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机械设计说明


第一节 机械原理课程设计概述



一、机械原理课程设计的目的

机械原理课程设计是使学生较全面、系统掌握机械原理课程的基本原理和方法的重要环节,是培养学生“初步具有确定机械运动方案,分析和设计机械的能力”及“开发创新能力”的一种手段。其目的是:

1)以机械系统运动方案设计与拟定为结合点,把机械原理课程中分散于各章的理论和方法融会贯通起来,进一步巩固和加深学生所学的理论知识;

2)通过拟定机械运动方案的训练,使学生初步具有机构选型与组合和确定运动方案的能力;

3)使学生在了解机械运动的变换与传递及力传递的过程中,对机械的运动、动力分析与设计有一个较完整的概念;

4)进一步提高学生运算、绘图、运用计算机和技术资料的能力;

5)通过编写说明书,培养学生表达、归纳、总结和独立思考与分析的能力。



二、机械原理课程设计的任务

对给定的设计要求进行分析,将总功能分解;制定机构运动循环图;设计实现各个分功能的机构运动原理,构成几种运动方案,对各运动方案进行对比和选择;对选定方案中的机构进行分析与设计,画出机构运动简图;设计飞轮;对机构进行必要的运动和动力分析。



三、机械原理课程设计进行的方式

根据具体情况有下列几种方式可供选择。

1)集中式:在机械原理课程课堂教学完成后,集中一段时间进行;

2)分散式:将课程设计与课程教学平行安排;

3)集中与分散:在机械原理课程教学的中后期先进行课程设计的调研及部分工作方案设计工作,课程结束后集中一段时间进行绘图、分析、编写说明书等工作。

上述三种方式中,第一种与第三种对进行机械系统运动方案设计有利,第二种对密切联系每章中的理论教学较好,适宜于解析法为主要手段的机构分析与综合类的课程设计题,而对机械运动方案设计类的题目较难进行。



四、课程设计的一般步骤和方法

机器主要是由原动部分、传动部分和执行部分三大部分组成,传动部分和执行部分又主要由各种机构组成,机械原理课程设计要求针对某种简单机器进行机械运动设计,最终获得机械运动简图。机械运动设计的一般步骤是:

1、确定执行构件的运动及运动参数

所谓执行构件的运动,是指完成机器预定功能所需的所有执行构件的运动形式、运动参数和变化规律,以及它们之间的相互配合关系。当机器的工作要求确定之后,根据对所需的功能要求进行分析,可确定出实现功能的原理,进一步便可确定执行构件的运动。

这一步包括将两个工作:

1)通过对设计功能的分析,确定完成功能所需的工艺动作的数量和类型,并将设计要求由功能要求细化为对各个执行构件的运动形式和运动参数的要求。

2)按照功能要求,设计出所有各个执行构件之间在运动上的协调关系,绘制出机械运动循环图。

2、确定原动机的类型和运动参数

原动机的类型和运动参数影响机械传动的形式、机构类型的选择和机械系统的复杂程度,因此应首先选好原动机。

常用原动机有三相异步电动机、调速电动机和往复式油缸(或气缸)等。机器中一般多采用三相异步电动机为原动机,同时对电动机的运动参数的选择应综合考虑电动机和传动部分的重量、尺寸、价格、机构系统的复杂程度以及机械效率等各方面的因素。

3、确定机器的运动方案

此部分包括两个内容:

1)机器运动方案的设计。当执行构件的工艺动作和原动机的运动确定后,就可以选择适当的机构及其合理组合,形成完成各个工艺动作的机器工作原理以及原动机与执行机构之间的传动方案。设计机器运动的工作原理,其基础是对机械原理课程中所讲述的各种常用机构的结构组成、运动特点、工作原理的掌握。同时,在拟定机器工作方案时还应遵循以下原则:

①采用尽可能简短的运动链这有利于降低机械的重量和制造成本,也有利于提高机械效率和见小累积误差。

②优先选用基本机构基本机构结构简单、设计方便、技术成熟,故在满足功能要求的条件下,应优先选用。

③应使机械有较高的机械效率。

④合理安排不同类型传动机构的顺序一般来说,通常将转变运动形式的机构安排在运动链的末端,与执行构件靠近;其次,带传动等摩擦传动,一般都安排在转速较高的运动链起始端,以减少其传动的转矩,从而见小其外廓尺寸。

⑤合理分配传动比运动链的总传动比合理的分配给各级传动机构。具体分配时应注意:一是每一级传动的传动比应在通常的范围内选取;二是当运动链为减速传动时,一般情况下,按照“前小后大”的原则分配传动比。

⑥保证机械的安全运转。

2)选择最优机器运动方案

同一个运动可以由多种实现方法,因此可以设计出多种运动方案,这就设计方案的选择问题。最为机械原理课程设计,仅要求完成方案的初步训练,大致可从以下几个方面进行分析、比较:

①机械功能的实现质量这里主要包括工作的精确性、稳定性、适应性和扩展性等。

②机械的工作性能机械在满足功能要求的条件下,还应具有良好的工作性能。如运转的平稳性、传力性能及承载能力等。

③机械的动力性能如冲击、振动、噪声及磨损性等。

④机械结构的合理性结构的合理性包括结构的复杂程度、尺寸及重量大小等。

⑤机械的经济性经济性包含设计工作量的大小、制造成本、维修难易及能耗大小等。

4、机械系统的运动尺寸设计

机械系统的运动尺寸设计包括传动机构和执行机构的运动尺寸设计。

传动机构的运动设计在运动设计节段,主要是确定总传动比,以及相应的齿轮齿数、链轮齿数、蜗轮蜗杆齿数、带轮直径等,以使执行机构得到所需的速度。

执行机构的运动尺寸设计,则要对各构件的长度,机架的位置、高副运动副元素的几何形状、螺旋机构的导程、棘轮棘抓机构的齿数、槽轮机构的尺寸和轮槽数等进行确定,其决定方法在机械原理的相应章节中已经详细说明。

5、绘制机构运动简图

在机器运动方案的设计和机构运动尺寸设计的基础之上,选择适当的比例尺绘制机器运动简图。对于执行机构应适当标注与运动有关的尺寸参数,对于传动机构则应标注相应的齿轮和链轮齿数及带轮直径等。原动机和执行构件的运动及其参数也应使用相应的符号和数字予以表示。图中还可以用简要的文字注明一些技术要求,如运动的不均匀性要求,为了达到运动协调配合,分配轴上元件的相角调整要求,对某些元件的平衡精度要求等。机构运动简图的绘制方法参考机械原理教材。

6、机构运动分析

为了检查所设计的机构是否满足预定的运动要求,是否回发生运动干涉,确定机构运动所需的空间大小,为机构动态静力分析提供资料,应对所设计的机构进行运动分析。

课程设计中,一般可对主体机构或指定的机构进行运动分析,应画出执行构件的运动线图,一般进行分析比较。还要求出指定构件的角加速度和质心的加速度,以便进行动态静力分析。运动分析可采用图解法和解析法。

7、机构动态静力分析

在运动分析的基础上,对机构进行动态静力分析,动态静力分析的内容是主动件处于每个给定位置按预定规律运动时,求出各运动副中的反力,及机构的平衡力或平衡力矩。为后续的飞轮设计,原动机的功率选择,以及零部件的工作能力设计提供原始资料。

机构动态静力分析也可采用图解法和解析法进行分析。

8、机器周期性速度波动调节

对于在短期尖峰载荷下工作的机器,为了改善机器的工作平稳性,见小所需电动机的容量,需要添加飞轮。集体方法可参阅机械原理教材相应内容。

9、确定的电动机功率

主体机在周期性变速稳定运转时所需电动机的理论功率为:


式中:Mvd-主动件上的等效驱动力矩(N·m),一般为常数;

   Mvr-主动件上平均等效力矩(N·m);

   ωm-主动件平均角速度(rad/s)。

考虑到传动效率,则电动机的功率为:


由于没有考虑其它执行构件所需的功率和启动时所需的功率的增加,因此电动机所需的功率可能还要增大,通常用类比法参照同类机器修正计算所得的电动机功率。查阅电动机的使用资料,根据所需功率和运动参数的大小即可确定电动机的型号。

10、编写设计说明书

说明书是设计计算的整理和总结,是图纸设计的理论依据,而且是审核设计的技术文件之一。说明书编写要求和注意事项在后面有详细说明。



五、课程设计说明书的编写

1、课程设计说明书的内容

编写技术报告、可行性论证报告、产品说明书等技术文件是学生在校期间应该掌握的基本技能之一。课程设计说明书属于技术说明书中的一种,对说明书的编写是培养学生编写技术文件的重要途径之一。

编写课程设计说明书,是学生对课程设计的总结,内容大致包括:

1)目录

2)设计任务书(包括设计条件和要求);

3)运动循环图(执行构件运动协调配合关系);

4)原动机的运动类型及其运动参数的选择;

5)机器运动方案(三种或三种以上方案)设计及其选择;

6)传动系统运动尺寸设计;

7)执行机构(主体机构和辅助机构)的运动尺寸设计;

8)机构运动简图;

9)主体机构运动分析;

10)主体机构动态静力分析;

11)机器周期性行速度波动调节;

12)确定电动机功率;

13)自我评价及感想;

14)参考资料。



2、课程设计说明书的编写要求和注意事项

1)预备好草稿本。每个学生在接到课程设计题目之后要备一草稿本,把你在课程设计过程中查阅、摘录的资料、初步的运算、编程的草稿、设计构思的草图、心得思路、书写的草稿等都记录在案,不要轻易散落、丢失。这些材料是写正式说明书的基本素材。

2)说明书应该用钢笔写在16开课程设计说明书专用纸上,要求字迹端正、文句通顺、步骤清楚、叙述简明。通过课程设计说明书的编写,学生应学会整理设计数据,绘制图表和简图,用工程术语表达设计成果的方法,说明书是每个学生治学态度、独立分析能力、归纳总结表达能力的综合反映,每个学生必须下功夫斟字酌句写出自己的水平与风格,也为书写其他课程设计、毕业设计和论文打下基础。

3)说明书中计算部分的书写,必须附上与计算有关的图,先列出计算式,再按顺序代入各文字符号的数字,最后写出计算结果。计算所引用的公式和数据应注明来源,包括参考资料的编号和页码。

4)说明书中,每一自成单元的内容都应有大小标题,使其醒目突出。

5)凡是用图纸绘出的图形,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。

6)说明书应加上统一的封面,并与目录装订成册。

7)课程设计提交时,说明书应与图纸一同装入课程设计档案袋内,图纸应按制图要求进行折叠,并做好大便准备。











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