机械原理课程设计
设计计算说明书
设计题目：麦秸打包机机构及传动装置设计 设 计 者： 潘月楠 学 号： 20100265 专业班级：机械工程及自动化 6 班 指导教师： 柴晓艳 完成日期： 2012 年 12 月 22 日
天津理工大学机械工程学院
目 录
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
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 2.2 方案选择与分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2.3执行机构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 2.4 机械系统方案设计运动简图„„„„„„„„„„„„„„13
三 传动系统方案设计
3.1传动方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 3.2电动机的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配„„„„„„„„„16 3.4传动装置的运动和动力参数计算„„„„„„„„„„„„17
四 设计小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 五 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24
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、运用计算机和技术资料诸方面的能力，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
设计一个机构，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。
传动装置方案建议：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。分配轴转速n ，分配轴输入功率P 。其余尺寸见下表：
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） 分配轴转速n 的允许误差为±5%之内；
分配轴 ：与减速器输出轴(联轴器处) 相连接（各执行机构的输入轴）
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，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
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 ＝2 X 2 X 2 X 2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) 滑块移动机构的方案选择
滑块左右运动的主要运动要求：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。
注：①加压时间是指在相同施压距离内，滑块向右移动所用的时间，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1，2，9，10的性显较差；方案3，4，5，6，7，8，11，12尚可行且有较好综合性能并各自都有特点，这七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
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) 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1 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。
2) 连杆组合机构
方案说明：如图2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2 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。
3) 连杆组合机构
方案说明：此方案传动性能可以满足要求，运动有急回，结构虽简单但紧凑，其全部由连杆组成使得加工与维护容易，成本较低。
图3 连杆组合机构
运动说明：主动杆为一曲柄，它带动从动复合杆做摆动运动，而复合杆的一端带动滑块进行上下运动，另一端带动滑块做左右运动。
4) 连杆组合机构
方案说明：此方案与3、4方案比左右移动滑块的加压方式有些改变，使得机构运动规律比较灵活。
图4）连杆组合机构
运动说明：滑块连杆约处在摇杆的中部，比2、3凡是比较增力直接。
5) 连杆组合机构
方案说明：此方案和前面所示方案性能类似，不同点在于由于挡板结构有些改变，使得比方案3稳定。
图5）连杆组合机构
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， 表3. 总体方案定性分析
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 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；
图11. 机构运动循环图
2．机构设计方法
曲柄滑块机构的设计----------------解析法
