机械原理课程设计课题与指导
孙传琼编写(第6版)
任爱华审
湖北汽车工业学院
机械设计教研室
2010年02月
一、机械原理课程设计的目的
机械原理课程设计是学生将所学知识转化为能力的桥梁，是高校机械类专业学生第一次较全面的综合运用所学知识，理论联系实际，对简单机械系统进行运动方案设计，并对方案中某些机构进行设计与分析。使学生初步了解了机械设计的全过程，受到根据功能需要拟定机械运动方案的训练，从而培养了学生分析和解决实际工程问题的能力。同时使学生对机械系统的总体方案设计、运动和动力分析建立了一个较完整的概念，并使学生较全面、系统地掌握机械原理课程的基本原理和方法。
二、课程设计的任务及要求
机械原理课程设计的基本任务：
根据设计题目中机械的总功能要求，分解功能，进行机构的选型与组合，拟定出至少两种以上机械系统运动方案；
对机械运动方案进行对比、评价和选择，画出机械系统运动方案的机构运动简图，制定机构运动循环图；
对选定方案中的各组成机构（连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、其他常用机构等）进行尺度综合与运动分析；
进行机械动力分析和设计飞轮；
验证机械运动方案设计的合理性。
机械原理课程设计中要求积极主动查找、收集和钻研与设计内容有关的参考文献与资料，并灵活应用所学理论和实践知识，积极构思、独立思考、发挥聪明才智与创新精神及团队互助协作精神，设计出多种机械系统运动方案，并进行分析比较后，选择出较佳方案。设计图要求作图准确、布局合理、图面整洁、标注齐全。图纸规格、线条、尺寸标注等均应符合国家制图标准。反对不求甚解、盲目抄袭、敷衍塞责、容忍错误的不良作风。设计图可以用计算机绘制，但必须提交相应的手绘草图。
三、设计准备
１#图纸1张、２#号设计图纸２张和16开或A4设计计算说明书用纸一本(20—40页)、档案袋一个、绘图工具等。
四、课程设计主要内容及步骤
1．机械的总体运动方案设计
机械方案设计的好坏将决定机械未来的面貌，对机械的性能、成本有较大的影响。完成同一生产任务的机器，可以有多种多样的设计方案，而不同的设计方案，又可以有不同的参数组合，设计者可根据具体情况拟定经济可靠、工作效率高的设计方案。机械方案设计任务主要是进行机构的选型与组合、运动形式的变换与传递、机构运动简图传动系统示意图等的绘制。具体内容如下：
1)复习教材的相关内容，查找、收集和钻研与设计内容有关的参考文献与资料。
分小组讨论并进行多种运动方案拟定。进行机构的型综合，即从各种常用机构中正确地选定机构类型进行合理的组合，以实现所要求的运动。机构选型时，在满足功能要求的条件下，应尽量选择较简单的基本机构或基础机构（双自由度机构）。
3)从拟定的多种运动方案中，对比、评价分析后确定出其中最佳的运动方案，并画出机械系统运动方案的示意图和系统内各基本机构（基础机构）的组合方式框图。
4)按照传动比以及其他设计要求，确定机械的总体尺寸，计算各级传动比，给出各执行机构与传动机构的初选尺寸。
5)绘制械系统运动简图，编制机器运动循环图。
2．尺度综合
根据已知参数用图解法或解析法对机械系统中的各组成机构（凸轮机构、连杆机构、齿轮机构、其他常用机构等）进行运动设计，即对各组成机构进行位置分析和机构运动尺寸设计，求出机构的主要尺寸，或对有关的构件进行轮廓设计等，绘出系统相应的位置图。
3．运动分析
用相对运动图解法作机构某一个位置或用解析法作机构各位置（一个运动循环）的运动分析，绘制平面连杆机构的运动线图。
4．力分析
用图解法对该机械系统的某一个位置或用解析法对该机械系统的各位置（一个运动循环）进行力分析，并绘出平衡力矩曲线图。
5．飞轮设计
用图解法或解析法求最大盈亏功，计算飞轮的转动惯量和尺寸。
6．验证机构运动设计的合理性
用二维（三维）动画验证机构运动设计的合理性；或用创新实验验证机构运动设计的合理性。
7．编写设计计算说明书
编写3～5千字左右的设计计算说明书。课程设计计算说明书是技术说明书的一种，是整个设计计算的整理和总结，同时也是审核设计的技术文件之一。针对不同的设计题目设计计算说明书内容主要包括:前言、目录、正文、参考文献和附录等。
1）前言前言主要是对设计任务、设计目的和意义、设计方法进行总体概述，以便对设计情况有一个总的了解。
2）目录目录应列出说明书中的各项内容标题及页次，包括设计任务书和附录。
3）正文正文主要为设计依据和过程，主要内容：
(1)设计题目（包括设计条件和功能要求等）
(2)执行机构的选择
(3)原动机的选择
(4)传动机构的选择
(5)机械系统总体运动方案的拟定与对比分析
(6)机械系统运动方案布置图
(7)机械组合方式框图和机械系统运动循环图
(8)传动比的分配
(9)机械系统中选定机构的运动、动力分析与设计计算
(10)课程设计的感想与体会
4）文后参考文献表编排格式根据GB/T7704-2005号国家标准要求，设计过程中所用到的参考书、手册等文献资料应按如下格式编写：
[序号]主要责任者文献名[类型标识](首版免注).出版地：出版社，出版年.起页-止页（任选）
例如：[1]孙桓，陈作模.机械原理[M].7版.北京:高等教育出版社，2006
[2]余敏.出版集团研究[M].北京:中国书籍出版社，2001.179-193.
