《机械系统设计》课程课程设计的步骤与方法.docx
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《机械系统设计》课程课程设计的步骤与方法
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一、《机械系统设计》课程设计任务书
1.1课程设计的目的
《机械系统设计》课程设计是在学完本课程后，进行一次学习设计的综合性练习。
通过课程设计，使学生能够运用所学过的基础课、技术基础课和专业课的有关理论知识，及生产实习等实践技能，达到巩固、加深和拓展所学知识的目的。
通过课程设计，分析比较机械系统中的某些典型机构，进行选择和改进；结合结构设计，进行设计计算并编写技术文件；完成系统主传动设计，达到学习设计步骤和方法的目的。
通过设计，掌握查阅相关工程设计手册、设计标准和资料的方法，达到积累设计知识和设计技巧，提高学生设计能力的目的。
通过设计，使学生获得机械系统基本设计技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行机械系统设计创造一定的条件。
1.2课程设计的内容
《机械系统设计》课程设计内容由理论分析与设计计算、图样技术设计和技术文件编制三部分组成。
1.2.1理论分析与设计计算：
（1）机械系统的方案设计。
设计方案的分析，最佳功能原理方案的确定。
（2）根据总体设计参数，进行传动系统运动设计和计算。
（3）根据设计方案和零部件选择情况，进行有关动力计算和校核。
1.2.2图样技术设计：
（1）选择系统中的主要机件。
（2）工程技术图样的设计与绘制。
1.2.3编制技术文件：
（1）对于课程设计内容进行自我经济技术评价。
（2）编制设计计算说明书。
1.3课程设计题目、主要技术参数和技术要求
1.3.1课程设计题目和主要技术参数
题目01：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=53r/min；Nmax=600r/min；
Z=8级；公比为1.41；电动机功率P=4kW；电机转速n=1440r/min
题目02：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=45r/min；Nmax=710r/min；
Z=9级；公比为1.41；电动机功率P=4kW；电机转速n=1440r/min
题目03：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=63r/min；Nmax=500r/min；
Z=7级；公比为1.41；电动机功率P=4kW；电机转速n=1440r/min
题目04：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=45r/min；Nmax=500r/min；
Z=8级；公比为1.41；电动机功率P=3kW；电机转速n=1430r/min
题目05：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=40r/min；Nmax=630r/min；
Z=9级；公比为1.41；电动机功率P=3kW；电机转速n=1430r/min
题目06：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=50r/min；Nmax=400r/min；
Z=7级；公比为1.41；电动机功率P=3kW；电机转速n=1430r/min
题目07：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=63r/min；Nmax=710r/min；
Z=8级；公比为1.41；电动机功率P=4kW；电机转速n=1440r/min
题目08：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=50r/min；Nmax=800r/min；
Z=9级；公比为1.41；电动机功率P=4kW；电机转速n=1440r/min
题目09：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=75r/min；Nmax=600r/min；
Z=7级；公比为1.41；电动机功率P=4kW；电机转速n=1440r/min
题目10：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=40r/min；Nmax=450r/min；
Z=8级；公比为1.41；电动机功率P=3kW；电机转速n=1430r/min
题目11：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=35.5r/min；Nmax=560r/min；
Z=9级；公比为1.41；电动机功率P=3kW；电机转速n=1430r/min
题目12：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=40r/min；Nmax=315r/min；
