机械原理课程设计
设计计算说明书
设计题目：蜂窝煤成型机设计
设 计 者： 方海霖
学 号： 20080061
专业班级：机械工程及自动化专业07-5班 指导教师：滕献银
完成日期： 2010年 1 2月4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„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
1.2 设计题目„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
1.3 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„„„„„„„„„„„„„„„3
2.2 方案选择与分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
2.3执行机构的形成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15
2.4 机构组合方案的确定„„„„„„„„„„„„„„„„„17
2.5 执行机构尺寸设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„18
2.6运动循环图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23
2.7 机械系统方案设计运动简图„„„„„„„„„„„„„„25
三 传动系统方案设计
3.1传动方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26
3.2电动机的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27
3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配„„„„„„„„„28
3.4传动装置的运动和动力参数计算„„„„„„„„„„„„29
四 设计小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31
五 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34
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。
1.2设计题目：蜂窝煤成型机
设计一蜂窝煤成型机冲压和脱模机构、工作盘的间歇转动机构以及扫屑机
脱模盘上粘附的煤粉。模筒转盘上均布了模筒，转盘的间歇运动使加料后的模筒进入加压位置、成型后的模筒进入脱模位置、空的模筒进入加料位置。
试设计能按上述要求运动的冲压和脱模机构、工作盘间歇转动机构以及扫屑机构。
1.3设计条件及设计要求
工作机输入功率:2.8kw
生产率:18块/min
型煤尺寸：Φ³h=100mm³75mm
粉煤高度与型煤高度之比（压缩比）：2∶1，即工作盘高度H=2h=150mm 工作条件：载荷有轻微冲击，一班制
使用期限：十年，大修期为三年
生产批量：小批量生产（少于十台）
转速允许误差：±5%
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
为了实现蜂窝煤成型机的总功能，将功能分解为：加料功能、冲压成型功能、脱模功能、扫屑功能、工作盘简间歇转动功能、输送功能。
2)工艺动作过程
根据上述分析，工艺动作有以下六个动作：
（1）加料：这一动作可利用煤粉的重力打开料斗自动加料；
（2）冲压成型：要求冲头上下往复运动，在冲头行程的二分之一进行冲压成型；
（3）脱模：要求脱模盘上下往复移动，将已冲压成型的煤饼压下去而脱离模筒。一般可以将它与冲头固结在上下往复移动的滑梁上；
（4）扫屑：要求在冲头、脱模盘向上移动过程中用扫屑刷将煤粉扫除；
（5）工作盘间歇转动：以完成冲压、脱模和加料三个工位的转换；
（6）输送：将成型的煤饼脱模后落在输送带上送出成品，以便装箱待用。 以上六个动作，加料和输送的动作比较简单，暂时不予考虑，脱模和冲压可以用一个机构完成。
2.2 方案选择与分析
一、冲压和脱模机构(上下移动
)
方案1
方案3
方案6
方案11
方案12
方案13
方案14
方案17
方案19
方案20
方案1至9为连杆机构；方案10至12为凸轮机构；方案13至16为齿轮齿条机构；方案17至20为组合机构。
表1 冲压机构部分运动方案定性分析
结合表1可知，方案1为曲柄滑块机构，易加工且具增力作用；方案6至9为六杆机构行程小；凸轮机构结构简单、紧凑，但易磨损且传力小；齿轮齿条机构传动准确、效率高、寿命长，但加工装配难；组合机构结构复杂。
综上所述，初选方案1，方案9，方案17。
二、工作盘间歇运动机构
方案1 槽轮机构
方案2 外啮合棘轮机构
方案3 摩擦式棘轮机构
方案4 外啮合不完全齿轮机构
方案5 不完全齿轮齿条机构
方案6 圆柱凸轮间歇运动机构
方案1结构简单，效率高，但转角不可太小，有冲击；方案2、3制造方便，转角准确，但易引起冲击磨损；方案4、5从动轮运动转角范围大但加工复杂，
会引起刚性冲击。方案6结构简单，运转可靠，但精度要求高，加工复杂，安装调整困难。
综合考虑，初选方案1，方案4，方案6。
三、扫屑机构
方案2 固定凸轮移动滚子从动件机构
