课程设计参考资料2013

1．1 课程设计的目的、任务和要求

一、课程设计的目的

机械原理是高等工科院校机械类专业学生的主干课程，与其配套的课程设计是学生首次较全面地进行机械传动系统运动学、动力学分析和机械结构设计的一个十分重要的实践性教学环节，它是这门课程的重要组成部分。其目的在于进一步加深学生的课本知识，运用所学理论和方法进行一次综合性设计训练，培养学生独立分析问题和解决问题的能力。同时，通过课程设计，使学生具有初步的设计机械运动方案的能力，增强设计中有关运动学、动力学和主要零部件的工作能力的分析与设计概念的完整性；通过课程设计，可以提高学生综合运用知识的能力，增强对设计工作的了解和认识，使学生具备计算、制图和使用技术资料的能力，并初步掌握电算程序的编制，能利用计算机解决有关工程设计的问题。

二、课程设计的任务

总体来说，机械原理课程设计的任务是进行机械系统的运动方案设计和传动中基本机构的结构、运动和动力设计。具体来说，就是根据给定的机械工作要求，确定机械的工作原理，拟定工艺动作和执行构件的运动形式，绘制工作循环图；选择原动机的类型和主要参数，进行执行机构的选型与组合，获得机械系统的多种运动方案，然后对各种运动方案进行分析、比较和选择；对设计运动方案中的各执行机构进行运动分析与综合，确定其运动参数，并绘制机构运动简图；进行机械动力性能分析与综合，设计调速飞轮。上述内容都属于机械系统的运动方案设计。在完成运动方案设计任务的基础上编制设计计算说明书和整理有关分析设计电算程序，进行课程设计答辩。

在具体的实施过程中，可以依据专业和学时、教学侧重点以及学生自身能力的不同进行调整和取舍，尽量做到“因才施教”。

三、课程设计的要求

在机械系统运动方案设计课程设计过程中，要求参与的每个学生做到：

1．了解机械产品的设计过程和设计要求，以机械总体设计为出发点，采用系统分析的方法，合理确定机械运动方案和结构布局；

2．以所学知识为基础，针对具体设计题目，充分发挥自己的主观能动性，独立地完成课程设计分配的各项任务，并注意与同组其他同学进行协作与协调；

3．在确定机械工作原理、构思机械运动方案等过程中，要有意识地采用创新思维方法，设计出原理科学、方案先进、结构合理的机械产品；

4．对设计题目进行深入分析，收集类似机械的相关资料，通过分析比较，吸取现有结构中的优点，并在此基础上发挥自己的创造性，提出几种可行的运动方案，通过比较分析，优选出一、二种方案进行进一步设计。

5．通过多种渠道查阅机械原理与设计教材和相关资料，在认真思考的基础上提出自己的见解。

6．正确使用参考资料和标准规范，认真计算和制图，力求设计图纸符合国家标准、计算过程和结果正确。

7．在条件许可时，尽可能多地采用计算机辅助设计技术，完成课程设计中分析计算和图形绘制。

8．在课程设计过程中，应注意将方案构思、机构分析、以及设计计算等所有工作都仔细记录在笔记本上，最后将笔记本上的内容进行分类整理，补充完善，即可形成设计计算说明书。

1．2 课程设计的一般过程与注意事项

机械原理课程设计的过程大致可分为七个阶段。

一、了解设计任务

机械产品的设计任务往往都是以设计任务书的形式提出来，在设计任务书中应详细规定机械的用途、主要性能参数、工作环境条件、生产指标及成本预算等。接到设计任务后，学生应首先对设计题目进行分析，了解设计任务和设计要求。

二、运动方案设计

根据任务书的要求，在广泛收集同类机器或相近机械的性能参数、使用情况、优缺点等技术资料和数据的基础上，便可进行机械的运动方案设计。机械的运动方案在很大程度上决定着机械是否能完成预期的任务以及工作的质量。而机械运动方案取决于机械的工作原理。完成同一生产任务的机器，可以有多种工作原理和运动方案，即便是同一种方案，又可以有不同的参数组合，设计者应根据具体要求发挥自己创造能力，设计出合理、科学、效率高、工作可靠、成本低的运动方案。

机械运动方案设计的主要内容包括：拟定机械的工作原理，确定执行构件的数目和运动形式，选择原动机的类型，进行执行机构的选型与组合，绘制机构运动简图等。

三、机械运动设计

运动设计是根据设计任务书的要求，对选定的运动设计方案进行尺寸综合，以满足根据该机械的用途、功能和工艺等要求而提出的执行构件的运动规律、位置或点轨迹等要求。机械运动设计的内容包括确定机构的主要特性尺寸，分析机构的运动，确定和分配传动比，绘制机械运动循环图等。

在机械的运动设计中，如果通过运动分析发现所选择的运动方案没有满足预期的运动要求，应审查和修改运动方案，或者调整构件的运动尺寸、进行结构变异等，然后重新对机构进行运动分析。

四、机械动力设计

动力设计是在机械运动设计的基础上，确定作用在机械系统各构件上的载荷并进行机械的功率计算和能量计算。机械动力设计的内容包括动态静力分析、功能关系、真实运动规律求解、速度波动调节和机械的平衡计算等。

根据机械各执行构件上承受载荷的性质和大小，考虑机械系统的效率，分别算出机械的输出功率，然后确定原动机应具有的功率、转速，从而选择适宜的原动机型号。当执行构件上的载荷不太明确时。常根据实践经验或类比方法选定原动机的功率和转速。

五、机械传动系统设计

机械传动系统的功能是将原动机的转速和转矩进行传递和变化，以满足执行机构对速度和力的要求，其通常由带传动、链传动以及各式齿轮传动等组成。机械传动系统设计的具体内容就是依据执行机构对输入运动和动力的要求，机械的用途、工作环境、成本、效率等条件，选择合适的传动类型以及其组合顺序，然后，对总传动比进行分配，并依据原动机的额定功率（或工作机所需功率）和转速，算出机械各传动轴的转矩（或力）、转速（或速度）。

六、主要机构的结构设计

对于传动系统中所使用的基本机构，根据系统的功能和设计要求，需要对其进行工作能力和结构设计。设计时，依据设计准则，通过相应的分析和计算确定其合理的几何形状和结构尺寸。

七、编制设计计算说明书，进行课程设计答辩

编写设计计算说明书是对整个设计工作的整理和总结，是课程设计的最终成果之一，是教师了解设计、审查设计是否合理的重要技术文件，也是评定课程设计成绩的重要依据。

答辩是课程设计的最后一个环节，是教师了解学生对问题理解的深度、对知识掌握的程度以及独立解决问题的能力等的重要手段。

八、机械原理课程设计的注意事项

1．设计是一个循序渐进，逐步完善和提高的过程。

设计者应充分认识到，设计过程要从机械系统整体需要考虑问题，要注意循序渐进，逐步完善。设计和计算、绘图和校核、完善和提高，常常要相互结合进行。

2．巩固设计基本技能，注重设计能力的培养。

机械产品设计中内容繁多，而所有的设计内容都要求设计者将其准确无误地表达为图样或软件形式，并经过制造、装配方能成为产品。机构设计，工作能力计算和结构设计等是机械设计中必备的知识和基本技能。学生应自觉加强理论与工程实践的结合，掌握认识、分析、解决问题的基本方法，提高设计能力。

3．汲取传统经验，发挥主观能动性，勇于创新。

机械原理课程设计题目多选自工程实际，设计中有很多前人的设计经验可供借鉴。学生应注意了解、学习和继承前人的设计经验，同时又要发挥主观能动性，勇于创新，锻炼发现问题、分析问题和解决问题的能力。

