机械原理试验指导1.doc

机械原理实验指导书熊绮华 刘泽明机械设计实验中心目 录前言1机械原理实验室学生实验守则2 实验一 机构简图的测绘和分析1 实验二 齿轮范成原理实验7 实验三 齿轮基本参数的测定11 实验四 回转构件的动平衡15附录 实验报告20前 言“机械原理”课程是机械专业中重要的基础课程之一。本课程不仅有很强的理论性，而且与实践紧密相连。为加强学生在实践环节的基本训练，配合各章的学习，机械原理实验室有4个实验可供选作。为此编写了这本实验指导书，内容有学生实验守则，各实验主要仪器、设备的原理，实验目的、要求、步骤及讨论题，还附有实验报告格式。要求学生在实验前认真预习，实验后认真填写实验报告。对于本资料，如有不当之处，请给予批评、指正。1机械原理实验室学生实验守则1 实验室是理论联系实际的基地，任何人都必须爱护实验室内的一切设备，如有损坏一律照章办理。2 学生应预习指导书中实验指导内容，实验前由教师提问凡不能回答者，教师可以停止该生进行实验。3 进行实验时必须遵守各实验仪器（设备）的操作规程，注意安全，在操作实验之前须经指导教师检查。学生应服从教师对实验的检查和指导。4 实验报告是对学生成绩考核的一部分，学生应按规定时间和格式完成实验报告并交教师批阅。5 在实验室内必须严守纪律，穿着整齐，保持室内整洁，不得高声谈笑。2实验一机构运动简图的测绘和分析机构运动简图是说明机构中各构件间相对运动关系的简单图形，是工程上常用的一种图形，它用一些符号和线条清晰、简明地表达出机器中各构件的传动情况，使人看了对机器的动作原理一目了然。根据机构运动简图，可进一步用图解法进行机构的运动分析和动力分析。此外在设计新机器时常用它来进行各种方案设计比较，按照运动要求综合机构中各构件的主要尺寸，因此绘制机构运动简图是设计和分析各种机构的基本手段之一，学好机械原理课程就必须熟练掌握绘制和阅读机构运动简图的技能。一、实验目的1 握正确测绘机构简图的方法；2 验证和巩固机构自由度的计算，并了解自由度计算公式在实际中的应用；3 进一步巩固对机构结构的分析。二、设备和工具1 有关机器实物及机构模型；2 钢板尺、内、外卡尺3 铅笔、橡皮、及草稿纸（自备）三、 实验原理与方法：1基本原理（1）应用符号由于机构的运动仅仅与机构中的构件数目和构件组成运动副的数目、种类、相对位置及原动件有关。因此，在机构运动简图中可以撇开构件的复杂外形和运动副的具体构造，而用简单的线条表示构件，用规定的符号表示运动副，并按一定的比例尺表示运动副的相对位置，从而与实际的机构具有完全相同的运动特征。机构中各构件及运动副均有规定符号表示，见表11。（2）几种简图表示方法： 具有两个转动副的构件：用一条直线联接两个运动副元素，表 示转动副的小圆，其圆心必须与相对回转中心重合。具有多个转动副的构件：用直线将相邻转动副元素的几何中心连接成多边形，并在相邻两直线相交部位涂以焊接记号，或画上阴影线，如三个转动副元素位于一直线上，可用跨越半圆符号表示。 具有两个移动副的构件，导路必须与相对移动方向一致。 具有一个转动副和移动副的构件； 具有一个转动副和一个高副的构件；高副元素与实际轮廓相符。 凸轮机构与齿轮机构的画法见表11。2测绘方法：（1）测绘时首先将被测绘的机器或机构模型缓慢地运动起来，从原动件开始观察机器或机构的运动，分清各个运动单元，从而确定组成机器或机构的构件数目，并给予编号1、2 。（2）根据相联接的两构件的接触情况及相对运动的性质，确定各个运动副的种类。