机械原理课程设计麦秸秆打包机机构及传动装置的设计.doc

机械原理课程设计设计计算说明书设计题目：麦秸秆打包机机构及传动装置的设计设 计 者 学 号：机械工程及自动化 五 班 目 录一 设计题目 1.1 设计目的11.2 设计题目11.3 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22.2 方案选择与分析32.3执行机构设计102.4 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133.2电动机的选择143.3传动装置的总传动比和各级传动比分配163.4传动装置的运动和动力参数计算17四 设计小结19五 参考文献21一 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一麦秸秆打包机机构及传动装置的冲压机构、送料机构及其传动系统。该机构的工艺动作如图所示，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。 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。一个工作循环所需时间为T（秒），打包机机构的输入轴转矩为M。其余尺寸见下表：方案号 12345678910T (s)1.001.001.201.201.501.502.02.02.52.5M (N m)44046052055068070090095011201180l1 (mm)300320300320300320300320300320l2 (mm)400420400420400420400420400420l3 (mm)250260260270260270250270260270l4 (mm)800900820900840900820900860900l5 (mm)200210200210200210200210200210l6 (mm)600650600650600630600650620630（本次设计选用“设计条件及设计要求”中第10组数据中的尺寸）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） 工作周期T的允许误差为±3%之内；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体功能，将总功能分解为：滑块的左右运动和撞板的上下运动。 2)工艺动作过程要实现上述两个分功能，有下列工艺动作过程： 1）滑块向右移动，将麦秸右推，到达最右端后迅速返回； 2）滑块快速向左返回同时撞板向下运动，当滑块返回到最左端时，撞板位于最下端，将麦秸打包； 3）此时，滑块将再次准备向右运动，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 组合分类表压制成形功能曲柄滑块机构组合机构六杆机构输送功能组合机构凸轮机构六杆机构可满足机构总功能的机械系统运动方案有N个，即N3×3个9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）水平滑块机构运动方案的设计、分析与选择水平滑块机构主要运动要求：主动件作回转运动，从动件（执行机构）作直线左右往返运动，机构具有较好的动力特性。根据功能要求，考虑功能参数及约束条件，可以构思出如下满足运动要求的一系列运动方案。表2. 水平移动执行构件的机构运动方案定性分析方 案 号 主 要 性 能 特 征 功 能 功 能 质 量 经 济 适 用 性 运动变换 增力 加压时间 一级传动角 二级传动角 工作平稳性 磨损与变形 效率 复杂性 加工装配难度 成本 运动尺寸 满足 无 较短 较小 - 一般 一般 高 简单 易 低 小 满足 无 较短小- 较平稳剧烈 较高 较复杂 易一般 小 满足 无长 较小- 有冲击剧烈较高较复杂较难较高 大 满足 无长较小- 有冲击剧烈较高较复杂较难一般大 满足 无长 大 - 一般 一般 高 较复杂较难一般大 满足 无较短 较小- 一般 一般 高 简单 易低 大 满足 强 短 较大大 一般 一般 高 较复杂难 一般小 满足 较强 短 较大 大 一般 一般 高 较复杂较难一般小 9满足弱长较大较大有冲击剧烈较高最复杂最难高较小10满足弱长较大较大有冲击剧烈较高复杂最难高较小11满足弱长大大一般一般高较简单一般一般大12满足弱较短较小较大一般一般高复杂最难较高小注：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。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。