曲柄导杆机构的设计----------------解析法和实验法 四杆机构的设计--------------------实验法
图12
用解析法设计分解图中左半部分的机构：
设AB=BD;为保证B 点传力良好，设ABC 的初始角度为60度. AB=BE=820 ABC=60°L1=780
用解析法和实验法设计分解图中右半部分的机构：
EF 和FG 转过的角度相同，根据滑块D 的左右移动是820，挡板上下移动的距离是600可以得到EF 与FG 的比例关系就是滑块与挡板的移动距离比例。滑块本身有长度400加上与挡板的距离260使得FG 的长度最少为660。
FG=600 EF=820
图12. 整体系统图
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。 原始资料：
已知工作机（执行机构原动件）主轴：
转速：
周期：T=2π/nw=4.19s 转速：n W =90 （r/min）
转矩：M b =9550*1.6/nw=169.8（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
所需电动机的功率：P d = PW /ηa
ηa----由电动机至工作轴的传动总效率 ηa =η带³η轴承3³η齿轮2³η联 查表可得：
对于V 带传动: η
带
=0.96
齿轮
对于8级精度的一般齿轮传动：η对于一对滚动轴承：η对于弹性联轴器：η则
轴承
=0.97
=0.99
联轴器
=0.99
ηa =η带³η轴承3³η齿轮2³η联 =0.96³0.993³0.972³0.99 = 0.868
∴ P d = PW /ηa=1.6/0.868=1.84 KW
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 ³i 齿2³n W =(2～4)( 3～5) 2 ³n W =（18 ～100 ）³n W =(18～100) ³90 =1620～9000 r/min
符合这一转速范围的同步转速有3000 r/min，根据容量和转速，由有关手册查出三种适用的电动机型号，因此有三种传动比方案。
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。由表中三种方案，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Y100L-4。
Y100L2-4电动机资料如下:
额定功率：2.2 Kw
满载转速：n 满=2840 r/min 同步转速：3000 r/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 2840/90=31.6
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i 12=3；
则减速器的总传动比为 i 减=i 总/3=31.6/3=10.5
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 i g =1.3id
i 减= ig ³i d = 1.3i2d =9.6 i 2d =10.5/1.3=8.07 i d =2.84
i g =1.3id =1.3*2.84=3.692
注：i g -高速级齿轮传动比；
i d –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=2840 r/min
Ⅰ轴 n Ⅰ= n电/i带=2840/4=710 r/min Ⅱ轴 n Ⅱ= nⅠ/ ig =710/3.692=192.3 r/min Ⅲ轴 n Ⅲ=nⅡ/ id 192.3/2.84=67.7 r/min 计算各轴的输入和输出功率：
Ⅰ轴： 输入功率 P Ⅰ= Pd η带=1.84*0.96=1.766 kw 输出功率 P Ⅰ= 1.766η
轴承
=1.766*0.99=1.749 kw Ⅱ轴： 输入功率 P Ⅱ=1.749³η齿轮
=1.749*0.97=1.696 kw 输出功率 P Ⅱ= 1.696³η轴承
=1.696*0.99=1.679 kw
Ⅲ轴 输入功率 P Ⅲ=1.679³η齿轮
=1.679*0.97=1.629 kw 输出功率 P Ⅲ=1.629³η轴承
=1.629*0.99=1.612 kw
计算各轴的输入和输出转矩：
电动机的输出转矩 T d =9.55³106³P d /n电=9.55³106³1.84/2840
=6.19³103 N ²mm
Ⅰ轴： 输入转矩 T Ⅰ=9.55³106³P Ⅰ / nⅠ=9.55³106³1.766/710
=23.8³103 N ²mm
输出转矩 T Ⅰ=9.55³106³P Ⅰ / nⅠ=9.55³106³1.749/4710
=23.5³103 N ²mm
Ⅱ轴： 输入转矩 T Ⅱ=9.55³106³P Ⅱ / nⅡ=9.55³106³1.696/192.3
=84.2³103 N ²mm
输出转矩 T Ⅱ=9.55³106³P Ⅱ / nⅡ=9.55³106³1.679/192.3
=83.4³103 N ²mm
Ⅲ轴 输入转矩 T Ⅲ=9.55³106³P Ⅲ / nⅢ=9.55³106³1.629/67.7
=229.79³103 N ²mm
输出转矩 T Ⅲ=9.55³106³P Ⅲ / nⅢ=9.55³106³1.612/67.7
=227.39³103 N ²mm
将运动和动力参数计算结果进行整理并列于下表：
四、设计小结
在这次课程设计中，由于理论知识的不足，再加上平时没有什么设计经验，一时不知从何入手。在老师的教导下，和同学们的帮助下，使我找到了信心。课程设计当中的每一天都是很充实的。虽然种种困难我都已经克服，但是还是难免我有些疏忽和遗漏的地方。
