课 程 设 计（ 课 程 实 习 ）
机械设计与制造主题实践(一)
院（系、部）： 机械工程学院
设 计 题 目 半自动化钻床
姓 名：
同 组 成 员 ：
班 级：
指导教师签名：
2012 年 07 月 05 日·北京
目 录
1. 方案设计 ……………………………………………………………3
设计要求……………………………………………………………………3
设计题目及原始数据………………………………………………………………3
设计方案提示………………………………………………………………………3
设计要求……………………………………………………………………………3
工作原理……………………………………………………………………4
2. 运动循环表和运动循环图 …………………………………………5
3.机构设计………………………………………………………………6
送料机构……………………………………………………………………6
送料机构——曲柄滑块机构………………………………………………………6
送料机构对比机构…………………………………………………………………7
定位机构……………………………………………………………………9
定位机构——凸轮-摩擦式棘轮机构………………………………………………9
定位机构对比机构…………………………………………………………………10
进刀机构……………………………………………………………………10
进刀机构——平底凸轮机构………………………………………………………10
进刀机构对比机构…………………………………………………………………11
减速器机构…………………………………………………………………12
减速器机构——蜗轮蜗杆机构……………………………………………………12
减速器对比机构……………………………………………………………………12
4. 运动分析……………………………………………………………13
送料机构的运动分析………………………………………………………13
定位机构的运动分析………………………………………………………19
进刀机构的运动分析………………………………………………………27
5. 动力分析……………………………………………………………31
计算等效阻力矩 Mr………………………………………………………31
计算等效驱动力矩 Md……………………………………………………32
计算最大盈亏功……………………………………………………………32
计算飞轮的最大转动惯量…………………………………………………33
确定飞轮的尺寸……………………………………………………………33
6. 设计心得……………………………………………………………36
7. 参考文献……………………………………………………………37
1 方案设计
设计要求
设计题目及原始数据
设计加工所示工件ф12mm 孔的半自动钻床。进
刀机构负责动力头的升降，送料机构将被加工工件
推入加工位置，并由定位机构使被加工工件可靠固定。
半自动钻床设计数据参看下表。
半自动钻床凸轮设计数据表
方案号
进料机构
工作行程
mm
定位机构
工作行程
mm
动力头
工作行程
mm
电动机转速
r/mm
工作节拍
（生产率）
件/min
A 40 30 15 1450 1
B 35 25 20 1400 2
C 30 20 10 960 1
设计方案提示
1.钻头由动力头驱动，设计者只需考虑动力头的进刀（升降）运动。
2. 除动力头升降机构外，还需要设计送料机构、定位机构。各机构运动循环要求见下
表。
机构运动循环要求表
凸轮轴转角 10º 20º 30º 45º 60º 75º 90º 105º～270º 300º 360º
送料 快进 休止 快退 休止
定位 休止 快进 休止 快退 休止
进刀 休止 快进 快进 快退 休止
3. 可采用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。
设计任务
1.半自动钻床至少包括凸轮机构、齿轮机构在内的三种机构；
2.设计传动系统并确定其传动比分配，并在图纸上画出传动系统图；
3. 图纸上画出半自动钻床的机构运动方案简图和运动循环图；
4.凸轮机构的设计计算。按各凸轮机构的工作要求，自选从动件的运动规律，确定基圆
半径，校核最大压力角与最小曲率半径。对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线
值。画出从动件运动规律线图及凸轮廓线图；
5.设计计算其他机构；
6.编写设计计算说明书；
7.学生可进一步完成：凸轮的数控加工，半自动钻床的计算机演示验证等。
工作原理
工作原理图
该系统由电机驱动，通过变速传动将电机的 1400r/min 降到主轴的 2r/min，与
传动轴相连相连的各机构控制送料，定位和进刀等工艺动作，主轴的 2r/min 到各个
工作之间通过齿轮、齿条等连接最后还是 2r/min。
经过讨论分析，我组决定进料机构采用曲柄导杆机构，该机构由牛头刨床切削
机构改装而成的，定位机构和进刀机构均采用凸轮机构。考虑到所有的机构运动均
在同一面上，我们先用锥齿轮进行转向。具体运动示意图如图 1 所示，送料机构将
工件送至加工位置，然后定位机构将工件夹紧，同时进刀机构运动，开始钻孔。该
