机械原理实验指导书

1、目 录实验总则1实验一、平面机构运动简图绘制和分析2实验二、机构运动创新方案拼接实验5实验三、渐开线齿廓的范成原理8实验四、渐开线直齿圆柱齿轮参数的测定12实验五、转子动平衡实验15实 验 总 则一、实验总目的开设本课程实验的总目的可归结为：1、验证课堂讲授的理论，巩固概念.2、熟悉实验设备，掌握实验的基本技能。3、培养认真细致、一丝不苟的工作作风。4、培养学生综合设计和机械创新能力,使学生掌握实验方案的拟定、测试原理和方法.为实现上述总目的，要教育学生提高认识，克服重理论轻实践的思想。把做实验当成是学好一门课程不可缺少的环节，当成是理论联系实际的开端，当成是今后从事技术工作的基础。对教师来讲

2、，指导实验要紧扣每个实验的具体要求，抓住重点，循循善诱。二、实验总规定1、认真阅读实验指导书中有关内容，明确本次实验的目的、原理和步骤等。教师在实验前要进行检查和提问。2、实验室中除本次实验所用设备、仪器和工具外，其他东西不得乱动。3、对设备、仪器和工具的性能不熟悉时，不要盲目操作，要注意安全。4、听从教师指导，仔细观察、测量和记录，独立完成实验，认真写出实验报告。5、实验中，如设备、仪器出现故障，应立即停止操作，并报告指导教师处理。6、实验完毕，应将设备、工具等擦拭干净，恢复原位。实验一 平面机构运动简图绘制和分析一、目的1、初步掌握正确绘制一般平面机构运动简图的方法和技能。2、应用计算机构

3、自由度的方法分析平面机构运动的确定性。二、设备和工具1、各种典型机构的实物和模型。2、钢板尺、钢卷尺、内外卡钳、量角器。3、学生自备纸、笔等文具。三、原理任何机器和机构都是由若干构件和运动副组合而成的。从运动学的观点来看，机构的运动特性仅与构件的数目、运动副的数目、种类、相对位置有关。此外，机构运动特性与原动件也有关系，因此，可以撇开构件的实际外形和运动副的具体构造，而用统一规定的符号（参阅教材或GB4460-84）表示构件和运动副，按一定的比例尺表示运动副的相对位置，绘出机构运动简图。四、步骤1、使被测的机器或机构模型运动起来，从原动件开始，循着运动传递的路线仔细观察机构的运动，分清各运动单

4、元，确定构件的数目。2、根据相联接两构件的接触情况及相对运动的特点，确定各运动副的种类。3、选定最能清楚地表达各构件相互关系的面为投影面，选定原动件的位置，按构件联接的顺序，用规定的符号在草纸上以目测的比例画出机构示意图两张。在构件旁标注数字1、2、3，在运动副旁标注字母A、B、C。4、仔细测量与机构运动有关的尺寸（如转动副间的中心距、移动副导路的位置或角度等），按规定的比例尺画出机构运动简图两张。长度比例尺构件实际长度（mm）AB构件图上长度(mm)5、分析机构运动的确定性，即计算机构的自由度并与实际机构的自由度相对照，若与实际情况不符，要找出原因及时改正。五、测绘结果及分析六、思考题1、一

5、张正确的机构运动简图应包括哪些必要的内容？2、绘制机构运动简图时，原动件的位置能否任意选定？会不会影响运动简图的正确性？3、自由度大于或小于原动件数时会产生什么后果？附：实验报告填写内容一、实验目的 二、实验设备 三、实验原理 四、实验步骤五、测绘结果及分析（将下表画在实验报告上并完成）编 号名 称机构示意图自由度计算活动构件数=低副数=高副数=自由度数=原动件数=编 号名 称机构运动简图自由度计算比例尺=活动构件数=低副数=高副数=自由度数=原动件数=编 号名 称机构示意图自由度计算活动构件数=低副数=高副数=自由度数=原动件数=编 号名 称机构运动简图自由度计算比例尺=活动构件数=低副数=

