机械原理课程设计.docx
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机械原理课程设计
机械原理课程设计
设计说明书
设计题目：
块状物品推送机的机构综合与机构设计
班级：
机制114
姓名
学号
同组人员
指导老师：
郭红利
完成时间：
2013年01月03日
摘要
输送机是在一定的线路上连续输送物料的物料搬运机械，又称连续输送机。
输送机可进行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路一般是固定的。
输送机输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。
可以单台输送，也可多台组成或与其他输送设备组成水平或倾斜的输送系统，以满足不同布置形式的作业线需要。
本文主要是对用于糖果、香皂等包裹机中的物品推送机进行设计，将块状物品从一位置向上推送到所需的另一位置，加强对机械设计的理解。
前言
未来输送机的将向着大型化发展、扩大使用范围、物料自动分拣、降低能量消耗、减少污染等方面发展。
大型化包括大输送能力、大单机长度和大输送倾角等几个方面。
水力输送装置的长度已达440公里以上带式输送机的单机长度已近15公里，并已出现由若干台组成联系甲乙两地的“带式输送道”。
不少国家正在探索长距离、大运量连续输送物料的更完善的输送机结构。
扩大输送机的使用范围，是指发展能在高温、低温条件下有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以及能输送炽热、易爆、易结团、粘性物料的输送机。
输送机的发展趋向是：
继续向大型化发展。
大型化包括大输送能力、大单机长度和大输送倾角等几个方面。
水力输送装置的长度已达440公里以上。
带式输送机的单机长度已近15公里，并已出现由若干台组成联系甲乙两地的"带式输送道"。
不少国家正在探索长距离、大运量连续输送物料的更完善的输送机结构。
扩大输送机的使用范围。
发展能在高温、低温条件下、有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以及能输送炽热、易爆、易结团、粘性的物料的输送机。
使输送机的构造满足物料搬运系统自动化控制对单机提出的要求。
如邮局所用的自动分拣包裹的小车式输送机应能满足分拣动作的要求等。
降低能量消耗以节约能源，已成为输送技术领域内科研工作的一个重要方面。
已将1吨物料输送1公里所消耗的能量作为输送机选型的重要指标之一。
减少各种输送机在作业时所产生的粉尘、噪声和排放的废气。
一、设计题目
块状物品推送机的机构综合与机构设计
在自动包裹机的包装作业过程中，经常需要将物品从前一工序转送到下一工序。
现要求设计一用于糖果、香皂等包裹机中的物品推送机，将块状物品从一位置向上推送到所需的另一位置。
1.1设计数据和要求
１.推送的距离Ｈ＝120mm，生产率为每分钟推送物品120件。
２.推送机的原动件为同步转速为3000ｒ／min的三相交流电动机，通过减速装置带动执行机构主动件等速转动。
３.由物品处于最高位置是开始，当执行机构主动件转过150°时，推杆从最低位置运动到最高位置，当主动件再转过120°时，推杆从最高位置又回到最低位置，最后当主动件再转过90°时，推杆在最低位置保持静止。
４.设推杆在上升过程中所受到的物品中立和摩擦力为常数，其大小为50Ｎ，推杆在下降过程中所受到的摩擦力为常数，大小为100Ｎ。
５.使用寿命为10年，每年工作300个工作日，每个工作日工作16小时。
６.在满足行程的条件下，要求推送机的效率较高（推程最大压力角应小于35°），结构紧凑，震动噪音小。
1.2设计任务
1.至少提出三种运动方案，然后进行方案分析评比，选出一种最优的方案进行机构综合设计。
2.确定电动机的功率与满载转速。
3.设计传动系统中各机构的运动尺寸，绘制机构的运动简图。
4.在假设电动机等速运动的条件下，绘制推杆在一个运动循环周期中位移、速度和加速度变化曲线。
5.如果希望执行机构主动件的转速波动系数小于3%，求应在执行机构主动件上轴上加多大转动惯量的飞轮（其他构件转动惯量忽略不计）。
6.编写最后的设计说明书、制作PPT。
7.感想与建议
二、方案讨论
2.1设计方案
方案一
凸轮－连杆组合机构
如图所示的凸轮－连杆组合机构也可以实现行程放大功能，在水平面得推送任务中，优势较明显，但在垂直面中就会与机架产生摩擦，加上凸轮与摆杆和摆杆与齿条的摩擦，积累起来，摩擦会很大。
方案二
凸轮机构
如图所示的凸轮机构，可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。
此外凸轮以等角速度回转，它的轮廓驱使从动件，可使推杆实现任意的运动规律。
