合肥工业大学机汽学院机械设计系，2012，3

一、课程设计的目的

? 培养综合掌握和运用各方面的学科知识和实践技能，独立分析和解决工程问题的能力，

树立理论联系实际的正确设计思想。

? 激励打破常规，拓宽设计思路，善于分析问题，提高创新能力。

? 掌握各种典型机构的工作原理、运动特性及设计方法，系统了解机械设计运动方案设

计的内容和过程，锻炼机构组合应用的能力，正确进行机械的运动分析和动力分析。 ? 训练科学研究和工程技术开发的基本技能，提高计算、绘图、搜集和使用技术资料、

查阅设计手册、熟悉各类规范标准、进行数据分析和处理、编写技术文件等方面的能力。

二、课程设计内容和任务

针对给定的课程设计题目，设计满足一定工艺动作过程和动作的机器运动方案，主要内容为：

? 功能分解；

? 机机构选型与组合；

? 机械运动方案的拟定、机构的组合方式、评价；

? 机构运动循环图；

? 机械运动简图。

完成课程设计后，需要提交：

? 机械运动简图1张，A3图纸（机械系统运动简图）；

?

三、机械运动方案设计

机械运动方案是根据机械产品的工艺动作过程选用合适的执行机构，用一定的组合方式构成机械系统来完成机械产品的功能。将机械运动方案中各个机构运动尺寸计算并确定得到机构运动简图。机器实现其功能所依据的功能可以是相同的，也可能是不相同的。不同的工作原理肯定运动方案是不同的，但依据相同的工作原理也可以设计不同的运动方案。 机械运动方案的设计分为以下几个步骤：

1. 机械功能分解

机械的功能是多种多样的，但每一种机构都要完成某一工艺动作过程，设计时把复杂的动作过程分解若干简单的独立运动，由若干个执行机构来完成。

2. 机构选型

机构选型指选择或创新合适的机构，来实现机器所要求的各种执行动作和运动形式。

1）按运动形式选择 机器工艺动作所要求的运动形式有：单向转动、摆动、移动；往复摆动、移动；间歇转动、摆动、移动；实现给定规迹。教材表8－2列出了部分由转动转换成其他运动的相应机构。

2）按执行机构功能选择 机器执行动作的功能常为锁紧、分度、制动、导向等。设计时，依据其功能，查阅手册，熟悉相应的内容、工作原理，进行分析、比较、选择或借鉴。

3）机构选型应满足的主要条件

? 运动规律 执行构件的运动规律及调节范围是机构选型及机构组合基本依据。 ? 运动精度 运动精度的高低对机构选型影响很大。对运动精度要求不高，可采用

近似机构来实现，可使机构简单，易于制造。

承载能力和工作速度 各种机构的承载能力和所能达到的最大工作速度是不同的，因而需根据速度的高低、载荷的大小及特性来选择合适的机构。

? 总体布局 要求总体布局合理、紧凑，使机械的输出断尽可能靠近输入端，这样

可省去不必要的传动机构。

? 使用条件和工作要求 使用单位所提出的生产工艺要求、生产车间的条件、使用

和维修要求等，均对选型和组合有很大的影响。

3．拟定运动循环图

机器所要完成各种工艺动作之间是有序的、相互配合的。各种执行机构必须按工艺动作过程的时间顺序和相互配合关系来完成各自的运动。描述各执行机构间运动协调关系的图形称为机器运动循环图。绘制运动循环图首先从机构中选择某一构件为定标件，以该构件的运动（转角或时间）作为其他机构的基准。通常运动循环图有圆形或直角坐标两种。机器运动循环图的作用是：

1) 保证机器能按工艺动作要求协调工作；

2) 反映机器的生产节奏，可作为核算机器生产率的依据；

3) 指导机器各执行机构的设计、安装和调试。

4．机器运动方案示意图和机械运动简图的绘制

由原动机和执行机构的运动要求，通过机构选型来确定原动机和执行机构之间的传动构件。由于完成同一种运动可选用不同的机构，所以就可以提供多种方案。设计时从中选择一种或几种较优的方案，画出从原动机、传动机构到执行机构的运动方案（示意图）。通过机构尺度综合，设计出完全符合运动要求的构件参数，并按真实尺寸画出反映机构运动情况的图形——机械运动简图。