6、高副数=自由度数=原动件数=以上所画图中，如有复合铰链、局部自由度、虚约束应在图中指明。六、回答思考题实验二 机构运动创新方案拼接实验一、实验目的1加深学生对机构组成原理的认识；进一步了解机构组成及其运动特征；2训练学生的工程实践动手能力；3培养学生创新意识和综合设计的能力。二、实验原理任何机构都是由自由度为零的若干杆组，依次联接到原动件（或已经形成的简单的机构）和机架上的方法所组成。三、实验方法与步骤1、掌握实验原理。2、熟悉实验设备的硬件组成及零件功能。3、自拟机构运动方案或选择指导书中提供的机构运动方案作为拼接实验内容。4、将所选定的机构运动方案根据机构组成原理按杆组进行正确拆分。5、正

7、确拼装杆组。6、将杆组按运动的传递顺序依次接到原动件和机架上。四、正确拼装杆组根据拟定的机构运动学尺寸，利用机械运动创新方案拼接实验台提供的零件按机构运动的传递顺序进行拼接。拼接时，首先要分清机构中各构件所占据的运动平面，并且使各构件的运动在相互平行的平面内进行，其目的是避免各运动构件发生干涉。然后，以机架铅垂面为参考面，所拼接的构件以原动构件起始，依运动传递顺序将各杆组由里（参考面）向外进行拼接。凸轮副的联接 图21 凸轮副的联接图安装步骤：1.根据机构要求选择零件； 2.将轴安装在机架的合适位置； 3.安装轮、杆件； 4.调整支架、各轴之间的距离； 5.紧固各部件； 6.检查各转动件是否转

8、动正常；五、实验内容下列各种机构均选自于工程实践。根据机构运动简图，任选一个机构运动方案进行拼接设计实验。1、自动车床送料机构结构说明：由凸轮与连杆组合而成的组合式机构。工作特点：一般凸轮为主动件，能够实现较复杂的运动规律。应用举例：自动车床送料及进刀机构。图22所示，由平底直动从动件盘状凸轮机构与连杆机构组成。当凸轮转动时，推动杆5往复移动，通过杆4与摆杆3及滑块2带动从动件1（推料杆）作周期性往复直线运动。 图22 自动车床送料机构 图23 双向加压机构思考题：机架E的位置对系统力学和运动学的影响？2、双向加压机构应用举例：齿轮连杆机构，图23所示为用于打包机中的双向加压机构。摆杆6为主动

9、件，通过滑块5带动齿条4往复移动，使齿轮1回转。与齿轮1啮合的齿条2、3的移动方向相反，以完成紧包的动作。思考题：设计使杆6摆动的机构并对比采用B点曲柄滑块机构的优越性？3、两侧停歇的移动机构结构说明：图24所示机构由六杆机构ABCDEFG和曲柄滑块GHI串联组合而成，六杆机构的从动杆FG与GH固接，并成为GHI机构的主动件。这是利用连杆BC上E点的轨迹如细线所示，其上弧段mn和mn弧段均与半径r的圆弧很接近，圆弧中心分别为F和F。今在的垂直平分线上取一点G作为机架，以为摇杆5，以为连杆4，则当E点运动到弧段、mn和弧段mn上时，摇杆5在和两极限位置近似停歇。 图24 两侧停歇的移动机构 图2

10、5曲柄滑动块机构与齿轮齿条机构的组合工作特点：主动曲柄1作匀速转动，连杆上的E点作平面复杂运动，当运动到mn或mn近似为圆弧段时，铰链F或F处于曲率中心，保持静止状态，摆杆6近似停歇，从而实现滑块7往复上下限位置时的近似停歇。应用举例：可用于纺织机械的喷气织机开口机构中，滑块7作为综框，它要上、下极限位置时需停歇一段时间以便引入纬纱。思考题：产生停歇时各构件长度应为多少？要求速度分析。4、曲柄滑块机构与齿轮齿条机构的组合结构说明：图25所示机构由偏置曲柄滑块机构与齿轮齿条机构串联组合而成。其中下齿条为固定齿条，上齿条作往复移动。工作特点：此组合机构最重要的特点是上齿条的行程比齿轮3的铰接中心点

