麦秸打包机机构有3D图.docx
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麦秸打包机机构有3D图
机械原理课程设计
设计计算说明书
设计题目：
麦秸打包机机构及传动装置设计
设计者：
学号：
专业班级：
机械工程及自动化班
指导教师：
完成日期：
20年月日
天津理工大学机械工程学院
一、设计题目
1.1设计目的…………………………………………………………2
1.2设计题目…………………………………………………………2
1.3设计条件及设计要求……………………………………………3
1.4设计任务…………………………………………………………3
二、执行机构运动方案设计
2.1功能分解与工艺动作分解………………………………………4
2.2方案选择与分析…………………………………………………4
2.3执行机构设计……………………………………………………25
2.4执行机构运动分析………………………………………………32
2.5机械系统方案设计运动简图……………………………………33
2.6执行机构运动循环图……………………………………………33
三、传动系统方案设计
3.1传动方案设计……………………………………………………35
3.2电动机的选择……………………………………………………36
3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配………………………38
3.4传动装置的运动和动力参数计算………………………………39
四、设计小结……………………………………………………………41
五、参考文献……………………………………………………………44
六、附件……………………………………………………………………45
一设计题目
1.1设计目的
机械原理课程设计是我们第一次较全面的机械设计的初步训练，是一个重要的实践性教学环节。
设计的目的在于，进一步巩固并灵活运用所学相关知识；培养应用所学过的知识，独立解决工程实际问题的能力，使对机械系统运动方案设计（机构运动简图设计）有一个完整的概念，并培养具有初步的机构选型、组合和确定运动方案的能力，提高我们进行创造性设计、运算、绘图、表达、运用计算机和技术数据诸方面的能力，以及利用现代设计方法解决工程问题的能力，以得到一次较完整的设计方法的基本训练。
机械原理课程设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个构件的尺寸等进行构思、分析和计算，是机械产品设计的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。
为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。
1.2设计题目
麦秸打包机机构及传动装置设计
设计一个机构，使人工将麦秸挑到料仓上方，撞板B上下运动（不一定是直线运动）将麦秸喂入料仓，滑块A在导轨上水平往复运动，将麦秸向料仓前部推挤。
每隔一定时间往料仓中放入一块木板，木版的两面都切出两道水平凹槽。
这样，麦秸将被分隔在两块木版之间并被挤压成长方形。
从料仓侧面留出的空隙中将两根弯成∏型的铁丝穿过两块木版凹槽留出的空洞，在料仓的另一侧将铁丝绞接起来，麦秸即被打包，随后则被推出料仓。
打包机由电动机驱动，经传动装置减速，再通过适当的机构实现滑块和撞板的运动。
传动装置方案建议：
带传动+二级圆柱斜齿轮减速器；
1.3设计条件及设计要求
执行构件的位置和运动尺寸如图所示，当滑块处于极限位置A1和A2时，撞板分别处于极限位置B1和B2，依靠重力将麦秸喂入料仓。
一个工作循环所需时间为T，打包机机构的输入轴转矩为M。
其余尺寸见下表：
方案号
T（s）
M（Nm）
l1（mm）
l2（mm）
l3（mm）
l4（mm）
l5（mm）
l6（mm）
9
2.5
1120
300
400
260
860
200
620
说明和要求：
（1）工作条件：
