机械原理课程设计讲义概要.docx
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机械原理课程设计讲义概要
蜂窝煤成型机设计任务书
1．工作原理及工艺动作过程
冲压式蜂窝煤成型机是我国城镇蜂窝煤生产厂的主要生产设备。
它将粉煤加入转盘上的模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。
为了实现蜂窝煤冲压成型，冲压式蜂窝煤成型机必须完成五个动作：
1）粉煤加料；
2）冲头将蜂窝煤冲压成型；
3）清除冲头和出煤盘的积屑的扫屑运动；
4）将在模筒内的冲压后的蜂窝煤脱模；
5）将冲压成型的蜂窝煤输送装箱。
2．原始数据及设计要求
1）蜂窝煤成型机的生产能力：
30次/分钟；（33、36、40、43、46、50、53、56、60、63、66、70、73次/分钟，14组数据，4人一组。
根据分组情况写出各自的数据。
）
型煤尺寸：
φ×h=100×75mm
2）冲压成型时的生产阻力达到5000N；
3）为了改善蜂窝煤冲压成型的质量，希望在冲压后有一短暂的保压时间。
4）由于冲头要产生较大压力，希望冲压机构具有增力功能，以增大有效作用，减小原动机的功率。
3．设计方案提示
冲压蜂窝煤成型机应考虑三个机构的选型和设计：
冲压和脱模机构、扫屑机构和模筒转盘的间歇运动机构。
冲压和脱模机构可采用对心曲柄滑块机构、偏置曲柄滑块机构、六杆冲压机构；扫屑机构可采用附加滑块摇杆机构、固定移动凸轮—移动从动件机构；模筒转盘间歇运动机构可采用槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮间歇式间歇运动机构。
为了减小机器的速度波动和选择较小功率的驱动电机，可以附加飞轮。
4．设计任务
1）按工艺动作要求拟定运动循环图。
2）进行冲压脱模机构、扫屑刷机构、模筒转盘间歇运动机构的选型。
3）机构运动方案的评定和选择。
4）进行飞轮设计。
5）按选定的电动机和执行机构运动参数拟定机构传动方案。
6）画出机构运动方案简图。
7）对传动机构和执行机构进行运动尺寸计算。
课程设计内容
课程设计封面：
按学院统一格式
设计任务书：
内容包括设计课题名称、工艺及工艺运动简介、原始参数和设计要求以及具体设计任务内容和进度要求等。
按老师给定的任务书写，也可参见邹慧君“手册”P259，参数各不相同）
目录
绪论：
简述本课程设计目的、意义，简述蜂窝煤成型机的市场前景、工作原理，配工作原理图。
1．执行系统的方案设计
1．1工艺动作分解
1．2运动循环图：
确定运动循环周期、确定各执行构件的循环组成段、进行各执行构件的协调设计、初步绘制运动循环图。
注意循环图的三种形式，圆周式、直线式、坐标式。
最好用坐标式画出运动循环图。
1．3执行机构的选择（充分发散）：
可以列表，可用形态学矩阵，也可画基本机构的运动形式变换图
2．确定原动机的类型及其运动参数：
可查阅申永胜主编的教材及邹慧君主编的手册等，电动机的规格可查手册P266-268，功率范围为5.5kW-11kW，同步转速750、1000、1500、3000r/min为宜，（自选，各不相同）
3．传动系统的方案设计（抓两头，找中间）
3．1功能框图
3．2形态学矩阵
3．3传动系统方案示意图和评定
4．机构系统的运动尺寸设计（列表计算，共三栏：
设计内容、计算及说明、结果与结论）
4．1传动机构的运动尺寸设计
4．2主体机构的运动尺寸设计
4．3扫煤机构的运动尺寸设计
4．4工作盘转位机构的运动尺寸设计（可用槽轮机构）
5．机械运动简图（一句话，见××图）
6．飞轮设计（列表计算）
7．确定电动机的功率（参阅邹慧君“手册”P239）
8．曲柄滑块机构的运动分析与力分析（用CAD软件包计算，画出运动线图和等效力矩曲线图）
9．设计自我评述：
