青岛理工大学琴岛学院

课程设计说明书

课题名称：机械原理课程设计

学    院：机电工程系

专业班级：机械设计制造及其自动化093班

学    号：

学    生：

指导老师：

青岛理工大学琴岛学院教务处

     2011年 6 月 30 日

《机械原理课程设计》评阅书

摘    要

机械原理课程设计是培养学生掌握机械系统运动方案设计能力的技术基础课程，它是机械原理课程学习过程中的一个重要实践环节。其目的是以机械原理课程的学习为基 础，进一步巩固和加深所学的基本理论、基本概念和基本知识，培养学生分析和解决与 本课程有关的具体机械所涉及的实际问题的能力，使学生熟悉机械系统设计的步骤及方法，其中包括选型、运动方案的确定、运动学和动力学的分析和整体设计等。

本次课程设计的目的在于运用已学过的知识培养学生创新能力，用创新思想确定出解决工程实际问题的方案及其有关尺寸，并学会将方案绘制出机构运动简图的能力。培养学生对确定的机构运动简图进行机构运动分析及动力分析，学会按任务进行调研、实验、查阅技术资料、设计计算、制图等基本技能。在此基础上学会运用团队精神，集体解决技术难点的能力。

              

目    录

1 设计任务... 1

1.1设计数据.. 2

    1.2机构运动简图.................................................................................................2

2 导杆机构的运动分析... 3

2.1速度分析............................................................................................3

2.2加速度分析............................................................................................4

3 导杆机构的动态静力分析... 7

3.1运动副反作用力分析…………………………………………………………7

3.2曲柄平衡力矩分析……………………………………………………………8

总   结... 9

参考文献... 10

1 设计任务

机械原理课程设计是高等工业学校机械类专业学生第一次较全面的机械运动学和动力学分析与设计的训练，是本课程的一个重要教学环节。

本课程设计的任务是对牛头刨床的机构选型、运动方案的确定；对导杆机构进行运动分析和动态静力分析。全班分为 3 组，每组12人左右，一组选择一个备选方案，然后独立绘制运动简图，进行速度、加速度以及机构受力分析，绘制相关运动线图。最后将上述各项内容绘制在两张A1号图纸上，并完成课程设计说明书。

牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图1-1a。电动机经皮带和齿轮传动，带动曲柄2和固结在其上的凸轮8。刨床工作时，由导杆机构2 – 3 – 4 – 5 – 6 带动刨头6和刨刀7作往复运动。刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程，此时要求速度较低并且均匀，以减少电动机容量和提高切削质量；刨头左行时，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生常率。为此刨床采用有急回作用的导杆机构。刨刀每切削完一次，利用空回行程的时间，凸轮8通过四杆机构1 – 9 – 10 – 11 与棘轮带动螺旋机构（图中未画），使工作台连同工件做一次进给运动，以便刨刀继续切削。刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力（在切削的前后各有一段约0.05H的空刀距离，图1-1b），而空回行程中则没有切削阻力。因此刨头在整个运动循环中，受力变化是很大的，这就影响了主轴的匀速运转，故需安装飞轮来减小主轴的速度波动，以提高切削质量和减少电动机容量

 

1.1、设计数据：

见表1.1                                   表1.1

1.2、机构运动简图

如图1-1

                     图1-1  机构运动简图

2 导杆机构的运动分析

取曲柄位置“6”进行速度分析、加速度分析。

2.1、速度分析

由于构件2和构件3在A处的转动副相连，故V_A2=V_A3，大小等于ω₂ l_O2A, 方向垂直于O₂ A线，指向与ω₂一致。

ω2=2πn2/60                 （2-1）

计算得： ω₂=6.28rad/s

υ_A2=ω_2·l_O2A                            （2-2）

计算得： υ_A3=υ_A2=6.28_×0.11m/s=0.6908m/s  （⊥O₂A）

（1）取构件3和4的重合点A进行速度分析。列速度矢量方程。

                   υ_A4 = υ_A3 + υ_A4A3                        （2-3）

得:          大小    ?    √    ?

方向 ⊥O₄A  ⊥O₂A  ∥O₄B

取速度极点P，速度比例尺µ_v=0.005(m/s)/mm ，作速度多边形如图2-1。

图2-1

由图2-1得：   

υ_A4=107.2mm*0.005=0.536m/s  (⊥O₄A向右)

因B与A同在导杆4上，由速度影像法

          υ_B4/υ_A4= l_O4B/ l_O4A                   （2-4）

计算得： υ_B4=0.632m/s

而：     υ_B5=υ_B4=0.632m/s

（2）取5构件作为研究对象，列速度矢量方程。

得：       

 υ_C5  = υ_B5 +  υ_C5B5                          （2-5）

大小：  ?    √      ?