方案3 固定凸轮移动滑块从动件机构
方案1工作平稳，但尺寸较大；方案2运动性能较差，且易磨损；方案3各方面性能较好。
扫屑机构以上三方案性能相差不大，均可待选。
2.3 执行运动机构的形成
方案I:
冲压机构为偏置曲柄滑块机构 模筒转盘为槽轮机构
扫屑机构为导杆-滑块机构
适当选择冲压机构中A点轨迹和确定机构尺寸，可保证构件具有急回，运动和工作段近于匀速的特性，并可使机构工作段压力角尽可能小。
根据工位要求确定槽轮相关参数，可满足工作盘间歇转动。
导杆-滑块机构上下方向长度应大于滑梁行程，其左右高度应能使扫屑刷满足扫除粉煤活动范围。
方案II:
冲压机构为六杆机构
模筒转盘为不完全齿轮机构
扫屑机构为固附加滑块摇杆机构
六杆机构虽具有增力作用，但行程较小，需调整各杆尺寸才能满足滑梁行程要求。
不完全齿轮机构是由普通齿轮机构转化而成的一种间歇运动机构。它与普通齿轮的不同之处是轮齿不布满整个圆周。不完全齿轮机构的主动轮上只有一个或几个轮齿，并根据运动时间与停歇时间的要求，在从动轮上有与主动轮轮齿相啮合的齿间。两轮轮缘上各有锁止弧(见方案4图)，在从动轮停歇期间，用来防止
从动轮游动，并起定位作用。
附加滑块摇杆机构，满足运动变化条件，且工作平稳，效率较高，成本较低但运动尺寸较大。
方案III:
冲压机构为凸轮-连杆机构
模筒转盘为圆柱凸轮间歇运动机构 扫屑机构为固定凸轮移动从动件机构
凸轮-连杆机构结构与前两个方案相比较为复杂，且凸轮部分磨损较大，连杆部分为多杆，为满足行程要求需占较大尺寸。
圆柱凸轮间歇运动机构精度要求高，安装调整均有较大难度。
固定凸轮移动从动件机构对机架的要求较高，工作平稳性较差。且滚子磨损较大，寿命短。
2.4 机构组合方案的确定
经过前述方案评价可知，方案I结构简单，性能可靠，成本低廉，经久耐用，维护容易，操作方便。所以确定该方案是上述三个方案中最为合理的方案。
2.5 执行机构尺寸设计
（1）偏置曲柄滑块机构计算
已知滑梁行程S=300mm ,行程速比系数k=1.5(θ=180°³(k-1)/(k+1)= 180°³(1.5-1)/ (1.5+1)=36°)。
过C1N⊥C1C2。
再过C2作∠C1C2M=90°-θ=54°,C1N和C2M交于P。 最后以C2P为直径作圆，则此圆周上任意一点与C1、C2连线夹角均为θ =36°。 在圆周上任取曲柄转动中心A，由图可知，曲柄与连杆重叠共线和拉直共线的2个位置AC1和AC2。 则:
AC1=B1C1-AB1 AC2=AB2+B2C2 解得：
AB1=（AC2-AC1）/2=C2E/2（线段C2E可由以A为圆心，AC1为半径作弧与AC2交点E求得）。 经测量得：
AB1=125mm
AC1=295mm e=140mm
已知生产率为18块/min。
因为曲柄旋转一周，滑块完成一个冲压运动周期，生产1块蜂窝煤。 所以曲柄转速为18r/min，即曲柄角速度为1.884rad/s。
以上软件分析表明，所设计的偏置曲柄滑块机构最小传动角为26°（而为了保证良好的传力性能，通常应使最小传动角不小于40°），即压力角过大，又蜂窝煤成型机冲压机构对急回特性并无特殊要求，所以决定将该机构改为对心曲柄滑块机构。
改（1）对心曲柄滑块机构计算
因为S=300mm，
所以，曲柄长AB=S/2=150mm。
取最小传动角为75°，即最大压力角为15°
图解法如下：
在水平线MN上任取一点A。
以A为圆心，150mm为半径作圆，交MN于B1、B2两点。 过A作AB⊥MN交圆A于B点。 作∠ABC=75°，交MN于C点。 测得BC=580mm,即为连杆长。
在MN 上截取B1C1=B2C2=BC,得滑块两极限位置C1、C2。
以下为对心曲柄滑块机构运动分析及动态仿真图：
（2）槽轮机构计算
槽数 z 按工位要求本应选为5，但z增大，k也随之增大，运动时间tf增加，不利于工作。所以为提高工作效率，希望减小k,即减小z(工位数不够，可在传动链中加入与间歇转动部分所需工位数相适应的减速齿轮来达到)，最终选定z=4（减速齿轮传动必i=4/5）。
槽轮每次转位时主动件转角 2α=180°³（z-2）/z= 180°³（4-2）/4=90°
槽间角 2β= 360°/z= 360°/4=90°
动停比 k=td/tt=(z-2)/(z+2)= (4-2)/(4+2)=1/3
圆销数 n=1
由结构情况确定 中心距 a=300mm
圆销半径 r=30mm
所以，主动件圆销中心半径 R1=asinβ=300³sin45°≈212mm
R1与a的比值λ=R1/a=212/300≈0.7
槽轮外圆半径 R2= [(acosβ)+r ]214mm
槽轮槽深 h≥a(λ+cosβ-1)+r=300³(0.7+cos45°-1)+30≈152.1mm
取h=153mm
(3)导杆-滑块机构计算
依据滑块的行程要求以及冲压机构的尺寸限制，选取扫屑机构尺寸如下：
导杆铅垂方向高度H=375mm ，倾角arctg(500/150) ≈73°
扫屑刷杆长L=550mm
2.6 根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图
对于冲压式蜂窝煤成型机运动循环图主要是确定冲压和脱模盘、扫屑刷、模筒转盘三个执行构件的先后顺序、相位，以利对各执行机构的设计、装配和调试。
冲压式蜂窝煤成型机的冲压机构为主机构，以它的主动件的零位角为横坐标的起点（即横坐标表示各执行构件位置），纵坐标表示各执行构件的位移起止位置。
