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湖 南 科 技 大 學(xué)
課 程 設(shè) 計(jì)
課程設(shè)計(jì)名稱： 《機(jī)械原理》課程設(shè)計(jì)
學(xué) 生 姓 名： 曾**
學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)及班級(jí)： 材料成型機(jī)控制工程三班
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
2013 年 1 月 9 日
課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書
機(jī)電學(xué)院 機(jī)制 系 系 主 任：
學(xué)生班級(jí)：2010材成1、2、3 班 日 期： 2012.12.13
一、 設(shè)計(jì)目的：
在學(xué)習(xí)和了解機(jī)械的通用構(gòu)件和機(jī)械運(yùn)行基本原理的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合，深入了解機(jī)械的通用構(gòu)件和機(jī)械運(yùn)行基本原理在工程常見機(jī)械中的應(yīng)用，提高學(xué)生將機(jī)械原理的基本概念和原理綜合應(yīng)用能力和實(shí)際動(dòng)手能力。
二、 學(xué)生提交設(shè)計(jì)期限：
在本學(xué)期2012年12月17日至2012年12月21日完成，設(shè)計(jì)必須學(xué)生本人交指導(dǎo)老師評(píng)閱。
三、 本設(shè)計(jì)參考材料：
《機(jī)械原理》 《機(jī)械原理課程指導(dǎo)書》
四、 設(shè)計(jì)題目的選定：
參考設(shè)計(jì)題目附后頁(yè)，任選一題。
五、 設(shè)計(jì)要求：
1、 查閱相關(guān)資料；
2、 提出整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；
3、 詳細(xì)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的原理、組成及參數(shù)等；
4、 說明設(shè)計(jì)分析的步驟和計(jì)算過程；
5、 設(shè)計(jì)過程繪制相關(guān)設(shè)計(jì)的CAD圖紙。
六、 設(shè)計(jì)成果及處理說明書主要章節(jié)：
1． 設(shè)計(jì)成果（包括說明書、CAD圖紙等）；
2． 設(shè)計(jì)說明書格式及主要章節(jié)：
a. 封面（參照學(xué)院規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)）；
b. 設(shè)計(jì)任務(wù)書（包括選定設(shè)計(jì)題目與要求，可復(fù)?。?
c. 目錄
d. 說明書正文；（主要包括系統(tǒng)總體方案分析及參數(shù)確定；）
e. 設(shè)計(jì)總結(jié)及體會(huì)；
f. 參考文獻(xiàn)
七、 設(shè)計(jì)所得學(xué)分及成績(jī)?cè)u(píng)定：
本設(shè)計(jì)單獨(dú)算學(xué)分及成績(jī)：占1個(gè)學(xué)分。
考核與評(píng)分主要分四個(gè)方面：
1． 學(xué)生平時(shí)出勤及工作態(tài)度；
2． 說明書、設(shè)計(jì)圖紙的規(guī)范與正確程度及獨(dú)立工作能力；
3． 答辯成績(jī)（部分學(xué)生）。
八、 設(shè)計(jì)進(jìn)度與答疑：
1、 確定設(shè)計(jì)題目及查閱資料，并確定方案：12.17日；
2、 虛擬儀器設(shè)計(jì)及撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告：12.18日；
3、 運(yùn)行調(diào)試檢測(cè)與修改，完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告：12.19～12.20日；
4、 提交設(shè)計(jì)報(bào)告，部分學(xué)生答辯：12.21日。
學(xué)生簽名： 指導(dǎo)老師簽名：
學(xué) 號(hào)：
日 期：2013.1.9 日 期：
目 錄
1 壓床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介??????????????????????????????????????????????????????????????????????????3
2 設(shè)計(jì)內(nèi)容?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4
2.1 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析???????????????????????????????????????????????4
2.3 齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)????????????????????????????????????????????????????????????????4