方向： 水平   ⊥O₄B  ⊥BC

取速度极点P，速度比例尺μ_v=0.005(m/s)/mm ，作速度多边形如图2-2。

图2-2

由图2-2得：  υ_C=123.8mm*0.005=0.619m/s  (水平向右)

υ_CB=28.8mm*0.005=0.144m/s

2.2、加速度分析

因构件2和3在A点处的转动副相连，故a_A2ⁿ = a_A3ⁿ其大小等于ω₂²l_O2A,方向由A指向O₂。        

a_A2ⁿ=ω₂²·l_O2A                                     （2-6）

已知：    ω₂=6.28rad/s

计算得： a_A3ⁿ = a_A2ⁿ =6.28²×0.11 m/s²=4.34m/s²

取3、4构件重合点A为研究对象，列加速度矢量方程。

得

a_A4 =  a_A4ⁿ  +  a_A4^τ  =  a_A3ⁿ  +  a_A4A3^k  +    a_A4A3^r            （2-7）

大小:   ?    ω₄²l_O4A   ?      √      2ω₄υ_A4A3       ?

方向:   ?    B→A  ⊥O₄B  A→O₂  ⊥O₄B（向右）∥O₄B（沿导路）

取加速度极点P’,加速度比例尺µ_a=0.02（m/s²）/mm 作加速度多边形如图2-3                           图2-3

由图2-3知：a_A4^τ=85mm*0.02=1.7m/s²

由加速度影象法得：

a_B4 / a_A4= l_O4B/ l_O4A                            （2-8）

计算得：a_B4=2.004m/s²

a_B5= a_B4=2.004m/s²

取5构件为研究对象,列加速度矢量方程。

得：          

  a_c5 = a_B5 + a_c5B5ⁿ  + a _c5B5^τ                         （2-9）

大小：   ?    √   √        ? 

方向：  水平  √  C→B    ⊥BC

取加速度极点P’,加速度比例尺µ_a=0.02（m/s²）/mm ，作加速度多边形如图2-4所示。

图2-4

由图2-4得：a_c5 =98mm*0.02=1.96m/s²  (方向水平向左)

3 导杆机构的动态静力分析

3.1、运动副反作用力分析

取“6”点为研究对象，分离5、6构件进行运动静力分析，作阻力体如图3-1所示。

图3-1  阻力体

F_I6=- G₆/g×a_c                        （3-1）

已知： P =7000N

G₆=600N

a_c=a_c5=-1.96m/s²,

计算得：   F_I6 =-700/10×(-1.96)=442.8N

由：       ΣF=P+G₆+F_I6+F_R16+F_R56=0           （3-2）

取极点P”，比例尺µ_N=40N/mm，作力多边形如图3-2所示。

图3-2

由图3-2得：F_R45=172mm*40 N/mm=6880N（方向沿5杆向右）

3.2、曲柄平衡力矩分析

（1）分离3、4构件进行运动静力分析。

如图3-3，对O₄点取矩得：

ΣM O₄=F_R54·h₅₄+F_R23·h₂₃+G·h_G +F_I4^τ·h_I4+M=0         

将数据代入式计算得：

F_R23=8077N

又：ΣF=F_R54+F_R32+F_04x+F04y+G₄ +F_14’=0                 

取极点P”，比例尺µ_N=50N/mm，作力多边形。

由图得：F_R04x=22*50=1100N      Fr04y=29.5*50=1475N

（2）对曲柄2进行运动静力分析，作力分析如图3-3所示。

图3-3

由图3-3得：M =FR₃₂*l =680.6  N . m²

总   结

本次设计以牛头刨床设计为对象，囊括了各个构件在任意两个角度的速度分析、加速度分析，各个构件的受力情况，动态的静力分析等等。将常见的机械设计整体复习整理了一遍，加强了对本学期所学知识的掌握。

