机械原理课程设计例题实例.doc

《机械原理》课程设计
计算说明书

设计题目：健身球检验分类机

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日 期：

目 录

设计任务书············································
设计方案说明··········································
一、设计要求··········································
二、方案确定··········································
三、功能分解··········································
四、选用机构··········································
五、机构组合设计······································
六、运动协调设计······································
七、圆柱直齿轮设计····································
八、方案评价··········································
参考文献···············································
设计小结···············································

方案设计说明
一.设计要求
设计健身球自动检验分类机，将不同直径尺寸的健身球按直径分类。检测后送入各自指定位置，整个工作过程（包括进料、送料、检测、接料）自动完成。
健身球直径范围为ф40～ф46mm，要求分类机将健身球按直径的大小分为三类。
1. ф40≤第一类≤ф42
2. ф42<第二类≤ф44
3. ф44<第三类≤ф46
电机转速：720r/min，生产率（检球速度）20个/min。
二.方案确定
初选了三种设计方案，如下：
方案一：

方案二：

方案三：

方案三：

(方案评分标准，由好到差依次为3，2，1分)
方案
链长
效率
价格
重量
总分
一
2
1
2
2
7
二
1
3
3
1
8
三
3
3
1
2
9
比较：方案一为整体布局最小，传动平稳，而且可以实现较大的传动比，但是工作时间长，接料机构不易控制，功率损失大，很不经济。方案二布局比较小，但传动效率低，传动不精确，所以一般不采用。方案三布局一般，但只需用一台电机和一台减速器，传动效率好，较平稳，加工比较方便，且适合长期的工作环境。最终确定方案三。
三.功能分解
送料机构：健身球通过一细长管道逐个落到与滑道固连的平台上。同时，由电动机带动的一系列齿轮经过变速后带动左侧的平底直动从动件凸轮机构，使得与平底固连的推杆每隔一段时间就可将健身球推向滑道。由滑道传送。
分料机构：该装置由一根传动轴将三个固连在一起互为120°的转页和一个直齿锥齿轮连接在一起，转页与锥齿轮的次序为从上到下分料槽由护沿围着，以防止健身球随着转页转动时候滚落。将护沿形成的宽度为50mm的滚道分成三个互为120°的区域。各区域内分料槽宽度设计为42mm，44mm，46mm。入料口开在宽度为42mm分料槽护沿处。分别各分料槽下设收容器，分别接直径小于42mm，44mm和46mm的球。转页转速ω= rad/s。

四.选用机构
送料机构：根据动作要求，由于机构要具有停歇功能，且要进行运动变换，固选择对心平底推杆盘形凸轮机构。
分料机构：由工艺动作可得，该机构选用齿轮机构。
五.机构组合设计
1. 组合方式
为使机构能够顺利工作，采用串联的结构组合。
2. 机构传动比计算
1）送料机构

第一级：皮带传动 i0=2
第二级：直齿圆柱齿轮传动 i1=3
第三级：直齿圆柱齿轮传动 i2=3
第四级：直齿圆锥齿轮传动 i3=2
2）分料机构
第四级：直齿圆锥齿轮传动 i3=2
3）齿轮设计
直齿轮设计：
齿轮编号
齿数
模数
齿顶高
齿根高
分度圆
齿顶圆
齿根圆
直齿轮1
34
2
2
2.5
64
72
59
直齿轮2
108
2
2
2.5
116
220
111
直齿轮3
34
2
2
2.5
64
72
59
直齿轮4

108
2
2
2.5
116
220
111
锥齿轮设计：
齿轮编号
齿数
分锥角
锥齿轮5
18
26.57°
锥齿轮6
36
63.43°
锥齿轮7
18
26.57°
锥齿轮8
36
63.43°
4) 凸轮设计
根据已知的运动规律及凸轮基本尺寸，用解析法设计直动平底推杆盘形凸轮机构的凸轮轮廓曲线，并用计算机校核凸轮运动的位移，速度，加速度。推杆进程电机驱动，回程用弹簧驱动。
凸轮转一周所需时间3s，角速度ω= rad/s,推程运动角=150°，远休止角=30°，回程运动角=120°，近休止角=60°，推杆行程h=40mm，基圆半径取80mm。
凸轮的运动规律为简谐运动：
推程时运动方程：

回程时运动方程：

凸轮相应位移，速度，加速度计算：
在O～360°的范围内每隔30°给一个角度值δ进行计算。下表中为相应位移，速度，加速度，及凸轮轮廓线的坐标值。
转角
0°
10°
20°
30°
40°
50°
位移s
0
0.219
0.865
1.910
3.309
5
速度v
0
0.091
0.178
0.258
0.326
0.380
加速度α
0.019
0.019
0.018
0.016
0.010
0.006
转角
60°
70°
80°
90°
100°
110°
位移s
6.910
8.955
11.045
13.090
15
16.691
速度v
0.417
0.436
0.436
0.417
0.380
0.326
加速度α
0.002
-0.002
-0.006
-0.010
-0.016
-0.018
转角
120°
130°
140°
150°
150°～180°
位移s
18.090
19.135
19.781
20
20
速度v
0.258
0.178
0.091
0
0
加速度α
-0.016
-0.018
-0019
-0.019
0
转角
180°
190°
200°
210°
220°
230°
位移s
20
19.659
18.660
17.071
15
12.588
速度v
0
-0.142
-0.274
-0.388
-0.475
-0.530
加速度α
-0.030
-0.029
-0.026
-0.021
-0.015
-0.008
转角
240°
250°
260°
270°
280°
290°
位移s
10
7.412
5
2.930
1.340
0.341
速度v
-0.548
-0.530
-0.475
-0.388
-0.274
-0.142
加速度α
0
0.008
0.015
0.021
0.026
0.029
转角
300°
300°～360°
位移s
0
0
速度v
0
0
加速度α
0.030
0