4．从整体着眼，提高综合设计素质。

设计过程中，注意先总体设计，后机构设计；先概要设计，后详细设计；先运动设计，后结构设计。遇到设计难点时，要从设计目标出发，在满足工作能力和工作环境要求的前提下，首先解决主要矛盾，逐渐化解其他矛盾；提倡使用成熟软件和计算机辅助设计。

5．正确处理传统设计与创新设计的关系。

设计过程中适当采用新技术、新工艺和新方法，以提高产品的技术经济性和市场竞争能力。

1．3 课程设计常用方法的特点

机械原理课程设计的任务总体上可分为机械运动系统方案设计和常用机构的结构设计两大部分，这也是机械产品设计的主体内容，因此课程设计所采用的方法与机械产品设计方法基本上是一致的。机械产品设计的常用方法可划分为传统设计方法和现代设计方法两大类。

一、传统设计方法

传统设计方法是以经验总结为基础，运用力学、数学或实验而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计依据，通过经验公式、简化模型或类比改造等方法进行设计。由于传统设计在设计应用中不断得到完善和提高，所以它也是符合当代技术水平的有效方法之一，因此，机械原理课程介绍的机构设计方法大多属于传统设计。

利用传统设计方法在设计进行机械传动系统方案设计时，设计者根据自身直接或间接的经验，通过类比分析等方法来确定机械传动方案，一般应拟定几个方案，并对其进行分析评

价，选出最佳方案；采用作图法、解析法或实验法对其进行机构尺寸综合，但往往只能近似满足运动和动力要求。

传统设计方法在现代机械的设计中具有一定的局限性，主要表现在：①方案的拟定很大程度上取决于设计者的个人经验，即使同时拟定了好几个方案，也难获得最优方案；②在分析计算工作中，由于受人工计算条件的限制，只能采用静态的或近似的方法，影响了设计质量；③设计工作周期长，效率低，成本高。因此，传统设计方法正在逐渐被现代设计方法所取代。

二、现代设计方法

近几十年以来，由于科学技术的飞速发展和计算机技术的普及应用，给机械产品的设计带来了新的变化。随着科技发展，新工艺、新材料的出现，微电子技术、信息处理技术及控制技术等新技术对机械产品的渗透和有机结合，与设计相关的基础理论的深化和设计思想的更新，使机械设计跨入了现代设计阶段，该阶段使用的新兴理论和方法称为现代设计方法。 与传统设计方法相比，现代设计方法的主要特点是：①研究设计的全过程；②突出设计

4动态的、者的创造性；③寻求最优的设计方案和参数；○精确的分析和计算机械的工作性能；

⑤将计算机全面的引入设计全过程。

现代设计是在传统设计基础上发展起来的，它继承了传统设计的精华。由于传统设计发展到现代设计有一定的时序性和继承性，所以当前正处在逐步普及阶段。

在机械原理课程设计中，传统设计方法和现代设计方法都可能用到，有时会交替使用，有时会混合使用。但一般来说，目前传统设计方法还是机械原理课程设计的主体方法。随着科学技术特别是计算机技术与分析软件的发展和普及，现代设计方法会逐渐取代传统设计方法，成为机械传动系统方案设计乃至于整个机械产品设计的主体方法。

第二章 机械系统的方案设计

多数情况我们研究和使用的不是一个单一的机构，而是由若干个机构组成的的系统，称其为机械系统。机械系统通常包括原动机、传动部分和执行部分，为了更好地实现系统的功能和满足人类的需求，现代机械系统除了上述组成部分外，还添加了辅助部分和控制部分。机械系统方案设计的主要内容则是拟定机械的工作原理；执行构件和原动机的运动设计；机构的选型、变异与组合；机构的尺寸综合；方案的分析及评审。机械运动方案设计的一般过程如下。

一、机械系统工作原理及工艺动作的拟定

1．机械系统工作原理的拟定

机械系统的工作原理就是机械实现其功能的技术载体，它既可以是物理原理，也可以是化学原理或生物原理等。在常规机械设计中，以采用物理原理中的机械运动原理居多。机械系统工作原理的拟定就是针对设计任务书中规定的机械功能，确定出实现该功能所采用的科学原理和技术手段。它是一个创新思维的过程，只有了解相关机械的工作原理，掌握现代科技水平，综合运用已学知识，才能拟定出较为先进的工作原理。在课程设计的题目中，为满足不同层次的教学要求，许多题目中给定了机械的工作原理。

机械系统为了完成同一功能要求可以采用不同的工作原理，而不同工作原理的机械具有不同的机械运动方案。即便是针对相同的工作原理，也可拟定出不同的运动方案。例如，为了加工螺纹，可以采用车削加工原理、套螺纹工作原理和滚压工作原理。这三种不同的螺纹加工原理适合不同的场合，满足不同的加工需要，它们的机械运动方案各不相同。对于滚压工作原理，执行构件的运动可以是往复移动，也可以是连续转动，其对应的机械运动方案也将截然不同。

2．机械系统工艺动作的拟定

工作原理确定之后，机械的功能便可以通过执行构件的工艺动作来实现。而由机械工作原理拟定工艺动作时，应充分注意机械自身的运动特点（连续、可整周转动、简单、循环、稳定等），尽可能采用简单的、便于机械化的工艺动作。

在拟定机械系统的工艺动作时，除了要认真分析机械的功能目标，详细了解各种技术原理与操作方法之外，还需在思维方法上进行各种努力，放开思路、大胆设想。可以根据机械产品的功能目标，采用定向思维的方法确定工艺动作；可以采用多向思维的方法，从不同方向、不同角度，依据所具备的知识、经验和方法，提出新的方案；可以通过已有的机械产品的启发、类比、联想、综合或改进，采用联想思维的方法拟定出工艺动作；还可以通过对日常生活中各种现象的观察以及受自然界中各种动作的启发，利用形象思维的方法构思出巧妙的工艺动作。例如缝纫机借用手工缝制“穿针引线”的工作原理，通过采用双线编织的工艺动作，不仅可以简化机械结构，而且提高了生产效率，改善了缝制质量。

实现机械功能的工艺动作，一般可分解为多个简单运动，通过对各个运动实现的可行性、简便性和兼容性（即能否与其他运动的合并）等进行分析，确定出执行构件的数目和各执行构件的运动形式以及运动要求等。为了便于机构选型和机构综合，常将复杂的工艺动作分解成机械最容易实现的运动形式，如转动和直线移动，然后再进行合成。例如，插齿机工作时插刀的工艺动作是比较复杂的，它需要通过切削、展成、让刀等工艺动作来实现插制轮齿齿廓的功能，但若将复杂的工艺动作进行分解，比如切削由移动来实现、展成由转动来实现、而让刀由间歇运动来实现，然后再将各动作进行协调配合，在不产生干涉的前提下就很容易实现机械系统的功能。

3．绘制机械系统的工作循环图

为了较好地实现机械系统的功能，各执行构件的工艺动作之间往往有一定的协调配合要求，而为了清晰地表述各执行构件的运动协调关系，应绘制机械系统的工作循环图，它是进行执行机构的选型和拟定机构的组合方案的依据。

机械的工作循环图是指以某一个主要执行机构（也称为定标构件）的工作起始点为基准，将各执行构件的工作循环按同一时间（或转角）比例尺在同一幅图上绘出，用于表示各执行机构相对于此主要执行机构动作的先后次序的图形。机械工作循环图通常有三种表示形式：直线式、圆周式和直角坐标式。

