机械原理课程设计说明书

《机械原理课程设计说明书》

（设计题目：[牛头刨床主执行机构设计]）

学 院： [你的学院名称，如：机械工程学院]
专 业： [你的专业名称，如：机械设计制造及其自动化]
班 级： [你的班级]
姓 名： [你的姓名]
学 号： [你的学号]
指导教师： [指导教师姓名]
完成日期： [年 月 日]

摘要

本次课程设计旨在综合运用《机械原理》课程所学的理论知识，针对 [简要描述设计任务，如：牛头刨床] 的主执行机构进行方案设计、运动分析、力分析及关键零部件的设计，设计过程遵循了“功能需求分析-方案构思与选择-尺度综合-运动与动力分析-结构设计”的流程。

通过对设计任务的分析，确定了 [牛头刨床] 的核心功能是实现 [刨刀的往复直线运动，并具有急回特性]，在此基础上，提出了多种可能的机构方案（如曲柄摇杆机构、导杆机构、凸轮机构等），并从运动性能、动力性能、结构复杂度及经济性等方面进行了综合比较，最终选择了 [摆动导杆机构] 作为主执行机构。

随后，根据给定的设计参数（如行程速比系数K、行程H等），运用图解法和解析法对机构进行了尺度综合，确定了各杆件的长度，利用 [AutoCAD、MATLAB、ADAMS等软件] 对机构在一个运动周期内的位移、速度、加速度进行了运动学分析，并绘制了相应的曲线图，在此基础上，对机构进行了动态静力分析，计算出了各运动副的反力和所需平衡力矩,为后续的电机选型和零件强度校核提供了依据。

对机构中的关键零件（如曲轴、滑块、导杆等）进行了初步的结构设计和强度校核，并绘制了 [机构运动简图、关键零件图]。

设计结果表明，所设计的机构方案能够满足预定的功能要求，运动连续平稳，具有良好的急回特性，且结构紧凑,达到了预期的设计目标。

机械原理；课程设计；[牛头刨床]；[导杆机构]；运动分析；力分析

目录

第一章 绪论 ........................................................................................................... 1 1.1 设计目的与意义 ............................................................................................ 1 1.2 设计任务与要求 ............................................................................................ 1 1.3 设计内容与步骤 ............................................................................................ 2

第二章 执行机构方案设计与选择 ........................................................................ 3 2.1 工作原理与功能分析 .................................................................................... 3 2.2 方案构思与拟定 ............................................................................................ 3 2.3 方案评价与选择 ............................................................................................ 4

第三章 机构尺度综合 .......................................................................................... 5 3.1 设计原始数据 ................................................................................................ 5 3.2 机构尺寸计算 ................................................................................................ 5 3.3 机构运动简图 ................................................................................................ 6

第四章 机构的运动分析 ...................................................................................... 7 4.1 分析方法选择 ................................................................................................ 7 4.2 位移分析 ........................................................................................................ 7 4.3 速度分析 ........................................................................................................ 8 4.4 加速度分析 .................................................................................................... 9 4.5 运动线图绘制 ................................................................................................ 10

第五章 机构的力分析 ........................................................................................ 11 5.1 分析方法与假设 .......................................................................................... 11 5.2 惯性力计算 .................................................................................................... 11 5.3 动态静力分析 ................................................................................................ 12 5.4 平衡力矩计算 ................................................................................................ 13

第六章 关键零件的初步设计与校核 ................................................................ 14 6.1 电机选型 ........................................................................................................ 14 6.2 曲轴设计与校核 ............................................................................................ 14 6.3 其他关键零件设计 ........................................................................................ 15

第七章 设计总结与展望 ...................................................................................... 16 7.1 设计总结 ........................................................................................................ 16 7.2 心得体会 ........................................................................................................ 16 7.3 不足与展望 .................................................................................................... 17

参考文献 ............................................................................................................... 18

致谢 ....................................................................................................................... 19

附录 ....................................................................................................................... 20 （可选，如：MATLAB源代码、详细的计算过程等）

撰写指南

第一章 绪论

• 1 设计目的与意义
  • 目的： 将《机械原理》的理论知识应用于实践，培养机构分析与设计的能力，巩固和深化对机构结构分析、运动分析、力分析等核心内容的理解。
  • 意义： 提高工程实践能力、创新思维能力和解决实际问题的能力,为后续的专业课程学习和未来从事机械设计工作奠定坚实基础。
• 2 设计任务与要求
  • 设计任务： 清晰描述要设计的机械系统。“设计牛头刨床的主执行机构，使其能带动刨刀实现往复直线切削运动。”
  • 原始参数： 列出所有已知的设计条件。
    • 行程速比系数 K = 1.5
    • 刨刀行程 H = 300 mm
    • 切削阻力 F = 5000 N
    • 电机转速 n = 1440 r/min
• 3 设计内容与步骤
  • 简要列出本次设计需要完成的主要工作。