表2和图2均表示冲压式蜂窝煤成型机三个执行机构的运动循环过程。 冲压过程分为冲程和回程。带有模孔的转盘工作行程在冲头程后半段和冲程前半段完成，使间歇转动在冲压之前完成。扫屑运动在冲头回程后半段和冲程前半段完成。
2
2
1/2
= [(300cos45°)+30]
22
1/2
≈
表2 冲压式蜂窝煤成型机运动循环表
图2蜂窝煤成型机运动循环图
2.7 机械系统方案设计运动简图
电机驱动带轮机构，带轮机构驱动齿轮机构，齿轮机构分别驱动冲压曲柄滑块机构和分度槽轮机构，冲压机构的冲头驱动扫屑机构。
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做功外，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。
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：根据设计要求，已知工作机（执行机构原动件）主轴：
工作机输出功率：Pw=2.8(Kw)
转速：nw = 18（r/min）
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
所需电动机的功率：Pd= PW /ηa
ηa----由电动机至工作轴的传动总效率 ηa =η带³η轴承3³η齿轮2³η联 查表可得：
对于V带传动: η
带
=0.96
齿轮=0.97
对于8级精度的一般齿轮传动：η对于一对滚动轴承：η对于弹性联轴器：η则
轴承
=0.99
联轴器=0.99
ηa =η带³η轴承3³η齿轮2³η联
=0.96³0.993³0.972³0.99 = 0.868
∴ Pd= PW /ηa=2.8/0.868=3.226 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=3～5，则电动机转速可选范围为
nd=i带 ³i齿2³nW =(2～4)( 3～5)2 ³nW =（18 ～100 ）³nW =(18～100)³18 =324～1800 r/min
符合这一转速范围的同步转速有750 r/min、1000 r/min、1500 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3种传动比方案。
表3
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3中3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1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/min
3.3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/ nW =1440/18=80 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i12=2.8；
则减速器的总传动比为 i减=i总/2.8=80/2.8=28.5714
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 ig=1.3id
i减= ig³id = 1.3id 2=28.5714 i2d =28.5714/1.3=21.9780 id =4.688
ig=1.3id=1.3³4.688=6.0944
注：ig -高速级齿轮传动比；
id –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
Ⅰ轴 nⅠ= n电/i带=1440/2.8=514.29 r/min Ⅱ轴 nⅡ= nⅠ/ ig=514.29/6.0944=84.387 r/min Ⅲ轴 nⅢ=nⅡ/ id =84.387/4.688=18 r/min 计算各轴的输入和输出功率：
Ⅰ轴： 输入功率 PⅠi= Pdη带=3.226³0.96=3.097 kw 输出功率 PⅠo= 3.097η
轴承
=3.097³0.99=3.066 kw =3.066³0.97=2.974 kw =2.974³0.99=2.944 kw
Ⅱ轴： 输入功率 PⅡi=3.066³η 输出功率 PⅡo= 2.974³ηⅢ轴 输入功率 PⅢi=2.944³η 输出功率 PⅢo= 2.856³η计算各轴的输入和输出转矩：
齿轮
轴承
齿轮
=2.944³0.97=2.856 kw =2.856³0.99=2.827 kw
轴承
电动机的输出转矩 Td=9.55³106³Pd /n电=9.55³106³3.226/1440
=21.4³103 N²mm
Ⅰ轴： 输入转矩 TⅠi=9.55³106³PⅠi / nⅠ=9.55³106³3.097/514.29
=57.5³103 N²mm
输出转矩 TⅠo=9.55³106³PⅠo / nⅠ=9.55³106³3.066/514.29
=56.9³103 N²mm
Ⅱ轴： 输入转矩 TⅡi=9.55³106³PⅡi / nⅡ=9.55³106³2.974/84.387
=336.6³103 N²mm
输出转矩 TⅡo=9.55³106³PⅡo / nⅡ=9.55³106³2.944 /84.387
