机械原理专业课程设计.doc

本课程设计规定对某一实际机构进行构造综合、运动分析、动力分析和飞轮设计。所选实际机构涉及平面连杆机构、齿轮机构，可附加有凸轮机构和其她惯用机构。设计内容和基本规定如下∶
1、整机运动简图方案拟订和研讨，进行方案比较对比，选取最佳方案。
2、齿轮传动系统设计，计算内容编入阐明书，用1张2 # 图或3 # 图纸画出一对齿轮啮合图。
3、平面连杆机构运动分析与动力分析，规定用1张1 # 图纸作出平面连杆1~2个位置及极限位置机构简图，并对这几种位置进行速度、加速度及力分析。用图解法作出矢量多边形图，绘制运动线图；此外规定运用机械原理CAD软件完毕平面连杆机构运动分析、动力分析所有点位计算，并绘制运动线图。
4、其她机构(如凸轮机构、间歇运动机构、螺旋机构等) 设计。此项依照题型选做，简图与计算成果可编入阐明书。
5、调速飞轮设计。依照题量、时间选做，设计计算编入阐明书。

工件量：
1、画一张（A1）简朴机械传动系统机构运动简图。
2、设计平面连杆机构尺寸，且画一张（A1）平面连杆机构机构运动简图，并对其进行指定位置运动分析和动力分析。
3、设计凸轮机构尺寸，且画一张(A2)凸轮机构机构运动简图，并校核其压力角。
4、进行传动比分派，设计齿轮机构尺寸，且画一张(A2)齿轮机构机构运动简图。
5、设计阐明书一份。
设计时间2周，在18周周日前交齐

设计题目：六杆插床机构分析
一、

图1－1 插床机构及其运动简图
表 1-2 机构位置分派表
学生序号
1
2
3
4
5
6
7
8
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11
12
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14
速度图（位置）
1
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始
终
加速度图（位置）
1
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11
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始
终
阐明：在学生编号相应位置打√绘制速度图与加速度图以及力分析图。

二、
设计内容
导杆机构设计及运动分析
曲柄转数n1/(r/min)
行程速比系数
滑块冲程H/mm
杆长LBC/Lo3B
Loo3
a
b
c
/mm
数据
30
2
100
1
150
50
50
125
设计内容
导杆机构动态静力分析及飞轮转动惯量拟定
导杆3重力G3/N
导杆5重力G5/N
导杆3转动惯量Js3/(kg.m2)
d
mm
阻力Q/N
运动不均匀系数δ
数据
160
320
0.14
120
1000
1/25

图1－1 插床机构及其运动简图
表 1-2 机构位置分派表
学生序号
15
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速度图（位置）
1
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始
终
加速度图（位置）
1
2
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4
5
6
7
8
9
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11
12
始
终
阐明：在学生编号相应位置打√绘制速度图与加速度图以及力分析图。

三、

设设计内容
导杆机构设计及运动分析
曲柄转数n1/(r/min)

行程速比系数
滑块冲程H/mm

杆长LBC/Lo3B

Loo3
a
b
c

/mm
数据
60
1.5
100
1
150
50
50
125
设计内容
导杆机构动态静力分析及飞轮转动惯量拟定
导杆3重力G3/N
导杆5重力G5/N
导杆3转动惯量Js3/(kg.m2)
d
mm
阻力Q/N
运动不均匀系数δ
数数据
160
320
0.14
120
1000
1/25

图1－1 插床机构及其运动简图
表 1-2 机构位置分派表
学生序号
29
30
31
32
33
34
35
36
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38
39
40
41
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速度图（位置）
1
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11
12
始
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加速度图（位置）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
始
终
阐明：在学生编号相应位置打√绘制速度图与加速度图以及力分析图。

四、

设设计内容
导杆机构设计及运动分析
曲柄转数n1/(r/min)

行程速比系数
滑块冲程H/mm

杆长LBC/Lo3B

Loo3
a
b
c

/mm
数据
60
2
100
1
150
50
50
125
设计内容
导杆机构动态静力分析及飞轮转动惯量拟定
导杆3重力G3/N
导杆5重力G5/N
导杆3转动惯量Js3/(kg.m2)
d
mm
阻力Q/N
运动不均匀系数δ
数数据
160
320
0.14
120
800
1/25

图1－1 插床机构及其运动简图
表 1-2 机构位置分派表
学生序号
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
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速度图（位置）
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12
始
终
加速度图（位置）
1
2
3
4
5
6
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始
终
阐明：在学生编号相应位置打√绘制速度图与加速度图以及力分析图。