是设计者对自我设计成果的评价和总结。
除肯定成绩、说明设计分析结论、找出缺陷和提出修改完善意见外，还应简单整理自己的心得体会并提出对教学工作的建议等。
参考文献
[1]申永胜.机械原理教程[M]北京：
清华大学出版社2006
[2]邹慧君.机械原理课程设计手册[M]北京：
高等教育出版社1998
[3]张春林，曲继方，张美麟.机械创新设计[M]北京：
机械工业出版社1999
[4]张永安，徐锦康，王超英.机械原理课程设计指导[M]北京：
高等教育出版社1995
[5]吴克坚，于晓红，钱瑞明.机械设计[M]北京：
高等教育出版社2003
教师评语（注意格式，共三栏：
指导教师评语、签名、成绩评定）
封底
蜂窝煤成型机的创新设计
1．蜂窝煤成型机的功能
蜂窝煤成型机必须完成以下动作：
1）煤粉的输送及往模型腔中加料；
2）冲压成型；
3）清除冲头及出煤盘上的煤矿屑；
4）把成型的蜂窝煤从模具中脱出；
5）输送蜂窝煤。
2．技术原理
为满足蜂窝煤成型机的设计要求，把实现功能目标的要求限定在机构手段。
这样，把蜂窝煤成型机的工艺动作分解如下：
1）冲压机构完成冲压蜂窝煤的动作并可短暂保压；
2）间歇性运动机构完成带有周向圆孔的出煤盘的间歇性转动；
3）扫屑机构完成清扫冲头及出煤矿盘；
4）脱模机构完成把蜂窝煤从模具中托出的动作；
5）减速传动机构调解适当的冲压速度。
表1列举了完成各工艺动作的对应简单机构，把各机构进行组合后，机械运动方案的数目为：
N=3×3×3×3=81
表1蜂窝煤成型机的机构组合
冲压机构
曲柄滑块机构
六杆增压机构
凸轮机构
间歇转动机构
槽轮机构
不完全齿轮机构
凸轮式间歇机构
扫屑机构
连杆机构
移动凸轮机构
齿轮机构
脱模机构
单独脱模机构
与冲压机构同体
传动机构
齿轮机构
带传动机构
带传动+齿轮传动
根据蜂窝煤成型机要求性能良好、结构简单、操作容易、经久耐用、维修方便、成本低廉的特点，其机械系统由曲柄滑块机构（冲压机构）、槽轮机构（分度机构）、移动凸轮机构（扫屑机构）以及带传动+齿轮机构组成（减速机构）。
机构图如图1所示。
为增加冲头的刚度，采用对称的两套冲压机构。
图1蜂窝煤成型机机构组成图
3．运动循环图
蜂窝煤成型机中的各机构的动作具有严格的顺序，其运动循环图如图2所示。
循环图中，以冲压机构为主机构。
横坐标为曲柄轴的位置，纵坐标表示各执行机构的位置。
冲压过程分为冲程和回程，带有模孔的转盘工作行程在冲头回程的后半段和冲程的前半段完成，使间歇转动在冲压之前完成。
扫屑运动在冲头回程的后半段和冲程的前半段完成。
图2蜂窝煤成型机运动循环
4．机构系统运动方案的构思
把减速传动机构、冲压机构、分度机构和扫屑机构的运动协调起来，可按机构组合原理进行。
各分支机构的连接框图如下图所示。
电动机驱动带轮机构，带轮机构驱动齿轮机；齿轮机构分别驱动冲压曲柄滑块机构和分度槽轮机构；冲压机构的冲头驱动扫屑凸轮机构。
机构系统运动简图如右下图所示。
该机构中的凸轮扫屑机构采用了移动式的反凸轮机构。
在冲头回程（上行）时，其端部长形毛刷清扫和脱模头。
为表达清楚，图中把凸轮扫屑机构转过90度。
5．方案分析
利用表1所给出的简单机构组合，可有81种成型机方案。
该方案采用了简单机构的巧妙组合，设计出结构简单、性能可靠、成本低廉、经久耐用、维修容易且操作方便的蜂窝煤成型机，并占领了很大的市场。
该机构的创新之处在于用常用简单机构组成一个能完成既定动作、效果良好的机械运动方案。
可见方案的创新设计在机械工程中具有非常重要的地位。
机构创新设计不一定限于高科技领域，在机构工程中，利用简单机构的各种组合而创新设计实用机构的例子很多。
如把蜂窝煤成型机中的分度槽轮机构用机、电、液一体化的分度机构代替，虽然提高了分度精度，但是增加了整机造价。
这显然不符合市场的需求。
机构原理课程设计基本要求和注意事项
1．为了防止互相拷贝，全部采用手工绘图及书写。
