机械原理课程设计题目综合.doc

1、第四章 课程设计题选4.1 推瓶机构设计一、设计题目设计洗瓶机的推瓶机构。图 4.1 是洗瓶机有关部件的工作情况示意图。待洗的瓶子放在两个转动着的导辊上，导辊带动瓶子旋转。当推头 M 把瓶推向前进时，转动着的刷子就把瓶子外面洗净。当前一个瓶子将洗刷完毕时，后一个待洗的瓶子已送人导辊待推。图 4.1 洗瓶机有关部件的位置示意图二、原始数据和设计要求设计推瓶机构时的原始数据和要求为(1) 瓶子尺寸：大端直径 d80mm，长 200mm。(2) 推进距离 l600mm。推瓶机构应使推头 M 以接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后，推头快速返回原位，准备第二个工作循环。(3) 按生产率的要求

2、，推程平均速度为 v45mm/s，返回时的平均速度为工作行程的 3 倍。(4) 机构传动性能良好，结构紧凑制造方便。三、设计方案及讨论根据设计要求，推头 M 可走图 4.2 所示轨迹，而且在 l600mm 的工作行程中作匀速运动，在其前后作变速远动，回程时有急回运动特性。对这种运动要求，若用单一的常用基本机构是不容易实现的。通常，要用若干个基本机构的组合，各司其职，协调动作，才能实现。在选择机构时，一般先考虑选择满足轨迹要求的机构(基础机构 )，而沿轨迹运动时的速度要求，则往往通过改变基础机构主动件的运动速度来满足，也就是让它与一个输出变速度的(附加) 机构组合。读者可查找相关资料“实现预定轨

3、迹的机构选例” ， “具有急回特性的机构选例”以及“实现预定轨迹的曲柄摇杆机构连杆曲线图谱”等作为进行本题方案设计时的参考。了解到怎样组成机构才能得到所需的轨迹和急回运动特性(如机构中作平面运动的构件上的点才可能产生一定的轨迹；又如，要使机构具有急回运动特性，就必须使作匀速运动的主动件在工作行程和空回行程中的转角大小不同)，以期对新的构思有所启迪。实现本题要求的机构方案可以有很多，可用多种机构组合来实现。下面仅介绍几例供参考。更多的方案有待读者去构思。图 4.2 推头 M 的可走轨迹之一 图 4.3 凸轮铰链四杆机构方案1凸轮四杆机构如图 4.3 所示，铰链四杆机构 1234 的连杆 2 上点

4、 M 走近似于所要求的轨迹，点 M 的速度由匀速转动的凸轮通过构件 3 的变速转动来控制。此方案的曲柄 1 是从动件，所以要注意增设渡过死点的措施。 图 4.4 五杆组合机构方案2凸轮(或齿轮、或四连杆)五连杆机构确定一条平面曲线，有两个独立变量。因此，具有两自由度的连杆机构，都具有精图 4.5 凸轮全移动副四杆机构方案确再现给定平面轨迹的特性。点 M 的速度和机构的急回特性可通过控制该机构的两个输入构件间的运动关系来得到，如用凸轮机构、齿轮或四连杆机构来控制等等。图 4.4 所示构件 12345 构成两自由度五杆低副机构，1、4 为它的两个输入构件，这两构件之间的运动关系用凸轮、齿轮或四连杆

5、机构来实现。 3凸轮全移动副四杆机构图 4.5 所示全移动副四杆机构 1234 是两自由度机构，构件 2 上的点 M 可精确再现给定的轨迹，构件 2 的运动速度和急回特性由凸轮控制。这个机构方案的缺点是因水平方向轨迹太长，造成凸轮机构从动件 1 的行程过大，而使相应凸轮尺寸过大，应设法子以解决。四、设计步骤 1设计和选择方案分析设计要求、确定方案的过程已如前述。对于上述设计方案的选择，需根据机器的工作要求，从以下几点出发来考虑。(1) 应能实现给定轨迹、速度和急回特性等要求。(2) 应有较高的生产率(可从改变工件的输送方式、选择合适的轨迹形式等方面来考虑)。(3) 机构的运动简图在结构上能否实

6、现( 例如就本题而言，凸轮与从动件的锁合用什么形式为好)；机构在机器中是否有合适的位置布置。(4) 机构尺寸应尽量紧凑，结构简单，构件数少。(5) 机构传力特性好，推头与工件的接触和脱离过程应能平稳过渡( 无冲击)。(6) 制造方便。2确定设计路线以图 4.4d 所示方案为例。机构的设计路线和传动路线是不同的。机构运动传递路线是：两凸轮的匀速转动，推动五杆机构 12345 中的两输入构件 1、4 分别作变速住复摆动和移动，使构件 2 上的点 M 实现给定的轨迹和运动规律。而机构的设计路线则相反，它是根据给定的轨迹和运动规律要求，以及机器的总体配置和结构要求，从执行构件开始，先确定五连杆机构各构