转动副应确定其转动中心所在的位置，用字母A、B、标注。移动副应找到其移动导路的方位。（3）在草稿纸上按规定的符号及构件的联接顺序逐步徒手画出机构运动简图的草稿。然后用相应的箭头标注原动件，用阿拉伯数字1、2、3 分别标注各构件，用拉丁字母A、B 分别标注各运动副。（4）仔细测量机构中与运动有关的尺寸（如回转副的中心距和移动副导路间的夹角等）。（5）任意假定原动件的位置，选择长度比例尺将草稿画成正规的机构运动简图。长度比例尺L 对于只研究机构的结构，不进行精确分析时，只要经过目测，大致按比例绘出的机构运动简图又称为机构运动示意图。 图1-1为偏心轮机构的结构图，图1-2为按一定比例尺绘制的机构运动简图。以该机构为例测绘步骤如下：（1）当使原动件（偏心轮）运动时，可以看出图示机构中有四个运动单元。机架1相对静止；偏心轮2相对机架作回转运动；连杆3相对机架作平面复杂运动；滑块4相对机架作水平方向的直线运动。（2）根据相互联接的构件间的接触情况可知，四个运动副均系低副。构件2相对机架1绕A点回转，组成第一个回转副，其回转中心在A点；构件3相对构件2绕B点回转，组成第二个回转副，其回转中心在B点；构件4相对构件3绕C点回转，组成第三个回转副，其回转中心在C点，构件4相对机架1沿直线XX作往复直线移动，组成一个移动副，其导路方向沿XX且通过轴心A点。（3）任意确定原动件2相对于机架1的位置，然后依次按比例尺确定各运动副相对机架的位置，用图示符号画出运动副及构件，并用字母A、B、C、XX及数字1、2、3、4分别标注相应的运动副和构件，如图2的（）所示。在图2（a）所示的偏心轮机构中，各构件的尺寸为： LAB0.068米，LAC0.290米长度比例尺为：L （4）检查所绘制的机构运动简图是否正确，计算机构的自由度；F3n-2PL-PH33241由计算知该机构应有一个原动件，与实际机器的原动件数目符合。（5）结构分析，由图2（b）分析，该机构是由机架1、原动件2以及一个级杆组而形成的，属于级机构。四、实验步骤1观察机器或机构的运动情况及传动的顺序。2根据机器或机构运动的传动路线，合理选择机构的运动平面，并作为视图平面绘出机构运动简图。3计算机构的自由度，校核所绘制的运动简图。4对上述机构进行结构分析（高副低代、分析杆组、确定机构级别）。五、注意事项：1为了将机构运动简图表示清楚，需要恰当地选择机构的视图平面，一般可以选择机构多数构件的运动平面为视图平面。2 构运动简图应按表11中规定的符号来绘制，不要自己任意创造代表符号。3 注意各构件间的比例关系应与原机构相对应，凡不要求按比例绘制的机构运动示意图，在绘制时，也应该大致上协调与原机构中的构件相对应。六、思考题：1 一个正确的“机构运动简图”应能说明哪些内容？2 绘制机构运动简图，原动件的位置为什么可以任意确定？会不会影响简图的正确性？3 计算机构的自由度对绘制机构运动简图有何帮助？表1-1 常用机构示意图代表符号名 称代 表 符 号名 称代 表 符 号轴杆、连直等曲面高副轴杆的固定支座外啮合圆柱齿轮机构杆的固定联接内啮合圆柱齿轮机构零件与轴的联接齿轮齿条传动与固定支座组成移动副蜗杆蜗轮传动两运动构件组成移动副圆锥齿轮机构与固定支座组成转动副凸轮机构两运动构件组成转动副棘轮机构两构件组成螺旋副实验二齿轮范成原理实验在工程中，齿轮齿廓的制造方法很多，但其中以用范成法（亦称展成法）制造最为普遍。因此，有必要对这种方法的基本原理及齿廓的形成过程加以研究。