机构一个比较大的特点就是进刀机构和加紧定位机构是是有一个齿轮加以控制的，
减少了齿轮传动机构的设计和加工，同时减少了传输的积累误差。
电机
减速箱
定位机构送料机构
运动分支
进刀机构
图 1 工作原理示意图
2 运动循环表和运动循环图
根据我们设计送料、定位和进刀方案设计出了如下图的运动循环表，以使方案优化，我
们采用老师给的方案 B 进行了设计，但是进料行程改为 40mm，为工件的一个最大直径，定
位行程 25mm，进刀行程为 20mm,电动机转速为 1400 转/min,，一分钟制造工件 2 个。
表 1 机构运动循环要求表
凸轮轴转角 10º 140º 150º 220º 280º 290º 350º 360º
送料 快退 慢进
定位 休止 快进 休止 快退 休止
进刀 休止 慢进 休止 快退 休止
由运动循环表可以得到运动循环图，见图 2：
图 2 机构循环图
3 机构设计
送料机构
送料机构---曲柄导杆机构
该结构是由牛头刨床切削机构改装而成的，利用曲柄滑块机构使得主动件与连架杆的压
力角始终为零，用此机构还解决了行程比较大的问题，可以通过连杆作用将工作行程放大，
机构的急回特性可以节约时间。
图 3 进料机构示意图
根据要求，进料机构工作行程为 40mm，可取主动导杆的两个极限位置的的
极位夹角为 140°，则由 K=（360°-140º）/140°=11/7= 得 K=.设置主动
杆即曲柄的长度为 10mm.
利用图解法设计，取比例尺μ=1mm/1mm.设计过程如图 4 所示。作图步骤如
下：
① 已知主动杆两极限位置夹角∠B1CB2=140°画出主动杆两个极限位置
① 根据极限位置的时候曲柄和连架杆的夹角为 90°,即∠AB1C=90°，∠AB2C=90
°，做两条直线交与一点 A。
① 由行程为 D1D2=40mm，做直线分别于 AB1 和 AB2 交与点 D1 和 D2。
① 由 CAD 可以测量到 H1=,H2=,由此确定了进料
机构的所需要的尺寸
图 4 用解析法画进料机构
送料机构对比机构
对比机构一：曲柄滑块机构
该机构由压力角的限制并且导杆占用横向空间比较大。
对比结构二：盘形凸轮机构（平底或滚子的）
该机构可以实现间歇运动，但是由于送料行程比较大，所制造的凸轮的轮廓较大。并且
凸轮的制造和安装要求比较高。
对比结构三：圆柱凸轮机
该机构能实现间歇运动并且所占用的体积也比较小而且可以解决大行程的问题，但是该
结构制造和安装技术要求比较高，制造成本也比较高。
对比机构四：六杆机构
该机构与组装机构比较复杂且不易安装，误差积累比较大，且还要考虑压力角的问题，
个人感觉计算还挺麻烦的。
定位机构
定位机构-凸轮-摩擦式棘轮机构
当凸轮位于远休的时候棘轮机构顶在试件上。在摩擦力的作用下使得棘轮处于锁死状态，
棘轮机构的理论曲线是对数螺线线，这样锁死是在静摩擦的作用之下，不会是工件在被加工
的时候出现滑动，棘轮机构处还有一个拨动弹簧进行压紧，以使得工件可以完全被压紧，假
如说工件的尺寸不是很规范，高度略高或者是略低，都可以在弹簧的作用下压紧。当接触点
法向方向通过棘轮的摩擦圆的时候就会出现棘轮锁死的状态，从而实现工件被压紧，此时凸
轮处于远休，当凸轮过了远休之后，棘轮成放松状态，工件不处于压紧状态。
该结构的特点是:
（1）.通过机构锁死靠棘轮与工件的静摩擦来实现工件被压紧，不会是工件在被加工的
时候出现滑动；
（2）通过凸轮设计 3-4-5 多项式的轮廓使得工件在被压紧的时候不会出现柔性或刚性
冲击；
（3）用杠杆传动力，可以实现力的放大，但是本设计中仍采用的力矩之比为 1:1；
（4）采用平底机构，是压力角始终为 0，提高了力的传输比。
图 5 定位机构示意图
定位机构对比机构
对比机构一：摆动凸轮-弹簧机构
该机构在弹簧作何用下实现加紧，难免弹簧弹力不够使试件在被加工的时候出现滑动摩
擦的现象
对比机构二：凸轮机构
该机构可以实现间隙运动，但是是靠滑动摩擦力来实现加紧试件的，试件在加工的时候
可能在滑动摩擦力的作用下发生滑动，降低制造的工艺。
对比机构三：平底或滚子凸轮
该机构在凸轮远休的时候可以实现试件的加紧，但是如果说试件制造比实际的较矮，则
会造成试件不被加紧；如果试件制造比实际的较高，则会使试件被夹的过紧。
进刀机构
进刀机构--平底凸轮机构
该机构要求有间歇运动且为连续运转，所以设计凸轮结构比较合适，设计为平底凸轮比
较简单，就是采用的平底凸轮机构，这样大大减小了机构的制造成本；机构简单，减小了传
动的积累误差；平底设计，使得压力角始终为零，增大力的传输比
图 6 进刀机构示意图
进刀机构对比机构
对比机构一：
该机构靠凸轮--杠杆--扇形齿轮--齿轮--齿条来传动动力，所使用的机构虽然稳定性能比
较高，也可以通过杠杆是凸轮轮廓得到放大，但是零件使用的比较多，积累的误差比较大，
如果将齿轮轮廓放大，同时也会是力传输率降低。如果设计的是滚子凸轮的还要考虑压力角
的问题。
减速器机构
减速器机构——蜗轮蜗杆机构
利用二级蜗轮蜗杆来实现变速，将 1400r/min 减为 2r/min，由于传动比为 700，比较大，
并且需要的传输的力矩也比较大，我们选用的是该机构。为了方便在实际中安装、拆卸、维
修操作方便，我们一开始用的是皮带轮进行传输动力。途中你用模数为 2 的齿轮，1、3 为
蜗杆，2、4 为齿轮。参数如下：