    执行机构方案设计与选择、机构尺度综合、运动分析、力分析、关键零件设计、图纸绘制等。

  • 步骤： 按照逻辑顺序，列出设计的流程。

    分析任务 -> 方案构思 -> 方案选择 -> 尺度综合 -> 运动分析 -> 力分析 -> 结构设计 -> 撰写说明书。

第二章 执行机构方案设计与选择

• 1 工作原理与功能分析
  • 详细描述你所设计机械的工作过程。
  • 明确主执行机构需要实现的运动形式（如：转动、往复移动、摆动）、运动规律（如：等速、变速、有急回特性）和动力要求。
• 2 方案构思与拟定
  • 头脑风暴： 列出所有可能实现该功能的机构组合方案（至少2-3种）。
  • 方案描述： 用简图和文字描述每个方案。
    • 曲柄摇杆机构 + 齿轮齿条/连杆组合，简图见下图，该方案结构简单,但传动平稳性一般。
    • 摆动导杆机构，简图见下图，该方案具有很好的急回特性，运动平稳,结构紧凑。
    • 凸轮机构，简图见下图，该方案可实现任意运动规律，但高副接触，易磨损,制造成本高。
• 3 方案评价与选择
  • 建立评价体系： 从几个关键维度进行比较，如：运动性能（急回特性、传动角、平稳性）、动力性能（冲击、振动）、结构复杂度、制造与维护成本、尺寸等。
  • 制作评价表： | 评价维度 | 方案一 (曲柄摇杆) | 方案二 (摆动导杆) | 方案三 (凸轮) | | :--- | :---: | :---: | :---: | | 急回特性 | 一般 | 好 | 可设计 | | 传动性能 | 传动角变化大 | 传动性能好 | 高副，易磨损 | | 结构复杂度 | 简单 | 简单 | 较复杂 | | 制造成本 | 低 | 低 | 高 | | 综合评价 | 良好 | 优秀 | 一般 |
  • 综合比较，方案二（摆动导杆机构） 在满足急回特性要求的同时，具有结构简单、传动性能好、成本低等优点,因此被选为最终方案。

第三章 机构尺度综合

• 1 设计原始数据

  重申第二章中的核心设计参数。

• 2 机构尺寸计算
  • 理论依据： 写出你所用到的核心公式。
    • 行程速比系数 K 与极位夹角 θ 的关系：θ = 180° * (K-1)/(K+1)
    • 摆动导杆机构中，曲柄长度 l₁ 与导杆长度 l₄ 的关系：l₁ = l₄ * sin(ψ/2)，ψ 为导杆摆角。
  • 计算过程： 详细写出每一步的计算过程。
    • 已知 K=1.5，则 θ = 180° * (1.5-1)/(1.5+1) = 36°。
    • 已知 H=300mm，则导杆摆角 ψ ≈ H / l₄，为获得良好的传动性能，初选 l₄ = 800mm，则 ψ ≈ 300/800 rad ≈ 21.5°。
    • 则曲柄长度 l₁ = l₄ sin(ψ/2) = 800 sin(10.75°) ≈ 149.3 mm，取 l₁ = 150 mm。
    • 机架长度 l₆ = l₄ cos(ψ/2) = 800 cos(10.75°) ≈ 786.5 mm，取 l₆ = 787 mm。
• 3 机构运动简图
  • 使用CAD软件（如AutoCAD）按照计算出的尺寸绘制机构在某一位置（如一个极限位置）的运动简图。
  • 图中应标明所有构件的编号、运动副的类型和位置,并标注关键尺寸。