一、 实验目的：1 了解用范成法加工渐开线齿轮的基本原理，观察齿廓渐开线部分及过渡曲线部分的形成过程。2 了解渐开线齿轮在制造过程中产生根切现象的原因和避免根切现象的方法变位法，并比较标准齿轮和变位齿轮各部分尺寸的异同点。二、实验的原理和方法：1基本原理：范成法是利用一对齿轮或齿条与齿轮啮合原理来加工齿轮的一种方法。常见有滚齿（刀具为齿轮滚刀）法，插齿法（刀具为齿轮插刀，齿条插刀）。我们这里只讨论齿条形刀具。齿轮滚刀在绕其轴线自转时，其轴向剖面相当于一个沿轴线平移的齿条（见图21）。滚刀范成加工齿轮是强制性地保证刀具和轮坯之间按齿条与齿轮啮合运动关系来保证齿形的准确和分度均匀。同时再辅以切削及走刀等运动。这样对于同一把刀具就能加工出同一模数m和压力角的不同齿数z的齿轮。齿条型刀具与传动用的齿条在齿形上的差别仅在于：刀具在其中线以上的高度为，比齿条高出了c*m，这部分的齿廓曲线是某种圆角部分，（图22）此圆角部分所范成出连接渐开线与齿根圆的某种过渡曲线，使被切齿轮在啮合传动时具有径向间隙。 由齿轮与齿条啮合传动的特点可知：用齿条型刀具加工齿轮时，被加工齿轮的分度圆始终等于节圆，而刀具上与之相切并作纯滚动的直线为节线。齿轮范成加工中的两个重要因素是：a)运动条件：为了保证被加工齿轮的分度圆（始终等于节圆）与刀具的相切作纯滚动，一定要满足下列关系：。b）刀具与轮坯的相对位置：加工标准齿轮时，必须以刀具的中线作为节线，使轮坯的分度圆与刀具中线相切作纯滚动，加工正（负）变位齿轮时，刀具的中线相对于轮坯中心外移（内移）一个xm使轮坯的分度圆与齿条刀具上另一条与中线平行的直线（节线）相切作纯滚动。图23为一齿条刀具范成齿轮的过程，轮坯以回转，而齿条刀具以移动，通过机床运动链使，且轮坯分度圆与刀具节线相切，图中所示的是齿条插刀在对滚过程中在轮坯上切出的刀刃痕迹，这些刀刃痕迹的包络线即为被加工齿轮的渐开线齿廓曲线。 在实际加工时，因看不到形成包络线的刀刃的一系列的位置。故用范成仪来模拟上述的刀具与轮坯间的范成运动，用铅笔画出刀具刀刃的一系列位置，就能清楚地观察到轮齿的范成过程。2实验设备：范成仪如图24所示，1为有机玻璃盘，代表被加工齿轮的轮坯，安装在机架4上，并可绕0轴转动,代表切齿刀具的齿条2安装在滑板3上。 圆盘1的下面固结有一直齿圆柱齿轮5，齿轮5与固定在滑板3后面的齿条互相啮合，保证轮坯的分度圆与齿条刀具的机床节线相切且作纯滚动。滑板3可沿机体4上的导轨水平方向移动，松开固定螺栓，齿条可沿垂直方向任意调整。松动范成仪背面的紧固螺母6可调整齿轮5与齿条2的啮合侧隙，以保证运动平稳。调整齿条刀具的中线与被加工齿轮的分度圆相切可加工出标准齿轮的齿廓；使齿条刀具中线相对被加工齿轮的分度圆下移或上移可分别加工出正变位和负变位齿轮。所调节的移距量xm由刻在滑板上的标尺读出。三、实验设备和工具1“齿轮范成仪”一台2“轮坯”（绘图纸约220220毫米）一张。3圆规、三角板、2H铅笔、红蓝铅笔、橡皮等（自备）四、实验步骤： 1按被加工齿轮的参数，计算出三种齿轮的几何尺寸，填在实验报告表格中，并在纸坯上画出三种齿轮的齿顶圆d（令0）。也可在步骤5后补画。2剪出中心定位园孔，将纸坯放在园盘1上，对准中心，拧紧园螺母，调节刀具中线使与轮坯分度园相切，制作标准齿轮。3开始切制齿轮时，将溜板推到最左边，然后每当把溜板向右推一个距离时，在代表轮坯的纸坯上，用铅笔描下刀具刀刃的位置，直到形成2个完整的齿形为止。