Z=7级；公比为1.41；电动机功率P=3kW；电机转速n=1430r/min
题目13：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=71r/min；Nmax=710r/min；
Z=6级；公比为1.58；电动机功率P=4kW；电机转速n=1440r/min
题目14：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=40r/min；Nmax=400r/min；
Z=6级；公比为1.58；电动机功率P=3kW；电机转速n=1430r/min
题目15：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=63r/min；Nmax=630r/min；
Z=6级；公比为1.58；电动机功率P=4kW；电机转速n=1440r/min
题目16：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=45r/min；Nmax=450r/min；
Z=6级；公比为1.58；电动机功率P=3kW；电机转速n=1430r/min
题目17：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=80r/min；Nmax=450r/min；
Z=4级；公比为1.78；电动机功率P=4kW；电机转速n=1440r/min
题目18：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=63r/min；Nmax=355r/min；
Z=4级；公比为1.78；电动机功率P=3kW；电机转速n=1430r/min
题目19：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=50r/min；Nmax=280r/min；
Z=4级；公比为1.78；电动机功率P=4kW；电机转速n=1440r/min
题目20：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=40r/min；Nmax=224r/min；
Z=4级；公比为1.78；电动机功率P=3kW；电机转速n=1430r/min
题目21：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=80r/min；Nmax=1000r/min；
Z=12级；公比为1.26；电动机功率P=2.5/3.5kW；电机转速n=710/1420r/min
题目22：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=71r/min；Nmax=900r/min；
Z=12级；公比为1.26；电动机功率P=3.5/5kW；电机转速n=710/1420r/min
题目23：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=90r/min；Nmax=900r/min；
Z=11级；公比为1.26；电动机功率P=2.5/3.5kW；电机转速n=710/1420r/min
题目24：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=75r/min；Nmax=750r/min；
Z=11级；公比为1.26；电动机功率P=3.5/5kW；电机转速n=710/1420r/min
题目25：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=95r/min；Nmax=800r/min；
Z=10级；公比为1.26；电动机功率P=3.5/5kW；电机转速n=710/1420r/min
题目26：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=80r/min；Nmax=630r/min；
Z=10级；公比为1.26；电动机功率P=2.5/3.5kW；电机转速n=710/1420r/min
题目27：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=40r/min；Nmax=900r/min；
Z=8级；公比为1.41；电动机功率P=2.5/3.5kW；电机转速n=710/1420r/min
题目28：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=45r/min；Nmax=1000r/min；
Z=8级；公比为1.41；电动机功率P=3.5/5kW；电机转速n=710/1420r/min
题目29：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=35.5r/min；Nmax=800r/min；
Z=8级；公比为1.41；电动机功率P=3kW；电机转速n=710/1420r/min
题目30：