2.2 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)????????????????????????????????????????????????????????????????4
3 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析?????????????????????????????????????????????????????????5
3.1 連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖????????????????????????????????????????????????????????????????5
3.2 計(jì)算連桿長(zhǎng)度尺寸??????????????????????????????????????????????????????????6
3.3 運(yùn)動(dòng)速度分析????????????????????????????????????????????????????????????????8
3.4 運(yùn)動(dòng)加速度分析???????????????????????????????????????????????????????????10
4 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)????????????????????????????????????????????????????????????????????????12
4.1 凸輪參數(shù)計(jì)算???????????????????????????????????????????????????????????????12
4.2 繪制凸輪運(yùn)動(dòng)線圖????????????????????????????????????????????????????????14
5 齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)????????????????????????????????????????????????????????????????????????15
6 課程設(shè)計(jì)總結(jié)????????????????????????????????????????????????????????????????????????18
7 參考文獻(xiàn)???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19
1 壓床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介
壓床機(jī)構(gòu)是由六桿機(jī)構(gòu)中的沖頭（滑塊）向下運(yùn)動(dòng)克服阻力來沖壓機(jī)械零件的。如圖所示，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)由連桿機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)組成，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)三對(duì)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)使轉(zhuǎn)速降低，再帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)。曲柄通過連桿帶動(dòng)滑塊克服負(fù)載阻力沖壓零件，從而完成預(yù)定的工作。其工作簡(jiǎn)圖如下：
圖1-1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖1-2 凸 輪
沖頭向下運(yùn)動(dòng)時(shí)為工作行程，如下圖中所示，在0.75H內(nèi)滑塊無(wú)阻力，到工作行程后0.25H后沖頭受阻力為Q，沖頭向上時(shí)為空回行程，沒有阻力。為了減少整個(gè)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中的速度波動(dòng)，曲柄軸上裝有供潤(rùn)滑連桿機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)副的油泵凸輪，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的阻力線圖及齒輪副的簡(jiǎn)圖圖如下：
圖1-1 齒輪副圖 圖1-2 阻力線圖
2 設(shè)計(jì)內(nèi)容
2.1 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析
已知：中心距x1、x2、x3、y,構(gòu)件的上下極限偏角為Ψ1、Ψ2，滑塊沖程H，比值CE/CD、EF/DE,各構(gòu)件中心S的位置及曲柄每分鐘轉(zhuǎn)速n1。
