机械原理课程设计 麦秸秆打包机.docx
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机械原理课程设计麦秸秆打包机
机械原理课程设计
设计计算说明书
设计题目：
麦秸打包机设计
设计者：
学号：
专业班级：
机械工程班
指导教师：
完成日期：
2016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…………………………………………………………1
1.2设计题目…………………………………………………………1
1.3设计条件及设计要求……………………………………………2
1.4设计任务…………………………………………………………2
二、执行机构运动方案设计
2.1功能分解与工艺动作分解………………………………………？
2.2方案选择与分析…………………………………………………？
2.3执行机构设计……………………………………………………？
2.4执行机构运动分析………………………………………………？
2.5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……………………………………………………？
3.2电动机的选择……………………………………………………？
3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配………………………？
3.4传动装置的运动和动力参数计算………………………………？
四、设计小结……………………………………………………………？
五、参考文献……………………………………………………………？
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
该麦秸打包机工艺动作如图所示，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。
传动装置方案采用：
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。
一个工作循环所需的时间T（秒），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）
1
1.00
440
300
400
250
800
200
600
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）；
（4）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：
滑块的左右运动和撞板的上下运动。
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，故可满足冲床总功能的机械系统运动方案有N个，即N＝2X2X2X2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
1）滑块水平运动的机构方案选择
滑块左右运动的要求：
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。
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）作直线左右往复运动的一系列运动方案。
滑块左右运动方案1：
三角正弦机构
滑块左右运动方案2：
槽轮滑块机构
滑块左右运动方案3:
六连杆机构
滑块左右运动方案4：
连杆复合机构
滑块左右运动方案5:
导杆机构
滑块左右运动方案6：
连杆复合机构
滑块左右运动方案7:
齿轮-连杆组合机构
滑块左右运动方案8：
内凸轮机构
滑块左右运动方案9:
曲柄滑块机构
滑块左右运动方案10：
外凸轮机构
表2.上述满足执行构件水平运动各个机构运动方案定性分析
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
---
一般
一般
高
简单
易
低
大
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
较短
小
---
较平稳
一般
较高
一般
易
一般
较大
４
满足
较强
短
较大
大
一般
一般
高
较复杂
较难
一般
小
５
满足
无
长
较小
---
一般有
一般
较高
较复杂
较难
一般
大
6
满足
弱
长
大
大
一般
一般
高
较简单
一般
一般
大
7
满足
弱
长
大
---
有冲击
剧烈
较高
较复杂
难
较高
大
8
满足
无
长
较小
---
有冲击
剧烈
较高
较复杂
较难
一般
大
9
满足
无
较短
较小
---
较平稳
低
高
简单
易
低
小
10
满足
无
长
较小
---
有冲击
剧烈
较高
较复杂
较难
较高
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2。
从表中的分析结果不难看出：
方案2,3,5,9性能显较差;方案:
1,4,6,7,8,10有较好综合性能;
其中1,4,7,10这四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）.撞板下压机构方案选择
撞板下压机构的运动要求：
主动件作回转或摆动运动，从动件（执行构件）作直线（或近似直线）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。
执行构件铅垂运动机构方案1：
连杆复合机构
执行构件铅垂运动机构方案2：
凸轮机构
执行构件铅垂运动机构方案3：
连杆复合机构
执行构件铅垂运动机构方案4：
齿轮复合机构
执行构件铅垂运动机构方案5：
凸轮复合机构
执行构件铅垂运动机构方案6：