一班制，田间作业，每年使用二个月；
（2）使用年限：
六年；
（3）生产批量：
小批量试生产（十台）；
工作周期T的允许误差为±3%之内；
1.4设计任务
1、执行机构设计及分析
1）执行机构的选型及其组合
2）拟定执行机构方案，并画出机械传动系统方案示意图
3）画出执行机构的运动循环图
4）执行机构尺寸设计，画出总体机构方案图，确定其基本参数、标明主要尺寸
5）画出执行机构运动简图
6）对执行机构进行运动分析
2、传动装置设计
1）选择电动机
2）计算总传动比，并分配传动比
3）计算各轴的运动和动力参数
3、撰写课程设计说明书
二、执行机构运动方案设计
2.1功能分解与工艺动作分解
1）功能分解
为了实现打包机打包的总功能，将功能分解为：
滑块的左右运动，撞板的上下运动。
2）工艺动作过程
要实现上述分功能，有下列工艺动作过程：
（1）滑块向前移动，将草杆向右推。
（2）滑块快速向左移动同时撞板向下运动，将草杆打包。
（3）当撞板向下移动到最大位移处时，滑块也将再次准备向右移动，至此，此机构完成了一个运动循环。
2.2方案选择与分析
1.概念设计
根据以上功能分析，应用概念设计的方法，经过机构系统搜索，可得“形态学矩阵”的组合分类表，如表1所示。
表1组合分类表
滑块左右移动
曲柄导杆机构
曲柄滑块机构
组合机构
连杆机构
撞板上下移动
曲柄导杆机构
曲柄滑块机构
组合机构
连杆机构
因滑块左右移动与撞板上下移动可用同一机构完成，故可满足打包机总功能的机械系统运动方案有N个，即N＝2×2×2×2个＝16个。
运用确定机械系统运动方案的原则与方法，来进行方案分析与讨论。
2.方案选择
2-2-1滑块移动机构的方案选择
滑块左右运动的主要运动要求：
主动件作回转或摆动运动，从动件（执行构件）作直线左右往复运动，行程中有等速运动段（称工作段），机构有较好的动力特性。
滑块左右运动方案1:
摇杆滑块机构
滑块左右运动方案3:
牛头刨往复机构
滑块左右运动方案4:
齿轮齿条滑块急回机构
滑块左右运动方案5:
连杆滑块机构
滑块左右运动方案6:
曲柄摇块连杆机构
滑块左右运动方案7:
凸轮连杆机构
滑块左右运动方案8:
齿轮齿条滑块机构
滑块左右运动方案9:
凸轮滑杆机构
滑块左右运动方案10:
连杆滑块机构
滑块左右运动方案11:
内凸轮机构
滑块左右运动方案12
滑块左右运动方案13
滑块左右运动方案14:
曲柄摇杆机构
表2.冲压机构部分运动方案定性分析
方
案
号
主要性能特征
功能
功能质量
经济适用性
运动变换
增力
加压时间①
一级传动角②
二级传动角
工作平稳性
磨损与变形
效率
复杂性
加工装配难度
成本
运动尺寸
１
满足
无
较短
较小
---
较平稳
一般
高
简单
易
低
小
２
满足
无
较短
小
---
较平稳
剧烈
较高
较复杂
易
一般
小
３
满足
无
长
较小
---
有冲击
剧烈
较高
较复杂
较难
较高
大
４
满足
无
长
较小
---
一般
一般
较高
较复杂
一般
一般
大
５
满足
无
长
大
---
一般
一般
高
较复杂
较难
一般
大
６
满足
无
较短
较小
---
一般
一般
高
简单
易
低
大
７
满足
强
短
较大
---
一般
一般
高
较复杂
难
一般
小
８
满足
较强
短
较大
---
一般
一般
高
较复杂
较难
一般
小
9
满足
强
长
较大
---
有冲击
一般
较高
较复杂
易
高
大
10
满足
弱
短
较大
较大
有冲击
剧烈
较高
复杂
最难
高
较小
11
满足
弱
长
大
---
一般
一般
高
较简单
一般
一般
大
12
满足
弱
较短
较小
较大
一般
一般
高
复杂
一般
较高
小
13
满足
强
较短
大
大
较平稳
低
较高
简单
易
一般
大
14
满足
强
短
小
---
较平稳
一般
较高
复杂
难
高
较大
注：
①加压时间是指在相同施压距离内，滑块向右移动所用的时间，越长则越有利。
②一级传动角指连杆机构的传动角；二级传动角指六杆机构或连杆复合机构中后一级机构的传动角。