分级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=50r/min；Nmax=1120r/min；
Z=8级；公比为1.41；电动机功率P=4kW；电机转速n=710/1420r/min
题目31：
无级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=120r/min；Nmax=2400r/min；nj=300r/min；
电动机功率：
Pmax=3.0kW；nmax=3000r/min；nr=1500r/min；
题目32：
无级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=35r/min；Nmax=4000r/min；nj=145r/min；
电动机功率：
Pmax=3kW；nmax=4500r/min；nr=1500r/min；
题目33：
无级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=100r/min；Nmax=2000r/min；nj=250r/min；
电动机功率Pmax=3.0kW；nmax=3000r/min；nr=1500r/min；
题目34：
无级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=75r/min；Nmax=4000r/min；nj=250r/min；
电动机功率Pmax=2.8kW；nmax=3000r/min；nr=1500r/min；
题目35：
无级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=67r/min；Nmax=3500r/min；nj=220r/min；
电动机功率Pmax=2.2kW；nmax=3000r/min；nr=1500r/min；
题目36：
无级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=86r/min；Nmax=3000r/min；nj=250r/min；
电动机功率Pmax=3kW；nmax=3000r/min；nr=1300r/min；
题目37：
无级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=78r/min；Nmax=2700r/min；nj=225r/min；
电动机功率Pmax=2.8kW；nmax=3000r/min；nr=1300r/min；
题目38：
无级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=86r/min；Nmax=3000r/min；nj=250r/min；
电动机功率Pmax=2.2kW；nmax=3000r/min；nr=1300r/min；
题目39：
无级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=110r/min；Nmax=2200r/min；nj=275r/min；
电动机功率Pmax=3kW；nmax=2000r/min；nr=1000r/min；
题目40：
无级变速主传动系统设计
技术参数：
Nmin=46r/min；Nmax=2400r/min；nj=150r/min；
电动机功率Pmax=2.8kW；nmax=2000r/min；nr=1000r/min；
1.3.2技术要求：
（1）利用电动机完成换向和制动。
（2）各滑移齿轮块采用单独操纵机构。
（3）进给传动系统采用单独电动机驱动。
1.4机械系统课程设计内容：
1.4.1运动设计：
根据给定的极限转速、变速级数、及公比值，确定其转速范围、转速数列、结构式、结构网，绘制转速图和传动系统图，确定齿轮齿数，计算转速误差。
1.4.2.动力计算：
根据给定的有关参数，确定各传动件的计算转速；确定各传动轴和主轴的轴径，确定并验算各传动齿轮的模数，计算主轴的合理跨距；对靠近主轴的传动轴进行刚度校核，并验算该轴上轴承的寿命。
1.4.3绘制下列图纸：
（1）主轴箱展开图1张（A1）。
（2）主轴箱横剖面图1张（A1），要求完整反映1套操纵机构。
（3）主轴零件工作图（选作），附在设计计算说明书内。
1.4.4编写设计计算说明书（约8000字左右）。
注：
设计计算说明书书写格式梗概
摘要
目录
课程设计的目的
课程设计题目、主要技术参数和技术要求
运动设计
动力计算
主要零部件的选择
校核
结束语
参考资料
二、《机械系统设计》课程设计的步骤与方法
2.1明确题目要求，查阅有关资料
学生在获得课程设计的题目之后，首先应明确设计任务，并阅读《机械系统设计》课程设计提纲，了解课程设计的目的、内容、技术要求和设计步骤。
然后在教师的指导下，拟订工作进度计划；查阅必要的图书、杂志、手册、产品图纸、同类型机械系统（或机床）说明书和其它有关设计参考资料；熟悉专业标准，便于设计时采用。
对机械系统（或机床）的用途、特点，主要参数、传动结构、操纵机构、零部件的功用及结构进行分析研究，力求做到理解、消化并进而能有所改进。
2.2.运动设计