=333.2³103 N²mm
Ⅲ轴 输入转矩 T6Ⅲi=9.55³106³PⅢi / nⅢ=9.55³10³2.856/18
=1515.3³103 N²mm
输出转矩 TⅢo=9.55³106³PⅢo/ nⅢ=9.55³106³2.827/18
=1499.9³103 N²mm
将运动和动力参数计算结果进行整理并列于表4如下：
四、设计小结
这次机械原理课程设计，我拿到的题目是蜂窝煤成型机的设计。
本次设计旨在培养我们进行机械系统运动方案创新设计能力和应用现代先进设计手段解决工程实际问题的能力。机械原理课程设计是我们机械类各专业学生在学习了机械原理课程后进行的一个重要的实践性教学环节，是为提高我们本科生机械系统运动方案设计、创新设计和解决工程实际问题能力服务的。其实就是要求我们运用机械原理课上所学过的各种机械机构的运动学和动力学原理，分析和解决实际生活中遇到的各种问题。
拿到设计题目后，我就开始认真研读设计任务书，明确设计内容和要求，分析原始数据及工作条件；然后通过借阅（图书馆）、搜集（网络）查找有关信息、资料及手册；由于《机械原理》是上学期课程，我先复习了机械原理课程有关内容，其中包括：机构的组成和结构（自由度），连杆机构（急回，压力角，死点），凸轮机构，齿轮机构，间歇运动机构和组合机构。并自学了下篇-机械系统方案设计的内容。熟悉了相关机构的设计方法，初步拟定了设计计划。
因为是第一次独立进行课程设计，所以在设计过程中遇到了不少的问题，比如在选择机构时，各种构件都有哪些性能适用于我所做的机构；在确定机构尺寸时，型煤尺寸和粉煤高度与型煤高度之比该怎么使用；在进行传动系统动力学计算时，如何运用已知条件：生产率为18块/min„„针对这些问题，我通过请教老师，查阅资料，思考揣摩，得到了解决。例如李老师告诉我们在使用六杆机构时要注意其行程较小这一缺点；由于机械原理课本中没有涉及间歇运动机构具体的计算公式，我去图书馆借阅了《间歇运动机构设计与应用创新》等相关书籍，
找到了相关公式；随着自己对蜂窝煤成型机工作原理的进一步理解，我知道了生产率可转化为转速„„当然遇到的问题还有很多，我基本上在设计和计算过程中通过学习和实践解决了，过程中和同学间讨论也帮助我学习了不少经验和知识。
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、这些机构真正要派些什么用场，在我脑中的概念还是挺模糊的，但是在这次为完成课程设计的任务当中，我开始对传授机械原理这门课的真正意义所在有了初步了解。换句话说，因这次课程设计我把理论与实践运用结合了起来，达到了学以致用的目的。
通过这次机械原理课程设计即蜂窝煤成型机的设计，我知道其实要做一项课程设计并不简单，要把它做好就更不易了，从中我也感到自己的知识面其实是很狭隘的。在理论知识的贯穿上和用理论解决实际问题的能力上也亟待提高，可以说这次的设计就像是一面镜子，照出了我的不足之处。但也因此而小小地锻炼了一下自己，为以后的机械设计课程设计及大四的毕业设计做了一个准备。
在为课程设计写说明书时，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，我们组到图书馆去借了相关的书籍来翻阅。在查找资料、阅读资 料的同时，我还知道了更多以前课本上没有学到过的知识，比方说当所选槽轮槽数与要求工位不一致时，可利用齿轮机构进行增速或减速。
经过一个多月机械原理设计的学习及研究，我明白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：实践是学习的目的，也是学习的方法。
这次课程设计，使我有了很大的收获，锻炼了我解决实际问题的能力，使我
学会了勇于创新，扩展思路的解决问题的方法，还加强了和同学之间的团队协作精神。每个人都会遇到不同的困难，而对一个又一个的困难大家一起努力共同克服。最终有了今天的成绩，令我们每一个人欣慰。同时，增进了同学间的友谊。
通过本次机械原理课程设计，除了加深了对大二学习的机械原理知识的理解，我还实践了机械制图课程中学习的CAD和三维实体造型技术课程中学习的Pro-E绘图技能。总之，既提升了自己的设计能力，又巩固了课本知识。当然这学期的机械设计知识在本次设计中也帮助自己不少，像V带传动,减速器等。
最后，我要特别感谢指导老师李克旺副教授，他为我们提供了大量的学习资料和应用软件 ，并指导和帮助我完成了本次设计。
五、参考文献
[1] 申永胜.机械原理教程.北京：清华大学出版社.1999
[2] 郑文纬，吴克坚主编.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社，1997 [3] 邹惠君.机构系统设计.上海：上海科学技术出版社，1996 [4] 王三民.机械原理与设计课程设计.北京：机械工业出版社.2004 [5] 孟宪源主编.现代机构手册.北京：机械工业出版社，1994 [6] 严家杰著.基本机构分析与综合.上海：复旦大学出版社，1989 [7] 华大年，唐之伟主编.机构分析与设计.北京：纺织工业出版社，1985 [8] 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，1995 [9] 刘政昆.间歇运动机构.大连：大连理工大学出版社，1991