③评价项目应因机构功能不同而有所不同。
对以上方案初步分析如表2。
从表中的分析结果不难看出，方案9，13，14，16，18的性显较差；方案3，4，7，8，11，12，尚可行且有较好综合性能并各自都有特点，这七个方案可作为被选方案，待运动设计，运动分析和动力分析后，通过定量评价选出最优方案
2-2-2.撞板下压机构方案选择
撞板下压机构的主要运动要求：
主动件作回转或摆动运动，从动件（执行构件）作直线上下往复运动，行程中有等速运动段（称工作段），机构有较好的动力特性。
根据功能要求，考虑功能参数（如生产率、生产阻力、行程和行程速比系数等）及约束条件，可以构思出如下能满足从动件（执行构件）作直线上下往复运动的一系列运动方案。
滑块左右运动方案1增力机构
滑块左右运动方案2:
凸轮机构
滑块左右运动方案3:
凸轮连杆机构
滑块左右运动方案4:
连杆滑块机构
滑块左右运动方案5:
连杆滑块机构
滑块左右运动方案6:
连杆滑块机构
滑块左右运动方案7:
连杆—齿轮齿条机构
滑块左右运动方案8:
不完全齿轮齿条机构
滑块左右运动方案9:
内凸轮滑块机构
滑块左右运动方案10:
凸轮连杆机构
表3送料机构部分运动方案定性分析
方
案
号
功能
功能质量
经济适用性
运动变换
加压时间①
一级传动角②
二级传动角
平稳性
磨损与变形
运动效率
复杂性
加工装配难度
成本
运动尺寸
1
满足
可较长
小
较大
一般
小
较大
一般
易
底
较大
2
满足
长
一般
---
有冲击
大
较大
一般
较难
较高
大
3
满足
较长
一般
较大
一般
小
较大
一般
一般
一般
较大
4
满足
较短
一般
---
较好
较大
一般
较复杂
较难
底
较小
5
满足
较长
一般
---
有冲击
大
较大
一般
较难
底
较大
6
满足
较短
一般
较大
一般
小
较大
较难
较难
较高
一般
7
满足
较长
一般
较大
一般
大
较大
较难
较难
高
小
8
满足
较长
一般
---
有冲击
大
较大
一般
一般
较高
大
9
满足
较短
一般
---
较好
一般
一般
一般
一般
一般
较小
10
满足
较长
一般
较大
有冲击
一般
一般
较复杂
一般
较高
较大
注：
①加压时间是指在相同施压距离内，撞板向下移动所用的时间，越长则越有利。
②一级传动角指连杆机构的传动角；二级传动角指六杆机构或连杆复合机构中后一级机构的传动角。
③评价项目应因机构功能不同而有所不同。
对以上方案初步分析如表3。
从表中的分析结果不难看出：
◆方案3，7，14，15的性显较差；
◆方案1，3，6，10，11，12尚可行且有较好综合性能并各自都有特点；
这六个方案可作为被选方案，待运动设计，运动分析和动力分析后，通过定量评价选出最优方案。
2-2-3执行机构运动方案的形成（机构组合成型）
机器运转必须有确定的执行机构按一定规律进行运动，而构成执行机构的各工作机都是按照能够实现某一确定的运动并符合设计要求的单一构件，从所设计的数十种机构中进行方案分析、性能分析、优化等等一系列的筛选，最终选定并确定最优方案。
将能实现总体运行方案的机构有机的组合，形成一个运动和动作协调配合的机构系统。
为使各执行构件的运动、动作在时间上相互协调一致，各机构的原动件通常由同一构件（分配轴）统一控制。
经过上述对各种方案的列举，将能够实现麦秸打包机系统的有效方案组合，大致有如下几种方案可供选择：
1）对心曲柄滑块——偏心式肘节机构组合
如图【1】所示，此方案将对心曲柄滑块和偏心式肘节机构进行组合，机构简单，工艺动作容易实现，将俩机构的原动件组合成一体由水平方向上担任，增力机构的连杆和滑块相铰接，以此来满足运动需求，这样在滑块左右运动的同时，撞板也上下运动完成一个完整的周期，运动和水平滑块协调一致，撞板能获得较大的增力效果，方案能满足麦秸打包成型的要求，但所占用的空间体积较大，实现同样的运动效果需要的连杆长度长。
图【1】对心曲柄滑块—偏心式肘节机构组合
2）曲柄滑块机构组合（杠杆原理）