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表3 铅垂移动执行构件的机构运动方案定性分析方案号功能功 能 质 量经 济 适 用 性运动变换加压时间一级传动角二级传动角平稳性磨损与变形运动效率复杂性加工装配难度成本运动尺寸1满足较短较大较大一般小较大一般一般一般较小2满足长较大-有冲击大较大一般较难较高大3满足较长较大较大一般小较大一般一般一般较大4满足较短较大-较好较大一般较复杂较难高较小5满足较长较大-有冲击大较大一般较难较高较大6满足较短较大较大一般小较大较难一般一般一般7满足较长较大较大一般大较大较难较难高小8满足较长较大-有冲击大较大一般一般较高大9满足较短较大-较好一般一般一般一般一般较小10满足较长较大较大一般小一般较复杂一般一般较大注：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。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。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。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) 齿轮连杆组合机构方案说明：如图2所示，主动件为齿轮机构，齿轮机构传动稳定，可以承受高速 载荷与重载，主动件带动着其它的两个齿轮进行转动，使得整个机构的整转副达到三个，如此多的稳定匀速转动的整转副使得机构的扩展性很强，在这里，运用两种连杆机构配合两个整转副完成打包机所需要的运动，其传动性能好效率高是此种方案的优点，但是这种机构结构相对复杂，维护不便，装配困难，占用空间大，使用成本高是此方案的问题。图2 齿轮连杆组合机构运动说明：主动齿轮转动，使得其它两个齿轮开始转动，而那两个齿轮分别和连杆组成类曲柄滑块机构，完成打包机所需的运动。3) 连杆组合机构方案说明：如图3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3 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。4) 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4 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。5) 凸轮连杆组合机构方案说明：此方案中由于主动件为凸轮使得此机构不能承受高速载荷，但在低速状态下通过设计凸轮的形状的不同可以达到不同的运动效果，使得机构运动规律比较灵活。图5）凸轮连杆机构运动说明：凸轮带动滚子从动件上下运动，连杆机构将运动分解成打包机所需要的形式。6) 凸轮连杆组合机构方案说明：此方案和图9）所示方案性能类似，不同点在于由于主动件变成了齿轮，齿轮所传输的稳定动力使横向移动的滑块运动稳定。图6）凸轮连杆机构运动说明：主动件为齿轮，齿轮上连有凸轮，主动轮转动时凸轮带动摆动从动件使摆杆上下运动，同时主动件将运动又传递给另一个齿轮，另一个齿轮带动连杆推动滑块作左右运动。7) 凸轮连杆组合机构方案说明：此机构比起前一个机构精简了结构，使得装配难度下降而且占用空间下降，成本相对较低。图7）凸轮连杆机构运动说明：主动件使滑块左右移动，同时驱动凸轮，凸轮带动摆杆从动件使撞板上下运动。8) 齿轮连杆组合机构方案说明：此机构运动稳定，力学性能良好，结构既简单又可以很好的满足打包机的性能要求。图8）齿轮连杆机构运动说明：主动件是使导杆摆动，复合摆杆上有两个滑块，左端的滑块带动齿轮转动，齿轮齿条啮合，齿条带动滑块左右移动，右端的滑块拉动撞板上下运动。9) 齿轮连杆组合机构方案说明：此方案力学性能良好，滑块有急回运动，运动结构紧凑层次清晰，而且除了为打包机输出所需的两个运动之外，还可以输出一个上下摆动的运动，为日后的再开发提供了帮助。图9）齿轮连杆机构运动说明：主动杆带动复合杆摆动，复合杆上部用滑块连接齿轮，齿轮带动齿条使撞板上下运动，复合杆下部拉动滑块做左右运动。10) 齿轮连杆机构方案说明：其力学性能满足要求，运动结构紧凑层次清晰。图10）齿轮连杆机构运动说明：主动杆带动滑块运动滑块带动连杆是撞板上下移动的同时也带动齿条使齿轮转动，齿轮上的连杆拉动滑块做左右运动。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.