按照机械系统工艺动作类型的不同，可以将机械系统的工作循环分为两种：可变工作循环和固定工作循环。

可变工作循环是指各执行构件的运动彼此独立，或其运动规律具有非周期性，这样的系统设计时不必考虑动作协调配合问题。而固定工作循环则是指各执行构件的运动属于周期性的运动，各工艺动作之间应满足确定的协调配合关系。对于具有固定工作循环特征的机械，设计时就必须保证各执行构件的运动和动作的协调配合，以避免发生运动和动作干涉，导致机器无法正常工作。此时，就需要利用机械工作循环图来规定每个工艺动作在工作循环周期内的位置，以确保各动作协调配合。

为了提高机械的工作效率，在保证各执行构件运动不干涉的条件下，可将各执行构件的运动时间产生一定的重叠。

二、执行构件和原动机的运动设计

根据拟定的工作原理和工艺动作过程，便可以进行执行构件和原动机的运动设计，这是机械系统方案设计较为重要的一个环节。

1．执行构件的运动设计

执行构件的运动设计主要包括确定执行构件的数目、运动形式、运动参数以及相互之间的运动协调关系。

执行构件的数目取决于机械系统分功能或者分动作的多少，但两者不一定相等，要针对系统工艺过程以及结构复杂性等因素具体进行分析。

执行构件的运动形式取决于其所实现的分功能的运动要求。常见的最基本的运动形式有回转（摆转）运动和直线移动。通过上述两种运动的复合可以形成新的最能够满足运动要求的运动形式，如曲线运动和复合运动等。在确定了执行构件的运动形式后，还要确定其运动参数，如回转运动的转速、往复摆动的摆角等。执行构件的运动设计，往往涉及到一些专业知识，在具体的使用条件下，根据其使用要求就可以选择，在此不作过深讨论。

2．原动机的运动设计

根据动力源的不同，常用原动机可分为电动机、内燃机、液压马达（缸）和气压马达（缸）等四大类。在选择原动机的类型时，主要从以下三个方面考虑：①执行构件的载荷特性、运动特性，机械的结构布局、工作环境、环保要求等。②原动机的机械特性、适应的工作环境、输出参数可控制性、能源供应情况等。③机械的经济性、效率、重量、尺寸等。

由于电动机结构简单、价格便宜、效率高、使用控制方便等优点，目前，大部分固定机械均优先选用电动机作为原动机。

1）电动机的类型及其使用场合 电动机是一种标准系列产品，使用时只需合理选择其类型和参数即可。常用的电动机有交流电动机、直流电动机、步进电动机和伺服电动机等。直流电动机和伺服电动机造价高，多用于一些有特殊需求的场合；步进电动机主要用于数控设备中。而交流异步电动机由于其结构简单、成本低、工作稳定可靠、容易维护，且交流电源易于获得，所以是机械设备最常用的原动机。一般工程上常用三相异步交流电动机，其中Y系列笼型三相异步电动机，用于非易燃、易爆、腐蚀性工作环境，无特殊要求的机械设备，如机床、农用机械、运输机等，也适用于某些起动转矩有较高要求的机械，如压缩机等。YZ系列和YZR系列分别为笼型

转子和绕线转子三相异步电动机，具有较小转动惯量和较大过载能力，可适用于频繁起制动和正反转工作状况，如冶金、起重设备等。对有特殊要求的工作场合，应按特殊要求选择，如井下设备防爆要求严格，可选用防爆电动机等。

2）电动机容量的选择 电动机容量采用额定功率Pm表示。对于标准电动机，要求其额定功率等于或大于工作

机（所有执行机构）所需的电动机功率Pm，而工作机所需的电动机功率Pm为：

PmPw

式中：Pm—工作机所需的电动机功率（kW）；

—电动机至工作机之间的传动系统的总效率；对于串联机组，其值为：、n为电动机至工作机之间的各级传动机构（包括轴承损12n（式中1、2、失在内）和联轴器的效率。）；

Pw—工作机所需的输入功率（kW）。

在计算工作机所需的输入功率时，有以下两种情况：

（1）当给定工作机输出端（执行构件）动力参数时，其值为：

Pw式中：w—执行机构的总效率；

P iwpi—执行构件i的阻抗功率，其值为：

FvcosiTnpiii 或 piii

10009550式中：Fi、Ti—执行构件i的阻力、阻力矩(N或N.m)；

vi、ni—执行构件i的线速度、转速（m/s或r/min））。

(2)当通过对执行机构进行动态静力分析，已获得工作机输入端动力参数时，则工作机所需输入功率为

PwTnwFvcos 或 Pw

10009550式中： F、T—工作机输入端的阻力、阻力矩(N或N.m)；

v、n—工作机输入端的线速度、转速（m/s或r/min）。

因此，电动机的额定功率Pm应满足如下条件

PmPm

3）电动机转速的选择

同一型式、同一功率的三相异步交流电动机，可以有几种不同的同步转速，一般常用电动机同步转速有3000r/min，1500r/min，1000r/min，750r/min等几种。同步转速低的电动机，磁极数多，外廓尺寸及重量大，价格高，而同步转速高的电动机则刚好相反。因此，确定电动机转速时，应从电动机和传动装置的总费用、机械传动系统的复杂程度及其机械效率等各个方面综合考虑。当执行构件的转速较高时，选用高转速电动机能缩短运动链，简化传动环节，提高传动效率。但如果执行机构构件的速度很低，则选用高转速电动机时，会使减速装置增大，机械传动部分的成本会大幅度增加，且机器的机械效率也会降低很多。

因此，电动机的转速选择，必须从整机的设计要求出发，综合考虑，才能较好地保证方案的合理性。

三、机构的选型、变异与组合

1．机构的选型

选择执行机构的类型，要考虑执行构件运动形式，机械的结构、强度和工作寿命，工作安全可靠性以及各执行机构之间的动作与运动的协调性等因素。为了选择合理的机构类型，设计者必须熟悉各种不同类型的常用机构的运动特性（见表3-1），并且具有一定的生产实践经验。设计中根据已知的设计要求，按执行构件的运动形式及运动功能要求，先在基本机构中进行类比选择，当基本机构不能满足运动或动力要求时，才考虑基本机构通过组合、变异产生的新机构，或选用组合机构。在上述方法都找不到合适机构类型时，可以要求改变机械的工作原理和工艺动作，或创造新型机构。

表3-1 常用机构的运动及动力特性 机构类型 运动及动力特性 可输出转动、移动、摆动，实现一定轨迹、定位要求；通过机构串接可以实现停歇、逆连杆机构 转和变速功能；利用死点可用于夹紧、自锁装置；由于运动副为面接触，所以承载能力大；但由于平衡困难，不宜用于高速。 可输出任意运动规律的移动、摆动，但运动行程不大；若凸轮固定，从动件复合运动，凸轮机构 从动件可以实现任意运动轨迹；由于运动副为高副，又靠力或形封闭运动副，不适用于重载。 圆形齿轮可实现定传动比传动，非圆形齿轮实现可变传动比传动；功率和转速范围都很齿轮机构 大；传动比准确可靠。 输出移动或转动，可以实现微动、增力、定位等功能；工作平稳，精度高，但效率低，螺旋机构 易磨损。 棘轮机构 输出间歇运动，并且运动行程可调；但工作时冲击、噪声较大，只使用于低速轻载。 槽轮机构 输出间歇运动，转位平稳；有柔性冲击，不适用于高速。 常见的挠性件有：带、链、绳；挠性件机构通常传递匀速转动；当轮为非圆形时，可实挠性件机构 现非匀速运动；挠性件可以实现远距离往复移动，具有吸振特点，无噪声，传动平稳。其过载打滑，传动不可靠。 他将电、磁元件用于机构中，可使机构快速起动和停止；实现驱动、传动、测量、控制、机电器机构 记录等功能。 构 常用于驱动机构、压力机构、阻尼机构、阀等；利用流体流量的变化可改变速度，利用液、气动机构 流体的可压缩性可吸振、缓冲、阻尼，利用承压面的大小可改变力。 进行机构选型时应注意以下原则： 1）机构选型时，应尽量满足或接近功能目标，对于实现某一动作要求、实现某种运动形式的机构类型，可多选几个，通过比较择优选用。