7、件的尺寸，然后确定五连杆机构两输入构件应有的运动规律，再按此规律要求设计凸轮(驱动) 机构。 3五连杆(执行)机构设计(1) 取定长度比例尺 (m/mm)，画出给定的轨迹。l(2) 根据机器和推瓶机构的总体配置和结构情况，选定固定铰链 A 的位置（点 A 位置适当与否会影响到构件 1、4 的位移量和位移规律，也就是影响到凸轮机构的升程和运动规律，从而影响到凸轮的尺寸和廓线形状） ，以点 M 能走到轨迹上的任何一点为条件( 点 A 距轨迹的最远距离 ，BMlmax最近距离 )，确定 AB 和 BM 的长度。ABlmin(3) 从结构需要和改善机构的受力情况等着手，确定构件 4 的位置。(4) 根

8、据点 M 在工作行程中部为匀速运动的要求，等分相应的轨迹段（首尾为变速运动，不等分轨迹段) ，求得与各分点对应的构件 1、4 的位移( 位置)。4凸轮(驱动)机构设计(1) 根据急回运动的特性要求，确定相应工作行程段中，匀速转动的凸轮 6(和 7)应占有的角度(升程角)，并对应于轨迹段上的分点等分该角度。(2) 根据上述得到的凸轮 6(和 7)和构件 1(和 4)的转角与位移曲线 (和 )，设计凸轮机s构。(3) 凸轮机构回程段的设计方法与工作行程段设计方法类同。选定运动规律后，求取匀速转动的凸轮和构件 1(4)之间的位移曲线，再设计凸轮机构。(4) 检验压力角和最小曲率半径。(5) 根据工作

9、需要确定凸轮的结构型式，并根据从动件端部型式求凸轮实际廓线。(6) 根据点 M 的速度要求确定凸轮转速。5组合机构运动分析在 23 个位置上检验机构的位置与运动参数是否符合设计要求。6整理设计说明书设计说明书应包括设计题目、设计要求、方案设计和方案选择、机构尺寸和运动参数的确定。电算部分还应有标识符说明表和计算框图，并附上打印的源程序和计算结果。五、建议完成的工作量本题设计时间为 2 周。凸轮从动件运动规律、凸轮理论廓线设计用解析法进行。凸轮机构从动件运动规律、理论廓线设计应分段进行和分段检查。应完成图纸包括机构运动简图，机构运动分析和设计结果及其检查，凸轮理论廓线压力角和最小曲率半径的检验，

10、凸轮的实际廓线等和说明书一份。4.2 轧辊机构的设计一、设计题目设计一初轧机的轧辊机构。图 4.6 所示轧机是由送料辊送进铸坯，由工作辊将铸坯轧制成一定尺寸的方形、矩形或圆形截面坯料的初轧轧机。它在水平面内和铅垂面内各布置 一对轧辊（图中只画了铅垂面内的一对轧辊）。两对 轧辊交替轧制。轧机中工作辊中心 M 应沿轨迹 mm 运动， 以适应轧制工作的需要。坯料的截面形状由轧辊的形 状来保证。二、原始数据及设计要求根据轧制工艺，并考虑减轻设备的载荷对轧 辊中心点 M 的轨迹可提出如下基本要求：(1) 在金属变形区末段，应是与轧制中心线平行的直线段，在此直线段内轧辊对轧件进行平整，以消除轧件表面因周期

11、间歇轧制引起的波纹。因此，希望该平整段 L 尽可能长些。(2 轧制是在铅垂面和水平面 内交替进行的，当一个面内的一对轧辊在轧制时，另一面内的轧辊正处于空回行程中。从实际结构上考虑，轧辊的轴向尺寸总大于轧制品截面的宽度，所以，要防止两对轧辊在交错而过时发生碰撞。为此，轧辊中心轨迹曲线 mm 除要有适当的形状外，还应有足够的开口度 h，使轧辊在空行程中能让出足够的空间，保证与轧制行程中的轧辊不发生“拦路”相撞的情况。(3) 在轧制过程中，轧件要受到向后的推力，为使推力尽量小些，以减轻送料辊的载荷，故要求轧辊与轧件开始接触时的啮入角 尽量小些。 约取 25 左右，坯料的单边最大压下量约 50mm，从