在这次实践的过程中学到了一些除技能以外的其他东西, 领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质, 更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制, 最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化. 在社会这样一个大群体里面, 沟通自然是为人处世的基本, 如何协调彼此的关系值得我们去深思和体会. 在实习设计当中依靠与被依靠对我的触及很大, 有些人很有责任感, 把这样一种事情当成是自己的重要任务, 并为之付出了很大的努力, 不断的思考自己所遇到的问题. 而有些人则不以为然, 总觉得自己的弱势…..其实在生活中这样的事情也是很多的, 当我们面对很多问题的时候所采取的具体行动也是不同的, 这当然也会影响我们的结果. 很多时候问题的出现所期待我们的是一种解决问题的心态, 而不是看我们过去的能力到底有多强, 那是一种态度的端正和目的的明确, 只有这样把自己身置于具体的问题之中, 我们才能更好的解决问题。
五、参考文献
[1] 申永胜. 机械原理教程. 北京：清华大学出版社.1999
[2] 郑文纬，吴克坚主编. 机械原理（第七版）. 北京：高等教育出版社，1997 [3] 邹惠君. 机构系统设计. 上海：上海科学技术出版社，1996 [4] 王三民. 机械原理与设计课程设计. 北京：机械工业出版社.2004 [5] 孟宪源主编. 现代机构手册. 北京：机械工业出版社，1994 [6] 严家杰着. 基本机构分析与综合. 上海：复旦大学出版社，1989 [7] 华大年，唐之伟主编. 机构分析与设计. 北京：纺织工业出版社，1985 [8] 华大年，华志宏，吕静平. 连杆机构设计. 上海：上海科学技术出版社，1995 [9] 刘政昆. 间歇运动机构. 大连：大连理工大学出版社，1991
[10] 邹慧君等编译. 凸轮机构的现代设计. 上海：上海交通大学出版社，1991 [11] 邹慧君. 机械运动方案设计手册. 上海交通大学出版社
[12] 王玉新主编，《机构创新设计方法学》，天津：天津大学出版社，1996年。 [13] 罗洪量主编，《机械原理课程设计指导书》（第二版），北京：高等教育出版
社，1986年。
[14] 飞思科技，《JSP 应用开发详解》（第二版），电子工业出版社，2002年。 [15] 李翔鹏，《Pro/E高级实例》, 中国铁道出版社，2005年。 [16] 张忠秀，《机械原理课程设计》，机械工业出版社，2003年。 [17] 王隆太，《机械CAD/CAM技术》，机械工业出版社，2004年。
机械原理课程设计
设计计算说明书
设计题目：麦秸打包机机构及传动装置设计 设 计 者： 潘月楠 学 号： 20100265 专业班级：机械工程及自动化 6 班 指导教师： 柴晓艳 完成日期： 2012 年 12 月 22 日
天津理工大学机械工程学院
目 录
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
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 2.2 方案选择与分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2.3执行机构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 2.4 机械系统方案设计运动简图„„„„„„„„„„„„„„13
三 传动系统方案设计
3.1传动方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 3.2电动机的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配„„„„„„„„„16 3.4传动装置的运动和动力参数计算„„„„„„„„„„„„17
四 设计小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 五 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24
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、运用计算机和技术资料诸方面的能力，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
设计一个机构，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。
传动装置方案建议：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。分配轴转速n ，分配轴输入功率P 。其余尺寸见下表：
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） 分配轴转速n 的允许误差为±5%之内；
分配轴 ：与减速器输出轴(联轴器处) 相连接（各执行机构的输入轴）
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，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