如图【2】所示，将曲柄滑块利用杠杆原理进行有机结合，形成方案，原动件在驱动滑块水平运动时，由于连杆中点和另外一杆铰接，铰接点作近似椭圆运动，所以保证了运动的稳定性（软件模拟仿真运行状况良好），但对于连接撞板的连杆运动时的摆动角度大，实现幅度大，传力性能稍低，最主要是铰接滑块点的位置不好确定，计算复杂程度大，满足行程与原动件长度比较大。
图【2】曲柄滑块机构组合
3）曲柄滑块——压力机机构组合
如图【3】所示机构由曲柄滑块和压力机机构简图组合而成。
机构经中间连杆铰支支撑连接，将主动件所能到达的行程放大很大倍数，这样就保证撞板的运动空间能达到设计要求，滑块直接和主动件相连接，运动方面两者不会发生干涉现象，但方案整体上所占用的空间比较大，成本较高，不经济。
图【3】曲柄滑块——压力机机构组合
4）空间凸轮——肘节增力机构组合
如图【4】所示机构为圆柱凸轮和滑块增力机构的组合。
空间凸轮结构能够实现任意复杂的运动规律，如移动、摆动等，可将转动改变为平动，但是由于轮廓曲线与从动件之间是点或线接触的高副，易磨损，不能用于传力太大的场合，且传递行程由限，获得较大行程需增大圆柱体积，占用空间大，成本高。
图【4】空间凸轮——滑块增力机构组合
5）凸轮组合机构
图【5】所示为凸轮连杆组合机构。
主动件为凸轮，在凸轮上并接连杆作为滑块动力源，滚子从动件将撞板行程放大得到所需，此设计的不足在于凸轮轮廓曲线的成型与加工有困难，再者滚子和凸轮的接触为高副连接，磨损厉害，不利于长期生产工作，由于凸轮设计不是圆形，当角速度加大时，会出现“尖点”连接件和主动件会产生震动和噪音。
图【5】凸轮组合机构
6）齿轮齿条机构
如图【6】所示齿轮齿条机构，滑块的动作由齿条直接牵引完成，所有动力传输有三个齿轮联合组成，齿轮传动有着高稳定性，可以承受重再和高速载荷等优点，且结构简单，易于加工，维护方便，整体方案相对节省空间，运动优势很明显。
图【6】齿轮齿条机构
7）组合机构
图【7】所示的组合机构，基本上都能满足工作要求，机构构成较复杂些，采用了齿轮齿条和连杆的结合方式，主动件是曲柄，使导杆摆动，导杆上装有扇形齿轮，齿轮齿条啮合，齿条带动滑块左右移动，右端的滑块拉动撞板上下运动。
机构运动稳定，力学性能良好，此外，由于机构本身具有急回特性，使得在非工作段（空行程）中运动的时间相对较短，大大提高了生产效率；与此同时增力机构在滑块急回特性的带动下获得一定惯性力，使得增力进一步加大，麦秸在竖直方向下落的运动更趋容易。
图【7】组合机构
2-2-4机构组合方案的确定
根据所设计方案是否能满足要求的性能指标，结构是否简单、紧凑；工艺动作明了，生产效率是否高效；制造是否方便；成本是否低廉等选择原则。
经过对前述构思方案的评价，采用系统工程评价法进行分析论证，确定方案【3】（牛头刨急回机构——偏心式肘节机构组合）是上述十个方案中最为合理的方案。
2-3执行机构设计
2.3.1执行机构设计
执行机构分别为：
曲柄导杆与齿轮齿条的组合急回机构，控制滑块水平运动
增力机构机构，控制撞板竖直运动
1）整体机构尺寸设计
由设计要求所给定的数据（滑块和撞板极两个限位置及滑块尺寸），结合机构运转相互协调，不发生干涉的条件，实现满足生产需要的机理，根据几何关系，得出相应的尺寸数据。
在数值计算中，为方便数据处理及相关尺寸的确定，分别对所选机构运行位置特殊化。
在要求允许范围内可以进行相关“假设”，依据假设的特殊性和在假设基础上能够实现机构运动的可实施性，用实验法解出一组或几组实验数据，进行比较选出最优方案。
注：
过程中可以利用计算机编程来完成相关数据的处理，得到结果。
下图示为机构运动的极限位置，依图求解。
图【1】
图【2】
算法及过程：
1、曲柄导杆与齿轮齿条的组合急回机构的设计
综合考虑机构性能与紧凑性，设摆角θ=110°，小齿轮2的往复转角Ψm=2π，小齿轮2半径日r2=40mm。
r3为大齿轮半径。
R=131mm
r3=136.87mm
由
，取r1=20mm,L=42.5mm
确定各个齿轮的模数和齿数
经过查机械设计手册可知，满足条件的模数：
弧形齿条和小齿轮模数
4，大齿轮模数
10.