四、设计说明书的编写

1．设计说明书的内容

设计说明书的内容应根据设计任务的要求而定，一般包括以下几个方面：

（1） 目录（标题和页次）；

（2） 设计题目（设计条件和要求）；

（3） 全部原始数据或设计要求；

（4） 机械运动方案的拟定（设计思想的说明，所选用机构的工作原理及特性），机构的

组合方式；

（5） 机构运动循环图；

（6） 机构运动简图；

（7） 采用的设计方法及其原理的说明；

（8） 设计计算过程和程序(如有)；

（9） 用表格列出计算结果，并绘出主要的运动曲线图；

（10）对计算结果的分析讨论，做出概括性的结论；

（11）列出主要的参考资料。

2．设计说明书成文注意事项

（1） 设计说明书用钢笔书写，采用统一的课程设计报告纸；

（2） 编写说明书时应做到条理清楚、叙述简明、重点突出、计算正确、文字通顺、书

写整洁；

（3） 所用的公式和数据应注明来源（参考资料的编码和页次）；

（4） 全部计算中所用的符号和脚注必须前后一致、不能混淆。

（5） 对自成单元的内容应有大小标题，做到层次分明，醒目突出。

（6） 绘制机构运动简图时应采用规定的符号，按比例作图。

（7） 对计算结果应有简明的结论。如果实际所取的数值与计算结果有较大差异，应作

必要的解释，说明原因。

（8） 说明书编写完成后应加上封面，装订成册。

、机械原理课程设计题目

说明：本次设计题目共6个，其中最后一题为自选题。请每位班长根据班级同学数，按学号均分以下各题。

（一）、一种管道外壁清洗和除锈设备的方案设计

设10m×10m的水上平台由间隔为2m的钢管支撑，钢管外径为600mm，长度为4m，其中3m在水下，1m在水上。现要求设计一种该支撑钢管的管道外壁清洗和除锈设备，满足以下要求：

1.该设备需要携带2个高压水枪头进行施工作业，每个水枪的喷水后坐力约100N；

2.设备必须经常更换使用地点；

3.如果用机械臂式，打开尺寸需控制在6000mm×5000mm×3000mm，收回尺寸控制在3000mm×1500mm×1000mm左右；

4.总重量应小于2.0T，抗风力6级；

5.设备功能：可以携带2个高压水枪移动，对直径600mm，长3000mm以上的管线进行全方位冲洗，移动速度大于2m/min，动作轨迹：可以绕着管线转动，并且可以同时沿着管线上下移动；

6.电源可用三相380V电源，也可以采用柴油动力，或压缩空气作为动力源；

7.操作方式应采用手动操作，可以采用摇把操作也可以采用按键操作，要求操作方法简易、准确；

8.设备移动速度应该有高、中、低3档；高档速度应取2m/min左右，低档速度应取0.5m/min左右；9

9.机械臂需要灵活的弯曲级伸缩性能，可以避开部分障碍物往下伸进。

请给出完成上述功能的设备的方案设计。

（二）、井下坑道钻机运输装置方案设计

现有一重量为3T的立轴式坑道钻机，工作时需要在狭窄的井下巷道内移动，地面松软潮湿。巷道宽度为2m，高度为3m；机器尺寸为1.8m×1m×1.5m。设计一个运输机构，实现对该机器的搬运，并能在机器工作时作为机架，稳定地支撑住机器，能承受足够的倾翻力矩作用。以下方式可供参考：

1. 带履带的行走机构；

2. 轮式行走机构；

3. 步行式行走机构；

4. 其他类型的移动方式。

请给出完成上述功能的该运输设备的方案设计。

（三）、剪板机设备方案设计

要求设计一个剪板机，提供剪切力8T，能剪切钢板最大厚度4mm，最大宽度2500mm。剪切机构的驱动力可用机械、液压或电动方式。根据现有机型，给出结构创新的剪板机整机方案设计。

要求：不能完全与现有剪板机结构方案雷同。

（四）、自选题目

完成一种感兴趣的、有一定实用价值的或有一定研究基础的结构设计，给出完整的运动方案设计。设计内容参考上述题目。

每个班级至少有一组同学做自选设计题。鼓励大家自选，题目要完成的内容请简要书面说明，由班长统一交给老师确认。

六、机械原理课程设计参考书目

1. 机械原理教材，工大版；或高教版（东南大学，郑文纬）

2. 机械原理课程设计指导书.裘建新.高教出版社，2005）

机械原理课程设计指导书.罗洪田.高教出版社，1991）

4. 机械运动方案及机构设计—机械原理课程设计题例及指导.姜琪.高教版，1991.