12、咬入到平整段结束的长度约 270mm。(4) 为调整制造误差引起的轨迹变化或更换轧辊后要求开口度有稍许变化，所选机构应能便于调节轧辊中心的轨迹。(5) 要求在一个轧制周期中，轧辊的轧制时间尽可能长些。三、机构方案讨论能实现给定平面轨迹要求的机构可以有连杆机构、凸轮机构、凸轮连杆机构、齿轮连杆机构等。下面列举其中的几个方案，如：1、铰链连杆机构(图 4.7)利用铰链四杆机构 ABCD 连杆上某一点 M，可近似实现要求的轨迹。2、双凸轮机构(图 4.8)图 4.6 轧辊工作情况双滑块构件 3 上点 M 的运动分别由凸轮 1 和 5 来控 制。一般来说，点 M 可精确实现任意给定的轨迹。3、铰链五杆

13、机构(图 4.9)出于铰链五杆机构是两自由度机构，所以可精确实 现要求的任意轨迹，且构件尺寸可在很大范围内任选，但需 要给两个主动件，如取连架杆 AB、DE 为主动件，它们的转 角与所要实现的轨迹 mm 有关，即与 ，),(yx ),(yx有关。通常，要精确实现该两主动件间的运动关系是比 较麻烦的，如无必要，可用近似方法实现。联系两主动件间运动关系的机构常用齿轮机构、凸轮机构、连杆机构等。4.8 双凸轮机构 图 4.9 铰链五杆机构4、凸轮连杆机构(图 4.10)利用凸轮连杆机构一般可以精确实现要求的轨迹。5、齿轮五连杆机构(图 4.11)利用构件 BC 上的点 M 可近似实现要求的轨迹，且调

14、节 AB 与 DE 两构件间的相对位置即可调节点M 的轨迹，故调节较方便。图 4.10 凸轮连杆机构 图 4.11 齿轮连杆机构图 4.7 铰链四杆机构四、设计步骤1、选择方案可根据机器的工作要求，从以下几点出发来考虑：（1） 能否实现给定的轨迹。（2） 能否按要求布置在机器中，结构上是否便于实现。（3） 由于本机器中机构的受力较大，应考虑到工作寿命要求。（4） 轨迹和开口度的调节是否可能和方便。下面以齿轮五杆机构为例，介绍设计步骤。2、按工艺要求确定理想的轨迹通常可先按轧制最常用规格的钢材来确定该轨迹，以此进行机构综合，然后调节 AB、DE 间的相对位置，再画出点 M 的轨迹，以检验是否能满

15、足不同轧制工艺的要求(如轨迹、咬入角 、平整段长度 L等)。由于该机构只能近似实现给定的轨迹，或只能精确实现轨迹上若干点，所以根据工艺要求重点，考虑水平平整段和咬入角后，在轨迹上取五个点，其坐标如下( 单位为米) (图 4.12)：M1：(-0.15306，0.60113) M2：(-O.04l40，0.63996) M3：(0.06187，0.65492) M4：(0.10243，0.65575) M5：(0.1229lP，0.65497)图 4.12 轧辊机构参数3、确定 AB、BM 的长度及位置可先用图解法按给定轨迹大致选择 AB 和 BM 的长度。要使 M 能达到轨迹上的任何一点，AB

16、 能作360 转动，则 A 点到轨迹的最大距离应为 ，最小距离 。再根据选BAlmax ABlmin定的 AB、BM 长度算出点 M 在 M1M5 时对应的连架杆 AB 的转角；或者直按选定与该五点所对应的连架杆 AB 的转角，如 ， ， ， ， (要注意 AB 是0124936064作匀速转动)。取定齿轮 1、3(图 7)间的传动比，可考虑取 ，即使两曲柄 AB、DE 作同向且角速度相等的13i转动。利用导向两杆组综合(设计)方法求得机构参数 、 、 、 、 。其中 为度量曲柄 AB 转角Axyae的起始线 AI 与 x 轴的夹角，设定逆时针向度量为正。4、选定 C 点后，求 CD 和 DE

17、 的长度和位置取定 b 和 ，如取 be， 51.5，由导向两杆组连杆上的点 M 的坐标求出所对应的点 C 的坐标。因为：)cos(axAB )sin(ayABBMeytg eb式中， 、 分别为 、 与 x 轴的夹角bC所以： ，bCxcosbBysin由点 和 (因为 ，且构件 AB 与 DE 同向转动，所以 )，),(iiyi13 i，同样利用导向两杆组综合法求得参数 ，其中 为度量构件 DE 与54321、i 、 cdyxE转角 的起始线 E与 x 轴的夹角。5确定齿轮尺寸以点 A 和 E 作为主、从动齿轮中心，设计传动比 的齿轮传动。13i6对设计所得的机构进行全面分析、检验对上面设

18、计所得的机构进行轨迹、速度、加速度等性能分析，检验是否满足设计要求，若有不满足处，应进行适当修改，直至满足要求。五、设计内容与建议(1) 本题适于用计算机辅助设计。(2) 在编制程序时，最好将导向两杆组综合编成一独立程序，它可适用于任意给定轨迹上五个点及其对应的连架杆转角的导向两杆组的设计。(3) 最后要求画出机构运动简图和整理说明书一份。机构运动简图可用 2 号或 3 号图纸做出，要求按比例作图，图上应画出工作辊中心 M 在整个运动循环中的轨迹和改变构件 AB 和 DE 的相对位置后，点 M 的 轨迹。图上应标出必要的尺寸和符号。说明书内容应包括设计题目，原始数据和设计要求，机构方案比较，设