连杆复合机构
执行构件铅垂运动机构方案7：
凸轮连杆齿轮齿条复合机构
执行构件铅垂运动机构方案8：
凸轮机构
执行构件铅垂运动机构方案9：
齿轮齿条机构
执行构件铅垂运动机构方案10：
连杆复合机构
表2上述满足执行构件铅垂运动各个机构运动方案定性分析
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
较短
较大
较大
一般
小
较大
一般
一般
一般
较小
2
满足
长
较大
---
有冲击
大
较大
一般
较难
较高
大
3
满足
较长
较大
较大
一般
小
较大
一般
一般
一般
较大
4
满足
较短
较大
---
较好
较大
一般
较复杂
较难
高
较小
5
满足
较长
较大
---
有冲击
大
较大
一般
较难
较高
较大
6
满足
较短
较大
较大
一般
小
较大
较难
一般
一般
一般
7
满足
较长
较大
较大
一般
大
较大
较难
较难
高
小
8
满足
较长
较大
---
有冲击
大
较大
一般
一般
较高
大
9
满足
较短
较大
---
较好
一般
一般
一般
一般
一般
较小
10
满足
较长
较大
较大
一般
小
一般
较复杂
一般
一般
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2，4，5，7的性显较差；方案1，3，6，8，9，10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。
3.执行机构运动方案的形成
机器中各工作机构都可按前述方法构思出来，并进行评价，从中选出最佳的方案。
将这些机构有机地组合起来，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配合，各机构的原动件通常由同一构件统一控制。
在选择方案时还需要进行非机械行业的综合考虑，例如机械的市场创新性，市场前瞻性，再开发性等各种各样的因素，这样会大大提高机械的价值和生命期。
通过对上述方案的拼装和组合，和多方因素的考虑，由此可以设计出以下组合方案以供选择。
1）连杆组合机构
方案说明：
如图1所示，目前此方案综合性能不是很理想，传动性能较差，但是可以将左右移动滑块上方的槽去掉，用一个杆连接直接连接另一个槽的滑块，可以大大改善此机构性能。
图1连杆组合机构
运动说明：
此机构左端的曲柄摇杆机构的摇杆为复合杆，在曲柄工作时摇杆将动力输出给左右运动的滑块，滑块又将动力通过正弦机构传给上下运动的滑块，从而完成打包机所需要的运动。
2）齿轮齿条组合机构
方案说明：
如图1所示，整个机构的动力传输由三个齿轮联合组成，齿轮传动有着高稳定性，可以承受重载和高速载荷等优点，而且结构简单，加工方便易于维护，整体方案相对节省空间。
图2齿轮齿条组合机构
运动说明：
主动曲柄转动，带动摇杆进行摆动，和摇杆同轴的齿轮使底部齿条移动的同时再将运动传给下一级齿轮，而下一级齿轮的运动带动最右边的齿轮开始转动，最右边的齿轮带动第二个齿条进行运动。
3）齿轮连杆组合机构
方案说明：
此方案力学性能良好，滑块有急回运动，运动结构紧凑层次清晰，而且除了为打包机输出所需的两个运动之外，还可以输出一个上下摆动的运动，为日后的再开发提供了帮助。
图3）齿轮连杆机构
运动说明：
主动杆带动复合杆摆动，复合杆上部用滑块连接齿轮，齿轮带动齿条使撞板上下运动，复合杆下部拉动滑块做左右运动。
4）凸轮连杆组合机构
方案说明：
此方案中由于主动件为凸轮使得此机构不能承受高速载荷，但在低速状态下通过设计凸轮的形状的不同可以达到不同的运动效果，使得机构运动规律比较灵活。
图4）凸轮连杆机构
运动说明：
凸轮带动滚子从动件上下运动，连杆机构将运动分解成打包机所需要的形式。
4．机构组合方案的确定
根据所选方案是否能满足要求的性能指针，结构是否简单、紧凑；制造是否方便；成本是否低等选择原则。
经过前述方案评价，采用系统工程评价法进行分析论证，列出下列表格：
性能指针
方案1
方案2
方案3
方案4
运动
性能
运动规律
急回
平稳
急回
任意
运动速度及精度
一般
一般
较高
一般
工
作
性能
工作效率
一般
高
较高
一般
使用空间
较大
较大
一般
较小
动
力
性
能
承载能力
较大
大
较大
较低
传力性能
较大
大
一般
一般
震动与噪声
较大
较大
较大
较小
经济性
加工难度
易
一般
一般
较难
维护难度
较易
较易
一般
较难
能耗大小
一般
一般
一般
一般
使用寿命
较长
较长
较长
一般
结构
机构尺寸
大
大
较大
较小
机构重量
轻
重
一般
较重
复杂程度
一般
复杂
一般
简单
经过分析，发现方案3最满足设计任务的要求，并且综合性能良好，易于再开发，所以将方案3作为执行机构的最终方案。
2.3执行机构设计
1.执行机构设计
执行机构分别为:
①齿轮—齿条撞板上下冲压机构。
②连杆推块左右冲压机构。
撞板上下运动冲压机构的设计:
四杆机构的设计；曲柄导杆机构的设计；齿轮机构的设计；
滑块左右运动冲压机构的设计:
曲柄滑块机构的设计；
1）撞板上下运动冲压机构的设计
四杆机构的设计；曲柄导杆机构的设计；齿轮机构的设计；
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，完成从原动机到各执行机构之间的传动系统的总体布置方案。
机械系统的组成为：
原动机→传动系统（装置）→工作机（执行机构）
原动机：
Y系列三相异步电动机；
传动系统（机构）：
常用的减速机构有齿轮传动、行星齿轮传动、蜗杆传动、皮带传动、链轮传动等，根据运动简图的整体布置和各类减速装置的传动特点，选用二级减速。
第一级采用皮带减速，皮带传动为柔性传动，具有过载保护、噪音低、且适用于中心距较大的场合；第二级采用齿轮减速，因斜齿轮较之直齿轮具有传动平稳，承载能力高等优点，故在减速器中采用斜齿轮传动。