设计说明书不得用铅笔或除蓝、黑以外的其它彩色笔书写，一般用16开纸并加上封面装订成册，封面格式采用学校课程设计统一封面。
2．凡用图纸绘出的图形，在说明书中可不必绘出，但需说明（如：
见图××），其余图形均应绘出。
（槽轮和运动简图需用图纸绘出图形，不必画在说明书中。
）
3．计算部分的书写，必须绘出相应的计算简图或机构简图，先列出计算式，再代入各文字符号的数值，最后写出计算结果（标明单位，注意单位的统一，并且写法应一致）。
4．采用子程序进行机构分析时，应绘出机构简图，选择参考坐标，将构件及关键点编号，附上计算机打印的自编主程序和计算结果及线图，对所得曲线进行分析，并得出简短的结论。
同时还要求对机构的任意一个位置进行图解法分析，比较两者所得的结果。
5．每人准备一个档案袋。
最后将绘制的图纸按制图要求进行折叠，和已编写好的设计说明书一起装入档案袋内。
另外，编写说明书的注意事项，请参阅邹慧君主编《机构原理课程设计手册》P253。
设计方法：
主动查阅、独立思考、精心选编、适当创新。
设计举例
（格式可供参考，内容各不相同）
题目：
设计蜂窝煤成型机机构，型煤尺寸φ×h=100（mm）×75（mm），生产率为每分钟72件。
工作原理：
利用带冲针6的冲头4往复运动，将位于工作盘2模孔中的混和料压实成型（见图1）。
冲针6刚性固结于冲头，用以穿孔。
压板8以弹簧7与滑块1相联，通过弹簧压缩时所产生的弹簧力将型煤压实。
为了提高生产率，将机器作成多工位的，把上料、成型、卸煤等工序集中在一台机器上连续完成。
2、确定执行构件的运动及其相互协调配合关系
图1型煤机执行构件运动示意图
机器执行构件的运动如图1图示。
滑块1上装有冲孔压实压头4和卸煤推杆5，作往复直线运动（A1）；工作盘2上有五个模孔，Ⅰ为上料工位，Ⅲ为成型工位，Ⅳ为卸料工位，作间歇回转运动（A2）；上料器3作连续回转运动（A3）；将型煤运出的传送带作匀速直线运动（A4）；冲头每次退出工作盘后，扫煤杆在冲头下面扫过，作清除煤屑的扫煤运动（A5）。
为简化起见，后两个运动在图中暂未表示。
A1的运动参数取决于生产率，取n1=72str/min。
考虑到料煤高度与型煤高度之比（压缩比）为2：
1，工作盘高H=2h=150mm。
为使工作盘转位速度不致太高，取压头在工作盘内和工作盘外的位移相等，即冲头的行程为H1=2h=300mm。
图2型煤机运动循环图
A2运动应与A1协调配合，工作盘转位时，压头必须在工作盘外，其运动参数n2=n1=72件/分钟（即转盘转速为72/5=14.4r/min，5指槽轮的槽数），其运动系数τ应小于0.5。
A1与A2的相互协调配合关系可用以曲柄转角为参考坐标的圆形循环图（见图2）表示，（可查邹慧君“手册”P18-35,要求画出坐标式的运动循环图），暂取工作盘转位时的运动系数τ=160°/360°=0.444。
A3的运动参数参考现有机器取n3=120r/min。
A4运动的传送带速度要保证前一块煤运走后，后一块煤才能卸落在传送带上。
设煤块的间距为2φ=0.2m，则传送带速度为
m/s
A5运动为平面复杂运动，要保证冲头往复运动一次，扫煤杆在冲头下往复扫过一次，且不与其它构件相碰。
具体要求见主体机构设计部分。
由于型煤是利用弹簧压实，故生产阻力Fr与弹簧的压缩量成正比，生产阻力曲线见图1，Frmax=5000N。
2、确定原动机的类型及其运动参数，确定电动机的功率。
参考同类机器，采用三相异步电动机集中驱动；取n电=1440r/min。
3、确定机器的运动方案
原动机作匀速转动，驱动各执行构件动作，其中扫煤运动A5可考虑直接用滑块作主动件，以保证运动协调配合。
由于采用集中驱动，由电动机到A1原动件的主传动链总传动比
，执行构件（滑块）作往复直线运动所以主传动链中，需要两级减速，运动分支有将连续回转运动变换为往复直线运动的功能，即可画出主传动链的功能框图。
