机械综合设计指导书

机械原理课程设计指导书西南交通大学机械学院机械原理教研室编著1999年1月目录一．高位自卸汽车……………………………………………1二．增力头……………………………………………………14三．载重汽车的起重后板……………………………………19四．钢筋切断机………………………………………………24五．起道器……………………………………………………27六．自动钻床送进机构………………………………………33七．平动式装载机……………………………………………36八．铁路散货自翻车…………………………………………37九．听课折椅…………………………………………………38十．后装压缩倾卸式垃圾汽车....……………………………39十一．受电弓机构………………………………………………43十二．高速列车摆式车体………………………………………44十三．强制卸载式装载机……………………………………45十四．飞机起落架………………………………………………46十五．步进输送机………………………………………………47十六．侧卸式翻斗车……………………………………………48十七．自装卸集装箱运输汽车…………………………………49十八．改型理发椅………………………………………………51十九．软片前进机构……………………………………………52二十．机械手抽取器……………………………………………53二十一．后装压缩推卸式垃圾汽车……………..……………54平面连杆机构运动分析(C语言版)………………………….…59第1页共104页一、高位自卸汽车一、问题的提出目前国内生产的自卸汽车，其卸货方式为散装货物沿汽车大梁卸下。卸货高度都是固定的。若需要将货物卸到较高处或使货物堆积得较高些，目前的自卸汽车就难以满足要求。为此需设计一种高位自卸汽车，它能将车厢举升到一定高度后再倾斜车厢卸货。二、设计要求和有关数据第2页共104页设计要求：1)具有一般自卸汽车的功能。2)能将满载货物的车厢在比较水平的状态下平稳地举升到一定高度，最大升程Smax见表2-1。3)为方便卸货，要求车厢在举升过程中逐步后移。车厢处于最大升程位置时，其后移量a见表2-1。为保证车厢的稳定性，其最大后移量amax不得超过1.2a。4)在举升过程中可在任意高度停留卸货。5)在车厢倾斜卸货时，后厢门随之联动打开：卸货完毕，车厢恢复水平状态，后厢门也随之可靠关闭，后厢门和车厢的相对位置见图2-3。6)举升和倾斜机构的安装空间不超过车厢底部与大梁间的空间，后厢门打开机构的安装面不超过车厢侧面。7)结构尽量紧凑、简单、可靠，具有良好的动力传递性能。表2-1预定的设计参数(尺寸单位为毫米)序号车厢尺寸(L×W×H)SmaxaW(kg)LtHd14000×2000×6401800380500030050023900×2000×6401850350480030050033900×1800×6301900320450028047043800×1800×6301950300420028047053700×1800×6202000280400025045063600×1800×61020502503900250450第3页共104页三、任务分配进度安排1)题目及分组高位自卸汽车可按三个人一组分头设计，其中一个兼总体协调工作、三个子题目如下：a.车厢举升机构设计b.车厢倾斜机构设计c.后厢门开启、关闭联动机构设计由c题目担任本设计组组长。协调该组的设计工作，并绘制高位自卸汽车总体方案图纸一张（三个位置绘成不同颜色，同一机架，在一张图上）。2)任务及时间分配a.方案论证（型综合）建议五周内必须完成。要求至少给出2到3个方案。论证给出较优方案，论证主要考虑以下几方面：①满足运动要求方面；②动力性能方面；③制造、维护方面；④结构紧凑方面；⑤设计难易方面；b.尺度综合与运动和力分析，以及校核建议用八周时间完成。