2）机构选型时，应力求结构简单、尺寸适度、在整体布置上占的空间小，达到布局紧凑。

机构结构简单主要体现在运动链要短，构件和运动副数目要少等方面，这样可使材料耗费少，成本低，且机构在传递运动时积累的误差也少，有利于提高机构的运动精度和机械效率。

3）机构选型时，要注意选择加工制造简单、容易保证较高配合精度的机构。 4）机构选型时，要保证在高速运转时有良好的动力特性。

动力特性良好主要体现在考虑机构的动平衡，使动载荷最小；执行构件的速度、加速度变化应符合要求，若用凸轮机构，应尽量避免刚性和柔性冲击；采用最大传动角和最小增力系数的机构，从而减小原动轴上的力矩。

5）机构选型时，还应考虑机械效率和动力源的形式等问题。

2．机构的变异

当所选机构不能全面满足工艺动作所要求的运动和动力特性时，或为了改善所选机构的性能时，可以通过对原始机构进行变异，以获得运动特性以及动力特性得以改善的新机构。机构变异的方法很多，对不同的设计要求和不同的机构要进行具体分析。常用的变异方法有以下几种。

1）改变运动副的尺寸

改变运动副的尺寸主要是指增大转动副和移动副的尺寸，但各构件之间的相对运动关系并不发生改变。这种变异的特点是随着转动副的扩大，构件形状也发生变异，分别由杆状变

换成圆盘状和圆环状。如图3-1所示，若将转动副尺寸连续扩大后将其展直，则转动副变成了移动副。

图3-1 转动副通过改变尺寸变成移动副

如图3-2所示,通过机构的变异，可以把一曲柄滑块机构演变成为一偏心盘机构。这种变异机构常用于泵和压缩机等机械装置中。

曲柄滑块机构

偏心盘机构

图3-2 改变运动副尺寸进行机构变异的实例

与转动副的扩大相同，移动副的扩大主要是指组成移动副的滑块与导路尺寸的增大，直到把机构中其它运动副包含在其中，但构件间的相对运动关系并不改变。如图3-3所示。这种变异机构常用于冲压机构中。

2）改变运动副元素的接触性质

改变运动副元素的接触性质主要是用运动中的滚动接触代替滑动接触，常用的方法是：将组成移动副元素之一的结构形状改变成滚子形，使原机构中导路与滑块的结构形式演化成导路与滚子的结构形式，如图3-4所示。

对转动副来讲，可在组成转动副的销轴孔之间增添若干个滚动体，从而构成滚动轴承；对凸轮副来说，可将从动件设计成滚子形等，这样都可以减轻摩擦磨损。

1

2

3 4

a）

图3-3 通过移动副的扩大形成的冲压机构

1

2

1

2

b）

图3-4 移动副变异为滚滑副

3）改变构件的结构形状和尺寸

通过这种变异可以解决机构运动不确定和机构因结构原因无法正常运动等问题。

如图3-5a）所示的双转块机构，通过连杆2将块1的转动传递到块3，4为机架，A、B为两个固定的转动副。按图a)所示的机构结构形状，两个转块是无法实现整周回转的。若分别将构件1、2、3的形状改变成带有滑槽或凸榫的圆盘，其中连杆2变成图b)所示的两面各有矩形条状凸榫的圆盘，且两凸榫的中心线互相垂直，垂足点位于圆盘轴心。转盘1和3各开一个凹槽，转盘2上的凸榫分别嵌入1和3相应的凹槽内，便形成了图c)所示的十字滑块联轴器。当转盘1转动时，转盘3以同样的速度转动，克服了原机构无法整周转动的缺陷。

2

A 4 B 3

4

a)

b)

图3-5 通过改变构件的结构形状和尺寸变异后的机构

1 2

1

3

2

c)

4）增加辅助结构

机构在运动过程中，往往会出现一些机构的各个组成元素本身无法解决的诸如运动轨迹可变、运动规律可调等问题，这时，可以在不改变原机构的基础上，通过增加辅助结构来解决。

2 1

3

A

4

C

B

3 1 A 2

B C

B 1 C A 2' 2 3

4

a） b）

图3-6增加辅助结构变异实例

c）

如图3-6所示的转动导杆机构，可以传递非匀速转动。如通过改变机架4的长度，将导杆3的摆动中心C置于活动铰链B的轨迹圆上，如图b)所示，则导杆将以曲柄1速度的一半等速转动，但当B点运动到与C点重合时，机构的运动将会不确定。为了消除图b)所示机构的运动不确定性，采取加入第二个滑块2′的方法，并将导杆3加工成带十字槽的圆盘，

如图c)所示。这样不仅克服了机构运动不确定性，而且曲柄转矩通过两个滑块传递给输出盘3，可实现传递较大的载荷。

5）选不同构件为机架

按照相对运动原理，机架变换后，机构内各构件的相对运动关系不变，而绝对运动却发生了改变，这种变异方法又称为机构的倒置。用这种方法可以创新设计机构。例如曲柄摇杆机构，通过选用不同构件作机架，可以得到双曲柄机构或双摇杆机构；对于曲柄滑块机构，通过改变不同构件作机架，可以得到导杆机构、摇块机构或定块机构（移动导杆机构）。

3．机构的组合

机构的组合是实现机械创新的一个重要途径，它是指在机构选型的基础上，根据使用要求或工艺动作要求，将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的、新的系统。其主要使用在以下几种场合：①机构的工艺动作采用简单的、单一的基本机构无法实现，这种情况下可以采用并联式、复合式或叠加式的组合方式进行机构组合，但组合时应注意各子工艺动作的协调配合。②所选机构的运动和动力特性不好，但又无更好的机构可选。这种情况下常用串联式组合方式来改善机构的性能，如增程、增力，实现各种特殊运动要求等。③由于不具备某种动力源，或受其它条件的限制，只有进行机构组合才能实现所要求的工艺动作。

具体来讲机构的组合方式可分为四种：串联式机构组合，并联式机构组合，复合式机构组合，叠加式机构组合。

1）串联式机构组合

串联式机构组合是指若干个单自由度的基本机构顺序连接，每一个前置机构的输出构件作为后一机构的输入构件，其运动方框图如图3-7所示。通过机构的串联组合，可以实现后置机构的速度变换和运动变换等目的。

A B 图3-7 串联式机构组合框图

图中A为前置子机构，B为后置子机构，在对基本机构进行串联组合时，需要了解每种基本机构的性能特点，分析哪些基本机构在什么条件下适合作前置机构，在什么情况下适合作后置机构，然后再进行具体的组合。若前置机构为连杆机构，由于其输出构件一般是连架杆，所以其可以实现往复摆动、往复移动、变速转动等输出，而与其相联的后置机构，根据不同的输出要求，常采用连杆机构，凸轮机构、槽轮机构和棘轮机构。若前置机构为凸轮机构，从动件输出的移动或摆动可以实现任意的运动规律，但运动行程较小。后置子机构可以利用凸轮机构输出的运动规律改善前置子机构的运动特性，或使其运动行程增大。常用后置子机构可以是连杆机构、齿轮机构、槽轮机构、凸轮机构等。若前置机构为齿轮机构，其输出的往往是转动或移动，此时后置机构可以是各种类型的基本机构。在串联式机构的组合中，输入机构的运动是通过各基本机构依次传递给输出构件的。根据这个特点，在进行运动分析时，可以从已知运动规律的第一个基本机构开始，按照运动的传递路线顺序解决的方法，求出最后一个基本机构的输出运动。