然后再根据其它执行构件的运动形式和运动参数的大小，确定所需的功能元，画出各辅助传动链的功能框图。
这样就可得到型煤机机构系统的功能框图（见图3）。
图3型煤机机构系统功能框图
取出功能框图中几种主要功能元，然后选择功能载体，即可得到表1所示的型煤机形态学矩阵。
（可参阅邹慧君的“手册”，P40功能框图和P42形态学矩阵，功能框图要用“手册”上的新符号表示）
参考现有机器，考虑到各组成机构使用的可行性和合理性，选择了机器的两种运动方案。
方案Ⅰ：
主传动采用带传动和链传动。
主体机构采用曲柄滑块机构，辅助转位机构
表1型煤机形态学矩阵
采用槽轮机构，传送装置采用传送带。
方案Ⅱ：
主传动采用两级齿轮机构减速，主体机构虽然可以采用其它机构，但在动力传动中曲柄滑块较其它机构简单、合理，所以本方案主体机构仍采用曲柄没块机构，辅助转位机构采用不完全齿轮机构，其它同方案Ⅰ。
结合功能框图的传动路线，考虑到机构和轴线的配置以及一些其它功能，即可绘出机器的两种运动方案图（见图4）。
这两种方案区别在于主传动机构和辅助转位机构不同。
方案Ⅰ带传动结构简单，传动平稳，具有过载保护作用，链传动传递功率较大，但是它们的外廓尺寸大，在振动冲击载荷作用下，链传动寿命较短。
槽轮机构结构比较简单，工作可靠，啮入啮出比较平稳，有柔性冲击，但槽轮在工作盘上不大好布置，所占空间较大。
方案Ⅱ采用齿轮传动，结构紧凑，寿命长，效率高，可采用标准减速器、大齿轮即为曲柄，便于平衡，且可起飞轮作用，便制造成本较高。
不完全齿轮机构啮入啮出时冲击较大，设计计算较复杂，但动停比不受结构限制，尺寸较紧凑，便于布置。
根据以上简单分析，初步决定采用方案Ⅱ作为机器的运动方案。
（选择方案时，可先发散，后收敛，即先从实际出发，自行构思多种不同的方案，列表打分、排队，择优选择，后集中讨论2-3种方案，至少画出两个图进行比较，择优选择。
本例中可对方案Ⅱ充分展开讨论。
亦可列表打分，或采用“模糊数学”评价。
）
方案Ⅰ方案Ⅱ
图4型煤机的两种运动方案图
4、机构系统的运动尺寸设计
（1）传动机构的运动尺寸设计
主传动机构的总传动比i总=20，（根据不同要求另行计算，各不相同），采用两级减速，根据传动比分配“前小后大”的原则，i总=i1×i2=4×5。
则z1可取19，z2=i1×z1=4×19=76，z3取22，z4=i2×z3=5×22=110。
上料器的转速n3=120r/min，则由电动机至上料器的总传动比
，则
，可取z0=21，则z10=i3×z0=3×21=63。
由于冲头和工作盘的运动平面相互垂直，主体机构的主动件（曲柄）和辅助转位机构的主动件（不完全齿轮）的轴线相互垂直，因此配置了圆锥齿轮传动z5、z6，考虑到主体机构与辅助机构应同步，故取z5=z6=20。
传送皮带需从工作台下通过，尺寸受限制，取主动带轮直径D=200mm，则带轮转速
。
运动由曲柄轴通过齿轮机构传来，
则
，即取z11=23，z12=72。
传动机构的运动尺寸可参阅图6。
（2）主体机构的运动尺寸设计
由于滑块没有行程速比系数要求，为使机构受力较好，采用对心的曲柄滑块机构作为主体机构，则曲柄长度
。
为了使机构传力性能较好，使滑块运动速度波动较小，一般推荐
，则连杆长度l=（4～6）×150=600～900（mm）。
考虑到机架高度和工作盘的高度，取l=800mm。
校核最小传动角
，满足传力性能要求。
与主体机构有关的一些尺寸设计如图5所示。
图5型煤机主体机构设计图
（3）扫煤机构的运动尺寸设计
为了清扫压头和推杆下面的煤屑，需设计一扫煤机构，使压头离开工作盘后，扫煤杆在压头下面往复扫过，又不能与其它构件相碰撞。
扫煤杆的长度要保证能在压头下面扫过（此题取扫煤杆的长度为380mm）。
扫煤机构可按连杆三位置进行设计。