[3]……
（1）参考文献著录项目a.主要责任者(专著作者、论文集主编、学位申报人、专利申请人、报告撰写人、期刊文章作者)。多个责任者之间以“，”分隔主要责任者只列姓名，其后不加“著”、“编”、“主编”、“合编”等责任说明。b.文献题名及类型标识文献版本(初版省略)。c.出版项(出版地、出版者、出版年)。d.文献起止页码。专著[M]，论文集[C]，报纸文章[N]，期刊文章[J]，学位论文[D]，报告[R]，标准[S]，专利[P]，DB]等。
5）附录列出设计中使用的非通用设计资料、图表、计算程序等，如：自编的主程序、子程序及所调用子程序等。
课程设计计算说明书要求计算正确、重要尺寸参数和数据应保留小数点后三位，结构层次清晰、重点突出、叙述简明、文字精炼、文句通顺、书写工整。计算过程应列出公式、代入有关数据、写出计算结果、标明单位，并写出根据计算结果所得出的结论或说明，中间运算可省略。说明书中应编写必要的大、小标题，附有必要的简图。说明书内容中引用的公式、数据、语句等要注明来源（参考文献的序号），例如：各种机构都是用来传递与变换运动和力的可动的装置[1]。“应用到履带车辆转向和传动上，发挥了出色的性能[3]200-205”、“其传动功率分别为110kW(150马力)和184kW(250马力)[3]320-321”。
说明书用16开或A4纸书写，并装订成册，封面样式和说明书内书写格式如下图。
主要参数、尺寸、规格和计算结果可在右侧计算结果栏中列出。
五、答辩准备
答辩是课程设计的最后一个重要环节，通过准备和答辩，可以总结设计方法、步骤，巩固分析和解决工程实际问题的能力。也是评定成绩的重要方式。将各设计图纸、课程设计计算说明书、电算程序及结果等核对无误后，装入资料袋，并在资料袋上注明课程设计名称、班级、姓名、内装资料项目明细内容等，上交并准备答辩。
六、成绩评定
课程设计的成绩单独按五级记分制（优、良、中、及格、不及格）记分。成绩的评定，根据在设计过程中：
1)自主设计工作量和独立完成情况
2)设计计算正确性、设计计算说明书书写的规范性和设计图纸绘制质量
3)按进度计划完成情况
4)提交设计资料的完整性
5)答辩中回答问题的情况
等进行综合评定。具体评分标准：
评分标准 优秀能按进度计划完成设计任务，方案合理，设计图质量好，计算分析正确，，计算分析正确，，计算分析，，计算分析，设计任务，计算分析，答辩很。 布置设计题目，设计准备，讲解有关知识 0.5 选题、机械系统运动方案拟定、讨论及方案选择 1.5 执行机构系统的运动协调设计（画出运动循环图） 0.5 设计计算机构尺寸（运动副之间尺寸计算），绘制机械系统的机构运动简图 2 机构运动与动力分析 2 整理编写设计计算说明书 1 动态仿真或模型制作或实验室机构搭接，验证机构运动设计的合理性 1.5 答辩及成绩评定 1 合计 10
八、设计题目
课程设计题目分为给定题和自选或自拟题两大类，可根据自身情况自愿选择。选择自选或自拟题并完成较好的同学，在成绩评定时，成绩可相应提高一档。
题目1：自选或自拟设计题目
进行市场调研和广泛查找与阅读相关文献资料，选择或根据实际需要自拟设计题目。为了保证课程设计的基本内容，以及一定程度的综合性和完整性，自拟题的运动方案中至少应包含三种基本机构（凸轮机构、连杆机构、齿轮机构等），并应包括机械运动方案的设计、比较与选择、多个执行机构的运动配合关系、运动循环图的分析与设计、三种基本机构（凸轮机构、连杆机构、齿轮机构）的分析与综合等内容。部分可供选择的设计题目：
1)手动补鞋机改为小型电动补鞋机(改装后的补鞋机应体积小、成本低)
2)家用手动压面机改为小型电动压面机(改装后的压面机应体积小、成本低)
3)颚式破碎机