第四章 机构的运动分析

• 1 分析方法选择
  • 说明你选择的分析方法（图解法、解析法、软件仿真法）及其原因。
    • 本次设计采用解析法，因为它精度高，便于计算机编程分析，并能得到整个运动周期的连续数据,利用MATLAB进行编程计算。
• 2 位移分析
  • 建立坐标系,写出位移方程。
  • 对于曲柄滑块机构，滑块位移 s = rcos(φ) + sqrt(l² - (rsin(φ))²)，r 为曲柄长，l 为连杆长，φ 为曲柄转角。
  • 给出关键位置的位移值。
• 3 速度分析
  • 对位移方程求导,得到速度方程。
  • v = ds/dt = -rωsin(φ) - (r²ωsin(2φ)) / (2sqrt(l² - (rsin(φ))²))
  • 给出关键位置的速度值（如最大速度、工作行程和空行程的平均速度）。
• 4 加速度分析
  • 对速度方程求导,得到加速度方程。
  • a = dv/dt ...
  • 给出关键位置的加速度值（如最大加速度）。
• 5 运动线图绘制
  • 这是本章的核心！ 使用MATLAB、Excel或Origin等工具，绘制一个运动周期内（φ = 0° 到 360°）的位移-时间（s-φ）、速度-时间（v-φ）、加速度-时间（a-φ）曲线图。
  • 图要清晰、规范，有标题、坐标轴标签和单位。

第五章 机构的力分析

• 1 分析方法与假设
  • 说明采用动态静力分析法。
  • 假设： 忽略构件的重力、摩擦力；构件为刚体。
• 2 惯性力计算
  • 计算各活动构件的质量和转动惯量（或做合理假设）。
  • 根据上一章的加速度结果，计算各构件的惯性力 F_I = -ma 和惯性力矩 M_I = -Jα。
• 3 动态静力分析
  • 选择一个合适的构件组作为研究对象（如从二杆组开始）。
  • 画出该构件组的受力图，将所有外力（包括惯性力）和运动副反力标出。
  • 列出平衡方程组（ΣF=0, ΣM=0）。
  • 求解方程组，计算出各运动副的反力（如 R₁₂, R₂₃, R₃₄, R₄₁）。
  • 建议： 用表格形式清晰展示计算结果。 | 运动副 | 反力大小 (N) | 反力方向 | | :--- | :---: | :---: | | R₁₂ | XXX | XXX | | R₃₄ | XXX | XXX | | ... | ... | ... |
• 4 平衡力矩计算
  • 计算为了维持机构按给定规律运动,原动件上需要施加的平衡力矩。
  • M_b = R₂₁ l sin(γ)，l 为力臂，γ 为力与力臂的夹角。
  • 绘制平衡力矩随时间（曲柄转角）变化的曲线图。

第六章 关键零件的初步设计与校核

• 1 电机选型
  • 根据一个周期内所需的平均功率 P_avg = (M_b_avg * ω) / η 来估算所需电机功率。
  • 根据给定的转速要求,选择合适的电机型号和功率。
• 2 曲轴设计与校核
  • 结构设计： 根据受力情况，设计曲轴的基本结构（如直径、长度、过渡圆角等）。
  • 强度校核： 对曲轴进行弯扭组合强度校核（第三或第四强度理论）。σ_eq = sqrt(σ² + 4τ²) ≤ [σ]。
  • 刚度校核（可选）： 校核其挠度和转角是否在允许范围内。
• 3 其他关键零件设计
  • 连杆/导杆： 进行受压稳定性校核或强度校核。
  • 滑块： 校核其与导轨的压强 p ≤ [p]。
  • 齿轮/带轮设计（如果涉及）： 确定模数、齿数等基本参数。

第七章 设计总结与展望

• 1 设计总结
  • 概括性地回顾整个设计过程和主要成果。
  • 重申设计的机构是否满足了所有设计要求。
• 2 心得体会

  写自己真实的感受，通过本次设计，我深刻理解了理论联系实际的重要性；掌握了XX软件的使用；在团队协作（如果是分组）中学会了如何沟通等。

• 3 不足与展望
  • 不足： 客观分析本次设计的局限性，忽略了摩擦和构件重力；零件设计较为粗略,未进行详细的有限元分析等。
  • 展望： 提出可以进一步改进的方向，未来可以考虑加入动力学优化，使机构运行更平稳；可以采用三维建模软件进行详细的结构设计等。

格式与排版注意事项

1. 页眉页脚： 包含“机械原理课程设计说明书”、设计题目、页码。
2. 字体字号： 中文一般用宋体，英文用Times New Roman，标题字号逐级增大（如：黑体三号、黑体四号、宋体小四）,正文用小四号。
3. 行距： 建议使用1.5倍行距,使版面清晰。
4. 图表： 所有图表应有“图号/表号”和“图名/表名”，并位于相应文字的下方或上方。“图3-1 机构运动简图”。
5. 参考文献： 按照标准格式列出你参考过的书籍、手册、论文等。
6. 严禁抄袭： 说明书是你自己工作的总结，可以参考，但绝不能直接复制粘贴,所有计算和图表都应基于你自己的工作。

希望这份详细的指南能帮助你顺利完成一份高质量的机械原理课程设计说明书！