机械原理课程说明书2.docx
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机械原理课程说明书2
机械原理课程设计说明书
设计题目：
机械计分计时器
学校：
武汉理工大学
班级：
机自zy1001班
姓名：
周光明
学号：
0121004930603
指导老师：
杨光
时间：
2012年9月24日至10月8日
前言
机械原理课程设计是机械类专业学生第一次全面的机械运动学和动力学分析的训练，是该课程的一个重要环节。
是培养学生机械运动方案设计、创新设计以及应用计算机对工程实际中各种机构进行分析和设计能力的环节。
其基本目的在于：
（1）进一步加深理论知识，培养独立解决问题的能力。
（2）构建完善对于机械运动学和动力学分析设计的完整概念。
（3）训练拟定运动方案、初步设计选型与组合、确定传动方案的能力。
（4）通过课程设计，提高运算、绘图、表达、运用计算机及查阅技术资料的能力。
机械原理课程设计的任务是对机械的主体机构（连杆、飞轮、凸轮等）进行设计和运动分析、动力分析。
根据给定机器的工作要求，设计凸轮。
根据给定机器的工作要求，对各机构进行运动分析。
1机械原理课程设计任务书
1.1课题名称：
机械计分计时器
1.2设计原因
本机器能够兼顾其他类似装置的优缺点。
常见市场上的计分器主要分为普通手动计分牌、普通电子计分器。
普通手动记分牌技术成本低，操作为翻转，动作麻烦，但是较为可靠。
电子计分器技术成本高、维修难度大，更重要的是需要供电，一旦断电就会失去使用价值，甚至会失去数据。
该计分器就上面两种计分器来说：
技术成本居中，维修难度低，可使用电机或者其他动力作为输入；操作简单可靠，不易发生错误。
计时器采用与计分器类似的机构，只是考虑了进制的实现。
1.3基本要求
1.3.1功能上的要求
机器设计的功能分为两部分：
①具有加减分的功能，分数的调节采用按钮或者旋钮，调节的结果会显示在仪表窗或者仪表盘上。
②具有电子秒表的功能，并且可以记的总时长可达一天。
对于时间的显示采用数字显示，且不会产生模糊数据。
1.3.2机构上的要求
机器的机构设计力求外形简单、加工容易、效率高。
2.原动机的选择
根据动力源的不同，常用原动机分为：
电动机、内燃机、液压马达（缸）和气压马达（缸），由于受到重量尺寸、初始成本、运转费用的限制，同时考虑工作环境、运动特性的配套，动力更加倾向电动机。
2.1电动机类型的选择
电动机是一种标准系列产品，使用时只需合理选择类型和参数即可。
对于计时器，由于时间的特点，故电动机使用直流供电，故采用直流电动机。
不采用交流电动机、步进电动机和伺服电动机。
由于整个机械系统的功率较小，而常用电动机尺寸较大、功率/重量也大，故采用非常用微型直流电动机。
技术参数如下：
工作电压：
1.5V-6.0V
空载电流：
150mA
额定功率：
0.5W左右
转速：
500-3000RPM
扭力：
0.1N·m左右
尺寸、、电机总长度、出轴直径均比较小。
电机选择960r/min
而机械计分器，应该采用步进电机。
2.2涡卷弹簧的使用
考虑到工作环境的限制，本套系统采用预备的第二套原动力，即涡卷弹簧储能放能。
平面涡卷弹簧的刚度较小，一般在静载荷下工作。
由于卷绕圈数可以很多，变形角大，因此能在较小的体积内存储较多的能量。
3.传动机构的选择与比较
3.1机械传动型式的选择
原动机与执行机构之间设置中间装置——传动装置，能够根据执行机构的工作要求，实现减速、增速、变速、改变运动形式或方位。
机械传动分为摩擦传动、啮合传动、液压传动和气压传动。
首先受到原动机的限制，只考虑摩擦传动与啮合传动。
从功率角度出发：
一般来说，啮合传动功率高于摩擦传动。
啮合传动中的蜗杆传动因为齿面相对滑动较大，发热量大效率低，不易传动较大的功率。
同步带传动因为材料关系不能传递的功率。
由于机械系统功率只有0.5W左右，因此优先考虑啮合传动。
从效率角度：
啮合传动的效率高于摩擦传动，但是圆柱蜗杆传动的效率可能低于摩擦传动。
因此优先采用齿轮传动。
从速度角度：
除螺旋传动和链传动外，啮合传动允许速度高于摩擦传动。
因此优先采用啮合传动。
从传动比：
由下表可知蜗轮传动能够实现最大传动比。
其他传动均处于同一水平。
因为机械要求精确的传动比，不能采用摩擦传动而应该采用啮合传动。