总体方案定性分析性能指针方案1方案2方案3方案4方案5方案6方案7方案8方案9方案10运动性能运动规律平稳平稳急回急回任意平稳平稳急回急回平稳运动速度及精度较高一般一般一般一般一般较高一般较高一般工作性能工作效率高高一般一般一般较高一般一般较高较高使用空间小较大较大一般较小较大较大较大一般一般动力性能承载能力大大较大较大较低一般一般一般较大较大传力性能大大较大较大一般一般一般一般一般一般震动与噪声较小较大较大较大较小较大较大较大较大较大经济性加工难度一般一般易易较难难较难一般一般一般维护难度易较易较易较易较难难较难一般一般一般能耗大小一般一般一般一般一般一般一般一般一般一般使用寿命较长较长较长较长一般一般一般较长较长较长结构机构尺寸小大大较大较小较大较大较大较大较大机构重量重重轻轻较重重一般一般一般一般复杂程度简单复杂一般简单简单复杂复杂简单一般一般经过分析，发现方案9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9作为执行机构的最终方案。2.4执行机构的整体设计执行机构中的功能机构有：水平的偏心曲柄滑块机构垂直的槽凸轮机构。（1） 水平的偏心曲柄滑块机构图解法已知：行程S=900mm,偏心距e=320mm,行程速比系数K=1.25，比例系数。根据行程速比系数K，计算极位夹角第一步：作直线第二步：过点作，再过点作线段和交点为P；第三步：以线段为直径作圆，则此圆周上任一点与连线所夹的角度均为；第四步：根据偏心距由所在直线向上偏移30mm,直线左侧与圆交点为A，由图可知，曲柄与连杆重叠共线和拉直共线的两个位置为和；第五步：由以上两式可解得曲柄长度 线段可由以A为圆心、为半径做圆弧与的交点E来求得，而连杆长BC为根据已知条件，综合以上图解分析，选定了曲柄中心位置A，并根据比例系数µ最终得到曲柄AB=380mm,连杆BC=930mm,行程速比系数K=1.25,极位夹角。验证如果成立，此机构能够成为曲柄滑块机构，图解法已知：升程h=630mm,设计工作要求，由静止经过上升到630mm,再经过返回，近休止角为，接着再开始下一个循环。推程和回程的运动规律均选择简谐运动。根据凸轮基本参数设计公式及多次仿真实验，设计凸轮相关参数如下：基圆半径：450mm，滚子半径：35mm，偏心距：90mm，采用正偏置。根据简谐运动规律计算和反转法原理，绘制位移线图如下：第一步：选取比例尺，作出从动件的位移线图，将位移线图的横坐标分成若干等分，得分点1,2，···，12；第二步：选取同样的比例尺，以O为圆心，为半径作基圆，在从动件的左侧画出从动件的起始位置线，该位置线与基圆有一个交点，便是从动件尖端的起始位置；第三步：以O为圆心，偏心距为半径作偏距圆，该圆与从动件的起始位置线相切；第四步：自切点开始，沿方向将偏距圆分成与位移线图的横坐标对应的区间和等份，得若干个分点。过各分点作偏距圆的切射线，这些线代表从动件在反转过程中所依次占据的位置线。设它们与基圆的交点分别为；第五步：在上述切射线上从基圆起向外截取线段，使其分别等于位移线图中相应的纵坐标，即得点，这些点即代表反转过程中从动件尖端依次占据的位；第六步：将点连成光滑的曲线，即得所求的凸轮轮廓曲线。已知推程运动角为，h=630mm，推杆运动规律为简谐运动，要求。验证凸轮的最小基圆半径。作图线如上图所示，所得结果为：计算结果符合最初设计要求，不需进行二次修改。良好的传力性能，所以对压力角检验计算如下：为了保证机构具有根据比例尺换算，得到：AC=39.6mm,AB=60.1mm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，具有超载保护、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：分配轴输入轴转矩：=1180（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1）工作轴输出功率：注：工作轴执行机构原动件轴。2）所需电动机的功率：-由电动机至工作轴的传动总效率查表可得：对于V带传动：对于8级精度的一般齿轮传动： 对于一对滚动轴承： 则：3）电动机的转速范围：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，单级圆柱齿轮传动比范围为，则电动机转速可选范围为： =（24）*（35）*50 =9005000（r/min）符合这一转速范围的同步转速有1000 r/min、1500 r/min和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，因此有三种供选择方案。方案电动机型号额定功率kW满载转速(r/min)1Y160M-67.59702.02.02Y132M-47.514402.22.23Y132S2-27.529002.22.24）电动机的选择：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Y132M-4。