结合设计中遇到的问题，现对牛头刨床总结作出如下评价：

1、行程大小，即主动件位于两侧极限为止时，刨刀行程 H 在所须的长度（约在 350mm 左右），刨刀每刨削一刀后返回时，工作台做横向进给，每次横向进给量相同；

2、运动特性，其行程速比系数为 K=1.4。这样可以提高生产率，刨刀快速返回，以减少非工段时间，有急回特性；

3、传力特性，此机构最小传动角为 87°，传力性能良好；

4、整体运动空间的大小，即尺寸的范围大约在 1200mm 左右，宽 900mm 左右。

牛头刨床一般只能加工小型工件，不过它具有设计先进，造型美观，性能可靠，精度稳定，操作简洁，维护方便等特点，在工作生产中应用很广泛。

在工程技术领域，经常会遇到一些需要反复操作，重复性很高的工作，如果能有一个供反复操作且操作简单的专用工具，工作效率将会得到很大提高，所以设计一个有好的图形用户界面是以后改进的重要方向。

在这次课程设计中，我遇到了很多难题，如何高效率计算，如何通过各种渠道高效率的搜索自己想要的资料，如何跟大家最默契的合作，如何用全面的眼光看待整个设计过程等等，这些问题在整个设计过程中被我一一解决，最后圆满结束。

这次课程设计让我们的每一个组员都受益颇丰，得到了拟定运动方案的训练，并且有初步的机械选型与组合及确定传动方案的能力，培养开发和创新机械产品的能力，掌握机械运动方案设计的内容、方法、步骤，并对运动分析与设计有一个较完整的概念。对进一步提高计算、绘图、表达及查阅有关技术资料的能力有很大帮助。

参考文献

[1] 机械工程手册编辑委员会编．机械设计手册【M】．第3版．北京：机械工业出版社，2008

[2] 作者．机械设计手册【M】．第3版．北京：机械工业出版社，2008．P56-P78

[3]《机械原理课程设计指导书》

第二篇：牛头刨床的设计与分析

     

一、概述

§1.1、课程设计的任务

机械原理课程是高等学校机械类近机类专业本、专科学生较全面地运用已学过的知识，特别是机械原理部分已学过的知识的知识第一次较全面地对一项工程实际的应用问题从任务分析、调查研究、方案比较、方案确定、绘制出机构运动简图、进行机械运动和动力学分析与设计的基本训练，是该课程的一个重要实践环节。其目的在于运用已学过的知识培养学生创新能力，用创新思想确定出解决工程实际问题的方案及其有关尺寸，并学会将方案绘制出机构运动简图的能力。培养学生对确定的机构运动简图进行机构运动分析及动力分析，学会按任务进行调研、实验、查阅技术资料、设计计算、制图等基本技能。

§1.2、课程设计的任务

（1）按设计任务书要求调研、比较设计的可能方案，比较方案的优劣，最终确定所选最优设计方案；

（2）确定杆件尺寸；

（3）绘制机构运动简图；

（4）对机械行运动分析，求出相关点或相关构件的参数，如点的位移、速度、加速度；构件的角位移、角速度、角加速度。列表，并绘制相应的机构运

（5）根据给定机器的工作要求，在此基础上设计飞轮；

（6）根据方案对各机构进行运动设计，如对连杆机构按行程速比系数进行设计；对凸轮机构按从动件运动规律设计凸轮轮廓曲线；对齿轮机构按传动比要求设计齿轮减速机构，确定齿轮传动类型，传动比并进行齿轮几何尺寸计算，绘制齿轮啮合图。按间歇运动要求设计间歇运动机等等；

（7）要求学生根据设计任务，绘制必要的图纸；

（8）编制设计计算程序及相应曲线、图形；编写设计说明书。

§1.3、课程设计的方法

（9）机械原理课程设计的方法，大致可分为图解法和解析法两种，图解法的几何概念气清晰、直观，但需逐个位置分别分析设计计算精度较低；

1速度分析：

1、曲柄位置“1”速度分析，（列矢量方程，画速度图，加速度图）

取曲柄位置“1”进行速度分析。因构件2和3在A处的转动副相连，故V_A2=V_A3，其大小等于W₂l_O2A，方向垂直于O_{2 A}线，指向与ω₂一致。

                 ω₂=2πn₂/60 rad/s=6.28rad/s

υ_A3=υ_A2=ω_2·l_O2A=6.28_×0.11m/s=0.69m/s（⊥O₂A）

取构件3和4的重合点A进行速度分析。列速度矢量方程，得

               υ_A4=υ_A3+υ_A4A3

大小    ?     √      ?

方向  ⊥O₄A  ⊥O₂A  ∥O₄B

取速度极点P，速度比例尺µ_v=0.01(m/s)/mm ,作速度多边形如图1-2

图1-2

则由图1-2知，     υ_A3=·μ_v=69×0.01m/s=0.69 m/s

                    υ_A4A3=2.2346 m/s

υ_A4=0.6624m/s

用速度影响法求得，

υ_B5=υ_B4=1.3068 m/s

又            ω₄=υ_A4/ l_O4A=2.42 rad/s

取5构件作为研究对象，列速度矢量方程，得            

                  υ_C5=υ_B5+υ_C5B5

大小    ?     √      ?