各种传动的传动比推荐范围
片带传动
≤6
V带传动
≦7
圆柱齿轮传动
开式
≦3~5
单级减速器
≦4~6
单级外啮合和内啮合减速器
3~9
圆柱齿轮传动
开式
≤5
单级减速器
≤5
蜗杆传动
开式
15~60
单级减速器
10~40
链传动
≤6
摩擦轮传动
≤5
从外形轮廓、尺寸、成本：
啮合传动比摩擦传动轻巧，但是成本较高。
啮合传动中蜗杆传动和内啮合行星传动的尺寸和重量较小。
综上所述，最终选用啮合传动。
而且优先考虑齿轮传动，其次是蜗轮传动。
3.2齿轮减速器的选择与比较
i=n1/n2=z2/z1即：
传动比=主动轴转速/从动轴转速=从动齿轮齿数/主动齿轮齿数
i=960（r/min）/（1r/min）=960
查阅“常用减速器的类型、特点及应用”可知：
1.采用两级齿轮减速器或者单级蜗杆减速器
2.由于蜗杆减速器的单向传动，与设计初始目标冲突，故而舍弃。
3.传动过程需要改变方向，方向相互垂直，采用圆锥圆柱齿轮减速器。
3采用周转轮系减速箱，可以大大减小齿轮尺寸，并能实现大传动比
综上采用周转轮系减速器。
注意：
圆锥齿轮应在高速级，以使圆锥齿轮尺寸不致太大，否则加工困难。
名称
推荐传动比范围
单级齿轮减速器
单机圆柱齿轮减速器
i≤8
单机圆锥齿轮减速器
i≤8
两级齿轮减速器
两级圆柱齿轮减速器
展开式
i=8~60
分流式
i=8~60
同轴分流式
i=8~60
圆锥圆柱齿轮减速器
i=8~22&8~40
三级齿轮减速器
略…
i=40~400&25~75
单机蜗杆减速器
i=10~80
二级蜗杆减速器
i=43~3600
行星齿轮减速器
略…
略…
A圆锥-圆柱齿轮减速器
图：
圆锥-圆柱齿轮减速器
B周转轮系
4.执行机构的选择与比较【选型and组合】
执行机构的运动形式有三种基本形态：
转动、移动和摆动。
注：
在上述图表中，标“*”的为本次设计涉及到的基本动作。
机械计分计时器主要分为显示机构的呈现，间歇定传动比机构的实现。
最终结果显示在仪表盘上。
4.1显示机构
显示带-显示窗显示盘-显示窗指针显示
显示带-显示窗：
显示带的上下移动能够在显示窗中显示数字，如果显示带为环状，则能够实现循环显示。
显示盘-显示窗：
轻松实现显示循环。
指针显示：
指针的移动，数字指示就会变动。
能够循环。
项目
要求
机构实现
机构简图
显示带-显示窗
双向/往复移动
带传动、链传动
带传动&链传动
显示盘-显示窗
转动（连续双向）
齿轮传动
齿轮传动，蜗轮蜗杆
指针显示
转动（连续双向）
齿轮传动
上表的要求并不要求非等速，再不要求显示循环的情况下，还存在如下三种方案：
A.凸轮-滚子实现0~9~0的凸轮设计
B.曲柄摇杆指针非均速传动
C.牛头刨床参考
由于设计目的是为了更易读，为此采用带轮显示，考虑到制
本，应采用成本更低的带传动。
D带轮显示
4.2间歇定传动比机构
间歇运动机构：
当主动件连续运动时，从动件出现周期性停歇状态的机构。
在间歇定传动比机构中，采用棘轮机构，不完全齿轮机构或者槽轮机构。
A.棘轮机构
原理:
当主动摇杆逆时针摆动时，摇杆上铰接的棘爪插入棘轮的齿间，推动棘轮同向转动一定角度。
当主动摇杆顺时针摆动时，止动爪阻止棘轮反向转动，此时棘爪在棘轮的齿背上滑回原位，棘轮静止不动。
B.不完全齿轮机构
原理：
从动轮每转一周的停歇时间、运动时间及每次转动的角度变化范围都较大，设计较灵活；但加工工艺复杂，从动轮在运动开始，终了时冲击较大，故一般用于低速、轻载场合。
C.槽轮机构
槽轮的设计
原理：
主动拨盘顺时针作等速连续转动，当圆销未进入径向槽时，槽轮因内凹的锁止弧被销轮外凸的锁止弧锁住而静止；圆销进入径向槽时，两弧脱开，槽轮在圆销的驱动下转动；当圆销再次脱离径向槽时，槽轮另一圆弧又被锁住，从而实现了槽轮的单向间歇运动。
方案比较：
因为棘轮是单向间歇，而槽轮是双向间歇，故而采用槽轮机构作为传动机构。
相比较三种方案：
棘轮机构运动开始和终止时都会产生冲击；运动精度较差;槽轮机构具有以下优点结构简单，工作可靠，效率高，能准确控制转动的角度。
常用于要求恒定旋转角的分度机构中。
其进入、退出啮合时，较棘轮平稳。
4.3暂态储能装置的设计
最终的装置理想要求是数字显示窗中的数字能够60进1。
即没到60不会进距离，能量是瞬间释放到显示装置上的。
到了60应快速进1.