用红铅笔尖放在刀具齿顶线A点上（如图22），连续推动溜板橫移，则红笔尖在纸坯上画出被加工齿轮的齿根过渡曲线的一条等距曲线，徒手画出齿根过渡曲线，并观察标准齿轮的根切现象。4制作正变位齿轮，使刀具离开轮坯中心，保证不发生根切xxmin，(计算变位系数值)，现取xm7mm，再绘制齿廓，观察齿廓形状，是否存在齿顶变尖现象，并绘出齿根过渡曲线。5制作负变位齿轮，使刀具接近轮坯中心，取负移距量xm7mm，绘出齿廓，观察严重的根切现象，并绘出齿根过渡曲线。6分别剪下一个完整的齿（正、负变位、标准各一）将它们的分度圆、基圆对准，齿廓中线重叠贴在一起。7比较三种齿轮的齿厚、齿间距、顶圆齿厚、顶圆、根圆、齿顶高、齿根高、分度圆和基圆的相对变化特点。五、讨论题：1齿条刀具的齿顶高和齿根高为什么都等于？2用齿条刀（滚刀）加工标准齿时，刀具和轮坯之间的相对位置和相对运动有何要求？为什么？3通过实验说明你所观察到的根切现象是怎样的？是由于什么原因引起的？避免根切的方法有哪些？实验三齿轮基本参数的测定齿轮在使用过程中难免损坏，这样就必须重做一个和原来的一样的新齿轮，在实际工作中经常会碰到没有图纸资料而需要修配损坏的齿轮或者对某些机器进行测绘时，通过对齿轮的参数需要进行实物测定，从而绘出它的工作图来进行加工制作。因此必须对齿轮的一些基本参数进行测定。由于各国采用的齿轮啮合制度不同，(有模数制和径节制)，在同一种啮合制度中，又有正常齿、短齿及标准齿轮和变位齿轮之分(变位系数又各不相同)，而且压力角的标准值也有若干种。所以在实际生产中，要确定一个齿轮是模数制还是径节制，并测定出它的全部几何参数是一项比较复加的工作，难以在一次实验课中完成。本实验只要求学生对模数制正常齿的渐开线直齿圆柱齿轮进行测量，确定它的基本参数，从而初步掌握测定齿轮参数的基本方法，并有助于巩固课堂中所学的有关齿轮参数的基本知识和计算公式。一、实验目的：1 培养学生运用齿轮章的知识，解决齿轮参数测定这样一个实际生产问题的动手能力。2 掌握齿轮基本参数：齿数、模数、压力角、变位系数及齿顶高降低系数的测量方法。二、实验用具：1 待测齿轮。选用模数制正常制的标准齿轮，变位齿轮若干。2量具：游标卡尺或公法线长度百分尺。三、基本原理与方法： (一) 图3-1是渐开线标准直齿圆柱齿轮。根据渐开线特性可知，游标卡尺的两脚与两条反向渐开线齿廓相切，两点之间的连线或是这两条反向齿廓的公法线，它必切于基园，且这两条反向齿廓的公法线处处相等。（1）式中：K跨齿数 Pb齿间距 Sb基园齿厚WK渐开线标准圆柱直齿轮公法线长度的理论值，当跨齿数为(K十1)时， 因此 （2）利用公式(2)和标准模数、标准压力角系列，可同时确定模数与压力角，也可由表3-1查出。 跨齿数的选取应保证卡脚与齿高中部渐开线齿廓相切，对于标准齿轮，设卡脚恰好与分度圆上的渐开线齿廓相切，推导出公式： （3） 由上式计算出的跨齿数，应就近圆整成整数，对于20的标准渐开线直齿圆柱齿轮可由表3-2查。（二）公式（1）可简化成（4）是模数为“1”时，标准直齿圆柱齿轮的公法线长度值，对于20的齿轮，可查表3-2，代入公式(4)，直接算出任何模数时的分法线长度的理论值。（三）变位齿轮的公法线长度与变位系数有关。（5）计算所得的x值为正，表示为正移距变位齿轮，反之则为负移距变位齿轮。四、实验步骤： 1齿数Z直接读出。 2 测定顶圆直径da和根圆直径df。当齿数为偶数时，可直接量出da 、df；当齿数为奇数时，可按图3-2量出D、H1、H2，则：da=D+2H1df=D+2H2 为了减少测量误差，应在不同方位测量三次，取平均值。