此三个位置由设计者根据上述要求自己设计（右极限位置稍微越过压头即可），如图5中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个位置。
连杆上有两个铰链，一个（铰链C）可取在滑块上，另一个（铰链D）可在连杆上适当选取，以使连架杆的固定铰链E尽量靠近机架为原则。
用作图法对此机构进行设计的结果见图5。
（4）工作盘转位机构的运动尺寸设计
工作盘的转位采用不完全齿轮机构传动。
先将工作盘的静止位置按比例绘出。
因主体机构采用对心的曲柄滑块机构，则曲柄轴要通过Ⅲ、Ⅳ工位的模孔中心，因此不完全齿轮机构的主动齿轮回转中心O1也应在曲柄轴的轴线上。
由于工作盘每次转动1/5周，则从动齿轮的假想齿数
应为5的倍数，本题取
=80，则从动轮每次转过的齿数z2=80/5=16。
模数选取要保证从动轮齿根圆大于工作盘外径，本题预选m=5，预取主动轮的假想齿数
=35（可近似在
范围内预取），则可以根据设计手册所提供的设计顺序和公式，计算出不完全齿轮机构的尺寸和实际的运动系数τ。
若运动系数不能满足要求，可重选
进行计算，直至满足要求为止。
由于计算内容较多，为节省篇幅，本题计算过程从略。
现根据计算结果绘出辅助机构设计图，并列出主要参数，本机构的运动系数τ=0.462<0.5，满足预定要求。
（建议改用槽轮机构，写清计算过程，画出槽轮的设计图，标明主要参数。
槽轮机构的计算可参阅邹慧君“手册”P238）
5、绘制机器运动简图
根据机器运动方案图和运动尺寸的设计结果，即可根据规定的符号和线条按比例画出机器运动简图（见图6）。
图中还标出了执行构件的运动及其参数，和必要的一些技术条件。
装配时要求压头离开工作盘后，不完全齿轮的首轮的首齿才能进入啮合，以保证协调配合关系。
（将确定的一个方案尺寸算好后，再正式画机构简图，原则上应按比例画图）
6、机构运动分析和动态分析
有关构件的质量和绕质心轴的转动惯量的精确数值，需待结构设计完成后才能确定。
现参考有关机器先行假定：
滑块的质量m3=30kg，连杆的线质量m连=10kg/m，连杆质心在连杆长度的中点。
则连杆的总质量m2=2×m连×l=2×10×0.8=16kg，连杆总转动惯量为
。
机构分析时的其他已知参数有：
最大生产阻力Frmax=5000N，许用运动不均匀系数[δ]=0.2，飞轮轴的转速nF=360r/min。
可用CAD软件包进行计算分析，上述各种数据可作为上机时采用的原始数据。
也可编程进行计算和分析。
主要参数如下：
曲柄长度0.15m，曲柄质量5.6kg，连杆长度0.8m，连杆质量16kg，曲柄角速度自己计算,曲柄角加速度0，曲柄转动惯量
，（如果把曲柄看成是一个齿轮圆盘来计算，则为
），连杆转动惯量
连杆质心位置45°，滑块质量30kg，滑块所受外力Fx（N）=104，Fy（N）=0，受力条件v<0，P1到连杆质心距离0.4m，参考点P2坐标Px（m）1.05，Py（m）0，曲柄角度：
自选。
7、机器周期性速度波动调节
（飞轮设计，可参考邹慧君“手册”P238-239）
图6型煤机运动简图
运动及其参数
A1n1=72str/min
A2n2=72str/minr2=0.462
A3n3=120r/min
A4v4=0.24m/s
A5n5=72str/min
A电n电=1440r/min
技术要求
1．运动A1、A2必须协调配合，压头离开工作盘后，工作盘方能转位。
2．扫煤杆不得与其它构件相碰。
3．允许总传动比误差<5%。
4．允许的运动不均匀系统[δ]=0.2。
（此图可参阅邹慧君主编的“手册”和张春林“创新设计”中的例题）
型煤机主体机构计算简图如图7所示。
它可以看作是单杆和一个RRP（R表示转动副，P表示移动副）Ⅱ级组与机架所构成。
选择坐标系如图所示，并将构件和关键点进行编号。
型煤机主体机构分析主程序及其计算结果如下：
DECLARESUBRRP（）：
DECLARESUBRRPLI（）：