[10] 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，1991 [11] 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
[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
[14] 邹慧君 殷鸿梁编著.间歇运动机构设计与应用创新.北京：机械工业出版社，2008.10
[15] 王淑仁主编.机械原理课程设计.科学出版社，2006
机械原理课程设计
设计计算说明书
设计题目：蜂窝煤成型机设计
设 计 者： 方海霖
学 号： 20080061
专业班级：机械工程及自动化专业07-5班 指导教师：滕献银
完成日期： 2010年 1 2月4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„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
1.2 设计题目„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
1.3 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„„„„„„„„„„„„„„„3
2.2 方案选择与分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
2.3执行机构的形成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15
2.4 机构组合方案的确定„„„„„„„„„„„„„„„„„17
2.5 执行机构尺寸设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„18
2.6运动循环图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23
2.7 机械系统方案设计运动简图„„„„„„„„„„„„„„25
三 传动系统方案设计
3.1传动方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26
3.2电动机的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27
3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配„„„„„„„„„28
3.4传动装置的运动和动力参数计算„„„„„„„„„„„„29
四 设计小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31
五 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34
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。
1.2设计题目：蜂窝煤成型机
设计一蜂窝煤成型机冲压和脱模机构、工作盘的间歇转动机构以及扫屑机
脱模盘上粘附的煤粉。模筒转盘上均布了模筒，转盘的间歇运动使加料后的模筒进入加压位置、成型后的模筒进入脱模位置、空的模筒进入加料位置。
试设计能按上述要求运动的冲压和脱模机构、工作盘间歇转动机构以及扫屑机构。
1.3设计条件及设计要求
工作机输入功率:2.8kw
生产率:18块/min
型煤尺寸：Φ³h=100mm³75mm
粉煤高度与型煤高度之比（压缩比）：2∶1，即工作盘高度H=2h=150mm 工作条件：载荷有轻微冲击，一班制
使用期限：十年，大修期为三年
生产批量：小批量生产（少于十台）
转速允许误差：±5%
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
为了实现蜂窝煤成型机的总功能，将功能分解为：加料功能、冲压成型功能、脱模功能、扫屑功能、工作盘简间歇转动功能、输送功能。
2)工艺动作过程
根据上述分析，工艺动作有以下六个动作：
（1）加料：这一动作可利用煤粉的重力打开料斗自动加料；
（2）冲压成型：要求冲头上下往复运动，在冲头行程的二分之一进行冲压成型；
（3）脱模：要求脱模盘上下往复移动，将已冲压成型的煤饼压下去而脱离模筒。一般可以将它与冲头固结在上下往复移动的滑梁上；
（4）扫屑：要求在冲头、脱模盘向上移动过程中用扫屑刷将煤粉扫除；
（5）工作盘间歇转动：以完成冲压、脱模和加料三个工位的转换；
（6）输送：将成型的煤饼脱模后落在输送带上送出成品，以便装箱待用。 以上六个动作，加料和输送的动作比较简单，暂时不予考虑，脱模和冲压可以用一个机构完成。
2.2 方案选择与分析
一、冲压和脱模机构(上下移动
)
方案1
方案3
方案6
方案11
方案12
方案13
方案14
方案17
方案19
方案20
方案1至9为连杆机构；方案10至12为凸轮机构；方案13至16为齿轮齿条机构；方案17至20为组合机构。
表1 冲压机构部分运动方案定性分析
结合表1可知，方案1为曲柄滑块机构，易加工且具增力作用；方案6至9为六杆机构行程小；凸轮机构结构简单、紧凑，但易磨损且传力小；齿轮齿条机构传动准确、效率高、寿命长，但加工装配难；组合机构结构复杂。
综上所述，初选方案1，方案9，方案17。
二、工作盘间歇运动机构
方案1 槽轮机构
方案2 外啮合棘轮机构