图3-8 串联式机构组合实例

2）并联式机构组合

并联式机构组合是指由两个或多个基本机构并列布置的组合形式。其运动传递框图如图3-9所示。通过机构的并联组合，可以实现机构的平衡，运动的合成与分解以及改善机构的受力状态。

A A A B B B a) b) c)

图3-9 并联式机构组合框图

图a）中每个基本机构具有各自的输入构件，而共有一个输出构件，这种组合形式相当于运动的合成，其主要功能是对输出构件运动形式的补充、加强和改善。设计时要求两个并联的机构运动要协调，以满足所要求的输出运动。

图b）所示的各个基本机构有共同的输入和输出构件，这种形式的组合是将一个运动分解为两个运动，再将这两个运动合成为一个运动输出。其主要功能与a）图所示的组合形式类似，也是用于改善输出构件的运动状态和运动轨迹，同时还可以改善机构的受力状态，可以使机构获得自身的动平衡。设计时要注意两个并联的机构要协调配合，或完全对称布置。

图c）所示的各个机构有共同的输入构件，但却有各自的输出构件，这种形式的组合相当于运动的分解，其主要功能是实现两个运动输出，而这两个运动又相互配合，完成较复杂的工艺动作。设计时要注意两个并联机构动作的协调和时序的控制。

并联式机构组合按组成结构可分为两种形式：一种是并联的机构类型相同、尺寸相同、且对称布置，工作时可互相抵消运动副的约束反力，使机构整体平衡；另一种是并联的几个机构类型、尺寸不一定相同，也不对称布置，但须满足一定时序要求，轨迹配合要求，运动形式配合要求，位置要求等。因此设计时要严格遵守所要求的尺寸、位置和时序关系，一般先应设计工作循环图，再根据循环图来设计各种机构。

BA A

EA

CA

DA a)

b)

FA EA

CA

A

OH

c)

图3-10 并联式机构组合实例

BA

DA

3）复合式机构组合

由一个两自由度或多自由度机构作为基础机构，一个或几个单自由度基本机构作为附加机构，并且将附加机构的输出构件接入基础机构所构成的并联组合形式称为复合式机构组合。其组合框图如图3-11所示。

图a）为并接复合式机构组合。基础机构（自由度大于1的差动机构）A与附加机构（自由度为1的基本机构）B各取一个作平面运动的构件并接，再各取一个连架杆并接，运动由基础机构中参加并接的连架杆输入，再由基础机构中另一个连杆架输出。

图b）为回接复合式机构组合。基础机构A与附加机构B中两个连架杆并接，附加机构中另一个连架杆负责将运动回接到基础机构中作复杂运动的构件中去。

A A B a) b) 图3-11 复合式机构组合框图

B 复合式机构组合一般是不同类型的基本机构的组合，并且各种基本机构有机地融合为一体 ，成为一种新的机构，如齿轮—连杆机构、凸轮—连杆机构、齿轮—凸轮机构等。复合式机构组合的主要功能是可以实现任意运动规律的输出。但其设计较复杂，缺乏共同的规律，需要根据具体的机构进行分析和综合。

图3-12 并接复合式机构组合实例

4）叠加式机构组合

将一个机构安装在另一个机构的某个运动构件上的组合形式称为叠加式机构组合，其输出的运动是若干个机构输出运动的合成。这种组合的运动传递框图如图3-13所示。

B A 图3-13 叠加式机构组合框图

图3-14 叠加式机构组合实例摇头电扇的传动机构简图

叠加式机构的运动关系有两种情况：一种是各机构的运动关系相互独立，如各种机械手；另一种则是各机构之间的运动有一定的影响，相互关联。如图3-14所示的摇头电扇的传动机构。叠加式机构组合的主要功能是实现特定的输出，完成复杂的工艺动作。设计的主要问题是根据所要求的运动和动作如何选择各个子机构的类型和如何解决输入运动的控制。

四、机械运动方案的比较与优选

机械运动方案的设计过程中，对于满足某种功能的机械，运动方案可能有很多种，所以必须对机械运动方案进行比较和优选。对于机械原理课程设计，其目的在于完成评选方案的初步训练，所以它偏重于机构结构、运动和动力特性方面的比较。

1．机械运动方案实现机构功能的效果和质量

在作机构运动设计时，首先要分析所设计机构的功能，并根据功能来设计、选择机构组成方案。一般来说，通过机构选型、机构的变异和组合后所得的方案基本都能满足机构的功能要求，但是各种方案在实现功能的质量上还是有差别的，所以对实现功能的质量需首先进行比较分析。如：工作行程是否达到设计要求，与预期运动规律的符合程度，运动参数（vmax、

amax），传力性能（压力角、传动角），生产效率，原动机的功率、振动、冲击、噪声

的大小，传动精度与持久性，恢复精度的方便程度等。

2．机构结构的合理性

机构中构件与运动副的种类及数量，机构组成是否最为简单，运动链可否再作简化，动力源种类与原动机参数选择是否合理等都会影响机构结构的合理性。

一般来讲，机械制造的难易程度与使用构件多少的平方成比例，减少构件数和运动副数可降低制造的困难程度，可以减少误差环节和摩擦损耗，提高机构的刚度，降低机构产生故障的可能性，提高其工作的可靠性。

动力源的合理选择，也有利于机构的简化和改善运动质量。例如，从动件作直线运动，若能从现场现成的气、电、液压源中选择一个合适的直线运动动力装置（如气缸、直线电机、

液压缸等），就可省去运动变换机构，从而简化机械系统。若现场不具备某些动力源，那么为简化机构而特别设置一个新的动力源，也许是合适的。

3．机构的经济性

机械良好的经济性主要是指其加工制造成本低，使用维修费用低。在材料选定后，加工制造成本主要与机构组成及运动副形式有关。因此，完成预期任务是否有更简捷、廉价的方法，机器的加工、安装与配合精度要求可否降低，需要特殊加工零件的加工难度、各种消耗可否降低，原材料利用率能否提高等都是设计过程中需要考虑的环节。

在设计与制造的关系方面，应从制造是否简便的观点出发来衡量。如果这个方案的机构设计虽然比较繁难，但是制造容易，则还是应该优先选用，这样有利于提高机构的经济性。

4．机构的实用性

理论上可行的机构设计方案，能否将其付诸实用，还需要一定的实践和检验。所以，任何机械产品的设计者要为“用户”着想，产品除了要满足功能要求，经济实惠以外，还应考虑机器的安全可靠问题，如操作强度，操作人员的体力、脑力消耗，使用、维修、保养、装拆、运输的方便程度，是否会造成污染或公害，对工作环境有无特殊要求（防尘、防爆、恒温、恒湿等）。

在进行机械运动方案比较与优选时，除了上述四方面的评价内容外，还应考虑非机械传动方式的应用情况，如机器中高新技术含量与自动化、智能化程度，设计成果的新颖性等。对于不同设计对象和设计要求，应按不同需要对上述内容加以合理取舍。