要求：設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)，作出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，根據(jù)要求計(jì)算出連桿各構(gòu)件的尺寸，繪制機(jī)構(gòu)某個(gè)位置的速度多邊形和加速度多邊形，計(jì)算出連桿各點(diǎn)的速度、加速度。
2.2 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
已知從動(dòng)件沖程H，許用壓力角α，推程運(yùn)動(dòng)角Φ，遠(yuǎn)休止角Φs，回程運(yùn)動(dòng)角Φ，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，凸輪與曲柄共軸。
要求：按α確定凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸，求出理論廓線、最小曲率半徑ρmin，選取滾子半徑rg，繪出凸輪實(shí)際廓線。
2.3 齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
已知：齒數(shù)Z5，Z6，模數(shù)m，分度圓壓力角α，齒輪為正常齒制，工作情況為正式齒輪，齒輪與曲柄共軸。
要求：選擇兩齒輪變位系數(shù)x1,x2，計(jì)算此時(shí)傳各部分尺寸，繪制齒輪傳動(dòng)嚙合圖。
3 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 繪制連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
表3-1 連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)表
設(shè)計(jì)內(nèi)容
連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析
單位
mm
（o）
mm
符號(hào)
X1
X2
y
ρ'
ρ''
H
數(shù)據(jù)
40
110
70
60
120
120
單位
mm
（o）
符號(hào)
CE/CD
EF/DE
n1
BS2/BC
DS3/DE
數(shù)據(jù)
1/2
1/4
90
1/2
1/2
根據(jù)以上數(shù)據(jù)可繪制出如下簡(jiǎn)圖：
圖3-1 連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.2 計(jì)算連桿長(zhǎng)度尺寸
在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖中，ABCDEF為連桿機(jī)構(gòu)的一般位置圖像，A'B'C'D'E'F'為滑塊處于最上方時(shí)的連桿機(jī)構(gòu)圖像，A''B''C''D''E''F''為滑塊處于最下方時(shí)的連桿機(jī)構(gòu)圖像。
過D點(diǎn)作DO垂直過曲柄圓心的水平線于O。
連接EE'，過點(diǎn)E'作E'M垂直F'F''于M, 過點(diǎn)E''作E''N垂直F'F''于N。
因?yàn)椤螼DE''=60o，ODE' =120o，
所以∠E'DE''=120o—60o=60o，
又因?yàn)镈E'=DE'',
所以△DE'E是等邊三角形。
所以∠E' E'D=60o
又因?yàn)椤螼D E''=60，所以DO ∥E'E''
因?yàn)镕'F'' ∥DO, 所以F'F'' ∥E'E''
所以E'M=E''N，E'F''=E''F'',
所以△E'MF'≌△E''NF'',
所以∠MF'E'=∠NF''E'',
所以四邊形F'F''E''E'是平行四邊形。
所以E'E''=F'F'',
又因?yàn)椤鱁''E'D是等邊三角形，
所以DE=E'E''=H=120mm，
又因?yàn)镋F/DE=1/4, CE/CD=1/2，
可算得：
CE=40mm,CD=80mm,EF=30mm。
連接AD，由勾股定理
AD==80.8mm，
當(dāng)滑塊處于最上方時(shí)
AO/BD=x1/y=40/70==arctan30o,
所以∠ADO=30o,
∠ADC''=120o -30o=90 o，
即△ADC為直角三角形
所以(AB+BC) 2=AD2+CD2=12900mm, ①
當(dāng)連桿處于滑塊最下端時(shí)，∠ADC'=∠ODC'—∠ODA=30 o，由余弦定理，
（BC—AB）2= AD2+CD2—2AD×CDcos30 o， ②
解方程組①和②得
AB=36.2mm, BC=77.5mm。
所以連桿各桿件的尺寸分別為：
AB=36.2mm BC=77.5mm CD=80mm
CE=40mm EF=30mm
3.3 連桿運(yùn)動(dòng)速度分析
如圖，取滑塊在最低位置時(shí)對(duì)應(yīng)曲柄位置為1，按曲柄轉(zhuǎn)向，將曲柄圓周分為12等分，畫出12個(gè)曲柄位置圖，根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)圖及相關(guān)尺寸長(zhǎng)度關(guān)系可作出滑塊在上極限位置和距上極限位置為0.25H時(shí)對(duì)應(yīng)的曲柄位置6'和10'。 圖如下所示： 圖3-1 曲柄位置圖 圖3-2 速度多邊形
當(dāng)機(jī)構(gòu)位于位置8時(shí)，取比例尺Uv=0.005m/s·mm,根據(jù)簡(jiǎn)圖及曲柄位置可作速度多邊形。用|OM|表示圖中M的長(zhǎng)度
則在CAD圖中可得出