机械原理课程设计指引书
--六杆插床机构分析
一、课程设计目
机械原理课程设计是高等工科院校机械类专业学生第一次较全面机械运动学和动力学分析与设计训练，其目在于进一步加深学生所学理论知识，培养学生独立解决关于实际问题能力，使学生对于机械动力学与运动学分析与设计有一较完整概念。
二、课程设计内容与环节
1、插床机构简介与设计数据
插床机构由齿轮、导杆和凸轮等构成，如图1－1所示(齿轮、凸轮未画出)。电动机通过减速装置,使曲柄1转动，再通过导杆机构使装有刀具滑块沿导路y－y作往复运动，以实现刀具切削运动，并规定刀具备急回运动。刀具与工作台之间进给运动，是由固结于轴O2上凸轮驱动摆动从动杆和其他关于机构（图中未画出）来完毕。插床设计数据如表1－1所示。

图1－1 插床机构及其运动简图
表1-1 插床设计数据表

2、插床机构设计内容与环节
（1）导杆机构设计与运动分析
已知 行程速比系数K，滑块冲程H，中心距LO2O3，比值lBC/lO3B，各构件重心S位置，曲柄每分钟转数n1。
规定 设计导杆机构，作机构各个位置速度和加速度多边形，作滑块运动线图，以上内容与背面动态静力分析一起画在2号图纸上（见参照图例1）。
环节
1）设计导杆机构。按已知数据拟定导杆机构各未知参数，其中滑块5导路y-y位置可依照连杆4传力给滑块5最有利条件来拟定，即y-y应位于B点所画圆弧高平分线上（见参照图例1）。
2）作机构运动简图。选用长度比例尺μl(m/mm)，按表1-2所分派加速度位置用粗线画出机构运动简图。曲柄位置作法如图1-2；取滑块5 在下极限时所相应曲柄位置为起始位置1，按转向将曲柄圆周十二等分，得12个曲柄位置，位置5相应于滑块5处在上极限位置。再作出开始切削和终结切削所相应5ˊ和12ˊ两位置。共计14个机构位置，可以14个学生为一组。

图1-2 曲柄位置图

表 1-2 机构位置分派表
学生序号
1
2
3
4
5
6
7
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11
12
13
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速度图（位置）
1
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始
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加速度图（位置）
1
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3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
始
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力分析图（位置）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
始
终
3）作滑块运动线图。为了能直接从机构运动简图上量取滑块位移，取位移比例尺μs=μl，依照机构及滑块5上C点各相应位置，作出滑块运动线图sc(t)、然后依照sc(t)线图用图解微分法（弦线法）作滑块速度vc(t)线图（图1-2），并将其成果与4）相对运动图解法成果比较。

图1-2 用图解微分法求滑块位移与速度线图
4）用相对运动图解法作速度、加速度多边形。选用速度比例尺μv[(m·s-1)/mm]和加速度比例尺
μa[(m·s-2)/mm]，作该位置速度和加速度多边形（见图1-3）。
① 求

其 中 (rad/s)
② 列出 向 量 方 程 ,求

用速度影像法求
③ 列 出 向 量 方 程 ,求

a）速度图 b）加速度图
图1-3 位置7速度与加速度图
（2）导杆机构动态静力分析
已知 各构件重力G及其对重心轴转动惯量Js、阻力线图（图1－1）及已得出机构尺寸、速度和加速度。
1）绘制机构力分析图（图1-4）。力分析办法请参照《机械原理》教材

图1-4 位置7力分析图
已知 各构件重力G及其对重心轴转动惯量Js、阻力线图（图1－1）及已得出机构尺寸、速度和加速度，求出等效构件1等效阻力矩Mr。（注意：在切削始点与切削终点等效阻力矩应有双值）
2）收集其她13位同窗在各位置求出等效阻力矩Mr列表于1-3中。
表1-3等效构件1等效阻力矩Mr数据汇总
位置
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
始
终
Mr

3）选用力矩比例尺μM(N.mm/mm)，绘制等效阻力矩Mr曲线图（图1-4）

图1-4 等效阻力矩Mr和阻力功Ar曲线图
运用图解积分法对Mr进行积分求出Ar-φ曲线图，假设驱动力矩Md为恒定，由于插床机构在一种运动循环周期内做功相等，因此驱动力矩在一种周期内做功曲线为一斜直线并且与Ar曲线终点相交如图1-4中Ad所示，依照导数关系可以求出Md曲线（为一水平直线）。
4）作动能增量△Ｅ―φ线。
取比例尺 μＥ＝μＡ＝ＫμφμＭ（Ｊ／mm），动能变化△Ｅ＝Ａd－Ａr，
其值可直接由图1-4上Ａd（φ）与Ａr（φ）曲线相应纵坐标线段相减得到，由此可作出动能变化曲线Ad与Ar相减曲线图（如图1-5）。

