、结构、工作品质、适用场合等都会有很大的差异，这必须根据更具体的工作要求，如强度、精度寿命以及产量、效率、成本、环保等诸多因素综合考虑确定。同时尽可能在满足要求的前提下多采用几个方案。2）动作及运动设计在工作原理选定之后要根据工艺要求进行工艺动作的分解及执行运动的确定。首先要进行工艺动作分解，例如齿轮成型选定了范成切削原理进行加工，则根据范成工艺，可分解为切削、分度（范成）、进刀三个工艺动作。一般工艺动作可直接作为执行运动，这就确定了该齿轮加工机床要具有三个独立的执行运动，即往复直线运动（切削）、对滚运动（范成）、径向进刀（直线）运动。执行运动确定之后，就确定了执行构件的数目。一般一个执行运动对应一个执行构件，有时也可将几个执行运动合并由一个执行构件来完成。例如齿轮加工机床，对滚运动需由刀具和工作台两个执行构件来实现；而切削和进刀则可由一个执行构件－刀具来完成。很多情况是一个工作原理，可以有多种工艺动作分解。如切削平面，则可按铣削、刨削、磨削等不同工艺分解成不同的工艺动作及执行运动的不同形式和数量，最后设计出的机床结构也是大不相同的。3）执行机构型式设计实现同一种运动，可以选用不同型式的机构。所谓机构型式设计，是指究竟选择何种机构来实现上述运动。例如，为了实现刀具的上下往复运动，既可以采用齿轮齿条机构、螺旋机构；也可以采用曲柄滑块机构、凸轮机构；还可以机构组合或结构变异创造发明新的机构等。究竟选择哪种机构，还需要考虑机构的动力特性、机械效率、制造成本。4）执行系统的协调设计一部复杂的机