|OC|=128.33mm |BC|=41.83mm
|OE| ＝139.76mm |OF| ＝175.35mm
|EF|＝48.74mm |OS2|＝135.23mm
|OS3|＝96.88
根據(jù)要求，n1=90r/min，
= rad/s = =9.425 逆時(shí)針
= AB·n1 = 9.425×0.0775=0.73m/s
= +
大小 - 0.73 -
方向⊥CD ⊥AB ⊥BC
根據(jù)尺寸關(guān)系可算出：
＝Uv· |OC|＝0.005×128.33=0.64m/s
＝Uv·|BC| ＝0.005×41.83=m/s
＝Uv·|OE| ＝0.005×193.76=m/s
＝Uv·|OF| ＝0.005×175.35=0.87m/s
＝Uv·|EF|＝0.005×48.74=0.24m/s
＝Uv·|OS2|＝0.005×135.23＝0.67m/s
＝Uv·|OS3|＝0.005×96.88＝0.48m/s
3.4 加速度分析
LAB、LBC等表示連桿AB\BC的長(zhǎng)度，則根據(jù)速度系可以算出
B=ω12LAB=9.4252×36. 2/1000=3.22m/s2
nCB=ω22LBC=2.72×77.5/1000=0.55m/s2
nCD=ω32LCD=82×80/1000=5.12m/s2
nFE =ω42LEF=82×30/1000=1.92m/s2
= anCD+ atCD= aB + atCB + anCB
大?。?- 5.12 - 3.22 - 0.55
方向： - C→D ⊥CD B→A ⊥BC C→B
取比例尺為Ur=0.05mm/ms^2,作加速度多邊形：
圖3-3 加速度多邊形
用|OM|表示圖中M的長(zhǎng)度
則在CAD圖中可得出
|OC|=97.32mm |OE|=153.99mm
|BC|=53.736mm |CD|=97.32mm
|OF|=81.3mm |OS2|=77.92mm
|OS3|=64.88mm
根據(jù)加速度多邊形的相關(guān)尺寸可算得：
C=Ur·|OC|=0.05×97.32=4.84m/s2
E =Ur·|OE|=0.05×153.99=7.69m/s2
tCD=Ur·|BC|=0.05×53.736=2.69m/s2
tFE =Ur·|CD|=0.05×97.32=4.87m/s2
F= Ur·|OF|=0.05×81.3=4.07 m/s2
S2= Ur·|OS2|=0.05×77.92=3.89 m/s2
S3= Ur·|OS3|=0.05×64.88=1.62 m/s2
4 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 參數(shù)計(jì)算
已知凸輪與曲柄同軸，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表如下
表4-1 凸輪參數(shù)表
設(shè)計(jì)內(nèi)容
凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
符號(hào)
h
[α]
Φ
Φs
Φ'
從動(dòng)桿加速度規(guī)律
單位
m
o
o
o
o
數(shù)據(jù)
17
30
60
30
80
余弦
運(yùn)動(dòng)方程為S=h[cδ/δ0-2πcos(2πδ/δ0)]，加速度最大時(shí)ρ最小，
ρ=
可求得ρ最小值為40mm。
根據(jù)e=max/2
R0≥
取基圓半徑R0=40mm，偏心距e=10mm，滾子半徑為10mm，
根據(jù)表格數(shù)據(jù)可知：
0-60o為推程階段，
60o-90o為遠(yuǎn)休，
90o-170o為回程階段，
170o-360o為近休。
4.2 繪制輪廓圖像
用反轉(zhuǎn)法可畫出輪廓圖像，作圖步驟為：
①作出位移線圖，將位移的橫坐標(biāo)平均分為12等分，由于0-60o為推程階段，60o-90o為遠(yuǎn)休，這些位置輪廓描點(diǎn)比較重要，可再細(xì)分為15度一份。
②根據(jù)已知尺寸，作出基圓，根據(jù)從動(dòng)件偏置方向和偏距畫出從動(dòng)件及滾子的起始位置線，由此可知該位置線即為從動(dòng)件的起始位置。
③作出偏距圓，該圓與從動(dòng)件起始位置線相切。
④自偏距圓從動(dòng)件起始位置線的切點(diǎn)開始，將偏距圓分成與位移線圖橫坐標(biāo)相同的等分，找到等分點(diǎn)，過各等分點(diǎn)作偏距圓的切射線，找到與基圓的交點(diǎn)。
⑤在上述切射線上，從基圓起向外截取線段，使其長(zhǎng)度分別等于位移線圖中橫坐標(biāo)所分成小段的相應(yīng)高度，這些線段端點(diǎn)代表滾子圓心所在的位置。
⑥將各點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，即為所設(shè)計(jì)的凸輪輪廓曲線。
圖形如下，其中與各滾子圓心構(gòu)成的輪廓曲線為理論輪廓曲線，與各滾子相切的輪廓曲線為實(shí)際廓線：
圖4-1 凸輪輪廓曲線與位移圖像
5 齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
參數(shù)計(jì)算：已知齒輪為正常齒制，工作情況為開式齒輪，齒輪與曲柄共軸，數(shù)據(jù)如下表所示：
表5-1 齒輪參數(shù)表
設(shè)計(jì)內(nèi)容
齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