Z1=3，Z2=80、Z3=4、Z4=105、模数为 2
由齿轮的传动比的计算可以得
符合题意且符合实际情况。
减速器对比机构
对比机构一：2K-H 型行星轮系之 WW 型
该行星轮系的传动比可以从 到几千，但是外面的尺寸和重量很大；并且该轮系的传
动效率很低，并且随着 的增加而急速下降且制造困难，传递功率≤10kW,一般不用此轮
系做动力传动。当行星架从动时， 从某一数值起会发生自锁。
700
43
10580
31
42
14
zz
zz
i
Hi1
i
对比机构二：2K-H 型行星轮系之 NGW 型
该轮系传递功率效率在 ~,很高，并且体积小、重量轻、结构简单、制造方便，
可以用于各种工况条件下，在机械传动中应用最广。但是单机传动比范围较小，一般在
到 之间，所以这里要的传动比在 700，需要多级传动才可以，那样的话就失去了它的优
越性了。
对比机构三：2K-H 型行星轮系之 NW 型
该轮系传动效率在 ~，效率高，且传递功率大、径向尺寸小、传动比范围比 NGW
型的大，i 可以是 1~50，一般用 5~25，可以用于各种工况条件，但是制造工艺比较复杂，
而且由题意可以得知传动比为 700，要是用此轮系需要多级传动，且制造工艺也将更加复杂。
4 运动分析
送料机构运动分析
送料机构计算公式
由余弦定理得：
公式 1
由正弦定理得：
公式 2
由设计可知：
公式 3
将公式 1 和公式 2 带路公式 3 得到
公式 4
将公式 4 在 MATLAB 中求一次微分得到 V:
命令：syms t ;
h1=5;h2=7;l1=9;w=5;
dx_dt=diff((h1+h2)*tan(asin(l1*sin(pi/2+w*t)/(l1^2+h2^2-2*l1*h2*cos(pi/2+w*t))^)),t,1)
运行结果为：
dx_dt =
-540*sin(5*t)/(130+126*sin(5*t))^(1/2)/(1-81*cos(5*t)^2/(130+126*sin(5*t)))^(1/2)-34020*cos(5
*t)^2/(130+126*sin(5*t))^(3/2)/(1-81*cos(5*t)^2/(130+126*sin(5*t)))^(1/2)-54*cos(5*t)/(130+12
6*sin(5*t))^(1/2)/(1-81*cos(5*t)^2/(130+126*sin(5*t)))^(3/2)*(810*cos(5*t)/(130+126*sin(5*t))
*sin(5*t)+51030*cos(5*t)^3/(130+126*sin(5*t))^2)
将此结构在 word 中将 pi 替换为 pi(),并且将 t 替换为α/ω，带入 excel 中可以运行得到
V 的相关数据，详见表 2。
将公式 4 在 MATLAB 中进行二次微分，可以得到加速度 a:
命令为：syms t ;
h1=;h2=;l1=10;w=2/30*pi;
dx_dt=diff((h1+h2)*tan(asin(l1*sin(pi/2+w*t)/(l1^2+h2^2-2*l1*h2*cos(pi/2+w*t))^)),t,2)
运行结果为：
dx_dt =
)90cos(212212 222 HLHLL
)90sin(
2
sin
1
LL
tan)21( HHx
]
)90cos(21221
)90sin(1
sintan[)21(
22
HLHL
L
aHHx
-3866730713334079/1583296743997440*cos(1/15*pi*t)*pi^2/(8399065679741231/8796093022
208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t))^(1/2)/(1-100*cos(1/15*pi*t)^2/(83990
65679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)))^(1/2)+1988
8959003231586648699840834511/9284550294640352061743431680*sin(1/15*pi*t)*pi^2/(8399
065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t))^(3/2)/(1-10
0*cos(1/15*pi*t)^2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*s
in(1/15*pi*t)))^(1/2)*cos(1/15*pi*t)+3866730713334079/105553116266496*sin(1/15*pi*t)*pi/(
8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t))^(1/2)/
(1-100*cos(1/15*pi*t)^2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022
208*sin(1/15*pi*t)))^(3/2)*(40/3*cos(1/15*pi*t)/(8399065679741231/8796093022208+5143611