4)洗瓶机
5)糖果包装机剪刀装置
6)足底按摩器设计
题目2：《工件自动传送机机械系统运动方案设计》
工件自动传送机的输入构件在转动副A中做等速回转，转速n=60r/min。执行构件绕转动副D摆动，要求执行构件上的某一标线在15秒内自位置Ⅰ经位置Ⅱ摆至位置Ⅲ；停顿15秒；接着在10秒内由位置Ⅲ摆回至位置Ⅰ；然后停顿20秒。已知执行构件的摆角(＝120°，且摆动时的运动规律不限，滑动摩擦系数f＝0.15，各回转副的跑合轴颈的直径为ｄ＝40mm，各构件的重力和惯性力忽略不计。图1为位置Ⅰ时的工件输送情况，根据实际工况条件，各固定铰链点（包括可选用的铰链点）之间的相对位置关系如图2所示，执行构件上的生产阻力曲线如图3所示，试进行这一机械系统运动方案的设计与分析。设计时要求该机械系统的运动链尽可能短，并且结构紧凑。
题目3：《步进工件输送机机械系统运动方案设计》
设计某自动生产线的一部分——步进工件输送机。工件步进输送过程如图所示，当工件由料仓卸落到辊道上时，滑架作往复直线运动（A2）。滑架正行程时，通过棘钩使工件向前运动；滑架返回时，棘钩下的弹簧被工件压下，棘钩从工件下面滑过，而工件不动。当滑架再次向前运动时，棘钩又钩住下一个工件向前运动，从而实现了工件的步进传送（A1）。插板作间歇的往复直线运动（A3），可使工件保持一定的时间间隔卸落在辊道上。要求滑架具有急回运动特性，行程速比系数为K。插板运动与滑架运动应保持一定的协调配合关系，设计数据如下表。试进行这一机械系统总体运动方案的设计与分析。设计时要求该机械系统的运动链尽可能短，并且结构紧凑。
参数
方案 H
(m) (m1(m/s) K l
(mm) h
(mm) m工
(kg) f工 m滑
(kg) f滑 [(] Ⅰ 0.8 0.2 1.6 350 80 1000 0.1 240 0.08 0.18 Ⅱ 1 0.2 1.5 450 100 1200 0.1 280 0.08 0.19 Ⅲ 1.2 0.2 1.7 550 120 1400 0.1 320 0.08 0.20
其中：
H—工件每次的移动距离；h—插板的插入深度；
(m1—工件平均移动速度；[(]—机器的许用速度不均匀系数；
m工—辊道上工件的总质量；f工—工件相对于导路的当量摩擦系数；
m滑—滑架的质量；f滑—滑架相对于导路的当量摩擦系数。
题目4：《牛头刨床机械系统运动方案设计》
牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程，此时要求刨刀切削速度较低并且平稳均匀，近似匀速运动，以减少电动机容量和提高切削质量；刨头左行时，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高，即应具有急回运动特性，以提高生产率，行程速比系数K约为1.4左右。
刨床主轴转速为60r／min，刨刀的行程H约为300mm，刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力，切削阻力约为7000N，在切削的前后各有一段约0.05H的空刀距离如图所示，而空回行程中则没有切削阻力，因此刨头在整个运动循环中，受力变化很大。试进行这一机械系统总体运动方案的设计与分析。设计时要求该机械系统的运动链尽可能短，传力好和结构紧凑。
附录1工件自动传送机参考设计方案和图纸工作量及布图参考
附录2步进工件输送机参考设计方案
摆杆的质心位于摆杆长度的中点，质量m摆见下表，摆杆对质心轴的转动惯量可用计算。滑架向前时的生产阻力可根据工件总重量、滑架重量和相应的摩擦系数求出，回程时的阻力仅为滑架的摩擦阻力。大齿轮兼作飞轮的作用，计算飞轮转动惯量时其他构件的转动惯量可忽略不计。