11、C的行程大一倍。此外，由于齿轮中心C的轨迹对于点A偏置，所以上齿条和往复运动有急回特性。当主动件曲柄1转动时，通过连杆2推动齿轮3与上、下齿条啮合传动。下齿条5固定，上齿条4作往复移动，齿条移动行程H=4R（R为齿轮3的半径）。若将齿轮改用双联齿轮3和3，半径分别为r3和r3。齿轮3与固定齿条啮合，齿轮3与移动齿条啮合，其行程为，由此可见，当r3r3时，H4R，故采用此种机构可实现行程放大。 图26 多杆放大行程机构5、多杆放大行程机构结构说明：图26所示，由曲柄摇杆机构1-2-3-6与导杆滑块机构3-4-5-6组成六杆机构。曲柄1为主动件，从动件5作往复移动。工作特点：主动件1的回转运动转换

12、为从动件5的往复移动。如果采用曲柄滑块机构来实现，则滑块的行程受到曲柄长度的限制。而该机构在同样曲柄长度条件下能实现滑块的大行程。应用举例：用于梳毛机堆毛板传动机构。思考题：在构件尺寸确定的情况下最大行程与何因素相关？6、转动导杆与凸轮速度倍增机构结构说明：图27所示，曲柄1为主动件，凸轮3和导杆2固联。工作特点：当曲柄1从图示位置顺时针转过90°时，导杆和凸轮一起转过180°。假设凸轮转轴与曲柄轴同心即为复合铰链，当曲柄1从图示位置顺时针转过90°时，从动件4移动距离为S，在压力角许用值相同的条件下，后者凸轮的尺寸要增大一倍左右。图2-7所示机构常用于凸轮升程较

13、大，而升程角受到某些因素的限制不能太大的情况。该机构制造安装简单，工作性能可靠。 要求：绘制凸轮或构件4的速度曲线。 图27 转动导杆与凸轮速度倍增机构 图28铸锭送料机构7、铸锭送料机构结构说明：图28所示，滑块为主动件，通过连杆2驱动双摇杆ABCD，将从加热炉出料的铸锭（工件）送到下一道工序。工作特点：图中实线位置为炉铸锭进入装料器4中，装料器4即为双摇杆机构ABCD中的连杆BC，当机构运动到虚线位置时，装料器4翻转180°把铸锭卸放到下一道工序的位置。应用举例：加热炉出料设备，加工机械的上料设备等。要求：根据各构件极限尺寸设计工件翻转四杆机构。六、机构组成原理的拼接设计实验报告

14、1、绘制实际拼装的机构运动方案简图，并在简图中标识实测所得的机构运动学尺寸。2、简要说明机构杆组的拆组过程，并画出所拆杆组简图。3、根据你所拆分的杆组，按不同的顺序进行排列杆组，可能组合的机构运动方案有哪一些？要求用简图表示出来，就运动传递情况作方案比较，并简要说明理由。实验三 渐开线齿廓的范成原理一、目的1、了解用范成法加工渐开线齿轮齿廓的原理；2、了解用上述方法加工时，齿廓产生根切现象的原因及避免根切的方法；3、了解刀具径向变位对齿轮齿形和几何尺寸的影响。二、设备和工具1、齿轮范成仪；2、学生自备绘A4图纸、圆规、三角板、剪刀、铅笔(或圆珠笔)、计算器。三、原理范成法是根据一对渐开线齿轮（

15、或齿轮与齿条）相互啮合时，其共轭齿廓互为包络线的原理来切制齿轮的一种方法。如果把其中的一个齿轮(或齿条)作成刀具，另一个当作齿坯，使两者作纯滚动，则在各个瞬时所画刀刃位置的包络线，便在齿坯上形成了渐开线齿廓。为了能清楚地观察到刀刃相对齿坯的各个位置形成包络线的过程，通常用齿轮范成仪进行范成实验。范成仪的结构型式较多，例如刀具与齿坯间的传动方式有摩擦传动、钢丝绳传动和齿轮齿条啮合传动等，但基本原理是保证刀具与齿坯作纯滚动，这一点是相同的。钢丝绳传动的齿轮范成仪，其结构如图3-1所示，绘图纸表示齿坯，固接在托盘1上，齿条刀具2安装在溜板4的径向导槽中，它可上下调节，用锁紧螺母5固定。溜板4安装在机