096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t))*sin(1/15*pi*t)*pi+25718055481141045/659706976
6656*cos(1/15*pi*t)^3/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/879609302220
8*sin(1/15*pi*t))^2*pi)+102301070221449928389106432447337821311058920799/1633355361
22050462462419811567248741498880*cos(1/15*pi*t)^3/(8399065679741231/8796093022208+
5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t))^(5/2)/(1-100*cos(1/15*pi*t)^2/(8399065679
741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)))^(1/2)*pi^2+1988
8959003231586648699840834511/1856910058928070412348686336*cos(1/15*pi*t)^2/(839906
5679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t))^(3/2)/(1-100*
cos(1/15*pi*t)^2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(
1/15*pi*t)))^(3/2)*pi*(40/3*cos(1/15*pi*t)/(8399065679741231/8796093022208+514361109622
8209/8796093022208*sin(1/15*pi*t))*sin(1/15*pi*t)*pi+25718055481141045/6597069766656*c
os(1/15*pi*t)^3/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(
1/15*pi*t))^2*pi)+58000960700011185/140737488355328*cos(1/15*pi*t)/(8399065679741231/
8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t))^(1/2)/(1-100*cos(1/15*pi*
t)^2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)))
^(5/2)*(40/3*cos(1/15*pi*t)/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093
022208*sin(1/15*pi*t))*sin(1/15*pi*t)*pi+25718055481141045/6597069766656*cos(1/15*pi*t)
^3/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t))^2
*pi)^2-19333653566670395/70368744177664*cos(1/15*pi*t)/(8399065679741231/87960930222
08+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t))^(1/2)/(1-100*cos(1/15*pi*t)^2/(839906
5679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)))^(3/2)*(-8/9*
sin(1/15*pi*t)^2*pi^2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/879609302220
8*sin(1/15*pi*t))-25718055481141045/19791209299968*cos(1/15*pi*t)^2/(8399065679741231/
8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t))^2*sin(1/15*pi*t)*pi^2+8/
9*cos(1/15*pi*t)^2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*s
in(1/15*pi*t))*pi^2-26456735109241957905266207347681/87042659012253300578844672*cos
(1/15*pi*t)^4/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/1
5*pi*t))^3*pi^2)
处理方法和求 V 的时候一样，最后带入 excel 中求的 a 的相关数据，见表 2.