首先，能够在一段距离的某个范围积累能量，在另一段距离释放能量。
在积累能量过程中需要储能，就需要用到弹簧，如前所述的涡卷弹簧和常用的螺旋拉伸（压缩）都可以用来储能，之后再释放能量。
采用涡卷弹簧时采用棘轮存储量、能量的释放采用弹开棘爪的方式。
为了在特定的位置顶开棘爪，采用凸轮更以准确实现。
还可采用棘轮延展成直线的方式：
上述两种方案都是正向储能反向放能的在线机构，但是由于第二种方案是非标准设计，带来加工制造的困难，必须舍弃不用。
5.机械传动系统速比和变速机构
周转轮系齿轮传动
iH1＝nH/n1=1/960
i14＝（n1-nH）/（n4-nH）
＝1-n1/nH＝-Z2Z4/Z1Z3
＝1-i1H
i1H＝1/iH1
得Z2Z4/Z1Z3=159/160
故Z1=32，Z2=137，Z3=28，Z4=120
此时有nH=1/960n1，准确实现了传动比。
6.执行机构尺寸
6.1一对标准齿轮几何尺寸的计算
名称
代号
计算公式
齿轮1
齿轮2
模数
m
根据强度计算或结构需要而定
2
2
齿数
Z
计算
32
137
压力角
α
α
20
20
分度圆直径
d
d=mz
64mm
274mm
齿顶高
ha
ha=ha*m
2mm
2mm
齿根高
hf
hf=（ha*+c*）m
2.5mm
2.5mm
全齿高
h
h=ha+hf
4.5mm
4.5mm
齿顶圆直径
da
da=d+2ha
68mm
278mm
齿根圆直径
df
df1=d-2hf
59.5mm
269mm
基圆直径
db
db=dcosα=mzcosα
60.1mm
257.45mm
齿距
p
p=πm
6.28mm
齿厚
s
s=πm/2
3.14mm
齿槽宽
e
e=πm/2
3.14mm
中心距
a
a=（d1+d2）/2=（z1+z2）
169mm
顶隙
c
c=c*m
0.5
0.5
基圆齿距
pb
pb=πmcosα
5.9mm
5.9mm
标准模数
第一系列
1,1.25,1.5,2,2.5,3,4,5,6,7,8,10,12,14,16,20,25,32,40,50
第二系列
1.75,2.25,2.75，（3.25），3.5,（3.75）,4.5,5.5,（6.5）,
7，9,（11）,14,18,22,28,36,45
6.2槽轮机构参数设计
槽轮机构的主要参数是槽数z和拨盘圆柱销数k。
在一个运动循环内，槽轮2的运动时间td对拨盘1运动时间t之比值τ称为运动特性系数。
设一槽轮机构，槽轮上有z个槽，拨盘上均匀分布的圆柱销数为K
7.设计总结
经过这次的课程设计,第一:
我又温习了一下机械原理课上所学的知识,并且尝试着把自己所学的书本知识和实践相结合.其次,在最初进行设计时,我曾主观认为这些东西是很简单的,但在我造完型后才发现,自己所给出的设计草图是很粗糙的,例如最初的设想是.装配完后,我认为本方案还是有很多的不足之处,。
在具体的装配过程中,最初我一直以为只要将各个零件之间的运动关系满足就好,进而在一开始时就忽略了装配前的种种定位,以至于在装配过程中出现问题时很难更改,只好全部删除,重新装配.浪费了不少时间,可见做任何事都是不能图快的,都得一步步认真细致的完成,才能事半功倍.
同时在进行课程设计时,我又额外学到了不少的东西,例如间歇机构中的槽轮机构的用途以及设计.,而且在实践中学到的东西更容易让我牢记.而且在CAD运用方面,也掌握到了一些以前不了解的一些窍门以及功能.
另外,经过这次实习,我真正感受到了实践的重要性,有一些想出来的东西我总是自然而然的认为它们正确,等到真正把自己所想的东西造出来时才发现,它们根本不能动,更不用说按给定规律动,可见以前的一些东西我掌握的过于浅薄.而且这种设计很能考察我们的分析问题、解决问题的能力,以及全方位考虑问题的能力.例如，平行放置的两导辊的转动方向如何，这一类的细节问题在一开始时我都忽略了不少。
经过这次设计实践，我体会到了交流与合作的重要性。
一个人的思路总会有些狭窄，就像刚开始我看我自己的设计总认为一定行得通，十分自信，但在造完型后和别的组的同学相互交流观摩之后，才恍然发现自己的设计存在着不少的漏洞，以至最后花大量的时间来修缮，但还不能把方案做的尽善尽美。
如果这一步放在设计的初期就进行的话，就能利于我更好地完成任务。
所以下次设计时我一定会重视与别人交流，多汲取别人想法中的精华，争取把任务完成的更好。
8.参考文献
【1】主编：
王三民书名：
机械原理与设计课程设计出版社：
机械工业出版社出版年月：
2004
【2】主编：
邹慧君书名：
机械原理课程设计手册出版社：
高等教育出版社出版年月：
1998
【3】主编：
彭文生，李志明，黄华梁书名：
机械设计出版社：
高等教育出版社出版年月：
2008
【4】主编；张佑林，王琳书名：
现代机械工程图学教程出版社：
科学出版社出版年月：
2007
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