图1-5 作动能增量△Ｅ―φ线图

5）计算飞轮转动惯量JF
已知 机器运转速度不均匀系数δ，机器在曲柄轴1上转速n1，
在图1-5中，ΔE最大和最小值，即ωmax和ωmin位置，相应纵坐标ΔEmax和ΔEmin之间距离gf，则

因此JF为：

三、图解微分法与图解积分法简介
1、图解微分法
下面以图1-3为例来阐明图解微分法作图环节,图1-3为某一位移线图，曲线上任一点速度可表达为:

图1-3 位移线图
其中dy和dx为s=s(t)线图中代表微小位移ds和微小时间dt线段，α为曲线s=s(t) 在所研究位置处切线倾角。
上式表白,曲线在每一位置处速度v与曲线在该点处斜率成正比,即v∝tgα,为了用线段来表达速度,引入极距K(mm),则
式中μv 为速度比例尺,μv = μs/μtK ( m/s/mm )。该式阐明当K为直角三角形中α角相邻直角边时,(Ktgα)为角α对边。由此可知,在曲线各个位置，其速度v与以K为底边,斜边平行于s=s(t)曲线在所研究点处切线直角三角形对边高度(Ktgα)成正比。该式正是图解微分法理论根据,按此便可由位移线图作得速度线图(v-t曲线),作图过程如下:
先建立速度线图坐标系v-1-t(图1-4),其中分别以μv和μt作为v轴和t轴比例尺，然后沿轴向左延长至o点,使o1= K(mm),距离K称为极距,点o为极点。过o点作s=s( t)曲线(图1-3)上各位置切线(图1-3中仅画出曲线上3'切线)平行线o2"、o3"...等,在纵坐标轴上截得线段12"、13"、14"...等。由前面分析可知,这些线段分别表达曲线在2'、3'、4'... 等位置时速度,从而很容易画出位移曲线速度曲线(图1-4a)。

图1-4.速度线图
a) 切线作图 b) 弦线作图
上述图解微分法称为切线法。该法规定在曲线任意位置处很精确地作出曲线切线，这经常是非常困难，因而事实上惯用“弦线”代替“切线”，即采用所谓弦线法,作图以便且能满足规定,现论述如下:
依次连接图1-3中s =s(t)曲线上相邻两点,可得弦线1'2'、2'3'、3'4'...等(图3中仅画出弦线2'3',学生作图时应严格画出每一弦线),它们与相应区间位移曲线上某点(例图1-3中N点)切线平行。当区间足够小时,该点(例N点)可近似以为在该区间(例2,3)中点垂直线上。因而咱们可以这样来作速度曲线:如图4b所示,按上述切线法建立坐标系v-1- t并取定极距K及极点o,从o点作辐射线o2'、o3'、o4'...等,使分别平行于弦线1'2'、2'3'、3'4'...并交纵坐标轴于2"、3"...等点。然后将相应坐标点投影相交,得到一种个小矩形(例图1-4b中矩形2cd3),则过各矩形上底中点(例图1-4b中e,f点等)光滑曲线,即为所求位移曲线速度线图(v-t曲线)。
2、图解积分法
图解积分法为图解微分法逆过程。
取极距Ｋ（mm），用图解积分法由力矩Ｍr―φ曲线求得力矩所做功Ａr―φ曲线（图1-4）。
由于
其中
故取Ａr―φ曲线纵坐标比例尺　
求Ａr理论根据如下：

四、编写计算阐明书
计算阐明书是学生阐明自己设计对的、合理，并供关于人员参照审视文献， 它是课程设计重要构成某些。其内容大体涉及：
１．设计题目，所有原始数据；
２．机构运动简图或设计方案拟定；
３．列出大小标题，简要阐明设计中所用原理和办法， 并写出必要计算公式或向量方程式画出向量多边形；
４．用表格列出计算成果，并画出重要曲线图；
５．对成果和误差进行分析讨论；
６．列出重要参照书目。
计算阐明书要用１６开报告纸书写，语句简捷，书写工整， 最后附上“插床导杆机构运动分析与动态静力分析图”和“插床飞轮转动惯量设计过程图”，并加上封面装订成册，装订顺序为：封面à设计任务书à计算阐明书正文à插床导杆机构运动分析与动态静力分析图à插床飞轮转动惯量设计过程图。送交指引教师批阅。
五、思考题
1. 在进行力分析时为什么必要严格按照杆组？
2. 在等效阻力矩线图中，对切削始点和切削终点，为什么Ｍr应取双值？
3. 为什么说飞轮在调速同步还能起到节能作用？为什么飞轮要尽量装在高速轴上。
参 考 资 料