16、架3的水平导槽中，齿条刀具2可随4作水平移动。钢丝7将托盘1和齿条刀具2联系起来，钢丝圆弧代表被加工齿轮的分度圆，它与刀具节线E两者作纯滚动。在图3-1中，刀具中线与节线E重合。通过调节齿条刀具相对齿坯的径向位置，可以范成出标准齿轮和变位齿轮的齿廓。图3-11-图纸托盘；2-齿条刀具；3-机架；4-溜板；5-锁紧螺母；6-调节螺钉7-钢丝；8-定位销；9-压板；10-锁紧螺母；11-半圆盘四、步骤1在绘图纸上按照指导教师给出的齿轮参数，计算并绘出标准齿轮的齿根圆、基圆、分度圆、齿顶圆和变位齿轮的齿根圆、齿顶圆(变位系数x值由指导教师给出或者按不根切的最小变位系数确定)。用剪刀沿比齿顶圆稍大一些

17、的圆周剪下得到齿坯。2绘制标准齿轮齿廓(参看图3-1)(1)将齿坯安装到托盘1上，注意两者圆心重合。(2)调整齿条刀具2的径向位置，使刀具中线与齿坯分度圆相切。(3)将齿条刀具推至左(或右)极限位置，用笔在齿坯上画出齿条刀具的齿廓线，然后向右(或左)每次移动刀具约3至5mm画一次刀具齿廓线，直到绘出2至3个完整的齿廓为止。这些齿廓的包络线即为标准渐开线齿轮的齿廓，如图32所示：图3-23观察根切现象4绘制变位齿轮齿廓(1)将齿坯相对齿条刀具转动120°，重新安装齿坯。(2)调整刀具径向位置，使齿条刀具中线相对于绘制标准齿轮时的位置后移xm距离(正变位)或前移xm距离(负变位)。(3)

18、按绘制标准齿轮齿廓的步骤，绘出有2至3个完整齿的变位齿轮齿廓。图3-3为正变位齿廓。(4)观察绘得的齿廓并与标准齿轮的齿廓作对照和分析。五、实验结果已知数据： 基本参数 m = 20 ，= 20 ，z= 8 ，C*=0.25 图3-3六、思考题1用同把齿条刀具加工标准齿轮和变位齿轮时，定性比较下述几何参数和尺寸的变化：m、da、d、df、db、ha、hf、s、e和p。2根切现象是如何产生的?避免根切可采取哪些措施?附：实验报告填写内容一、实验目的 二、实验设备 三、实验原理 四、实验步骤五、实验结果（将下表画在实验报告上并完成）齿廓范成图（贴在另一页纸上）序号项 目计 算 公 式计 算 结 果

19、标准齿轮变位齿轮正变位负变位1分度圆直径d = mz2变位量变位量 = xm3齿根圆直径df = m(z-2ha*-2c*+2x)4齿顶圆直径da = m(z+2ha*+2x)5基圆直径db = mzCOS6齿距p = m7分度圆齿厚s = 8分度圆齿槽宽e = 六、回答思考题实验四 渐开线直齿圆柱齿轮参数的测定一、目的1掌握用简单量具测定渐开线直齿圆柱齿轮基本参数的方法；2加深理解渐开线的性质及齿轮各参数之间相互关系的知识。二、设备和工具1被测齿轮两个，齿数各为奇、偶数；2游标读数精度为0.02mm的游标卡尺；3机械零件设计手册；4学生自备计算器及纸、笔等文具。 图4-1三、原理1测定模数m