Y132M-4电动机资料如下:额定功率：7.5 Kw同步转速：1500 r/min满载转速：n满=1440 r/min3.3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（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：则减速器的总传动比为：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,取则：注：-高速级齿轮传动比；低速级齿轮传动比。3.4传动装置的运动和动力参数计算（1）计算各轴的转速：电机轴：轴轴轴（2）计算各轴的输入和输出功率：轴：输入功率输出功率轴：输入功率输出功率轴输入功率输出功率（3）计算各轴的输入和输出转矩：电动机的输出转矩轴：输入转矩输出转矩轴：输入转矩输出转矩轴输入转矩输出转矩将运动和动力参数计算结果进行整理并列于下表：轴名功率p/kw转矩T ( N·mm)转速n/r·min-1传动比i效率输入输出输入输出电机轴7.13747.332×10314402.80.96轴7.4347.3686.586×10385.724×103514.283.660.97轴7.1397.067488.467×103479.910×103140.632.810.97轴6.866.7871.31×1061.29×10650四、设计小结此次课程设计，我的题目是麦秸打包机机构及传动装置设计。麦秸打包机机构的设计就是运用机械原理课上所学过机构的运动设计（如：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等）、机械的动力设计（如：平衡设计、效率计算等）和总体方案设计的方法原理，设计合理的机构，达到麦秸打包的目的。在拿到这次设计任务之后，我首先仔细的阅读设计题目和要求，明确已知条件和需要解决的问题，并根据设计题目，把所学过的机械原理相关知识进行了快速复习，找到相关知识。之后，我通过网络和相关书籍进行有关麦秸打包机方面的查询，找到很多相关的资料，对我的设计工作有很大的启发和帮助。在完成这些准备工作之后，接下来就是具体机构的设计，我首先把整体机构分解成执行机构、传动系统的设计，其中执行机构又分解成水平曲柄滑块机构和竖直的槽凸轮机构。接着进行每一个功能机构的详细设计，再将各种功能机构进行组合，形成打包机的整体机构设计。最后，整理资料，编写设计说明书，完成本次设计任务。在机械原理课上所学的知识是比较理论化的，通过这些理论知识，我了解了一些机构的运动方案与运动轨迹，至于这些构件、这些机构在实际生活中是如何运用的，在我脑中的概念还是挺模糊的，但通过这次机械原理课程设计，我开始对传授机械原理这门课的真正意义有了初步了解。换句话说，通过这次课程设计，我把理论知识与实践运用结合了起来，达到了学以致用的目的。在写说明书时，为了让说明书内容更充实，使自己的书面语言更趋向于专业化，我和同学到图书馆去借了相关的书籍。在查找数据、阅读资料的过程中，我还学到了更多课本上没有的知识，进一步拓宽了我的知识面。另外也进一步锻炼了我熟练使用AutoCAD、Microsoft office等专业编辑软件的能力。在这次课程设计的过程中，我学到了许多在课堂上不懂的知识，也让我深刻体会到实践学习的重要性。同时我深深的体会到了设计的艰辛，感受到了设计成功的喜悦。最后要特别感谢老师在此次设计中对我做出的指导与帮助。五、参考文献1 申永胜.机械原理教程.北京：清华大学出版社.19992 郑文纬，吴克坚主编.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社，19973 邹惠君.机构系统设计.上海：上海科学技术出版社，19964 王三民.机械原理与设计课程设计.北京：机械工业出版社.20045 孟宪源主编.现代机构手册.北京：机械工业出版社，19946 严家杰着.基本机构分析与综合.上海：复旦大学出版社，19897 华大年，唐之伟主编.机构分析与设计.北京：纺织工业出版社，19858 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，19959 刘政昆.间歇运动机构.大连：大连理工大学出版社，199110 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，199111 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。