位移、速度、加速度与角度的关系如下：

六.运动协调设计
凸轮转角
0°～150°
150°～180°
180°～300°
300°～360°
送料机构
快进
休止
快退
休止
分料机构
单步进旋转
七.直齿圆柱齿轮设计（在此仅计算第二级齿轮，所用公式及图表均出自《机械设计》）
1.齿轮的材料，精度和齿数选择
因传递功率不大，转速不高，材料按表7-1选取，都采用45号钢，锻选项毛坯，大齿轮、正火处理，小齿轮调质，均用软齿面。齿轮精度用8级，轮齿表面精糙度为Ra1.6，软齿面闭式传动，失效形式为占蚀，考虑传动平稳性，齿数宜取多些，取Z1=34 则Z2= i Z1=3×34=108
2.设计计算。
（1）设计准则，按齿面接触疲劳强度计算，再按齿根弯曲疲劳强度校核。
（2）按齿面接触疲劳强度设计，由式（7-9）

T1=9.55×106×P/n=9.55×106×5.42/384=134794 N·mm
由图7-6选取材料的接触疲劳，极限应力为
бHILim=580MPa бHILin=560MPa
由图 7-7选取材料弯曲疲劳极阴应力
бHILim=230MPa бHILin=210MPa
应力循环次数N由式（7-3）计算
N1=60n, at=60×(8×360×10)=6.64×109
N2= N1/u=6.64×109/2.62=2.53×109
由图7-8查得接触疲劳寿命系数； ZN1=1.1 ZN2=1.04
由图7-9查得弯曲； YN1=1 YN2=1
由图7-2查得接触疲劳安全系数： SFmin=1.4 又YST=2.0 试选Kt=1.3
由式(7-1)(7-2)求许用接触应力和许用弯曲应力

将有关值代入式(7-9)得

则V1=(πd1tn1/60×1000)=1.3m/s
(V1Z1 /100)=1.3×(34/100)m/s=0.44m/s
查图7-10得Kv=1.05 由表7-3查和得KA=1.25.由表7-4查得
Kβ=1.08.取Kα=1.05.则KH=KAKvKβKα=1.42 ,修正
则 m=d1/Z1=1.96mm
由表7-6取标准模数：m=2mm
(3) 计算几何尺寸
D1=mZ1=2×34=68mm
D2=mZ1=2×108=216mm
a=m(Z1＋Z2)/2=142mm
b=φddt=1×68=68mm
取 B2=65mm 则 B1=B2+5=70mm
3.校核齿根弯曲疲劳强度
由图7-18查得， YFS1=4.1， YFS2=4.0 取Yε=0.7
由式(712)校核大小齿轮的弯曲强度.

八．方案评价
运动精确性:由于齿轮设计和凸轮设计都是按照检球速度20个/分来设计,因此凸轮和锥齿轮的转动速度都是20转/分。
运动平稳性:由于从电机到减速器采用带传动，齿轮的尺寸适中且工作速度适中,因此传动比较平稳。
结构紧凑性：通过一个电动机实现送料机构、变速机构、分料机构的工艺动作，且外形尺寸比较合理，结构较紧凑。但健身球也可能发生被卡而不能滚下斜坡。
参考文献
1.《机械原理》第七版 主编：孙恒 陈作模 高等教育出版社 2006
2.《机械原理课程设计指导书》主编：裘建新 高等教育出版社 2005
3.《《机械设计》 主编： 徐锦康 机械工业出版社
4.《机械原理与设计课程设计》 主编：王三民 机械工业出版社 2004
5.《机械原理课程设计手册》主编：邹慧君 高等教育出版社 1998
设计小结
机械原理设计课程设计是机械设计制造及其自动化专业教学活动中不可或缺的一个重要环节。通过了课程设计使我从各个方面都受到了机械设计的训练，对机械的有关各个零部件有机的结合在一起得到了深刻的认识。
此次机械原理课程设计题目很有意义考察的知识点也很全面，有凸轮设计及结构分析，还有援助齿轮，圆锥齿轮的设计及电动机的选择等，还有CAD制图，以及各种设计方案的比较，这不仅培养了我综合应用大学四年里所学的理论知识和生产实际知识解决工程实际问题的能力，还培养出了我们的团队合作精神。全体组员共同探讨，解决了许多个人无法解决的问题。同时，我深刻地认识到了自己在知识的理解和接受应用方面的不足。由于这次设计时间紧迫，有很多地方还有不足，有待改进，今后的学习过程中，我会更加认真努力学习！
由于在设计方面我们没有经验，理论知识学的不牢固，在设计中难免会出现这样那样的问题，如：在选择计算齿轮组时可能会出现误差，如果是联系紧密或者循序渐进的计算误差会更大，在查表和计算上精度不够准