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 ＝2 X 2 X 2 X 2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) 滑块移动机构的方案选择
滑块左右运动的主要运动要求：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。
注：①加压时间是指在相同施压距离内，滑块向右移动所用的时间，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1，2，9，10的性显较差；方案3，4，5，6，7，8，11，12尚可行且有较好综合性能并各自都有特点，这七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
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) 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1 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。
2) 连杆组合机构
方案说明：如图2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2 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。
3) 连杆组合机构
方案说明：此方案传动性能可以满足要求，运动有急回，结构虽简单但紧凑，其全部由连杆组成使得加工与维护容易，成本较低。
图3 连杆组合机构
运动说明：主动杆为一曲柄，它带动从动复合杆做摆动运动，而复合杆的一端带动滑块进行上下运动，另一端带动滑块做左右运动。
4) 连杆组合机构
方案说明：此方案与3、4方案比左右移动滑块的加压方式有些改变，使得机构运动规律比较灵活。
图4）连杆组合机构
运动说明：滑块连杆约处在摇杆的中部，比2、3凡是比较增力直接。
5) 连杆组合机构
方案说明：此方案和前面所示方案性能类似，不同点在于由于挡板结构有些改变，使得比方案3稳定。
图5）连杆组合机构
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， 表3. 总体方案定性分析
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 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；
图11. 机构运动循环图
2．机构设计方法
曲柄滑块机构的设计----------------解析法
曲柄导杆机构的设计----------------解析法和实验法 四杆机构的设计--------------------实验法
图12
用解析法设计分解图中左半部分的机构：
设AB=BD;为保证B 点传力良好，设ABC 的初始角度为60度. AB=BE=820 ABC=60°L1=780
用解析法和实验法设计分解图中右半部分的机构：
EF 和FG 转过的角度相同，根据滑块D 的左右移动是820，挡板上下移动的距离是600可以得到EF 与FG 的比例关系就是滑块与挡板的移动距离比例。滑块本身有长度400加上与挡板的距离260使得FG 的长度最少为660。
FG=600 EF=820
图12. 整体系统图
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。 原始资料：
已知工作机（执行机构原动件）主轴：
转速：
周期：T=2π/nw=4.19s 转速：n W =90 （r/min）
转矩：M b =9550*1.6/nw=169.8（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
所需电动机的功率：P d = PW /ηa
ηa----由电动机至工作轴的传动总效率 ηa =η带³η轴承3³η齿轮2³η联 查表可得：
对于V 带传动: η
带
=0.96
齿轮
对于8级精度的一般齿轮传动：η对于一对滚动轴承：η对于弹性联轴器：η则
轴承
=0.97
=0.99
联轴器
=0.99
ηa =η带³η轴承3³η齿轮2³η联 =0.96³0.993³0.972³0.99 = 0.868
∴ P d = PW /ηa=1.6/0.868=1.84 KW
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 ³i 齿2³n W =(2～4)( 3～5) 2 ³n W =（18 ～100 ）³n W =(18～100) ³90 =1620～9000 r/min
符合这一转速范围的同步转速有3000 r/min，根据容量和转速，由有关手册查出三种适用的电动机型号，因此有三种传动比方案。
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。由表中三种方案，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Y100L-4。
Y100L2-4电动机资料如下:
额定功率：2.2 Kw
满载转速：n 满=2840 r/min 同步转速：3000 r/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 2840/90=31.6
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i 12=3；