1.确定极限转速确定（或按给定的）执行轴（或主轴）的极限转速nmax和nmin，求出执行轴（或主轴）的转速调整范围Rn。
2.确定公比选定（或按给定的）执行轴（或主轴）转速数列的公比值，并根据公比确定出标准的（或派生的）转速数列（参见教材表2.12）。
3.求出主轴转速级数Z由于，因两轴间变速组的传动副数多采用2或3，在设计简单变速系统时，变速级数应选为的形式，式中m、n为正整数。
4.确定结构网或结构式依据设计原则按传动顺序列写出合适的结构式，并绘制出结构网。
利用计算式：
=xn（pn-1）验算结构网（或结构式）中最大传动组（按扩大顺序的最末，非传动顺序的最末）的调整范围，是否符合条件：
（主运动传动链）。
最末扩大组的最大传动比和最小传动比在结构网或转速图上所跨的格数的最大允许值为。
淘汰超过极限值的方案，再根据变速的各传动副数p应满足“前多后少”，变速组的级比x应“前密后疏”和“前密后疏”的原则，结合结构上的需要，安排各变速组的传动顺序。
5.绘制转速图
（1）选定电动机一般机械系统（或机床）的驱动，在如无特殊性能要求时，多采用系列封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机，系列电动机高效、节能、起动转矩大、噪声低、振动小、运行安全可靠。
其型号、额定功率及其它技术数据和安装尺寸参见有关设计手册。
根据所需功率选定电动机的型号及其同步转速。
（2）分配总降速传动比总降速传动比为un=nmin/nd，式中nmin为主轴最低转速，考虑是否需要增加定比转动副，以使转速数列符合标准或有利于减少齿数和径向与轴向尺寸，并分担总降速传动比。
然后，将总降速传动比按“先缓后急”的递减原则分配给串联的变速组中的最小传动比。
（3）确定传动轴的轴数传动轴数=变速组数+定比传动副数+1。
（4）绘制转速图先按传动轴数及执行轴（或主轴）转速级数格距画出网格，用以绘制转速图。
在绘制转速图中，应先分配从电动机转速到执行轴（或主轴）最低转速的总降速比，在串联的两轴之间画。
再按结构网（或结构式）的级比分配规律画上各变速组的传动比射线，从而确定了各传动副的传动比。
6.绘制传动系统图
（1）因为各零件的参数尚未确定，因此一般应根据转速图，先按各传动副的传动比拟订出主传动系统的草图。
待装配图完成后，再修改草图成为正式的传动系统图。
绘制，按传动顺序画出由电动机经各传动轴至执行轴（或主轴）的传动系统。
传动轴上的齿轮轴向位置大致与展开图相对应，画出轴承符号，标上轴号、齿轮的齿数及模数、皮带轮直径、电动机的型号、功率和转速等。
（2）应注意的问题
（a）如果变速箱（如车床主轴变速箱）的I轴（输入轴）上装有摩擦片式离合器时（见图2-1），I轴最好设计成组件装配形式。
为了缩小轴向尺寸，应减少I轴的齿轮个数，并使I轴上的零件外径尺寸向右递减排列（均小于箱体上的装入孔径），以便使I轴能以组件形式整体拆装。
同时为了减小I轴至II轴的中心距，其间的变速组可采用升速传动。
为保证II轴上的第二个变速组中最大主动齿轮的外径（其齿数为模数为m）不碰I轴上的离合器外径D，则最小中心距为
（1）
其最小齿数和为
（2）
（b）要有利于降低齿轮变速箱的传动噪声
①执行轴（或主轴）高转速范围的转动比排列，可采用先降速后升速的传动，使总转速和减小，以期降低噪声。
这种高速传动采用先降后升，可使同一变速组的传动比有升速有降速，有利于减小齿数和、齿轮线速度及中心距。
②执行轴（或主轴）高速传动时，应缩短传动链，尽量减少传动副数。
图2-1带摩擦片离合器的轴组件装配
③不采用噪声大的锥齿轮传动副（如立式铣床可全部采用垂直排列的传动轴）。
（c）前级变速组的降速传动比不宜采用极限值，以避免增加径向尺寸；最末级变速组可采用最小传动比（即极限值umin）、特别是对于铣床可以增加主轴的飞轮效应。
7.确定各变速组齿轮传动副的齿数可采用计算法或查表法（参见教材表4.1）确定各传动副齿轮的齿数。
多轴变速传动机构各变速组（即两轴之间）的齿数和可表示为
（3）
式中umin——同一变速组中的最小传动比；
zmin——同一变速组中最小齿轮齿数。
为了缩小径向尺寸及降低齿轮的线速度，应小些。
由式（3）可知受下列条件限制：
（1）受齿轮最小齿数的限制，在主传动系统中一般取18-20齿，以避免产生根切现象。
（2）套装在轴上的小齿轮还应考虑到齿根圆到其轮毂键槽深处的最小尺寸应大于基圆齿厚（或不小于2m，m为齿轮模数），以防止轮毂断裂，则其最小齿数应为
式中D——齿轮花键孔的外径（mm），单键槽的取其孔中心至键槽槽底尺寸的两倍；
m——齿轮模数（mm）。
（3）还受最小传动比和允许的最大齿数和的约束，主传动系统的最小极限传动比取。
一般在机械系统中取=70~100齿，取=120齿。
（4）选取时，不要使两轴中心距过小，否则可能导致两轴轴承过近，甚至发生轴承安装干涉。
在多轴变速系统中，还可能使相邻变速组的齿顶圆与轴相碰，即k轴上前一个变速组中的最大被动齿轮的齿顶圆与（k+1）轴的外径相碰，或（k+1）轴上的后一个变速组中的最大主动齿轮的齿顶圆与k轴外径相碰，应按式
（2）检查的确定，式中D应为相应得或。
8.验算执行轴的转速误差实际传动比所造成的执行轴（或主轴）转速误差，一般不应超过10（-1）%，即
（5）
2.3.传动零件的初步计算