由此可知齿轮的齿顶高系数和顶隙系数分别为：
，
由公式d=mz可知各个齿轮的齿数和其他参数：
对于对于弧形齿条和小齿轮：
经计算弧形齿条长度为251mm，共20个齿
对于大齿轮和直齿条：
经计算，直齿条其他参数如下：
齿厚
齿数
2、增力机构的设计
基本假设：
1将设计要求的数据和所求的数据全部缩小20倍后，原计量单位不变求解。
2由于设计要求中没有将竖直撞板的尺寸做具体要求，为使的计算方便，故将其假设为上下移动的滑块②，尺寸为e×f=8mm×10mm。
3假设滑块①处于左极限位置时，滑块②处于下极限位置，并且连接杆b和c在同一条直线上。
求解：
1）已知设计满足条件l1=15mm，l2=20mm，l3=13mm，l5=10mm。
2）由基本假设可得利用条件e=8mm，f=10mm。
3）求解：
图【1】
①滑块达到左极限位置时d杆和水平线所成角度用θk表示，其他杆标志位置分别由上图标注可知。
②由等边三角形特殊的几何关系及其他一般函数关系可知
式
（1）
式
（2）
式（3）
式
（1）、
（2）、（3）中m和Δx的数值可由作图法直接量取（注：
两滑块中心水平位置差和竖直高度差与其他条件无关，只取决于滑块极限位置和滑块固有尺寸的大小），所以m=27mm，Δx=3mm。
4）求解：
图【2】
1】当水平滑块①达到右极限位置时，由于b杆的运动是以绕固定点的圆周运动，故以b的长度作圆弧，同样滑块②上升至极限位置，杆c为刚性杆，不会发生弹性变形，所以以c杆的长度作圆弧，与上圆弧得到交点，连接交点与滑块几何中心，可得d杆位置，各杆之间相互所成角度，分别用α、β、γ、ψ表示。
2】由三角几何一般函数关系可知
式（4）
式（5）
式（6）
式（8）
故
式（9）
式（10）
式（8）中l8和l9的数值可由作图法直接量取（l8取决于两滑块中心的竖直高度差，l9取决于两滑块中心水平位置差，与其他条件无关），所以l8=34mm，l9=16mm。
分别对上述
（1）～（10）整理分析可得如下结果：
由机构的传力特性可知，α角度不应超过60°时，传力性能不错，故取值范围可在40°≤α≤60°,考虑到机构整体尺寸的影响，杆b的长度取值范围可在30mm≤b≤40mm，由此可得到如下表所示一组数据。
γ=25.17°
bmm
cmm
dmm
ψ°
α=40°
30
40.2
50.9
69.58
35
49.86
58.46
64.22
40
52.64
59.16
57.79
α=45°
30
57.62
66.36
76.62
35
63.49
71.76
68.27
40
68.72
76.63
62.01
α=50°
30
35
48
65.96
35
59.47
68.05
67.26
40
64.16
72.38
62.12
α=55°
30
51.51
60.83
74.73
35
56.25
65.10
66.36
40
60.5
69.00
60.12
α=60°
30
49.25
58.81
73.91
35
53.56
62.67
61.09
40
57.44
66.20
59.28
对上表数据进行全面处理比较，利用仿真软件进行最后校验比对并做适当调整，运行情况良好后得出，当α=51.5°，b=30mm，c=35mm，d=48mm，为最佳组合。
故有上述最终得到结果数据如下
d=48mm，b=30mm，c=35mm
α=51.5°
\
2-4执行机构运动分析
1）速度、加速度关系曲线
滑块水平方向速度曲线图
滑块水平方向加速度和总速度关系曲线图
竖直滑块速度曲线图
竖直滑块加速度和总速度关系曲线图
2.5行机构运动循环图
2.6机械系统方案设计运动简图
三、传动系统方案设计
3.1传动方案设计
传动系统位于原动机和执行系统之间，将原动机的运动和动力传递给执行系统。
除进行功率传递，使执行机构能克服阻力作功外，它还起着如下重要作用：
实现增速、减速或变速传动；变换运动形式；进行运动的合成和分解；实现分路传动和较远距离传动。
传动系统方案设计是机械系统方案设计的重要组成部分。
当完成了执行系统的方案设计和原动机的预选型后，即可根据执行机构所需要的运动和动力条件及原动机的类型和性能参数，进行传动系统的方案设计。
在保证实现机器的预期功能的条件下，传动环节应尽量简短，这样可使机构和零件数目少，满足结构简单，尺寸紧凑，降低制造和装配费用，提高机器的效率和传动精度。
根据设计任务书中所规定的功能要求，执行系统对动力、传动比或速度变化的要求以及原动机的工作特性，选择合适的传动装置类型。
根据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动装置的传动特点和适用条件，合理拟定传动路线，安排各传动机构的先后顺序
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