要求：①建立机构尺度综合的数学模型；②绘出计算机程序框图及变量说明表；③编制程序及上机调试；④计算机打印结果及程序；第4页共104页⑤给出位移、速度和加速度与力或力矩（原动力）的曲线；⑥验算机构是否到位（图解法），机构的传动角是否满足40min;⑦结果分析及改进设想。c.整理设计说明书及答辩建议用两周时间完成。要求每一组写出一本说明书。小组成员分别负责自己所承担部分的写作，由小组长负责整个说明书的统编。四、建议说明书目录如下（供参考）第一章高位自卸汽车§1-1问题的提出§1-2设计要求及有关数据第Ⅰ章TOPIC(I)(I=2，3，4)§I-1方案确定§I-2机构设计§I-3CAD（含程序框图、变量表，程序及其运算结果）§I-4评价及改进设想（含机构位置、传动角、油缸行程及输出力等的评价）附录：1.高位自卸汽车的机构运动简图2.各主动力输出曲线3.参考书目注：I=2，TOPIC(2)为举升机构I=3，TOPIC(3)为倾斜机构I=4，TOPIC(4)为后厢门启闭机构第5页共104页五、参考方案以下方案均不一定是最佳方案，甚至不一定实用，列出供同学们扩展思路，从中择优。更好的方案，有待同学们去思考。1)举升机构图4－1第6页共104页2)倾斜机构第7页共104页3)后厢门启闭机构第8页共104页六、提示以下是一个任意选定的方案及设计步骤供同学们参考。1)举升机构a.数学模型sin)cos1(MOAMS)1(cossinMOAMS——升高量a——后移量Δ——0.2～0.3M（限制倾斜后，Smax、a有所减小）AM＜1.2～1.5M（限制整车高度）选择AM、β、MO以满足升高和后移量。b.确定油缸C、D点位置要求：⑴ΔlCD≤500mm⑵PCDmax≤3W⑶尽量减少PCD的波动。c.确定油缸E、F点位置要求：⑴ΔlEF≤600mm⑵PEFmax≤1.5W⑶尽量减少PEF的波动。d.检验传动角γmin≤40°第9页共104页2)倾斜机构a.数学模型0)H)(IH(I)H)(IHIT1111T2222(其中：O)](H[RO)H1552(G)](I[RG)(I1θGI2可选定：G(Gx,Gy)，H1x，I1y，θGI解出I1x，该部分的解法可参考第七部分。b.确定油缸J点的位置要求：⑴ΔlJG≤500mm⑵PJGmax≤3W⑶PJG的波动尽可能小。可用虚位移原理求PJG01JPSWGJHOg求J1，SHO，1J，HOS方法第10页共104页c.验算传动角（J点）3)后厢门启闭机构a.数学模型0)a)(aa(a)a)(aa(aT00T0j0j11其中：1][1θ1jjaD1a（i=2,3）其解法参见第七部分。b.综合U1、S点（U1＝a1，S=a0）选定参考点：P1(P1x，P1y)、P2(P2x，P2y)、P3(P3x，P3y)、θ12、θ13。选择：S(Sx，Sy)、U1(U1x，U1y)中的两个参数再解出另外两个。c.综合T1、Z点（T1＝a1，Z=a0）第11页共104页方法同上。d.演算传动角条件及到位情况可用图解法完成。4)联动机构可参考第七部分。a.数学模型0)W)(XW(X)W)(XW(XT1111Tjjjj第12页共104页其中：H))(W(RH)(W1βjjZ))(X(RZ)(X1αjjβj由设计倾斜机构的同学提供。b.综合X1、W1选择X1(X1x，X1y)、W1(W1x，W1y)中的两个坐标，解出另外两个坐标。c.检验到位情况及传动角条件七、关于刚体的转杆导引和全铰四杆机构的函数综合问题1.转杆引导的实现三位置刚体的综合问题参考图5-4。回转矩阵Dθ1j1001111111111yjxjyjjyjxjxjjPSPPCSPCPPSC设计方程)3,2(11jCBaAajjyjx其中：yjxjjjjjadadddddA02101123211311)1(xjyjjjjjadadddddB01202223221312)1()(5.0223213023013jjyxjjddadadC（j=2，3）说明：θ1j逆时针为正，顺时针为负；dikj—1列j位置的DRjDRj中的k列DRj中的i行2.