19、计步骤，所用设计方法(包括简明的计算过程)，所得结果及对设计所得机构的评价，并附全部电算程序，标识符说明表和打印结果。4.3 铁板输送机构设计一、设计题目设计一剪板机的铁板输送机构。二、原始数据和设计要求(1) 原材料为成卷的板料。每次输送铁板长度为 l1900 或 2000 或 2200 mm(设计时任选一种)。(2) 每次输送铁板到达规定长度后，铁板稍停，以待剪板机构将其剪断。剪断工艺所需时间约为铁板输送周期的十五分之一。建议铁板停歇时间不超过剪断工艺时间的 1.5 倍，以保证有较高的生产率。(3) 输送机构运转应平稳，振动和冲击应尽量小( 即要求输送机构从动件的加速度曲线连续无突变)。三

20、、方案设计将卷料展开并剪成一定长度铁板的剪板机，可以有两种剪断方式。一种方式是板料匀速连续送进，剪刀在和铁板同步(同速)前进的运动中剪断铁板，即飞剪机。另一种是本题所采用的方式，即将板料作定长度的间歇送进，在板料短暂的停歇时间内，剪刀在一定位置上将铁板剪断。将铁板作间歇送进的机构方案设计，可从下述两个方面考虑机构的选择：(1) 如何夹持和输送铁板，并使停歇时保持铁板的待剪位置；(2) 如何实现间歇送进，并能使铁板停歇时运送铁板的构件的速度和加速度曲线仍然连续，这样，送进机构的运转就比较平稳。大致有几条途径：(1) 利用机构中运动构件暂时脱离运动链，使后续构件实现停歇；(2) 利用构件上一点在圆

21、弧段或直线段上运动，使与之相连的构件实现停歇；(3) 利用两种运动的叠加使构件实现间歇运动；(4) 其它。工业上常用的简单间歇机构，如棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构等，虽具有结构简单、制造方便运动可靠等优点，但在动力性能、动停比(运动时间和停歇时间之比)方面很难满足设计要求。所以常用组合机构来满足设计要求。如果采用两个辊轮将铁板压紧，依靠辊轮和铁板间的摩擦力将铁板从卷料上拉出并推向前进的输送方式，如采用图 4.13 所示的方案。图 4.13 中构件 234H 组成两自由度的差动轮系，以它作为基础机构。内齿轮 4 和输送辊 固接在一起作为输出构件。除 H 作为一个输入构件外，还可取 2 或

22、3 作为另一个输入构件，由于差动轮系中各轮之间有如下的运动关系：图 4.13 钢板输送机方案2414)(Hz或： 33所以，若其中一构件(如 2 或 3)作匀速运动输入，另一构件(H)作连续非匀速运动输入，则总可以使构件 4 在某一段时间内的角速度为零。图 4.13 中采用齿轮 1 向齿轮 2 传送匀速转动。同时 1 通过曲柄摇杆机构 ABCD 将变速运动输送给转臂 H 这种机构可使构件 4(近似)停歇时，构件 1 的转角大于20。四、设计步骤1方案设计和选择方案方案设计过程见上节所述。选择方案时可以从下述几方面进行方案比较：(1) 机构能否满足所提出的设计指标；(2) 机构结构是否简单、可行

23、，工作可靠；(3) 铁板厚薄规格变化时机构能否调充；(4) 其它。2根据选用方案，找出实现输送辊停歇的条件和明确设计思路。以选用图 4.13 所示齿轮连杆组合机构为例。由上述已知差动轮系各构件间的运动关系为： 2424)1(zH因为： 所以：12z 1)(由此得出位移关系： 1442)(zzH轮 4 是在时停歇，故轮 4 的停歇条件是： 142z这个公式也就是铰链四杆机构两连架杆 CD (即 )和 AB (即 )之间必须满足的运动关系。H至此，我们可以明确理出设计这种机构的思路：先设计齿轮机构，确定出各轮齿数；然后按满足两连架杆对应角位移( 、 )的命题设计铰链四杆机构。H13基础机构(齿轮机构)设计主要目的是确定差动轮系各齿轮的齿数，同时也可确定齿轮 1、 2 的齿数。(1) 根据机器结构和强度要求，选取输送辊 的外径 D、轮齿模数 m 和输出构件(内齿轮)的齿数44z(2) 由输送铁板长度 l 和输送辊外径 D，计算输送铁板时构件(内齿轮)4 的转角 4