3. 全齿高hh=H1-H2或4 同时确定模数m、压力角，分别跨K齿及（K1）齿。测量公法线长度，得测量值、取三次的平均值。按标准系列判定m、值。5 判别是否标准齿轮。将公法线长度的测量值与标准齿轮的理论值进行比较。若是标准齿轮当是正变位齿轮。当是负变位齿轮。当20时，可以通过公式（4）：，查表二计算否则可通过公式（1）计算。6 确定变位齿轮的变位系数x: 式中(0.1 0.2)是考虑保证侧隙而计入的齿厚减薄量。7确定齿顶高降低系数：对标准齿轮，齿顶高降低系数0，对变位齿轮：或五、思考题：1 对被测齿轮，本实验须测量取得哪几个数据？2 为什么对变位齿轮可以用差一齿二次测量公法线长度法确定模数与压力角？3 在实验中观察，当跨齿数K取得不恰当时出现什么现象？4 论述渐开线齿轮公法线长度的性质，并推导公式： 5 当测量已磨损的齿轮时，对哪些参数和尺寸影响较小，从而能确定，对哪些影响较大，从而难以确定?表3-1 基节表模数m压力角152022.252.52.7533.544.555.56789106. 0696.8287.5868.3459.10410.62112.13813.65615.17316.69318.20721.24224.27627.31130.3455.9046.6427.3808.1188.85610.33211.80913.28514.70116.23717.71320.66523.61726.36929.521表3-2 直齿园柱齿轮的公法线长度(毫米)与跨齿数K用于m=1 =20ZKZKZKZK1011121314151617181922222222334.56834.58234.59634.61234.62434.63834.65234.66637.63247.646420-21222324252627282933333334447.66047.67447.68857.70257.71657.73067.744510.710610.724610.738630313233343536373839444444555510.752610.766610.180610.794610.808610.322713.788813.802813.816813.83840414243444546474849555556 666613.844813.858813.8r2813.886813.900816.867016.881016.865016.909016.9230实验四 回转构件的动平衡 回转构件的动平衡，能使构件在回转中的不平衡惯性力和惯性力矩同时达到平衡。动平衡是在专用的“动平衡机”上进行的。目前，随着工业的发展，需要平衡的构件增多，而其平衡的精度要求亦提高，固而对回转构件进行动平衡的要求日益增多，随之动平衡机的结构形式亦日益更新。若按其结构来看，动平衡机可以分为共振式、电火花式和电测式三种，动平衡机的结构形式虽然很多，但原理却大同小异，本实验着重从教学的角度出发，仅对教学中使用的框架式动平衡机作以介绍和进行实验。一、 实验目的：1 通过对转子试件的动平衡实验，掌握用框架式简易动平衡机平衡回转构件的基本原理和方法。2 巩固与验证回转构件动平衡的基本理论。二、 实验原理和方法：实验所用的框架式动平衡机其构造如图4-1所示，框架2通过回转副0与机架1相联，在框架的底部装有弹簧5，因此框架及试验时装在它上面的试件3与弹簧组成一振动系统。