机械原理课程设计设计计算说明书设计题目麦秸打包机设计设 计 者学 号专业班级 机械工程 班指导教师完成日期 2016 年 月 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11.2 设计题目11.3 设计条件及设计要求21.4 设计任务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 方案选择与分析2.3 执行机构设计2.4 执行机构运动分析2.5 机械系统方案设计运动简图三、传动系统方案设计3.1 传动方案设计3.2 电动机的选择3.3 传动装置的总传动比和各级传动比分配3.4 传动装置的运动和动力参数计算 四、设计小结 五、参考文献 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、运用计算机和技术数据 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 设计题目该麦秸打包机工艺动作如图所 示，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。麦秸打包机机构及传动装置设计这样，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。传动装置方案采用带传动 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。一个工作循环所需 的时间 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TsM（Nm）l1 mml2 mml3 mml4 mml5 mml6 mm11.00440300400250800200600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。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、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 滑块的左右运动和撞板 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 组合分类表滑块左右移动曲柄导杆机构曲柄滑块机构组合机构连杆机构撞板上下移动曲柄导杆机构曲柄滑块机构组合机构连杆机构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 N2 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 滑块水平运动的机构方案选择滑块左右运动的要求 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滑块左右运动方案 1三角正弦机构滑块左右运动方案 2槽轮滑块机构滑块左右运动方案 3 六连杆机构滑块左右运动方案 4连杆复合机构滑块左右运动方案 6连杆复合机构滑块左右运动方案 8内凸轮机构滑块左右运动方案 10外凸轮机构表 2.上述满足执行构件水平运动各个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 间级传 动 角级传 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--一般般高简单易低大满无较小--较平稳剧较高较复易一小足短-烈杂般满足无较短小较平稳般较高一般易般较大满足较强短较大大一般般高较复杂较难般小满足无长较小一般有般较高较复杂较难般大6满足弱长大大一般般高较简单般般大7满足弱长大--有冲击剧烈较高较复杂难较高大8满足无长较小--有冲击剧烈较高较复杂较难般大9满足无较短较小--较平稳低高简单易低小10满足无长较小--有冲击剧烈较高较复杂较难较高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 2。从表中的分析结果不难看出方案 2,3,5,9 性能显较差 ; 方案1,4,6,7,8,10 有较好综合性能其中 1,4,7,10 这四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撞板下压机构的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 （或近似直线）上下往 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 ）作直线上下往复运动 的一系列运动方案。执行构件铅垂运动机构方案 1连杆复合机构表 2 上述满足执行构件铅垂运动各个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 间级传 动 角级传 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满足较短较大较大般小较大般般般较小2满长较---有大较一较较大足大冲击大般难高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满较较较一小一较一一较01足长大大般般复杂般般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。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 连杆组合机构 方案说明如图 1 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 1 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。2 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 2 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。3 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 3 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。4 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 4 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。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，列出下列表格性能指针方 案1方 案2方 案3方 案4运动性能运动规律急回平稳急回任意运动速度及精度一般一般较高一般工工作效率一般高较高一般作性能使用空间较大较大一般较小动力性能承载能力较大大较大较低传力性能较大大一般一般震动与噪声较大较大较大较小经济性加工难度易一般一般较难维护难度较易较易一般较难能耗大小一般一般一般一般使用寿命较长较长较长一般结构机构尺寸大大较大较小机构重量轻重一般较重复杂程度一般复杂一般简单经过分析，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 齿轮齿条撞板上下冲压机构。
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；1）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；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机械系统的组成为 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。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，皮带传动为故传动系统由“ V带传动 二级圆柱斜齿轮减速器”组成。原始数据已知工作机执行机构原动件主轴转速 nW60 r/min 转矩 Mb 440 N.m3.2 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a工作轴输出功率 PWM/1000 KW nW /3060 /306.28 rad/s PWM/1000440*6.28/10002.7632 KW 注工作轴执行机构原动件轴。b所需 电动机的功率 Pd PW / aa 由电动机至工作轴的传动总效率a 带轴承 3齿轮 2联查表可得对于 V带传动 带 0.96对于 8 级精度的一般齿轮传动 齿轮 0.97 对于一对滚动轴承 轴承 0.99 对于弹性联轴器 联轴器 0.99则a 带轴承 3齿轮 2联0.960.99 30.9720.99 0.868 Pd PW / a2.7632/0.8683.1834 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35，则电动机转速可选范围为ndi 带 i 齿 2 nW2（2 4）（ 3 5）2 nW（18 100 ）nW（18100）3010806000 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，由有关手册查出四种适用的电动机型号，因此有 三种传动比方案。方 案电动机型号额定功率 ped /kw电动机转速 / r/min电动机 质量 /kg传动装置的传动比同步满载总传动比V带传动比齿轮传动1Y112M-24300028904596.33332.112Y112M-441500144043483163Y132M1-64100096073322.512.8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。
由表中四种方案，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 Y112M-4。Y112M-4电动机数据如下 额定功率 4 Kw 满载转速 n 满 1440 r/min 同步转速 1500 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i 总 n 满/ n W 1440/60 24 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 122.8 ；则减速器的总传动比为 i 减i 总/2.824/2.88.5714 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 g1.3i d2减 i g i d 1.3i 2d 8.571422d 8.5714/1.36.5934d 2.57g1.3i d1.3 2.573.34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 1440 r/min轴 n 电 /i 带 1440/2.8514.29 r/min轴 n / i g514.29/3.34154 r/min轴n / i d 154/2.5760 r/min计算各轴的输入和输出功率轴输入功率 Pd 带3.687 0.963.54 kw输出功率 3.474 轴承 3.54 0.993.5 kw轴输入功率 3.44 齿轮 3.5 0.973.395 kw轴输出功率 3.34 轴承 3.395 0.993.361 kw输入功率3.30 齿轮3.361 0.973.26 kw输出功率 3.20 轴承 3.26 0.993.228 kw计算各轴的输入和输出转矩电动机的输出转矩T d9.55106Pd /n电9.551063.687/1440轴输入转矩输出转矩轴输入转矩324.45 1039.55106P65.71039.55106P65103 N9.55106Pmm9.551063.54/514.29mm9.551063.5/514.29mm/ n 9.55 1063.395/1543210.5 103 N mm输出转矩T 9.55106P / n 9.551063.36/154208.4 103 N mm轴 输入转矩T9.55 10 P / n9.551063.26/603518.9103Nmm输出转矩T9.55 10 P/ n9.551063.228/60513.8103Nmm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3.68724.45 10314402.80.95轴3.543.565.7 10365103514.292.570.96轴3.3953.361210.5 103208.4 1031543.340.96轴3.263.228518.9 103513.8 10360