参数
方案 H
(m) (m1(m/s) K l
(mm) h
(mm) m工
(kg) f工 m滑
(kg) f滑 m摆
(kg) [(] Ⅰ 0.8 0.2 1.6 350 80 1000 0.1 240 0.08 18 0.18 Ⅱ 1 0.2 1.5 450 100 1200 0.1 280 0.08 20 0.19 Ⅲ 1.2 0.2 1.7 550 120 1400 0.1 320 0.08 22 0.20
附录3洗瓶机推瓶机构的设计要求、参考数据和机构参考设计方案
如图所示为洗瓶机有关部件的工作情况示意图。待洗的瓶子放在两个转动着的导辊上，导辊带动瓶子旋转。当推头M把瓶子向前推进时，转动着的刷子就把瓶子外面洗净。当前一个瓶子将洗刷完毕时，后一个待洗的瓶子已送入导辊待推。
设计推瓶机构时的参考原始数据和要求为：
(1)瓶子尺寸：大端直径d＝80mm，长200mm。
(2)推进距离l=600mm。推瓶机构应使推头M以接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱
离瓶子，然后推头快速返回原位，准备第二个工作循环。
(3)按生产率的要求，推程平匀速度为υ=45mm／s，返回时的平均速度为工作行程的3倍。
(4)机构传动性能良好，结构紧凑，制造方便。
机构参考设计方案：
推瓶凸轮连杆齿轮机构如图示。洗瓶机中要求推瓶机构的推头M沿轨迹ab(点划线)以较慢的匀速推瓶，并快速退回。以铰链四杆机构ABCD实现连杆上M点的推瓶运动轨迹，又以凸轮1通过与滚子从动件固联的扇形齿轮2，控制与齿轮3固联的摇杆CD，使连杆BC上M点的运动能满足预期轨迹与速度要求。
附录4糖果包装机剪刀机构参考设计方案
如图所示，槽凸轮1绕定轴B转动，摇杆2与机架铰接于A。构件5和6与构件2组成转动副D和C，与构件3和4(剪刀)组成转动副E和F。构件3和4绕定轴线K转动。机构构件的尺寸满足条件：ED＝FC和KE＝KF。凸轮1转动时，通过构件2及6、5使剪刀打开和关闭。
附录5牛头刨床机械系统运动参考设计方案
附录6足底按摩器机械系统运动参考设计方案
12
图3执行构件上的生产阻力曲线
(B
360(
-100
1000
Fr(N)
90(
o
图2各固定铰链点之间的相对位置
1
A
70~80
B
C
105
D
20
30(
Fr
Ⅱ
Ⅰ
(
55
Ⅲ
200
湖北汽车工业学院
年月日
A1，(m1
A2，n2
l
H
A3
h
指导教师
设计者
班
机械原理课程设计说明书
装订线
（重要设计计算结果）
（设计计算内容）
装订线
结果
设计题目
计算及说明
系专业
1
约40mm
h
A3
H
l
A2，n2
A1，(m1
工件载送器
工件
S
图1执行构件上的生产阻力曲线
H
7000
图1位置Ⅰ时的工件输送状态
Fr(N)
0.05H
o
0.05H
rT=10mm
r0=40mm
机构组合框图
机械系统总体方案运动简图
标题栏
主轴转角
(凸轮转角)
2＃
主轴转角
(凸轮转角)
12
11
10
9''
9
6
7
8
5
5''
4
3
2
机构综合分析图1张
执行构件运动线图
执行构件加速度
执行构件速度
执行构件位移
主轴转角
(凸轮转角)
力多边形
速度、加速度多边形
执行机构力分析(图解法一个位置)
执行机构运动分析(图解法一个位置)
连杆机构设计(图解法)
标题栏
(执行机构运动分析、力分析)
1＃
65
90°
廓线设计
运动规律
标题栏
2＃
凸轮机构设计(图解法)
85
|
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