表 2 送料机构运动分析数据
α L2 β x v a
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90 -15 -15
95
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
170
175
180
185
190
195
200 -20 -20
205
210
215
220
225
230
235
240
245
250
255
260
265
270 -15 -15
275
280
285
290
295
300
305
310
315
320
325
330
335
340 20 20
345
350
355
360
注：α为主动件 BC 转过的角度，β为从动件 AB 在不同时刻转过的角度，L2 为 AB 在不同时刻的长度；X
为 D 点在不同时刻的位移，V 为 D 在不同时刻的速度，a 为 D 在不同时刻的加速度
图 7 送料机构位移图
图 8 送料机构速度图
图 9 送料机构加速度图
定位机构
定位机构推程计算公式：
定位机构回程计算公式：
凸轮轮廓计算公式：
3 4 5
0 0 0
2 3 4
1
0 0 0 0
2 32
1
2
0 0 0 0
1 0 1 5 6
3 0
2
6 0
3 2
s h
h
v
h
a
0 01 0 01 0 01
0 01 0 0
3 4 5
0 0 0
2 3 4
1
0 0 0 0
2
1
'2
0
1 0 01
0
0 01
( ) ( ) ( )
( )
1 10 15 6
30
2
60
3
( ) ( )
( ) (
s h
h
v
h
a
2 3
0 01 0 01
0 0
) ( )
2
基圆半径为 60mm,计算平底长度为 78mm
表 3 定位机构凸轮部分运动分析数据
δ s x y v α
0 0 0 60 0 0
5
10
15
20
25
30
35 0
40
45
50
55
60
65
70 25 0 0
75 25 0 0
80 25 0 0
85 25 0 0
90 25 85 -15 0 0
95 25 0 0
100 25 0 0
105 25 0 0
110 25 0 0
115 25 0 0
120 25 0 0
125 25 0 0
130 25 0 0
135 25 0 0
140 25 0 0
145 25 0 0
150 25 0 0
155 25 0 0
0
0
( ) si n( ) cos( )
( ) cos( ) si n( )
ds
x r s M M M
d
ds
y r s M M M
d
160 25 0 0
165 25 0 0
170 25 0 0
175 25 0 0
180 25 -14 -85 0 0
185 25 0 0
190 25 0 0
195 25 0 0
200 25 0 0
205 25 0 0
210 25 0 0
215 25 0 0
220 25 0 0
225 25 0 0
230 25 0 0
235 25 0 0
240 25 0 0
245 25 0 0
250 25 0 0
255 25 0 0
260 25 0 0
265 25 0 0
270 25 -85 -14 0 0
275
280
285
290
295
300
305 0
310
315
320
325
330
335
340 0 0 0
345 0 0 0
350 0 0 0
355 0 0 0
360 0 -14 60 0 0
注：S、v、a 分别是凸轮的不同时刻的位移、速度、加速度；x、y 是凸轮的轮廓曲线坐标
图 10 定位机构凸轮轮廓图
图 12 定位机构凸轮位移曲线图
图 13 定位机构凸轮速度曲线图
图 17 定位机构凸轮加速度曲线图
定位机构棘轮设计方案，根据工件基本尺寸设计棘轮基本尺寸 r0 为 4mm,利用棘轮廓线
方程 来计算，其中α为扇形块廓线上各点升角，tanα为常数，r。为起始半径，θ为 r
与 r。之间的夹角，当棘轮和试件为钢材料的时候通常取α≤6º，在此我们就取α为 6º。求的 r
之后，计算棘轮轮廓有 x=r*cosθ,y=r*sinθ,端点与原点相连即可以的得到棘轮轮廓曲线，在由
加工工业设置圆角等加工方案。计算结果见表 4.
err 0
表 4 定位机构棘轮部分运动分析数据
θ r x' y'
0 4 4 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
图 18 定位部分棘轮轮廓图
进刀机构--平底凸轮机构
进刀机构推程计算公式：
进刀机构回程计算公式：
凸轮轮廓计算公式：
基圆半径为 90mm,平底宽度为 100mm.