5. 机械设计实用机构与装置图册（Mechanisms and Mechanical Devices Sourcebook）.Neil Sclater, Nicholas P. Chironis编，邹平译.机械工业出版社，2007,4

6. 图书馆电子资料及网上其他相关资料。

七、课程设计注意事项

1. 绘图工具采用AUTOCAD、CAXA等两维绘图软件及SolidWorks、UG等三维绘图软件；分析工具可采用Matlab、Adams等运动和动力参数仿真软件。运动方案设计不涉及强度、刚度等参数分析。

2. 分散进行，每周三和周日下午答疑和检查(格物楼403)，第12周周末(5月5日)上交、答辩。

3. 可相互讨论、参考有关文献，但每位同学的最终方案均需独立完成。

 

第二篇：机械原理课程设计指导书(四冲程)

机械原理课程设计指导书

四冲程内燃机设计

一．    已知条件： 在图示的四冲程内燃机中

活塞行程                            H=             （mm）

活塞直径                            D=               （mm）

活塞移动导路相对于曲柄中心的距离    e=                （mm）

行程速比系数                        K=

连杆重心 至A点的距离             = 系 数 (mm)

曲柄重量                            =                (N)

连杆重量                            =                (N)

活塞重量                            =               (N)

连杆通过质心轴的转动惯性半径     =  系数(m)

曲柄的转速                      n₁=              (rpm)

发动机的许用速度不均匀系数      []=

曲柄不平衡的重心到O点的距离    =  （mm）

开放提前角：

            进气门：-10°；排气门： -32°

齿轮参数：

      m=3.5（mm）； =20°；=1

==14； ==72   ；=36

  示功图见P10图2所示。

二．设计任务

1. 机构设计

    按照行程速比系数K及已知尺寸决定机构的主要尺寸，并绘出机构运动简图（4号图纸）。（凸轮要计算出装角后才画在该图上）

2.      选定长度比例尺作出连杆机构的位置图

以活塞在最高位置时为起点，将曲柄回转一周按顺时针方向分为十二等分，然后找出活塞在最低位置时和活塞速度为最大时的曲柄位置（即曲柄旋转一周共分十五个位置）并作出机构各位置时的机构位置图，求出滑快的相对位移。

3. 作出机构15个位置的速度多边形

求出这15个位置的、、、ω₂的数值，并列表表示。（表一）

4. 作出机构的15个位置的加速度多边形

求出15个位置的 、 、 、 、 、 的数值，并列表表示。（表二）

5.用直角坐标作滑快B点的位移曲线=（），速度曲线及加速度曲线。（把以上2、3、4、5作在一张2号图纸上）

6.    动态静力分析（1号图纸）

      求出机构在各位置时各运动副的反力及应加于曲柄OA的平衡力矩 ，并用速度多边形杠杆法检验。（每人完成五个位置）各种数据均要列表表示：

（1）  将各个位置的、、等数值列于表三。

（2）    列出各个位置的的计算公式，并计算出其数值。

（3）    将各个位置的、、、、、等数值列于表四。

（4）    将各个位置的、等数值列于表五

（5）    将各个位置的、、等数值列于表六

（6）    将与进行比较，计算出它们的误差，把结果列于表七。

7.  用直角坐标作出=（）曲线。（用方格纸绘制）

     （统一用“动态静力分析”所求得的值）

8.    计算当不考虑机构各构件的质量和转动惯量时的飞轮转动惯量。

9.          计算发动机功率。

10.      对曲柄滑快机构进行机构部分平衡（平衡A点的质量）。

11.      用解析法设计凸轮Ⅱ的实际轮廓曲线

建立凸轮轮廓的数学模型，写出程序设计框图，编写程序，要有简短的程序说明及变量符号说明，上机计算并打印结果（包括凸轮轮廓曲线）。

12.  绘制内燃机的工作循环图（4号图纸）。

根据工作循环图及曲柄的位置，求出凸轮的安装角，把凸轮画在机构运动简图上。

13.  最后，将设计过程写成20页左右的详细说明书。

三．设计步骤及注意问题

1.求连杆及曲柄的长度

设连杆的长度为l、曲柄长度为

 

       

    可求

   =

   =

联立（1）、（2）式求解，可求出连杆的长度l及曲柄的长度r.