但是行程较小，不能满不足设计要求。
方案三
蜗杆—蜗轮凸轮机构
如上图所示，方案结构简单紧凑，噪音小，运用蜗轮蜗杆传递动力，采用了带传动，凸轮机构回转运动，易于完成小范围内的物料推送任务，效率较高并且运动精确稳定效应迅速，可使推杆有确定的运动，符合设计目标。
2.2最优方案
经比较方案三其结构简单、紧凑并且传动平稳，运动精确。
所以最优方案为方案三。
三、机构分析
蜗杆—蜗轮凸轮机构
凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。
凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。
与凸轮轮廓接触，并传递动力和实现预定的运动规律的构件，一般做往复直线运动或摆动，称为从动件。
凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。
因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。
凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。
凸轮机构之所以得到如此广泛+的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。
是机械中的一种常用机构，在自动化和半自动化机械中应用非常广泛。
电动机是以电磁感应为原理来实现能量转换的一种设备，它将电能转换为机械能，是一种驱动电力机械。
带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。
带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，带传动通常由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的环形带组成。
带传动工作时所受的应力有：
1、由紧边和松边拉力产生的应力；2、由离心力产生的应力；3、带在带轮上弯曲产生的弯曲应力。
蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力。
蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条，蜗杆又与螺杆形状相似。
蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。
在此设计中，电动机将电能转换为机械能传递给带传动的一个齿轮，动力带动齿轮的转动，并且通过环形带将动力传至另一齿轮，带传动在这里的主要作用是将电动机的转速降低使得运动更加平稳。
齿轮转动带动蜗杆的转动随之将动力传至与其啮合的蜗轮上，齿轮的中心与凸轮的转动中心重合，所以动力使得凸轮转动并将推动从动件作往复直线运动，弹簧的主要作用是使得滚子与凸轮的连接更紧凑，同时起到缓冲作用，使得推杆的运动更加平稳。
启动电机，通过传送带传动蜗轮蜗杆带动凸轮转动，凸轮推动推杆运动。
当凸轮从最低点运动到最高点作推程运动时，推杆推送物品作上升运动，同时压缩弹簧。
凸轮从最高点作回程运动时，推杆在自身重力和弹簧弹力的作用下作下降运动。
电动机不断地提供电能带动整个装置的传动，完成构件上下往复运动，把一个物品从一个位置推送到另一个位置。
3.1凸轮的设计
从动件的运动规律：
由于推程为工作行程，需较好的稳定性和较大的推力故推杆推程运动规律选为等加速等减速运动；而回程只是配合推程，无需太严密的设计，但是仍然需要一定的稳定性，故回程运动规律选为五次多项式运动，
凸轮转速为n=120r/min,经程序运算和查询相关资料，已知推程h=120mm，最终尺寸确定为凸轮基圆半径r0=100mm,滚子半径rb=20mm；
3.2带轮的设计
（1）设计功率
P为名义传动功率KA为工作情况系数
（2）选择V带型号
根据计算功率及小带轮转速选择Z型V带
（3）确定小带轮基准直径
和
=
=
选取标准值
故符合要求
（4）确定中心距a和v带的基准长度
初定中心距
选择
V带基准长度
=
=
选取接近基准长度
（5）实际中心距
故
（6）小带轮包角
符合要求
（7）确定V带根数Z
取
（8）确定初拉力
（9）计算作用在带轮轴上的压力
3.3蜗轮蜗杆的设计
经过一级减速后，蜗杆的输入功率为1.5kw，转速为600r/min，传动比为4.73，工作载荷平稳，预计使用寿命为三年。
①选择材料
蜗轮材料：
CuSn10P1金属型
蜗杆材料：
404540Cr40CrNi42SiMn表面淬火
蜗杆表面硬度：
（45～55）HRC
②按齿面接触疲劳强度进行设计
蜗轮上的工作转矩
载荷系数K=Kα=1KβKγ=1.1
1
1=1.1