表 5 进刀机构凸轮运动分析数据
δ s x y v α
0 0 0 90 0 0
5
10
15
20
25
30
3 4 5
0 0 0
2 3 4
1
0 0 0 0
2 32
1
2
0 0 0 0
1 0 1 5 6
3 0
2
6 0
3 2
s h
h
v
h
a
0 01 0 01 0 01
0 01 0 0
3 4 5
0 0 0
2 3 4
1
0 0 0 0
2
1
'2
0
1 0 01
0
0 01
( ) ( ) ( )
( )
1 10 15 6
30
2
60
3
( ) ( )
( ) (
s h
h
v
h
a
2 3
0 01 0 01
0 0
) ( )
2
0
0
( ) s i n( ) c os ( )
( ) c os ( ) s i n( )
ds
x r s M M M
d
ds
y r s M M M
d
35
40
45
50
55
60
65
70 10 0
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
135
140 20 0 0
145 20 0 0
150 20 55 0 0
155
160
165
170
175
180 10 -100 0
185
190
195
200
205
210 0 -45 0 0
215 0 0 0
220 0 0 0
225 0 0 0
230 0 0 0
235 0 0 0
240 0 -45 0 0
245 0 0 0
250 0 0 0
255 0 0 0
260 0 0 0
265 0 0 0
270 0 -90 -14 0 0
275 0 0 0
280 0 0 0
285 0 0 0
290 0 0 0
295 0 0 0
300 0 45 0 0
305 0 0 0
310 0 0 0
315 0 0 0
320 0 0 0
325 0 0 0
330 0 -45 0 0
335 0 0 0
340 0 0 0
345 0 0 0
350 0 0 0
355 0 0 0
360 0 -14 90 0 0
图 19 进刀机构凸轮轮廓
图 20 进刀机构平底移曲线图
图 21 进刀机构平底速度曲线图
图 22 进刀机构平底加速度曲线图
5 动力分析
动力头在对工件进行钻孔时会有工作阻力，造成机器的速度波动，可以通过飞轮的方法
进行调节。所以在与进刀机构凸轮相连的齿轮轴上安装飞轮，这样可使齿轮传动的轴为等效
构件。轴的转速 n=2r/min，飞轮材料采用灰口铸铁，因为灰口铸铁材料的飞轮减震效果较好，
其密度为 7000kg/m^3。
计算等效阻力矩Ｍｒ
半自动钻床的能量消耗，主要来自动力头对工件进行加工时消耗的能量，其他机构的可以忽
略不计，同时可以忽略其他构件惯性力的影响，只考虑动力头的工作阻力 Fr。机器的等效
阻力矩为
其中，已知工作阻力 Fr=50000N，Mr 如图 23 所示。
cr
r
vF
Ｍ
图 23 Mr 曲线图
计算等效驱动力矩 Md
根据能量守恒的原理，驱动力矩在一个周期里所做的功等于阻力矩在一个周
期里消耗的功。等效阻力矩消耗的功为等效阻力矩曲线下的面积。采用数值积分的
方法可得阻力矩消耗的功为 W=∫Mrdφ,则 Md=W/T=(∫Mrdφ)/2π= 。
等效阻力距数据见表 6 中(Md-Mr)dδ。曲线图如图 24 所示：
图 24 (Md-Mr)dδ曲线图
计算最大盈亏功[W]
由最大盈亏功公式，并对(Md-Mr)dδ进行积分，可以得到每个时刻的赢功和亏功，有 excel
最大最小函数可以得到最大赢功和最大亏功，由因为
minmax][ EEW
可以得到最大盈亏功。其中，ΔEmax，ΔEmin 分别为最大的赢功和最小的亏功，利用表 6 采
用 数 值 积 分 的 方 法 可 得 Δ Emax=-05J, Δ Emin= ， 可 以 算 得
[W]=，ΔE 曲线图如图 25：
图 25 示功图
计算飞轮的转动惯量 JF
确定飞轮的尺寸
对于如图 26 所示的轮形飞轮，其转动惯量可用下式表示
其中，D 为飞轮轮缘的平均直径 ，m 为飞轮的质量