方案3 摩擦式棘轮机构
方案4 外啮合不完全齿轮机构
方案5 不完全齿轮齿条机构
方案6 圆柱凸轮间歇运动机构
方案1结构简单，效率高，但转角不可太小，有冲击；方案2、3制造方便，转角准确，但易引起冲击磨损；方案4、5从动轮运动转角范围大但加工复杂，
会引起刚性冲击。方案6结构简单，运转可靠，但精度要求高，加工复杂，安装调整困难。
综合考虑，初选方案1，方案4，方案6。
三、扫屑机构
方案2 固定凸轮移动滚子从动件机构
方案3 固定凸轮移动滑块从动件机构
方案1工作平稳，但尺寸较大；方案2运动性能较差，且易磨损；方案3各方面性能较好。
扫屑机构以上三方案性能相差不大，均可待选。
2.3 执行运动机构的形成
方案I:
冲压机构为偏置曲柄滑块机构 模筒转盘为槽轮机构
扫屑机构为导杆-滑块机构
适当选择冲压机构中A点轨迹和确定机构尺寸，可保证构件具有急回，运动和工作段近于匀速的特性，并可使机构工作段压力角尽可能小。
根据工位要求确定槽轮相关参数，可满足工作盘间歇转动。
导杆-滑块机构上下方向长度应大于滑梁行程，其左右高度应能使扫屑刷满足扫除粉煤活动范围。
方案II:
冲压机构为六杆机构
模筒转盘为不完全齿轮机构
扫屑机构为固附加滑块摇杆机构
六杆机构虽具有增力作用，但行程较小，需调整各杆尺寸才能满足滑梁行程要求。
不完全齿轮机构是由普通齿轮机构转化而成的一种间歇运动机构。它与普通齿轮的不同之处是轮齿不布满整个圆周。不完全齿轮机构的主动轮上只有一个或几个轮齿，并根据运动时间与停歇时间的要求，在从动轮上有与主动轮轮齿相啮合的齿间。两轮轮缘上各有锁止弧(见方案4图)，在从动轮停歇期间，用来防止
从动轮游动，并起定位作用。
附加滑块摇杆机构，满足运动变化条件，且工作平稳，效率较高，成本较低但运动尺寸较大。
方案III:
冲压机构为凸轮-连杆机构
模筒转盘为圆柱凸轮间歇运动机构 扫屑机构为固定凸轮移动从动件机构
凸轮-连杆机构结构与前两个方案相比较为复杂，且凸轮部分磨损较大，连杆部分为多杆，为满足行程要求需占较大尺寸。
圆柱凸轮间歇运动机构精度要求高，安装调整均有较大难度。
固定凸轮移动从动件机构对机架的要求较高，工作平稳性较差。且滚子磨损较大，寿命短。
2.4 机构组合方案的确定
经过前述方案评价可知，方案I结构简单，性能可靠，成本低廉，经久耐用，维护容易，操作方便。所以确定该方案是上述三个方案中最为合理的方案。
2.5 执行机构尺寸设计
（1）偏置曲柄滑块机构计算
已知滑梁行程S=300mm ,行程速比系数k=1.5(θ=180°³(k-1)/(k+1)= 180°³(1.5-1)/ (1.5+1)=36°)。
过C1N⊥C1C2。
再过C2作∠C1C2M=90°-θ=54°,C1N和C2M交于P。 最后以C2P为直径作圆，则此圆周上任意一点与C1、C2连线夹角均为θ =36°。 在圆周上任取曲柄转动中心A，由图可知，曲柄与连杆重叠共线和拉直共线的2个位置AC1和AC2。 则:
AC1=B1C1-AB1 AC2=AB2+B2C2 解得：
AB1=（AC2-AC1）/2=C2E/2（线段C2E可由以A为圆心，AC1为半径作弧与AC2交点E求得）。 经测量得：
AB1=125mm
AC1=295mm e=140mm
已知生产率为18块/min。
因为曲柄旋转一周，滑块完成一个冲压运动周期，生产1块蜂窝煤。 所以曲柄转速为18r/min，即曲柄角速度为1.884rad/s。
以上软件分析表明，所设计的偏置曲柄滑块机构最小传动角为26°（而为了保证良好的传力性能，通常应使最小传动角不小于40°），即压力角过大，又蜂窝煤成型机冲压机构对急回特性并无特殊要求，所以决定将该机构改为对心曲柄滑块机构。
改（1）对心曲柄滑块机构计算
因为S=300mm，
所以，曲柄长AB=S/2=150mm。
取最小传动角为75°，即最大压力角为15°
图解法如下：
在水平线MN上任取一点A。
以A为圆心，150mm为半径作圆，交MN于B1、B2两点。 过A作AB⊥MN交圆A于B点。 作∠ABC=75°，交MN于C点。 测得BC=580mm,即为连杆长。
在MN 上截取B1C1=B2C2=BC,得滑块两极限位置C1、C2。
以下为对心曲柄滑块机构运动分析及动态仿真图：
（2）槽轮机构计算
槽数 z 按工位要求本应选为5，但z增大，k也随之增大，运动时间tf增加，不利于工作。所以为提高工作效率，希望减小k,即减小z(工位数不够，可在传动链中加入与间歇转动部分所需工位数相适应的减速齿轮来达到)，最终选定z=4（减速齿轮传动必i=4/5）。
槽轮每次转位时主动件转角 2α=180°³（z-2）/z= 180°³（4-2）/4=90°
槽间角 2β= 360°/z= 360°/4=90°
动停比 k=td/tt=(z-2)/(z+2)= (4-2)/(4+2)=1/3
圆销数 n=1
由结构情况确定 中心距 a=300mm
圆销半径 r=30mm
所以，主动件圆销中心半径 R1=asinβ=300³sin45°≈212mm
R1与a的比值λ=R1/a=212/300≈0.7
槽轮外圆半径 R2= [(acosβ)+r ]214mm
槽轮槽深 h≥a(λ+cosβ-1)+r=300³(0.7+cos45°-1)+30≈152.1mm
取h=153mm
(3)导杆-滑块机构计算
依据滑块的行程要求以及冲压机构的尺寸限制，选取扫屑机构尺寸如下：