根据查表选择模数为4，分度圆直径为40mm，蜗杆头数为6，直径系数是10
③蜗杆和蜗轮主要参数与几何尺寸
蜗杆m=4，头数为6，分度圆直径d=40mm,直径系数是10,右旋；蜗轮m=4，齿数25，分度圆直径d=100mm。
蜗杆分度圆柱导程角γ=30.96°，蜗杆顶圆直径da1=48mm，蜗杆传动的中心距a=80mm
蜗轮分度圆直径d2=120mm，蜗轮喉圆直径da2=128mm，蜗轮螺旋角系数Yγ=0.78，蜗轮齿形系数YF=1.59，蜗轮头数Z2=30
蜗杆分度圆柱导程角γ=30.96°，蜗杆顶圆直径da1=48mm，蜗杆传动的中心距a=80mm
四、动力分析
4.1电动机的选择
根据所给的数据要求原动件为同步转速为3000ｒ／min的三相交流电动机，通过减速装置带动执行机构主动件等速转动。
推程运动角为150°回程运动角为120°远休止角为0°近休止角为90°
凸轮转角
０°～１５０°
１５０°～２７０°
２７０°～３６0°
推杆
上升
下降
停止
机构在一个周期内的阻力变化曲线如图：
计算可知,在一个工作周期T=0.5s中，
阻力功
=（500
120+100
120）
0.001=0.072J；
阻力功率P1=W/T=0.144J/s，
机构总效率η=η1
η2
η3
η4
η5=0.3826；
机构驱动力功率P2=P1/η=0.3764J/s=1.36kw
查《机械设计手册》第五版第四卷可知，电动机功率应确定为1.5kw，电动机满载转速为3000r/min。
Y系列电机常用型号对照表
型号
额定
功率
额定
电流
转速
效率
功率
因数
堵转
转矩
堵转
电流
最大
转矩
噪声
振动
速度
重量
额定
转矩
额定
电流
额定
转矩
1
级
2
级
kW
A
r/min
%
COSФ
倍
倍
倍
dB（A）
mm/s
kg
同步转速3000r/min2级
Y80M1-2
0.75
1.8
2830
75.0
0.84
2.2
6.5
2.3
66
71
1.8
17
Y80M2-2
1.1
2.5
2830
77.0
0.86
2.2
7.0
2.3
66
71
1.8
18
Y90S-2
1.5
3.4
2840
78.0
0.85
2.2
7.0
2.3
70
75
1.8
22
Y90L-2
2.2
4.8
2840
80.5
0.86
2.2
7.0
2.3
70
75
1.8
25
Y100L-2
3
6.4
2880
82.0
0.87
2.2
7.0
2.3
74
79
1.8
34
Y112M-2
4
8.2
2890
85.5
0.87
2.2
7.0
2.3
74
79
1.8
45
Y132S1-2
5.5
11.1
2900
85.5
0.88
2.0
7.0
2.3
78
83
1.8
67
Y132S2-2
7.5
15
2900
86.2
0.88
2.0
7.0
2.3
78
83
1.8
72
Y160M1-2
11
21.8
2930
87.2
0.88
2.0
7.0
2.3
82
87
2.8
115
Y160M2-2
15
29.4
2930
88.2
0.88
2.0
7.0
2.3
82
87
2.8
125
Y160L-2
18.5
35.5
2930
89.0
0.89
2.0
7.0
2.2
82
87
2.8
145
Y180M-2
22
42.2
2940
89.0
0.89
2.0
7.0
2.2
87
92
2.8
173
Y200L1-2
30
56.9
2950
90.0
0.89
2.0
7.0
2.2
90
95
2.8
232
Y200L2-2
37
69.8
2950
90.5
0.89
2.0
7.0
2.2
90
95
2.8
250
Y225M-2
45
84
2970
91.5
0.89
2.0
7.0
2.2
90
97
2.8
312
Y250M-2
55
103
2970
91.5
0.89
2.0
7.0
2.2
92
97
4.5
387
Y280S-2
75
139
2970
92.0
0.89
2.0
7.0
2.2
94
99
4.5
515
Y280M-2
90
166
2970
92.5
0.89
2.0
7.0
2.2
94
99
4.5
566
Y315S-2
110
203
2980
92.5
0.89
1.8
6.8
2.2
99
104
4.5
922
Y315M-2
132
242
2980
93.0
0.89
1.8
6.8
2.2
99
104
4.5
1010
Y315L1-2
160
292
2980
93.5
0.89
1.8
6.8
2.2
99
104
4.5
1085
Y315L2-2
200
365
2980
93.5
0.89
1.8
6.8
2.2
99
104
4.5
1220
Y355M1-2
220
399