20、和压力角如图41所示，当量具的测足在被测齿轮上跨k个齿时，其公法线长度为：Wk = (k - 1) pb + sb同理，若跨k+1个齿时，其公法线长度应为：Wk+1 = kpb + sb所以 Wk+1 - Wk = pb （41）又因 pb = m cos pb Wk+1-Wk所以 m= = （42）cos cos式中pb为被测齿轮的基圆齿距，可从式(3-1)求得。从齿轮标准可以知道，可能是15°，也可能是20°，故分别用15°和20°代入式(4-2)算得两个模数，其数值最接近于标准模数的一组m和，即是被测齿轮的模数m和 压力角。为了使量具的测足能保证与

21、齿廓的渐开线部分相切，所需的跨齿数k不能随意定。它受齿数、压力角和变位系数等多种因素的影响，实验时可初步参照表4l查出。表4-1z12181927283637454654556364727381k234567892测定变位系数x与标准齿轮相比，变位齿轮的齿厚发生了变化，所以它的公法线长度与标准齿轮的公法线长度也就不相等。两者之差就是公法线长度的增量，它等于2xmsin。设Wk为被测齿轮跨k个齿的公法线长度，Wk'为同样m、z和的标淮齿轮跨k个齿的公法线长度则 Wk- Wk'=2xmsin即 （43）式中：Wk'可从机械零件设计手册中查得，代入式(4-3)即可求出变位系数

22、x。3测定齿顶高系数ha*和顶隙系数c*为了测定ha*和c*，应先测出齿根圆直径df。对于齿数为偶数的齿轮，df可用游标卡尺直接测出。对于齿数为奇数的齿轮，则需用间接法进行测量。由图42df=Dk+2H由此可求得齿根高hf的测定值而齿根高的计算公式 (44)其中仅和为未知。因为不同齿制的和都是已知的标准值，故以正常齿制的 =1、=0.25和短齿制的0.8、 =03两组标准值分别代入式(44)，看何者最接近于的测定值，则那一组的和即为所求。图44四、步骤1数出齿数，按表41查取跨齿数。2每个齿轮选三个位置测出公法线长度Wk+1、Wk，齿根圆直径df，取其平均值作为测量，按有关公式逐个计算齿轮的参

23、数并记入实验报告中。五、测量数据及计算结果六、思考题1测量齿轮公法线长度的公式Wk=(k-1)pb+Sb是依据渐开线的哪条性质推导而得的？2齿厚的上、下偏差均为负值，所以实际测到的公法线长度比理论值略小，会影响变位系数x测量的精确性，在生产实际中对此应如何加以处理?3两个齿轮的参数测定后，怎样判断它们能否正确啮合?如能，又怎样判断它们的传动类型?附：实验报告填写内容一、实验目的 二、实验设备 三、实验原理 四、实验步骤五、测量数据及计算结果（将下表画在实验报告上并完成）（一）测量数据齿轮编号zk测量次数123平均值123平均值wk(mm)Wk+1(mm)df(mm)（二） 计算结果项 目计 算

24、 公 式计 算 结 果pbPb = wk+1-wkPb1 =Pb2 =m和aPbm = cos am1 =a1 =m2 =a2 =wk查机械零件设计手册Wk1 =Wk2 =xwk-wkx = 2m sinax1 =x2 =hfmz-dfhf = 2hf1 =hf2 =h*a和c*hf = m(h*a+c*-x)h*a1 =c*1 =h*2 =c*2 =六、回答思考题实验五 转子动平衡实验一实验目的1巩固转子动平衡知识，加深转子动平衡概念的理解：2掌握刚性转子动平衡实验的原理及基本方法。二实验设备与工具1CS-DP-10型动平衡试验机：2试件(试验转子)；3天平；4平衡块(若干)及橡皮泥(少许)

25、。三实验原理与方法本实验采用的CS-DP-10型动平衡试验机的简图如图51所示。待平衡的试件1安放在框形摆架的支承滚轮上，摆架的左端与工字形板簧3固结，右端呈悬臂。电动机4通过皮带带动试件旋转，当试件有不平衡质量存在时，则产生的离心惯性力将使摆架绕工字形板簧做上下周期性的微幅振动，通过百分表5可观察振幅的大小。 1转子试件 2摆架 3工字形板簧 4电动机 5百分表 6补偿盘 7差速器 8蜗杆图51 CS-DP-10型动平衡试验机简图试件的不平衡质量的大小和相位可通过安装在摆架右端的测量系统获得。这个测量系统由补偿盘6和差速器7组成。差速器的左端为转动输入端(n1)通过柔性联轴器与试件联接，右端