DECLARESUBFLYWHEEL（）
DECLARESUBDRAWLINE1（）：
DECLARESUBDRAWLINE2（）：
DECLARESUBMAXIM（）
DECLARESUBSINGLELINK（）：
DECLARESUBSINGLELINKLI（）：
DECLARESUBANGLE（）
COMMONSHAREDFai，X，Y，DEL，F9，M，Z，C，TET，N，N1，MP，MB，NF
DIMSHAREDX（9）,Y（9）,V（9）,U（9）,A（9），B（9），F（9），H（9）ASINTEGER
图7型煤机主体机构计算简图
DIMSHAREDP（9），L（9），W（9）,E（9），M（9），J（9），MI（9），ME（9）ASINTEGER
DIMSHAREDPX（9），PY（9），FX（9），FY（9）,FW（9），VS（9），WS（9），VU（9）ASINTEGER
DIMSHAREDPSI（90），VEL（90），ACC（90），0（90），TY（90），S（90），TZ（90）ASINTEGER
DIMSHAREDR（9，9），RQ（9，9），RP（9，9），RX（9，9），RY（9，9）ASINTEGER
READL
（1），L
（2），L（3），L（4），DEL，TET，FR：
DATA.15,.8,0,.4,30,.2,5000
READX
（1）,Y
（1）,X（5）,Y（5）,N1,NF,E1:
DATA0,0,0,1,72,360,0
READM
（1）,M
（2）,M（3）,J
（1）,J
（2）,J（3）:
DATA0,16,30,0,.843,0
CLS:
SCREEN9:
CONSTPI=3.1415926#,PP=PI/180:
W
（1）=N1*PI/30
N=360/DEL:
PRINT”F0”,”S（mm）”,”V（m/s）”,”A（m/s/s）”
PRINT”R01x（N）””R01y（N）””R12x（N）”,”R12y（N）”
PRINT”R23x（N）””R23y（N）””R03x（N）”,”R03y（N）”,”Mb（Nm）”
T=0:
FORF0=-90TO270STEPDEL
wwww:
DATA1,1,1,2:
F
（1）=F0*PP:
F9=0:
CALLSINGLELINK
DATA2,3,2,3,5:
M=-1:
F（3）=3*PI/2:
W（3）=0:
E（3）=0:
CALLRRP
DATA4,2,2,4:
F9=0:
CALLSINGLELINK
PRINT:
PRINTUSING”####.”;F0;
PRINTUSING”######.####”;Y（3）*1000,U（3）,B（3）
PSI（T）=Y（3）:
VEL（T）=U（3）:
ACC（T）=B（3）
DATA2,3,2,3,5,4,4,3,3
IFF0>180ANDF0<=270THENPY（3）=（F0-180）*FR/90:
GOTOqqqq
PY（3）=0
qqqq:
CALLRRPLI:
DATA1,1,2,1,1:
CALLSINGLELINKLI
PRINTUSING”######.####”;RX（0,1）,RY（0,1）,RX（1,2）,RY（1,2）
PRINTUSING”######.####”;RX（2,3）,RY（2,3）,R（4,3）,0,MP
TY（T）=-MP:
RESTOREwwww:
T=T+1:
NEXTF0
STOP:
CALLDRAWLINE1:
STOP:
CALLFLYWHEEL:
STOP:
CALLDRAWLINE2
END
F0S（mm）V（m/s）A（m/s/s）
R01x（N）R01y（N）R12x（N）R12y
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