根据运动简图的整体布置确定皮带和齿轮传动的中心距，再根据中心距及机械原理和机械设计的有关知识确定皮带轮的直径和齿轮的齿数。
故传动系统由“V带传动+二级圆柱斜齿轮减速器”组成。
原始数据：
已知工作机（执行机构原动件）主轴：
转速：
nW=60（r/min）
转矩：
Mb=440（N.m）
3.2电动机的选择
1）选择电动机类型
按已知工作要求和条件选用Y系列一般用途的全封闭自扇冷式笼型三相异步电动。
2）选择电动机容量
a．工作轴输出功率：
PW=Mω/1000（KW）
ω=πnW/30=60π/30=6.28（rad/s）
PW=Mω/1000=440*6.28/1000=2.7632KW
注：
工作轴——执行机构原动件轴。
b．所需电动机的功率：
Pd=PW/ηa
ηa----由电动机至工作轴的传动总效率
ηa=η带×η轴承3×η齿轮2×η联
查表可得：
对于V带传动:
η带=0.96
对于8级精度的一般齿轮传动：
η齿轮=0.97
对于一对滚动轴承：
η轴承=0.99
对于弹性联轴器：
η联轴器=0.99
则ηa=η带×η轴承3×η齿轮2×η联
=0.96×0.993×0.972×0.99
=0.868
∴ Pd=PW/ηa=2.7632/0.868=3.1834KW
查各种传动的合理传动比范围值得：
V带传动常用传动比范围为i带=2～4，单级圆柱齿轮传动比范围为i齿=3～5，则电动机转速可选范围为
nd=i带×i齿2×nW
=（2～4）（3～5）2×nW
=（18～100）×nW
=（18～100）×30
=1080～6000r/min
符合这一转速范围的同步转速有1000r/min、1500r/min和3000r/min，根据容量和转速，由有关手册查出四种适用的电动机型号，因此有三种传动比方案。
方案
电动机型号
额定功率ped/kw
电动机转速/r/min
电动机质量/kg
传动装置的传动比
同步
满载
总传动比
V带传动比
齿轮传动
1
Y112M-2
4
3000
2890
45
96.33
3
32.11
2
Y112M-4
4
1500
1440
43
48
3
16
3
Y132M1-6
4
1000
960
73
32
2.5
12.8
对于电动机来说，在额定功率相同的情况下，额定转速越高的电动机尺寸越小，重量和价格也低，即高速电动机反而经济。
若原动机的转速选得过高，势必增加传动系统的传动比，从而导致传动系统的结构复杂。
由表中四种方案，综合考虑电动机和传动装置的尺寸、结构和带传动及减速器的传动比，认为方案2的传动比较合适，所以选定电动机的型号为Y112M-4。
Y112M-4电动机数据如下:
额定功率：
4Kw
满载转速：
n满=1440r/min
同步转速：
1500r/min
3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配
1．传动装置的总传动比
i总=n满/nW=1440/60=24
2．分配各级传动比
根据《机械设计课程设计》表2.2选取，对于三角v带传动,为避免大带轮直径过大,取i12=2.8；
则减速器的总传动比为i减=i总/2.8=24/2.8=8.5714
对于两级圆柱斜齿轮减速器,按两个大齿轮具有相近的浸油深度分配传动比,取ig=1.3id
i减=ig×id=1.3i2d=8.5714
i2d=8.5714/1.3=6.5934
id=2.57
ig=1.3id=1.3×2.57=3.34
注：
ig-高速级齿轮传动比；id–低速级齿轮传动比；
3.4传动装置的运动和动力参数计算
计算各轴的转速：
电机轴：
n电=1440r/min
Ⅰ轴nⅠ=n电/i带=1440/2.8=514.29r/min
Ⅱ轴nⅡ=nⅠ/ig=514.29/3.34=154r/min
Ⅲ轴nⅢ=nⅡ/id=154/2.57=60r/min
计算各轴的输入和输出功率：
Ⅰ轴：
输入功率PⅠ=Pdη带=3.687×0.96=3.54kw
输出功率PⅠ=3.474η轴承=3.54×0.99=3.5kw
Ⅱ轴：
输入功率PⅡ=3.44×η齿轮=3.5×0.97=3.395kw
输出功率PⅡ=3.34×η轴承=3.395×0.99=3.361kw
Ⅲ轴输入功率PⅢ=3.30×η齿轮=3.361×0.97=3.26kw
输出功率PⅢ=3.20×η轴承=3.26×0.99=3.228kw
计算各轴的输入和输出转矩：
电动机的输出转矩Td=9.55×106×Pd/n电=9.55×106×3.687/1440
=24.45×103N·mm
Ⅰ轴：
输入转矩TⅠ=9.55×106×PⅠ/nⅠ=9.55×106×3.54/514.29
=65.7×103N·mm
输出转矩TⅠ=9.55×106×PⅠ/nⅠ=9.55×106×3.5/514.29
=65×103N·mm
Ⅱ轴：
输入转矩TⅡ=9.55×106×PⅡ/nⅡ=9.55×106×3.395/154
=210.5×103N·mm
输出转矩TⅡ=9.55×106×PⅡ/nⅡ=9.55×106×3.36/154
=208.4×103N·mm
Ⅲ轴输入转矩TⅢ=9.55×106×PⅢ/nⅢ=9.55×106×3.26/60
=518.9×103N·mm
输出转矩TⅢ=9.55×106×PⅢ/nⅢ=9.55×106×3.228/60
=513.8×103N·mm
将运动和动力参数计算结果进行整理并列于下表：
轴名
功率p/kw
转矩T（N·mm）
转速n/r·min-1
传动比i
效率η
输入
输出
输入
输出
电机轴
3.687
24.45×103
1440
2.8
0.95
Ⅰ轴
3.54
3.5
65.7×103
65×103
514.29
2.57
0.96
Ⅱ
升级会员 