2980
94.2
0.89
1.2
6.9
2.2
109
4.5
1710
Y355M2-2
250
447
2985
94.5
0.90
1.2
7.0
2.2
111
4.5
1750
Y355L1-2
280
499
2985
94.7
0.90
1.2
7.1
2.2
111
4.5
1900
Y355L2-2
315
560
2985
95.0
0.90
1.2
7.1
2.2
111
4.5
2105
根据设计要求，所选用的电动机型号为Y90S-2,额定功率为1.5KW，转速为2840r/min
总传动比为i总=2840/120=23.67
分配传动比，采用二级减速器，第一级减至600r/min，第二级减至120r/min，故选择传动比分别为i=2840/600=4.73和i=600/120=5。
4.2减速系统的设计
带传动的优点：
（1）适用于中心距较大的传动；
（2）带具有良好的挠性，可缓和冲击，吸收振动；（3）过载时带与带轮间会出现打滑，打滑虽然使传动失效，但可防止损坏其他零件；（4）机构简单、成本低廉。
带传动的缺点：
（1）传动的外廓尺寸较大；
（2）需要张紧装置；（3）由于带的滑动，不能保证固定不变的传动比；（4）带的寿命较短；（5）传动效率较低。
通常，带传动适用于中小功率的传动。
目前V带传动应用最广，一般带速为V=5≈25m/s，传动比i≦7，传动效率0.9至0.95。
本机构原动件为一高速电动机，其同步转速为3000r/min,但我们所需要的是转速是120/min,所以要减速，对于减速装置我们采用的是皮带加齿轮的方法。
第一级降速是用皮带减速，减为600r/min,第二级采用蜗轮蜗杆减速至120r/min。
4.3飞轮转动惯量的近似计算
设计所飞轮的JF应满足：
δ≤[δ]＝0.03△Wmax=0.0162J
即：
δ=△Wmax/[（Je+Jf）]
≤[δ]，
=4
得：
Jf≥△Wmax/（[δ]）
-Je
一般情况下，Je<Jf≥△Wmax/（[δ]
）=0.00342kg
用转速n表示：
Jf≥900△Wmax/
=0.00342kg
五、设计感想与建议
无论做什么都要勇敢的去尝试，最可怕的不是不会，而是畏惧和放弃。
在这次课程设计中我们小组所选题目为块状物品推送机构的设计，推送机是在一定的线路上连续输送物料的物料搬运机械，输送线路一般是固定的。
可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。
本次设计主要是对用于糖果、香皂等包裹机中的物品推送机进行设计，将块状物品从一位置向上推送到所需的另一位置，加强了对机械设计的理解。
此机构在工业生产中运用十分广泛，所以对此进行一次结构的设计对于我们来说是一次锻炼，同时也能加强我们对机械原理这门学科基础课的理解与运用。
将理论与实践相结合，这正是为我们学习中所缺少的，通过课程设计锻炼我们这方面的能力是很有必要的。
拿到这个题目，我们各自都做了认真的思考，同时在此之前我们都进行了资料收集为我们的方案做准备，知道了自己要干什么，大家一起讨论，提出自己的方案。
然后其他人又进行建议和补充，使得方案更完善，并对每一种的方案的原理进行了分析，分析每一种方案的利与弊，考虑设计的原则进行优化设计，找出最优方案。
对最优方案做更深层的分析，从动力装置，传动装置，等各方面分析，作出位移、速度、加速度的曲线图，分析其运动轨迹。
因为之前做过两次大作业（凸轮和连杆），有了一定的基础，所以在做这次的设计时有了经验就得心应手，大家在一起进行了分工，大家都把自己的那部分尽量做得很丰富，让这次的设计更加完善。
在这次的设计过程中，我觉得很多用到的知识都是很基础的，看似很难，其实则不然，都是在最基础的知识上进行一些细的雕琢，同时感觉到我们的知识储备还是不够的，在使用一些知识还不够熟练，还有待更深的学习，学习到了一定的时候，很多知识都是相通的，我们在设计过程中不仅要考虑机构能否传动运输，同时还要考虑提供的动力装置性能是否稳定，是否经济环保等，这些都不可少的。
在这次课程设计当中我们学会了很多，作为学机械设计的一名学生，我觉得不仅是知识的，也有其他方面的东西。
在以后的生活中还要继续努力学习，学习更多的知识，并且运用于实践当中，创造更多的价值。
滴水穿石，非一日之功，是日积月累下来的，知识也是一样的，只有打好坚实的基础，才能盖起高楼大厦，才能在这方面有所建树。
六、参考资料
《机械设计手册》第五版第三卷第四卷第五卷
《机械原理》高等教育出版孙恒主编
《C语言教程》清华大学出版社谭浩强主编
《机械原理课程设计实习指南》机电学院郭红利主编
《材料力学》高等教育出版社单辉祖主编
《机械设计》高等教育出版社邱宣怀主编
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