故可以得到
其中，ρ为飞轮材质的密度。取ρ=7000kg/m3，D=,H=,,可以算的
B=，m=。
飞轮形状以及尺寸见图 26
2
2 ][
][900
mkg
W
J
m
F
2
4
D
m
J F
2
21 DDD
bHDm
3
4
BHDJ F
图 26 轮行飞轮
表 6 飞轮计算相关计算数据
Mrdδ Md (Md-Mr)dδ E ∠W
0 -05 -05 -05
-05 J
-05
-05
-05 [δ]
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
-05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05
0 -05 -05 -05
0 -05 -05 -05
0 -05 -05 -05
0 -05 -05 -05
0 -05 -05 -05
0 -05 -05 -05
0 -05 -05 -05
0 -05 -05 -05
0 -05 -05 -05
0 -05 -05 -16
最大 -05
-05 最小
6 设计心得
通过这两周的的机械原理课程设计使我更深一刻的认识了机械这个专业。更认识到了机
械其实有很多的学问要学。
自己在此次机械设计中可以说又把课本看了一遍，在自己看的是才知道自己平时学的时
候其实有好多的知识点遗漏了，在以前学习的时候只是为了考试而学习，根本没有把学习知
识作为自己的目标，这与考试的目的相符合了，但是对于个人的长久发展上是很不利的。就
比如说齿轮轮系的选用上，真是不知道各种轮系之间的差距是很大的，出了简单的传动比之
外更有传递效率、传递功率等知识存在，这也只是皮毛，甚至不同材料、参数的齿轮适合不
同的工况，轮系的差距也不尽相同。由此可见，单单一个常见的齿轮就有如此多的知识，更
何况是机械呢？要是在这次设计中还要设计轴承、键、销等零件，又该是什么一种情况呢？
老师说下学期设计的内容为减速器，那时候遇到的要设计的内容或许更多，更复杂，我们又
是以一种什么样的心态对待呢？
力学知识的确是机械中一门重要的课程，学习完了才知道，“力”这个简简单单两个笔画
的字竟蔓延到机械的各个角落。无论什么时候力学总是在机械起着不可或缺的作用。其实自
己的力学学的真的是一塌糊涂。在这次的设计中我的糟糕力学毫无保留的展现出来了。简简
单单的一个转动惯量看了半天，还问了老师才知道怎么做。哎！！由此我更深的认识到力学
是放不下的，只要我还从事机械，就必定和力打交道。努力学习基本课程知识是多麽的重要
啊！！
团队的合作力在此次设计中显得十分重要，大家要密切配合，同心协力才可以，在此次
合作中，我才体会到有一个好帮手是多么的重要。但是我体会到的是没有一个好帮手是多么
的悲催。不过还有老师，还有可以交流的同学，还是可以克服困难的。后期战友还是给力的，
我相信一个好的团队建设对于个人的发展一定起着潜移默化并且是相当重要的作用。我做了
这么长时间的学生会，都是大家集思广益才得以是组织更好的发展，在学术中我相信亦是如
此。
此次设计让我发自内心感谢的就是徐老师，无论是过班还是机 Z，徐老师总是兢兢业业，
任劳任怨，尽全力给大家解决困难。人贵有良师益友，而徐老师就是那良师，甚至可说是优
师，徐老师以俯首甘为孺子牛的心态和学生们耐心探讨知识，老师这么辛勤的劳作，但是我
们班级的同学从整体上讲又是那么的不起劲，答个疑吧老师去的比我们都早，机 Z 的同学
们（包括我）情何以堪啊？
在这里我向徐老师致以最真诚的敬意！徐老师，您辛苦了~~~~~~~~
参 考 文 献
[1] 刘会英 杨志强 张明勤.《机械原理》[M].北京：机械工业出版社，
[2] 申永胜.《机械原理》[M].北京：清华大学出版社，1999
[3] 邹慧君 殷鸿粱.《间隙运动机构设计与应用和创新》[M].北京：机械工业出版社，
[4] 管荣法.《凸轮与凸轮结构》[M].北京：国防工业出版社，
[5] 张美麟 张春林.《机械创新设计》[M].北京：化学工业出版社，
[7] 成大先.《机械设计手册》第五版[M].北京：机械工业出版社，2010