则减速器的总传动比为 i 减=i 总/3=31.6/3=10.5
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 i g =1.3id
i 减= ig ³i d = 1.3i2d =9.6 i 2d =10.5/1.3=8.07 i d =2.84
i g =1.3id =1.3*2.84=3.692
注：i g -高速级齿轮传动比；
i d –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=2840 r/min
Ⅰ轴 n Ⅰ= n电/i带=2840/4=710 r/min Ⅱ轴 n Ⅱ= nⅠ/ ig =710/3.692=192.3 r/min Ⅲ轴 n Ⅲ=nⅡ/ id 192.3/2.84=67.7 r/min 计算各轴的输入和输出功率：
Ⅰ轴： 输入功率 P Ⅰ= Pd η带=1.84*0.96=1.766 kw 输出功率 P Ⅰ= 1.766η
轴承
=1.766*0.99=1.749 kw Ⅱ轴： 输入功率 P Ⅱ=1.749³η齿轮
=1.749*0.97=1.696 kw 输出功率 P Ⅱ= 1.696³η轴承
=1.696*0.99=1.679 kw
Ⅲ轴 输入功率 P Ⅲ=1.679³η齿轮
=1.679*0.97=1.629 kw 输出功率 P Ⅲ=1.629³η轴承
=1.629*0.99=1.612 kw
计算各轴的输入和输出转矩：
电动机的输出转矩 T d =9.55³106³P d /n电=9.55³106³1.84/2840
=6.19³103 N ²mm
Ⅰ轴： 输入转矩 T Ⅰ=9.55³106³P Ⅰ / nⅠ=9.55³106³1.766/710
=23.8³103 N ²mm
输出转矩 T Ⅰ=9.55³106³P Ⅰ / nⅠ=9.55³106³1.749/4710
=23.5³103 N ²mm
Ⅱ轴： 输入转矩 T Ⅱ=9.55³106³P Ⅱ / nⅡ=9.55³106³1.696/192.3
=84.2³103 N ²mm
输出转矩 T Ⅱ=9.55³106³P Ⅱ / nⅡ=9.55³106³1.679/192.3
=83.4³103 N ²mm
Ⅲ轴 输入转矩 T Ⅲ=9.55³106³P Ⅲ / nⅢ=9.55³106³1.629/67.7
=229.79³103 N ²mm
输出转矩 T Ⅲ=9.55³106³P Ⅲ / nⅢ=9.55³106³1.612/67.7
=227.39³103 N ²mm
将运动和动力参数计算结果进行整理并列于下表：
四、设计小结
在这次课程设计中，由于理论知识的不足，再加上平时没有什么设计经验，一时不知从何入手。在老师的教导下，和同学们的帮助下，使我找到了信心。课程设计当中的每一天都是很充实的。虽然种种困难我都已经克服，但是还是难免我有些疏忽和遗漏的地方。
在这次实践的过程中学到了一些除技能以外的其他东西, 领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质, 更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制, 最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化. 在社会这样一个大群体里面, 沟通自然是为人处世的基本, 如何协调彼此的关系值得我们去深思和体会. 在实习设计当中依靠与被依靠对我的触及很大, 有些人很有责任感, 把这样一种事情当成是自己的重要任务, 并为之付出了很大的努力, 不断的思考自己所遇到的问题. 而有些人则不以为然, 总觉得自己的弱势…..其实在生活中这样的事情也是很多的, 当我们面对很多问题的时候所采取的具体行动也是不同的, 这当然也会影响我们的结果. 很多时候问题的出现所期待我们的是一种解决问题的心态, 而不是看我们过去的能力到底有多强, 那是一种态度的端正和目的的明确, 只有这样把自己身置于具体的问题之中, 我们才能更好的解决问题。
五、参考文献
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[2] 郑文纬，吴克坚主编. 机械原理（第七版）. 北京：高等教育出版社，1997 [3] 邹惠君. 机构系统设计. 上海：上海科学技术出版社，1996 [4] 王三民. 机械原理与设计课程设计. 北京：机械工业出版社.2004 [5] 孟宪源主编. 现代机构手册. 北京：机械工业出版社，1994 [6] 严家杰着. 基本机构分析与综合. 上海：复旦大学出版社，1989 [7] 华大年，唐之伟主编. 机构分析与设计. 北京：纺织工业出版社，1985 [8] 华大年，华志宏，吕静平. 连杆机构设计. 上海：上海科学技术出版社，1995 [9] 刘政昆. 间歇运动机构. 大连：大连理工大学出版社，1991
[10] 邹慧君等编译. 凸轮机构的现代设计. 上海：上海交通大学出版社，1991 [11] 邹慧君. 机械运动方案设计手册. 上海交通大学出版社
[12] 王玉新主编，《机构创新设计方法学》，天津：天津大学出版社，1996年。 [13] 罗洪量主编，《机械原理课程设计指导书》（第二版），北京：高等教育出版
社，1986年。
[14] 飞思科技，《JSP 应用开发详解》（第二版），电子工业出版社，2002年。 [15] 李翔鹏，《Pro/E高级实例》, 中国铁道出版社，2005年。 [16] 张忠秀，《机械原理课程设计》，机械工业出版社，2003年。 [17] 王隆太，《机械CAD/CAM技术》，机械工业出版社，2004年。