符號(hào)
Z5
Z6
α
m
單位
o
mm
數(shù)據(jù)
11
32
20
6
由于齒輪Z5齒數(shù)小于17，要避免產(chǎn)生根切現(xiàn)象必存在變位系數(shù)，必要增大其中心距，進(jìn)行變位。
y=( Z5+ Z6)· (cosα/cosα-1) /2
a'=a+ym=m (Z1+Z2) /2+ym
無(wú)側(cè)隙傳動(dòng)方程式
X5+ X6=（invα'-invα）·( Z5+ Z6)/2tanα
X5=（17-11）、17=0.353
根據(jù)以上方程組可解得變位系數(shù)X6=0.88
分度圓直徑 d5=mz5=66mm
d6=mz6=192mm
基圓直徑 db5= d5cosα=62mm
db6= d6cosα=180mm
齒厚 S5=（π/2+2×5tanα）m= 11mm
S6=（π/2+2×6tanα）m= 9mm
齒頂高 ha5=（ha*+X5）m=8.5mm
Ha6=（ha*+X6）m=4.5mm
齒根高 hf5=（ha*+ hc*- X5）m=4.5mm
Hf6=（ha*+hc*- X6）m=9mm
6 課程設(shè)計(jì)總結(jié)
做機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)是第一次做課程設(shè)計(jì)，在課程設(shè)計(jì)中充分體現(xiàn)從學(xué)習(xí)到運(yùn)用再到實(shí)踐的過程。學(xué)習(xí)重在學(xué)以致用，在實(shí)踐中溫習(xí)、反復(fù)、加強(qiáng)和提高所學(xué)內(nèi)容，使所學(xué)知識(shí)更加扎實(shí)，融會(huì)貫通，綜合運(yùn)用能力也得到提升。作為大學(xué)生，要學(xué)會(huì)把所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)、生活中去，設(shè)計(jì)出實(shí)用的產(chǎn)品，這才是我們學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)所在。短短的一周課程設(shè)計(jì)，卻過得非常忙碌充實(shí)。
開始做課程設(shè)計(jì)時(shí)完全不知所措，不得不查資料、去圖書館、找老師，弄清楚課程設(shè)計(jì)該怎么做之后才可以自己獨(dú)立鉆研。構(gòu)思好課程設(shè)計(jì)的大致框架，寫提綱，打草稿。一步一步按要求做下去。到最后發(fā)現(xiàn)，其實(shí)做課程設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)習(xí)非常有幫助，對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步加深印象非常有幫助。
課程設(shè)計(jì)綜合性非常強(qiáng)，做機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)涉及到機(jī)械原理課理論知識(shí)、理論力學(xué)理論知識(shí)、CAD計(jì)算機(jī)繪圖以及大學(xué)物理中的運(yùn)動(dòng)學(xué)，做課程設(shè)計(jì)把以前所學(xué)的這些知識(shí)重新溫習(xí)了一遍。要做好這一門課程設(shè)計(jì)，就必須學(xué)會(huì)聯(lián)系并綜合運(yùn)用這些知識(shí)，要有足夠的空間想象力和邏輯能力?？鬃釉唬簩W(xué)而時(shí)習(xí)之，學(xué)過的東西不重復(fù)很快就忘了，許多理論力學(xué)里學(xué)過的知識(shí)都已經(jīng)不記得了，還有CAD繪圖也有些操作以經(jīng)陌生，做課程設(shè)計(jì)時(shí)不得不找到以前的教材，把遺漏的知識(shí)點(diǎn)看一遍。做完課程設(shè)計(jì)最大的收獲就是我覺得CAD熟練多了，許多以前沒有掌握的技巧現(xiàn)在學(xué)會(huì)了。相當(dāng)于把以前學(xué)過的內(nèi)容深一層地復(fù)習(xí)了一遍，知識(shí)的運(yùn)用更靈活了。
在課程設(shè)計(jì)中我深深地體會(huì)到我們學(xué)習(xí)中的許多不足之處。首先學(xué)習(xí)知識(shí)太過于散亂，各科內(nèi)容很少有機(jī)會(huì)聯(lián)系結(jié)合起來，也很少有機(jī)會(huì)讓我們?nèi)?shí)踐，去把這些知識(shí)運(yùn)用到一起，做成一個(gè)實(shí)際有意義的作品出來。再者我們的課程經(jīng)常學(xué)完了就不管了，用不了多久就忘得一干二凈，到畢業(yè)時(shí)甚至有些課程究竟學(xué)到了什么東西都不知道。還有許多學(xué)生對(duì)實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐性課程不重視，只重視有考試的課程，實(shí)踐嚴(yán)重不足，容易出現(xiàn)“高分低能”的現(xiàn)象。我們應(yīng)該認(rèn)真思考，樹立正確的人生觀、價(jià)值觀，知道我們就讀大學(xué)的主要目的，全面提升自己。
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