五、绘制机械运动示意图

根据机械的工作原理、执行构件运动的协调配合要求，结合所选定的各执行机构，拟定机构的组合方案，选择合适的线条和符号绘制机械运动示意图。通过所绘制的示意图表明机械运动的配合情况和机构组成状况。对于运动情况比较复杂的机械，机械运动示意图还可以采用轴测投影的方法绘制出立体的机械运动示意图。

六、进行执行机构的尺度综合，绘制机械运动简图

根据各执行构件和主动件的运动参数，结合各执行构件间的运动协调配合要求，在考虑执行机构的动力性能要求的基础上，确定各执行机构中构件的的运动尺寸和几何形状等。

根据各机构尺度综合所得的结果，对机构进行机构的运动分析和动态静力分析，并从运动规律、动力条件、工作性能等多方面进行综合评价，确定机构其它相关尺寸。然后选择合适的机构比例尺绘制出机械运动简图。由机械运动简图所求得的运动和动力参数，可以作为机械零部件结构设计的依据。

七、编写设计计算说明书

设计计算说明书作为产品设计的重要技术文件之一，是图样设计的基础和理论依据，是进行设计审核的依据。对于课程设计，它则是反映设计思想、设计方法以及设计结果等的主要手段，是评判课程设计质量的重要资料。因此，编写设计计算说明书是设计工作的重要环节之一。

设计计算说明书主要用于说明设计的正确性，所以不必写出全部分析、运算和修改的过程。但要求分析方法正确，计算过程完整，图形绘制规范，语句叙述通顺，文字书写清晰。

设计计算说明书的主要内容包括以下内容：

1.前言

前言主要是对设计背景、设计目的和意义进行总体描述，让读者对说明书有一个总的了解。

2.目录

目录应列出说明书中的各项标题内容及页次，包括设计任务书和附录。 3.正文

说明书正文主要为设计依据和过程，主要由以下几部分组成： 1) 设计任务书

一般包含设计要求、使用条件和主要设计参数等。 2) 机械运动方案设计

机械运动方案设计主要包括拟定机械的工作原理和工艺动作，确定执行构件的数目和其运动及动力要求，选择执行机构类型，通过机构组合形成机械系统运动方案，以及对运动方案的分析比较。

3) 机械运动和动力设计

机械运动和动力设计主要包括原动机类型及参数选择，执行机构运动尺寸综合，机构运动分析，机构动态静力分析，调速飞轮设计，执行机构驱动功率确定。

4) 执行机构和传动部件的结构设计

内容主要包括执行机构各运动副和构件的结构设计，重要传动部件的结构设计。 5) 其他需要说明的内容

本设计的优缺点和改进建议和课程设计小结等。

4.参考资料

主要包括设计过程中所用到的参考书、手册、样本等资料。在设计说明书中，将其按序号、作者、书名、出版单位和出版时间顺序列出。

5.附录

机械原理课程设计

计算说明书

其包括在设计过程中使用到

的非通用设计资料、图表、计算程

序等。

为了统一起见，编写设计计

算说明书应注意下列事项：

设计计算说明书应按内容顺设计题目：_________________ 序列出标题，做到层次清楚，重点

班 级：_________________

突出。计算过程列出计算公式，代

姓 名：_________________ 入有关数据，写出计算结果，标明

学 号：_________________ 单位，并写出根据计算结果所得出

同组其他人员：_____________ 的结论或说明。引用的计算公式或

数据要注明来源。为清楚地说明计 指导教师：_________________ 算内容，说明书中应附有必要的简 完成时间：___________________ 图(如机构运动简图、机构设计图 等)。 设计计算说明书要用钢笔或用计算机按规定格式书写于A4纸

图3-15 设计计算说明书封面格式

上，按目录编写内容、标出页码，

然后装订成册。 说明书封面格式可参考图3-15。

八、编课程设计答辩

答辩是课程设计教学过程的最后环节，准备答辩的过程也是系统回顾、总结和学习的过程。设计任务完成后，应将装订好的设计计算说明书和折叠好的图样一并装入袋中，准备答辩。总结时应注意对以下内容深入剖析：总体方案的确定、受力分析、主要参数及尺寸确定、结构设计、设计资料和标准的运用、工艺性和使用维护性等。全面分析所设计机械装置的优缺点，提出今后在设计中应注意的问题，并设想出改进方案。通过课程设计掌握机械设计的方法和步骤，培养发现和分析、解决工程实际问题的能力。通过答辩，找出设计中存在的问题和不足，把还不甚明了或尚未考虑全面的问题分析理解清楚，使准备答辩的过程成为课程设计中的一个继续学习和提高的过程。教师可根据设计结果、设计计算说明书和答辩中回答问题的情况，并考虑学生在设计过程中的表现，综合评定成绩。

第三章 常见机构的分析与设计

常见机构的分析与设计要求学生按照给定的参数进行平面六杆机构的运动分析和动态静力分析；确定飞轮的转动惯量和绘制飞轮剖面图；完成常用机构中凸轮机构和齿轮机构的设计，具体的设计过程中可以根据具体的情况加以取舍，设计图纸必须严格按机械制图国家标准的要求绘制。最后要根据设计过程和设计结果整理出一份完整的设计计算说明书。

一、平面六杆机构的运动分析

1．设计方法及目的

在图3.16所示的六杆机构中，动力由轴O传给曲柄OA，通过构件ABC使构件BO1绕O1点作往复摆动，构件ABC上的C点又通过构件CD带动滑块5沿滑道作往复运动。针对上述六杆机构，采用相对运动图解法确定构件5上D点的速度和加速度。

C 2 B 4 A2 A 1 A6 3 p A3 O A5 K A4 D 5 6 O1 q 图3.16 六杆机构示意图

该课程设计的目的在于掌握平面连杆机构上某些点的轨迹的画法，熟练掌握平面机构上点的速度和加速度，构件的角度和角加速度的求法；熟练图解技巧和正确选用作图比例尺。

具体的比例尺定义为：

构件真实长度(m)

构件的图形长度(mm）构件上点的真实速度(m/s)速度比例尺：uv

图形线段长度(mm)机构比例尺：ul构件上点的真实加速度(m/s2)加速度比例尺：ua

图形线段长度(mm)为了能够采用图解法对法向加速度进行求解，所选择的机构比例尺、速度比例尺和加速度比例尺应满足以下关系：

uv2ua

ul2．设计要求

1）将具体参数填入表3-2，根据表3-2中的有关参数作机构简图；

表3-2平面六杆机构的运动分析已知参数 项 题 目 代 号 单 位 数 据 目 平面六杆机构的运动分析 lOA mm lAB mm lO1B mm lAC mm lCD mm p mm q mm k mm n r/min 2）作给定位置的速度多边形及加速度多边形； 3）作出滑块的位移线图、速度线图和加速度线图（以上内容用1号图纸绘制）； 4）整理说明书。 3．设计步骤

1）选取机构比例尺ul，按表3-2给定有关参数，绘制机构简图。

将曲柄圆周分为6等份，作为曲柄的6个位置。其作法（见图3.16）为：取曲柄OA与连杆AB共线时所对应的曲柄位置作为起始位置，曲柄按顺时针方向依次标出A1、A2、A3、A4、A5、A6六个位置，再根据曲柄位置画出机构的六个位置简图；

2）选取速度的比例尺uv和加速度比例尺ua，用相对运动图解法，绘制机构给定位置的速度多边形和加速度多边形；

3）选取位移比例尺s（为了便于作图，往往选择sl）、速度比例尺V、加速度比例尺a和转角比例尺（或时间比例尺t），绘制滑块5的位移线图s（或t）、速度线图V（或t）和加速度线图a（或t）。 4）整理设计计算说明书。 其内容包括：原始数据和设计要求，将机构一个运动循环中的下列运动参数填入表3-3，并以机构的某一位置为例，说明用相对运动图解法对机构进行运动分析求解机构运动参量的详细过程。