当框架受到干扰力作用时必将绕回转副0的轴线发生振动，其振幅可用百分表4测得。由回转构件的动平衡原理可知任一回转构件的动不平衡，都可以认为是分别处于两个任选平面I、II内，回转半径分别为和的两个不平衡重量和所引起的，如图4-2所示。因此进行平衡试验时，只须针对和进行平衡就可达目的。在框架式动平衡机上测出的数据，通过适当的运算可确定上述两平面内的不平衡重径积和的大小和方向，加平衡重后可使试件达到动平衡。如图4-2所示，测定试件3的达到平面I上的不平衡重径积时，可使平面II通过回转副0的振摆轴线，这样，试件运转时只有平面I内不平衡重量的离心惯性力(干扰力)影响框架系统的振动，而不平衡重量的离心惯性力不影响框架的振动，因此，便有可能确定平面I的不平衡重径积的大小和方向。由振动理论可知，当振动系统作微小振动时，其共振时的最大振幅与干扰力矩近似地成正比。即式是为共振时试件的角速度，即振动系统的自振频率，对一个系统来说，自振频率是定值，g为重力加速度；为平面I内的不平衡重径积(这里的重径积视为标量)；L为平面I和II之间的距离。由于不平衡重量所在平面为平衡平面，在试验中L为定值，因此上式可写成 (1)式中为测量试件平面I的参数时的振幅与重径积的比例系数。当将不平衡重径积视为向量时()，其方向与不平衡重量所产生的离心惯性力的方向，即其重心所在处向径的方向重合。若不计滞后现象的影响，则可认为振幅Z的方向与重径积的方向重合。因此式(1)可写成向量方程式： (2) 为了测量不平衡重径积，如图4-3所示，在平面1上任选一向径并加上一个已知重量。设与相应的离心惯性力所引起的最大振幅用表示，则 (3)图中OBC即为向量多边形。 若在上述的地方再增加一个重量，即加上较前大一倍的重径积，并设与它和相应的离心惯性力的的合力所引起的最大振幅则： (4) 图中ODE即为向量多边形，延长及两线段使交F于点得OEF，则该三角形为、及的向量多边形，因此，只要测出、及三个振幅，使可作出OEF，如图三(b)所示，由式(3)关系可知，图中即为，它与Z间的夹角可用来确定不平衡重径积的方向，如图三(a)所示，由线开始逆时针方向量取角可得向径的方向，即为不平衡重径积的方向。但一般有两个可能的解，图三()中的虚线表示出与OEF相等的另一个三角形OGF，这时由所得的向量关系知，不平衡重径积的方向应由线开始顺时针方向转过角，实验时必须通过试做来决定哪一个方向是正确的。 不平衡重径积的大小如下求出：按式(1)的原理可知，式中、均为已知，可用作图法由OEF求得，于是的大小即可求出。即得 (5)将式(5)代入(1)得所以 (6)由于不平衡重径积与大小相等方向相反，因此只须在向径的相反方向选择半径，即可确定应加的平衡重量的大小为： (7)测定平面II内不平衡重径积的原理和方法同上。三、 实验步骤1 选择试件的平衡面I和II，将试件装到平衡机框架上，使其一个平面(例如平面II)通过框架的振摆轴线。2 调节弹簧5与使框架处于水平位置。3 起动试件使其角速度稍高于系统的自振频率,然后使试件自由转动，由于摩擦阻力的作用，试件的角速度逐渐下降，记下共振时的最大振幅Z(重复测三次)。4 在平面I上的任一径向选取半径加上一个重量然后用上述方法测得最大振幅Z1(重复测三次)。5 在上述位置上再增加一个重量，并再用同法测出相应的最大振幅Z2(重复测三次)。6 用作图法求出及角，并按式(6)求出不平衡重径积的大小。7 在平面I上向径的两侧各量取角，则可得不平衡重径积可能的两个方向(其中一个是真实的)。然后在它们