初步计算是为了大致确定各传动零件的主要尺寸（如传动轴的直径和齿轮的模数等），以便绘制传动系统变速箱的轴系展开草图。
在绘制草图布置各零件的过程中，同时应考虑零件结构的工艺性，进一步确定各零件的其他结构参数，一些数据要按有关标准选取。
由于结构的某些参数未定以及方案可能修改，所以应按简化公式进行初步计算以加快计算速度。
零件在计算时，首先需要知道其计算转速值nj（即参与传递全功率的最低转速，或传递全扭矩的最高转速）。
各零件的计算转速可根据已确定的转速图，可按执行轴的计算转速、传动齿轮的计算转速和传动轴的计算转速分别进行确定（参见教材第四章4.2）。
1.传动轴的直径初定传动轴的直径按扭转刚度用式（6）或式（7）计算
（6）
（7）
式中d——传动轴的直径（mm）；
——该轴传递的额定扭矩（MPa）；
N——该轴传递的功率（kW）；
——该轴的计算转速（r/min）；
[]——该轴每米长度允许的扭转角（deg/m），一般传动轴取[]=0.5º~1º。
2.执行轴轴颈直径的确定对于机械系统执行轴的尺寸参数，多根据其结构上的需要而定。
执行轴的前轴颈D1尺寸可参考教材表3.20所列出的统计数据确定。
后轴颈D2可按D2=（0.7~0.85）D1确定。
设计时应尽量使执行轴的截面变化量小，即执行轴的外径尺寸在满足要求的条件下变化要小。
执行轴一般应选用阶梯状中空结构，内孔直径d与当量外径D之比以不大于0.7为宜，以保证执行轴的惯性矩。
执行轴的端部结构参见教材表3.5。
3.齿轮模数的初步计算一般在同一变速组中的齿轮取相同模数，选择负荷最重的小齿轮，按简化的接触疲劳强度公式进行计算
（8）
式中mj——按接触疲劳强度计算的齿轮模数（mm）；
——驱动电动机功率（kW）；
——被计算齿轮的计算转速（r/min）；
——大齿轮齿数与小齿轮齿数之比，外啮合取“+”，内啮合取“-”；
——小齿轮的齿数（齿）；
——齿宽系数，（B为齿宽，m为模数），；
——材料的许用接触应力（）。
其它传动件按《机械零件》或有关资料进行选择或计算。
各个传动件的基本尺寸确定后，便可绘制部件装配图。
为了节约合金钢材，对大多数钢质传动零件均可采用优质中碳钢（常用45或50钢）进行适当的热处理（正火，调质或表面淬火等）。
对个别工作条件较重的传动零件，当验算时发现其应力超过许用值时，可采用较好的合金钢（参见教材表3.6）。
2.4.绘制部件装配草图
零件的初步计算为绘制草图提供了必要的尺寸。
手工绘制装配草图时，可用较轻的细线条绘制，以便于修改。
在绘制轴系展开图时，首先根据各传动轴的轴间距离，按传动顺序依次画出各轴线位置，按计算的轴颈尺寸和工作要求选择合适的轴承。
参考同类机械系统的装配图，布置各齿轮的轴向位置，研究齿轮的排列方式。
如果轴向尺寸过长时，应采取必要的缩短轴向尺寸的措施（参见教材第四章4.2，齿轮的布置与排列），可采用公用齿轮，或采取相邻两变速组交错排列布置的方式，或增加定比传动副等形式。
在设计时应注意轴上的滑移齿轮、齿爪式离合器等的移动性，要留有足够的轴向滑移空间，以保证各移动件在完全脱开啮合后才能进入新的啮合（参考教材图4-33），避免滑移干涉。
传动轴及轴上零件应轴向双方向定位，避免欠定位和过定位，其定位方式既要简单可靠又要便于拆装和调整。
根据执行轴组件的设计知识，参考结构图册选择合理的执行轴组件结构，包括轴承类型、配置与调整，轴端结构（参见教材表3.5），执行轴的轴向定位方式等。
对于各种执行轴结构方案进行工作能力比较，并在概算后，决定是否需要修改草图。
画装配图时要全面考虑所必需的各种机构、装置、原件（如离合器、制动器、润滑与密封装置等）的型式与安装位置。
绘制变速系统（变速箱）横剖图时，应力求缩小变速箱的径向尺寸，除了要减小其齿数和外，一般不采用极限降速比（umin=1/4），可采用重合转速（增加传动组）的办法来增大降速的传动比，或增加定比传动副以分担总的降速比。
画横剖图应先确定主轴的位置，然后考虑受力、拆卸和调整等方面情况，确定其它各轴的空间位置（为减小其径向尺寸，各传动轴中心之间多采用三角形布置形式）。
要特别注意各零件，包括该剖面没有标示出来的径向尺寸和位置是否相互干涉、碰撞。
设计所涉及的各构件相关结构参见附录中各图。
2.5.零件的验算
在零件的尺寸和位置确定后，就具体地知道了它们的受力状态、力的大小、作用点和方向，从而可以对零件进行较精确的验算。
为了节省时间应减少重复的计算工作量，可依据课程设计提纲要求（或由指导教师指定）验算的零件及验算的项目，应按着零件在重载工作条件下进行验算，校核零件的承载能力、应力、变形和寿命是否允许，材料选用是否恰当。
1.三角胶带传动的计算和选定在三角带的选用时，应保证有效地传递最大功率（不打滑），并有足够的使用寿命（一定的疲劳强度）。
计算应按已知条件：
传递的功率、（主、被动）带轮的转速和工作情况确定带轮直径、中心距、胶带型号、长度和根数及作用在支承轴上的径向力。
其计算公式与步骤参见《机械设计手册》或有关教材进行计算。
2.直齿圆柱齿轮的应力验算在验算变速箱中的齿轮应力时，选相同模数中承受载荷最大的，齿数最小的齿轮进行接触应力和弯曲应力
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