26、为输出端(n3)与补偿盘联接。差速器由齿数和模数相同的三个圆锥齿轮和一个蜗轮(转臂H)组成。当转臂蜗轮不转动时：n3nl，即补偿盘的转速n3与试件的转速nl大小相等转向相反；当通过手柄摇动蜗杆8从而带动蜗轮以nH转动时，可得出：n32nH-nl，即n3n1，所以摇动蜗杆可改变补偿盘与试件之间的相对角位移。图52所示为动平衡机工作原理图，试件转动后不平衡质量产生的离心惯性力F=2mr，它可分解为垂直分力Fy和水平分力Fx，由于平衡机的工字形板簧在水平方向(绕y轴)的抗弯刚度很大，所以水平分力Fx对摆架的振动影响很小，可忽略不计。而在垂直方向(绕x轴)的抗弯刚度小，因此在垂直分力产生的力矩M=Fy

27、·l=2mrlsin 的作用下，摆架产生周期性上下振动。图52动平衡机工作原理图由动平衡原理可知，任一转子上诸多不平衡质量，都可以用分别处于两个任选平面I、内，回转半径分别为r1、r1，相位角分别为.，的两个不平衡质量来等效。只要这两个不平衡质量得到平衡，则该转子即达到动平衡。找出这两个不平衡质量并相应的加上平衡质量(或减去不平衡质量)就是本试验要解决的问题。设试件在圆盘I、II各等效着一个不平衡质量m，和m，对x轴产生的惯性力矩为： Mt0 ；Mn=2 mrlsin( t )摆架振幅y大小与力矩M的最大值成正比： y2 mrl；而不平衡质量m产生的惯性力以及皮带对转子的作用力均通过

28、x轴，所以不影响摆架的振动，因此可以分别平衡圆盘和圆盘I。本实验的基本方法是：首先，用补偿盘作为平衡平面，通过加平衡质量和利用差速器改变补偿盘与试件转子的相对角度，来平衡圆盘II上的离心惯性力，从而实现摆架的平衡；然后，将补偿盘上的平衡质量转移到圆盘上，再实现转子的平衡。具体操作如下：在补偿盘上带刻度的沟槽端部加一适当的质量，在试件旋转的状态下摇动蜗杆手柄使蜗轮转动(正转或反转)，从而改变补偿盘与试件转子的相对角度，观察百分表振动使其达到最小，停止转动手柄。(摇动手柄要讲究方法：蜗杆安装在机架上，蜗轮安装在摆架上，两者之间有很大间隙。蜗杆转动一定角度后，稍微反转一下，脱离与蜗轮的接触，这样才能

29、使摆架自由振动，这时观察振幅。通过间歇性地使蜗轮向前转动和观察振幅变化，最终可找到振幅最小的位置。)停机后在沟槽内再加一些平衡质量，再开机左右转动手柄，如振幅已很小(百分表摆动±12格)可认为摆架已达到平衡。亦可将最后加在沟槽内的平衡质量的位置沿半径方向作一定调整，来减小振幅。将最后调整到最小振幅的手柄位置保持不动，停机后用手转动试件使补偿盘上的平衡质量转到最高位置。由惯性力矩平衡条件可知，圆盘上的不平衡质量m必在圆盘的最低位置。再将补偿盘上的平衡质量mp' 按力矩等效的原则转换为位于圆盘上最高位置的平衡质量mp，即可实现试件转子的平衡。根据等效条件有： mprplmp'rp' l p rp' l pmpmp' (51) rpl式中各半径和长度含义见图52，其中rp=70mm，l210mm，l p 550rnm。而rp'由补偿盘沟槽上的刻度读出。补偿盘上若有多个平衡质量，且装加半径不同，可将每一平衡质量分别等效后求和。在平衡了圆盘后，将试件转子从平衡机上取下，重新安装成以圆盘为驱动轮，再按上述方法求出圆盘I上