表3-3 平面六杆机构的运动分析结果 项目 位置 1 2 3 4 5 6 单位 VA VB VC VD VS2 VS3 2 3 aA aB aC aD aS2 aS3 a2 a3 m/s s1 m/s2 s2 4．作图要求及设计图纸布置

1） 各图形要准确无误，符号标注完全； 2） 绝对速度及加速度矢量应标注箭头；

3） 线条和书写应符合机械制图要求，图形布置恰当，大小与图纸相称，图面整洁； 4） 逐步检查以免翻工。

整个设计图纸布置如下：（图中部分内容要在机构动态静力分析中来完成，因此设计时，应在图上预留出相应的空间）

速度多边形机构简图

法向加速度图解图

加速度多边形 位移曲线速度曲线加速度曲线平衡力曲线运动分析和动力分析计算表

（空出）

标题栏

二、平面六杆机构的动态静力分析

1．设计方法及目的

在对机构进行运动分析的基础上，根据机构上点的加速和构件的角加速度可以确定各构件应有的惯性效果，然后利用速度多边形杠杆法对所研究的机构进行动态静力分析，确定原动件的平衡力。

2．设计已知条件及要求

对机构进行动态静力分析需要的已知条件： 1）所研究平面六杆机构的运动分析结果；

2）机构中各构件的重心Si，其位于各构件的中点，如构件为三角形，则其位于其几何形心处；

3）作用在滑块5上的工作阻力Fr（任何时候其方向与滑块的运动方向相反）； 4）所求的平衡力Fb作用于曲柄lOA的端点A处，其方向垂直于 OA； 将上述设计参数整理后填写于表3-4中。

设计过程中，要求完成选定六个位置的平衡Fb的计算，并根据求得的六个位置的平衡力Fb的大小绘制平衡力曲线图。

图3-17 平面六杆机构的运动分析设计图面布置图

表3-4平面六杆机构设计参数表

题目 项目 代号 单位 数据 平面六杆机构的动态静力分析 G2 N G3 N G5 N Js 2Js 3Fr N Kg·m2 Kg·m2 表中：Gi—构件i的重量；

Jsi—构件i对其重心轴的转动惯量；

（具体数据另附录） Fr—工作阻力；

3．设计步骤

1）选择机构比例尺l、速度比例尺V、加速度比例尺a作平面六杆机构的机构运动简图、速度多边形和加速度多边形；

2）计算各构件的惯性力FI和惯性力偶矩MI（以上二力采用虚线箭头标注在机构图上），再根据一般力学方法，将惯性力FI和惯性力偶矩MI合并为一个不通过质心的总的惯性力

F'I（采用实线箭头标注在机构图上），总惯性力的作用线距离构件质心的距离为：

Mlhi=I

FI表3-5 平面六杆机构的动态静力分析数据

题目 位置 Pi2 Pi3 N Pi5 N Mi2 N·m Mi3 N·m lhi2 m lhi3 m Mb N·m 单位 N 3）按照速度多边形杠杆法的求解原理，将机构图上的所有外力按同一方向转动90°后，添加在速度多边形中的对应点上，然后将各力对速度极点取矩，求得曲柄在各位置时的平衡力Fbi及平衡力矩Mbi（MbiPbilOA），最后在所建立的Mb（或Fb）坐标系内根据所选择的力比例尺F绘制平衡力（矩）的变化曲线；

4）整理设计计算说明书

MI、lhi及Fbi（Mbi）内容：已知条件及要求，比例尺选择，机构在某一位置时对应的FI、

的计算过程以及计算结果。

将上述所求得的数据填写在表3-5中。

三、单缸内燃机的飞轮设计

1．设计方法及目的

设计中采用简易法对[Md()Mr]类型的机组中所使用的飞轮进行设计，其目的是通过课程设计要掌握根据示功图及机构图以图解计算法求剩余功的方法；练习和熟悉质量静代换法求惯性力以及等效力的具体运算过程；能够根据剩余功定出飞轮所具有的转动惯量，并

决定飞轮的尺寸，初步掌握设计的一般技术。

2．设计已知条件及要求

设计的已知条件主要包括：1）示功图；2）曲柄轴的转数n(r/min)；3）汽缸轴的直径D（mm）；4）活塞的行程s（mm）；5）连杆的长度lAB（mm）；6）连杆重心的位置lSA（mm）；7）活塞的重量G1（N）；8）连杆的重量G2（N）；9）速度不均匀系数δ。

设计的具体要求如下：1）根据上述已知条件通过计算，在所建立的坐标系内绘制出等效构件上的等效驱动力矩[Md()Mr]曲线；2）根据[Md()Mr]曲线求得最大剩余功，并求出飞轮所应具有的转动惯量JF（轮幅和轮毂的转动惯量略去不计），决定出飞轮的尺寸；3）选择合适的绘图比例尺绘制飞轮的剖面图；4）整个设计采用2号图纸一张来完成。

3．设计步骤

1）根据已知条件及图纸尺寸，首先选用恰当的机构比例尺：

lmlOA()

OAmm2）在选定l后，活塞行程s，即9-3所表示的距离（如图3-18表示）在图纸上的尺寸已确定。

其具体作法：以连杆长AB为半径，以3和9为圆心，在OO线上截得3′和9′点，显然（9′—3′）与（9—3）线段相等。由9′、3′两点之间的距离便可以确定示功图（另附）横坐标的长度。然后将横坐标长度分成与示功图在横坐标方向上相同的格数，然后在纵坐标上根据图纸布置的具体情况进行合适的等分，从而选定压力比例尺p：

10N/cm2p

mm示功图

A 12

O

9′

B

3′

9

O

3

6 图3-18

3）将曲柄的轨迹圆分成12等份，找到对应的连杆、活塞位置，根据不同的活塞位置进一步确定（测量）出汽缸内的单位面积上有效压力p1、p2、p3……p12。根据公式

pIPiD24 (D：活塞直径)可以求得作用在活塞上的驱动力P将求得PP2、PI，1、3……P12力填入计算表3-6内。

4）作此机构12个位置的转向速度图，作法如图3-19。 根据所作的转向速度图，分别求出一系列位置的比值定出机构在不同位置时的

Vpbpb，然后利用B从而确

VApapaVB，将上述计算结果填入计算表3-6内。 VAb

A a B O p 图3-19

5）作机构12个位置的转向加速度图（调转180°），如图3-20所示，确定出一系列位置的活塞B点的加速度值，并将计算结果填入计算表3-6内。

A a′ b′′ p′ O B b′ 图3-20

6）通过两点静代换法，可得连杆代换到活塞上的质量：m2BlS2AlABm2KG2(kg)，gKlS2AlAB，则作用在活塞上的总惯性力：

PB(G1KG2)aB(N) g将不同位置的PBi填入计算表3-6内，并注明该力对活塞作功的“正、负”。

7）计算出不同位置作用在曲柄梢A点的等效切向力Fi

Fi[PI(G1KG2pb)aBi](N)gpa

将上述计算结果填入计算表3-6内。

注意：式中的“±”号取决于力对活塞作正功还是负功。

8）计算出机构在12个位置的等效驱动力矩Mdi（MdiFilOA），并将计算结果Mdi填入表3-6。

9）根据求出的机构在12个位置的等效驱动力矩Mdi，在所建立的坐标系内作出。力矩比例尺M可根据图纸布置MdMd()曲线（将12个不同的点连成光滑曲线即可）和真实数值的大小来选择。