全铰四杆机构函数综合问题第13页共104页旋转矩阵100)()()1()()(1111111111jjjjjjjjjjRjSCSCSCD(j=2,3)设计方程)3,2(11jCBaAajjyjx其中：yjxjjjjjjbdbdddddA12111123211311)1(xjyjjjjjjbdbdddddB11212223221312)1()(5.0223213123113jjyjxjjddbdbdC（j=2，3）说明：a.θ1j、φ1j逆时针为正，顺时针为负；b.d1kj意义同前；c.100ba实际机构的尺寸按比例缩放；d.b1(b1x，b1y)需根据情况设定；e.若解三位置问题，设计方程为二元一次方程组，若解二位置问题，需再给出a1(a1x，a1y)中的一个坐标，通过设计方程解出另一个即可。第14页共104页二、增力头一、问题的提出铁路养护：将钢轨固定在混凝土轨枕上的构件是螺栓螺母，螺母需定期拧松、涂油、拧紧。目前工务部门普遍采用如图1所示的扳手，以螺母锁紧力矩为15kg·m计，拧松螺母需要操作工人加在手上的圆周力达30kg以上，对连续操作来说，劳动强度很大，因此迫切需要一种扩大力矩即增力的部件，且体积要小、重量要轻，以便于携带。汽车修理与汽车发动：载重汽车的车轮螺母的锁紧力矩较大，除了在汽车修理店备有电动扳手或气动扳手外，在长途运输过程中及其某些修理情况下拆卸这种螺母是比较困难的。因此也希望有一种增力部件以便用人力即可轻松地拆卸螺母。同样，寒冷地区的汽车、拖拉机发动也比较困难，常依靠人力用曲拐带动发动机曲轴旋转发动，这时所需要的驱动力矩也很大，同样迫切需要一种增力部件扩大人手臂的输出力矩，见图2。第15页共104页二、设计要求和有关数据根据上面三种应用场合，提出设计要求如下：1.为符合操作习惯，这个增力部件应具有力矩的同轴输入、输出功能。2.根据使用要求，该增力部件的增力比（输出力矩与输入力矩之比）为4、4.5、5三种。3.该增力部件具有增力和不增力两种工作状态，且能快速切换，以便能够在螺母拧松后快速将螺母旋下。4.为了携带、使用的方便，要求该增力部件体积小、重量轻。三、设计任务及进度安排1.机构选型设计机构选型设计的任务是根据设计要求，在课程所学习过的杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系、各种组合机构中选择一种机构满足设计要求。上述增力部件是一种力矩放大机构，力矩放大必然以减速为代价，所以从运动的角度上看，应选择一种减速比为4、4.5和5的同轴输入输出的减速机构。时间为二至四周。2.尺度综合及传动质量指标检验机构选型设计完成后，尺度设计计算的任务就是对机构各构件的基本尺寸进行计算并检验有关传动质量指标，要求使用FORTRAN语言或C语言编制程序上机计算。时间为七周。3.变速机构的设计开始拧松螺母时，希望增力部件能够扩大输入力矩；螺母拧松后，所需的扳动力矩减小，这时希望能以1:1的速比将螺母快速旋下，以提高工作效率。变换机构要实现的就是这个目的。要求能满足对增力部件体积小，重量轻，操作方便的要求。时间为二周。4.撰写设计计算说明书撰写格式如下：一、问题的提出二、设计要求三、机构选型设计四、尺度综合、运动和力分析及传动质量指标的检验五、变速机构的设计第16页共104页六、附录（计算机程序，参考书目）5.答辩。时间为一周四、参考方案对于铁路、桥梁、化工容器、通用机械行业的大锁紧力矩螺栓联接，目前常用的增力工具有以下几种：1)电动扳手以电动机为动力、通过皮带减速器或其它减速器将电机的转动减速输出，从而扩大输出力矩，汽车