导杆铅垂方向高度H=375mm ，倾角arctg(500/150) ≈73°
扫屑刷杆长L=550mm
2.6 根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图
对于冲压式蜂窝煤成型机运动循环图主要是确定冲压和脱模盘、扫屑刷、模筒转盘三个执行构件的先后顺序、相位，以利对各执行机构的设计、装配和调试。
冲压式蜂窝煤成型机的冲压机构为主机构，以它的主动件的零位角为横坐标的起点（即横坐标表示各执行构件位置），纵坐标表示各执行构件的位移起止位置。
表2和图2均表示冲压式蜂窝煤成型机三个执行机构的运动循环过程。 冲压过程分为冲程和回程。带有模孔的转盘工作行程在冲头程后半段和冲程前半段完成，使间歇转动在冲压之前完成。扫屑运动在冲头回程后半段和冲程前半段完成。
2
2
1/2
= [(300cos45°)+30]
22
1/2
≈
表2 冲压式蜂窝煤成型机运动循环表
图2蜂窝煤成型机运动循环图
2.7 机械系统方案设计运动简图
电机驱动带轮机构，带轮机构驱动齿轮机构，齿轮机构分别驱动冲压曲柄滑块机构和分度槽轮机构，冲压机构的冲头驱动扫屑机构。
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做功外，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。
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：根据设计要求，已知工作机（执行机构原动件）主轴：
工作机输出功率：Pw=2.8(Kw)
转速：nw = 18（r/min）
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
所需电动机的功率：Pd= PW /ηa
ηa----由电动机至工作轴的传动总效率 ηa =η带³η轴承3³η齿轮2³η联 查表可得：
对于V带传动: η
带
=0.96
齿轮=0.97
对于8级精度的一般齿轮传动：η对于一对滚动轴承：η对于弹性联轴器：η则
轴承
=0.99
联轴器=0.99
ηa =η带³η轴承3³η齿轮2³η联
=0.96³0.993³0.972³0.99 = 0.868
∴ Pd= PW /ηa=2.8/0.868=3.226 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=3～5，则电动机转速可选范围为
nd=i带 ³i齿2³nW =(2～4)( 3～5)2 ³nW =（18 ～100 ）³nW =(18～100)³18 =324～1800 r/min
符合这一转速范围的同步转速有750 r/min、1000 r/min、1500 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3种传动比方案。
表3
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3中3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1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/min
3.3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/ nW =1440/18=80 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i12=2.8；
则减速器的总传动比为 i减=i总/2.8=80/2.8=28.5714
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 ig=1.3id
i减= ig³id = 1.3id 2=28.5714 i2d =28.5714/1.3=21.9780 id =4.688
ig=1.3id=1.3³4.688=6.0944
注：ig -高速级齿轮传动比；
id –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
Ⅰ轴 nⅠ= n电/i带=1440/2.8=514.29 r/min Ⅱ轴 nⅡ= nⅠ/ ig=514.29/6.0944=84.387 r/min Ⅲ轴 nⅢ=nⅡ/ id =84.387/4.688=18 r/min 计算各轴的输入和输出功率：
Ⅰ轴： 输入功率 PⅠi= Pdη带=3.226³0.96=3.097 kw 输出功率 PⅠo= 3.097η
轴承
=3.097³0.99=3.066 kw =3.066³0.97=2.974 kw =2.974³0.99=2.944 kw
Ⅱ轴： 输入功率 PⅡi=3.066³η 输出功率 PⅡo= 2.974³ηⅢ轴 输入功率 PⅢi=2.944³η 输出功率 PⅢo= 2.856³η计算各轴的输入和输出转矩：
齿轮
轴承
齿轮
=2.944³0.97=2.856 kw =2.856³0.99=2.827 kw
轴承
电动机的输出转矩 Td=9.55³106³Pd /n电=9.55³106³3.226/1440
=21.4³103 N²mm
Ⅰ轴： 输入转矩 TⅠi=9.55³106³PⅠi / nⅠ=9.55³106³3.097/514.29