2.曲柄回转一周共分为15个位置

当活塞在最高位置时为起点，曲柄A点的编号为A。，由A。点开始，顺时针方向把圆等分为12等分，得A。、、、……，等点。当滑快在最低位置时，曲柄上A 点的编号为。

    可近似认为，当曲柄在OA和OA位置时，滑快B的速度为最大值。

 

        注：括号内的编号在分析力时才使用。

3.动态静力分析步骤

（1）    计算活塞上的气体压力

      （N）

F—活塞的面积（cm）

(2) 求作用于构件上的惯性力

    =    （N）

   

          （N）

（3）    出活塞上受力的大小及方向

（4）    把作用在构件2上的反力R分解为和取=0，求出

（5）    以构件2、3为示力体，取求出和

（6）    以构件3为示力体，取求出

（7）    以构件1为示力体，（构件1的重力忽略不计），取求出，再由=0，求出。

（8）    用茹可斯基杠杆法，把速度多边形转90°，把所有外力平移到速度多边形的相应点上，取=0求出，并与值进行比较。

（9）    用一张4号图纸大小的方格纸作出=（）曲线。

4.飞轮转动惯量的确定

（2）  在本课程设计中，决定飞轮的转动惯量时，不考虑机构各构件的质量和转动惯量。

（3）  把=（）曲线作为=（）曲线（驱动力矩曲线）

规定：当与的方向一致时为负，画在横坐标的下方。

当与的方向相反时为正，画在横坐标的上方。

（在本课程设计中，的方向为顺时针）

（4）    以的平均值作为阻抗力矩（常数）。这是因为在周期性的速度波动中，一个波动周期内的输入功等于输出功。即

  （a）首先求出下列各单元的面积：

      、、、、、

（b）求出阻抗力矩（（））的纵坐标H：

注意：ⅰ） ，……表示各单元的面积，单位为mm,在横坐标之下为负值，在横坐标之上为正值。

       ⅱ）H的单位为毫米，当乘上比例尺之后，才得出之值。

（c）根据求出的H值，作出=（）阻抗力矩曲线（现为水平线）

（5）  求出下列各单元的面积：

、、、、、、

在阻抗力矩曲线之上的面积表示盈功，在阻抗力矩曲线之下面积表示亏功。盈功为正，亏功为负值。

（6）  根据上面各单元的面积求相应的功

     

   

   

（7）    求出在各个位置上功的累积变化量

……（Nm）   …… （Nm）

……（Nm）   …… （Nm）

……（Nm）   …… （Nm）

……（Nm）  

根据上面各值找出

…… （Nm）   …… （Nm）

（8）    求出最大盈亏功

==……（Nm）

            (8) 根据许用不均匀系数[]，求出等效构件上所需的等效转动惯量：

                           （）

            （9）确定飞轮的转动惯量：

按题意： 不考虑各构件的质量和转动惯量。

    可忽略不挤

   

  5．计算发动机功率

             

6.  曲柄滑快机构的平衡

（1）    把连杆的质量代换到A、B点

由上面的方程组可求得：

 

（2）    把曲柄A点的质量用距O点为a=0.5r的平衡质量平衡。

       

7.排气凸轮（凸轮Ⅱ）的轮廓设计

（1）  升程角为60°，回程角为60°，远停程角为10°。

（2）选择升程和回程的运动规律。

（3）用解析法设计凸轮Ⅱ的轮廓曲线。

需打印出曲线以及凸轮的轮廓曲线。

8. 以曲柄作为定标构件，曲柄每转两周为一工作循环。画出各执行机构在位置上协调配合工作的循环图。

      附：

  四冲程内燃机机构运动简图                     比例：1：4