由于单缸内燃机的能量循环为曲柄转动一整周，所以2rad ，式中的（9-9）

(99)mm可任选，单位为mm。

10）确定最大剩余功△Wmax

根据作出的等效驱动力矩曲线(如图3-21所示)（即输入的能量）和在一个运动循环中WdWr这两个条件，可知：

MrMyMA

(99)A(mm)2ymm

(99)(mm)式中：y—Mr的代表线段；

A—运动循环中Md()曲线与横坐标所包围的面积的代数和，它代表

2x0Md()d，其可用仪器量出。

显然，MdMd()曲线与Mr直线所围成的各个面积即代表机构在不同运动阶段的剩

余功，然后利用求积仪便可以确定出最大剩余功△Wmax，以A2面积表示，则最大剩余功为：

WmaxA2M(Nm) （A2可用测面仪测出）

MdMd()A2Mry 图3-21 11）计算飞轮的转动惯量

在不考虑轮缘和轮毂转动惯量的情况下，可以采用以下公式近似计算飞轮的转动惯量：

JFWmax2900A2Mn22(kgm2)

12）确定飞轮的重量GF

选择合适的飞轮平均直径D（可以从机构的整体协调性等角度来进行选择），从而决定飞轮的重量GF：

GF4gJF(N) D213）选择飞轮的材料

飞轮材料的选择依据是自身运转过程中圆周的线速度，该圆周速度可以先根据飞轮的直径D与转速n计算获得。若此速度不大于30m/s，则飞轮用密度为7200kg/m3铸铁制作；如速度高于30m/s，则飞轮须用密度为7800kg/m3的钢制作。

14）确定飞轮轮环的宽度b及厚度H

根据飞轮重量的计算公式可得：bHGFDy(m2)，在选定了合适的Hb的值后，便可分别求出b和H。

15）绘制飞轮剖面图

根据图纸大小在选定比例尺后，考虑到飞轮尺寸相称的设计要求，便可以确定图上飞轮的轴直径，而轮毂直径约为轴直径的1.8～2倍，长约为轴直径的1.5倍，当飞轮的直径小于500mm时可采用轮盘飞轮。

设计整个完成后，要进行图纸整理，包括线条加深、注全标号，并将关键计算公式以及计算结果以工整字体抄在图上。

（注：作业用铅笔做，要求清楚、工整、准确）

表3-6 飞轮设计计算数据

计算数据 曲柄位置 1 2 „ 12 p N/cm2 P N p'b' mm aB m/s2 G1lS2AlABgN G2aB VBpb VApaF1 N MdiFilOA N．m 四、凸轮机构的设计

1．设计方法及目的

要求根据反转法原理，采用图解法设计凸轮轮廓曲线。其目的是通过该设计要掌握从动件运动线图的绘制方法；掌握凸轮机构基本尺寸（凸轮的基圆半径，滚子从动件的滚子半径、平底从动件的平底尺寸等等）的确定方法；掌握图解法设计凸轮轮廓曲线的绘制方法。

2．设计已知条件

1）凸轮机构的三种类型：滚子直动从动件盘形凸轮机构、摆动从动件盘形凸轮机构和平底直动从动件盘形凸轮机构（见图3-22），每位同学选其中的一种；

2）四种从动杆的运动规律：等速运动规律、等加速等减速运动规律、余弦加速度运动规律和正弦加速度运动规律（见图3-23），每位同学选其中的一种；

3）设计参数（另附）。

e e b c A

B

图3-22 凸轮机构的类型

C

s s h h δ δ v δ δ a δ δ δ0 δ01 δ′0 Ⅱ 二次多项式运动规律

v a δ0 δ01 δ′0 Ⅰ 一次多项式运动规律

s hδ

v 3 2 x4 ma5 v01 ′ 6 x0 6′ δ

ma5′ ′1′ v2′4a 3′ ′ 6′ 5′ 1 0 x4′ maa3 2 δ

x4 ma23′ ′a5 6 ′ 0′ 1′ δ0 δ01 δ′0 s hδ v 3 4 5 xma2 6 v1 8 7 δ 1′ 8′ 7′ xma2′ 6′ ′v3′ 5′ 4′ a 2 Ⅲ 余弦加速度运动规律7′ 6′ xx1 ma3 ma8 4 8′ 5′ ′a4′ 7 5 6 1′ δ δ0 δ01 δ′0 2′ 3′ Ⅳ 正弦加速度运动规律 图3-23 凸轮机构运动规律类型

vmaxh20v'hmax20'a2h2max220a'2h2max20'2v2hmax0v'2hmax0'a2h2max20a'2h2max0'2a 3．设计步骤

1）选取转角比例尺和位移比例尺s，作凸轮机构的运动规律线图；

2）确定基圆半径r0

可按许用压力角[]确定凸轮回转中心的位置和基圆半径r0；也可根据经验公式确定r0，不过在求得凸轮理论廓线后，应校核压力角，使max[]；

3）绘制凸轮廓线

为了便于作图，作图过程中所选的作图比例尺l最好与运动线图中的位移比例尺s相同。根据理论廓线的变化趋势，从其上找出其外凸曲线的最小曲率半径min，然后选取滚子半径rr，通过作一系列滚子圆的内外包络线来获得凸轮的实际廓线；

4）整理设计计算说明书

内容包括：设计已知条件和设计要求；比例尺的选择；线图绘制；滚子半径的确定等。 整个凸轮轮廓曲线的设计在一张2号图纸上完成。

五、齿轮机构的设计

1．设计方法及目的

采用变位齿轮修正的方法进行等移距变位齿轮传动的设计。通过课程设计，增进对其传动参数和质量指标的感性认识，并巩固和深入所学的理论；熟练齿轮传动各部尺寸的计算方法，并掌握渐开线齿轮传动的作图原理；掌握齿轮传动的设计步骤。

2．设计已知条件和要求

设计已知条件包括：（具体数据另附）

1）齿轮齿数：z1、z2 2）齿轮模数：m

*3）齿轮的标准压力角： 4）齿顶高系数：ha

5）顶隙系数：c

设计过程中首先要选择合适的变位系数；通过齿轮的基本参数要能够计算齿轮传动的各部分尺寸；设计完成后，考虑到传动的平稳性和机构的承载能力，要校验齿轮传动的重合度以及小齿轮齿顶厚Sa1。

整个设计内容要在2号图纸上完成，最后还要绘制齿轮传动啮合图和整理设计计算说明书。

3．设计步骤

1）变位系数x1、x2的选择 选择变位系数时，除满足齿轮不发生根切的基本要求外，还应保证小齿轮的齿顶厚在允许的范围之内及两齿根的最大滑动系数尽可能相近的原则来选取；

2）计算齿轮传动各部分尺寸，建议列表进行；

3）选择作图比例尺l，用2号图纸绘制齿轮啮合图

为了清晰起见，所选l应使图形齿高达30～50mm。如遇齿轮的齿根圆小于其基圆，基圆以内的齿根部分用径向线绘出。径向线与根圆用半径为0.2m/l的圆弧连接。啮合图上要求绘出三对完整齿廓（每个齿轮三个），其中两对齿处于啮合状态。在啮合图上标注出关键的几何参数及尺寸；

4）整理设计计算说明书，内容为：已知条件；设计要求；变位系数的选择；齿轮传动各部分尺寸及啮合参数；在啮合图上量有关尺寸，验算重合度，检查齿顶厚是否在允许范围内。

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