=57.5³103 N²mm
输出转矩 TⅠo=9.55³106³PⅠo / nⅠ=9.55³106³3.066/514.29
=56.9³103 N²mm
Ⅱ轴： 输入转矩 TⅡi=9.55³106³PⅡi / nⅡ=9.55³106³2.974/84.387
=336.6³103 N²mm
输出转矩 TⅡo=9.55³106³PⅡo / nⅡ=9.55³106³2.944 /84.387
=333.2³103 N²mm
Ⅲ轴 输入转矩 T6Ⅲi=9.55³106³PⅢi / nⅢ=9.55³10³2.856/18
=1515.3³103 N²mm
输出转矩 TⅢo=9.55³106³PⅢo/ nⅢ=9.55³106³2.827/18
=1499.9³103 N²mm
将运动和动力参数计算结果进行整理并列于表4如下：
四、设计小结
这次机械原理课程设计，我拿到的题目是蜂窝煤成型机的设计。
本次设计旨在培养我们进行机械系统运动方案创新设计能力和应用现代先进设计手段解决工程实际问题的能力。机械原理课程设计是我们机械类各专业学生在学习了机械原理课程后进行的一个重要的实践性教学环节，是为提高我们本科生机械系统运动方案设计、创新设计和解决工程实际问题能力服务的。其实就是要求我们运用机械原理课上所学过的各种机械机构的运动学和动力学原理，分析和解决实际生活中遇到的各种问题。
拿到设计题目后，我就开始认真研读设计任务书，明确设计内容和要求，分析原始数据及工作条件；然后通过借阅（图书馆）、搜集（网络）查找有关信息、资料及手册；由于《机械原理》是上学期课程，我先复习了机械原理课程有关内容，其中包括：机构的组成和结构（自由度），连杆机构（急回，压力角，死点），凸轮机构，齿轮机构，间歇运动机构和组合机构。并自学了下篇-机械系统方案设计的内容。熟悉了相关机构的设计方法，初步拟定了设计计划。
因为是第一次独立进行课程设计，所以在设计过程中遇到了不少的问题，比如在选择机构时，各种构件都有哪些性能适用于我所做的机构；在确定机构尺寸时，型煤尺寸和粉煤高度与型煤高度之比该怎么使用；在进行传动系统动力学计算时，如何运用已知条件：生产率为18块/min„„针对这些问题，我通过请教老师，查阅资料，思考揣摩，得到了解决。例如李老师告诉我们在使用六杆机构时要注意其行程较小这一缺点；由于机械原理课本中没有涉及间歇运动机构具体的计算公式，我去图书馆借阅了《间歇运动机构设计与应用创新》等相关书籍，
找到了相关公式；随着自己对蜂窝煤成型机工作原理的进一步理解，我知道了生产率可转化为转速„„当然遇到的问题还有很多，我基本上在设计和计算过程中通过学习和实践解决了，过程中和同学间讨论也帮助我学习了不少经验和知识。
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、这些机构真正要派些什么用场，在我脑中的概念还是挺模糊的，但是在这次为完成课程设计的任务当中，我开始对传授机械原理这门课的真正意义所在有了初步了解。换句话说，因这次课程设计我把理论与实践运用结合了起来，达到了学以致用的目的。
通过这次机械原理课程设计即蜂窝煤成型机的设计，我知道其实要做一项课程设计并不简单，要把它做好就更不易了，从中我也感到自己的知识面其实是很狭隘的。在理论知识的贯穿上和用理论解决实际问题的能力上也亟待提高，可以说这次的设计就像是一面镜子，照出了我的不足之处。但也因此而小小地锻炼了一下自己，为以后的机械设计课程设计及大四的毕业设计做了一个准备。
在为课程设计写说明书时，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，我们组到图书馆去借了相关的书籍来翻阅。在查找资料、阅读资 料的同时，我还知道了更多以前课本上没有学到过的知识，比方说当所选槽轮槽数与要求工位不一致时，可利用齿轮机构进行增速或减速。
经过一个多月机械原理设计的学习及研究，我明白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：实践是学习的目的，也是学习的方法。
这次课程设计，使我有了很大的收获，锻炼了我解决实际问题的能力，使我
学会了勇于创新，扩展思路的解决问题的方法，还加强了和同学之间的团队协作精神。每个人都会遇到不同的困难，而对一个又一个的困难大家一起努力共同克服。最终有了今天的成绩，令我们每一个人欣慰。同时，增进了同学间的友谊。
通过本次机械原理课程设计，除了加深了对大二学习的机械原理知识的理解，我还实践了机械制图课程中学习的CAD和三维实体造型技术课程中学习的Pro-E绘图技能。总之，既提升了自己的设计能力，又巩固了课本知识。当然这学期的机械设计知识在本次设计中也帮助自己不少，像V带传动,减速器等。
最后，我要特别感谢指导老师李克旺副教授，他为我们提供了大量的学习资料和应用软件 ，并指导和帮助我完成了本次设计。
五、参考文献
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[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
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1986
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