方向  ∥XX   ⊥O₄B  ⊥BC

取速度极点P，速度比例尺μ_v=0.01(m/s)/mm,  作速度多边行如图1-2。

则由图1-2知， υ_C5= ·μ_v=0m/s

                 υ_C5B5=0.13068m/s

                ω_CB=1.3329rad/s

2.加速度分析：

取曲柄位置“1”进行加速度分析。因构件2和3在A点处的转动副相连，

故=,其大小等于ω₂²l_O2A,方向由A指向O₂。

ω₂=6.28rad/s, ==ω₂²·L_O2A=6.28²×0.11 m/s²=4.34m/s²

 取3、4构件重合点A为研究对象，列加速度矢量方程得：

          a_A4  =  + a_A4^τ= a_A3ⁿ   +  a_A4A3^K    +    a_A4A3^v

大小:  ?  ω₄²l_O4A  ?    √     2ω₄υ_A4A3        ?

方向：  ?   B→A   ⊥O₄B  A→O₂   ⊥O₄B（向左）  ∥O₄B（沿导路）

取加速度极点为P＇,加速度比例尺µ_a=0.1（m/s²）/mm,

作加速度多边形如图1-3所示.

图１—3

则由图1-3知,     

a_A4 =P´a₄´·μ_a =2.8m/s²

用加速度影象法求得a_B5 = a_B4 =5.4 m/s²

取5构件为研究对象,列加速度矢量方程,得

a_c5= a_B5+ a_c5B5ⁿ₊ a _c5B5^τ

大小   ?     √     √        ?

方向  ∥XX   √    C→B     ⊥BC

其加速度多边形如图1─3所示,有

a_{c5 =}p´c₅´·μ_{a =0.9} m/s²

机构运态静力分析

步骤:

1）选取阻力比例尺= 100 。

2）根据个构件的重心的加速度即角加速度，确定各构件的惯性力和惯性力偶矩 ，并将其合为一力，求出该力至重心的距离。

3）按杆组分解为示力体，用力多边形法决定各运动副中的反作用力合加于曲柄上的平衡力矩。

动态静力分析过程：

4)在分析动态静力的过程中可以分为刨头，摇杆滑块，曲柄三个部分。

已知G₆=700N，又a_c=a_c5=0.9m/s²,那么我们可以计算

F_S6= G₆/g×a_c =700/10×0.9=63N

又ΣF=G₆+F_S6+F_N+F_R16=0

得F_N =65N   F_R16 =390N

  

对于构件3.4基本杆组为示力体，可以列出平衡方程式：

 ∑F=0   F_R54       +  F_R34       +  F_i4  +    G₄ +     F_R14=0

 方向:  ∥BC    ⊥O₄B      ∥a₄         ∥y轴   ?

大小： R54      ？        m4a4     220     ?

 

力矩平衡方程式：

∑M=0 R₅₄*h₅₄-R₃₄*h₃₄-M_i4-F_i4*h_i4-G₄*h₄=0

由此可以求得F34= 435.35N

在摇杆上可以得到R₃₄=-R₃₂

心得体会

四天的课程设计结束了，在这短短的四天中，不仅检验了我所学的知识，又教会我如何完成一件事情。在设计过程中，相互探讨，相互学习，学会了理解与独立。

课程设计使我们专业知识综合应用的实际训练，使我们迈向社会，从事 职业工作前一个必不可少的过程。

通过这次对 牛头刨床的设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次牛头刨床设计的实际训练，巩固与拓展了运动与力学的分析。掌握了制图分析的步骤，了解了牛头刨床的基本结构，提高了计算能力，绘图能力。熟悉了规范与标准，同时对各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有所提高。

在这次设计过程中，虽然充满了艰辛与困难，但最终的成功也让我品尝到了苦尽甘来的喜悦，体会了学以致用，从中发现了自己平时的不足薄弱环节，从而加以弥补。

老师严谨细致，一丝不苟的作风，一直是我工作学习的榜样，老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给了我无尽的启迪。这次机械原理课程设计的每个实验细节和数据都离不开老师的指导，从而使我哦顺利的完成这次课程设计。

由于我设计能力有限，在设计过程中难免有许多错误，恳请老师多多指导。