机械性能及工作能力测定实验

1、第七章 机械性能及工作能力测定实验 7.1 概述机械零部件的性能和工作能力直接影响机械产品的质量。机械零部件的性能和工作能力与运动学和动力学特性、承载能力、精确度等密切相关，机械零件加工制造过程的很多问题也难以进行精确的理论分析和定量研究，因此必须通过实验方法进行机械零部件的性能和工作能力的测试。工程设计中许多系数和工作能力的确定都是在大量试验的基础上得出的。机械性能和工作能力的测试项目和内容十分广泛，需根据具体情况而定。机械零部件工作能力和性能的试验方法一般分为台架试验和现场实际运行试验两大类。试验项目根据具体机械类型、要求和结构而定。例如齿轮的检测包括运动精度、传动平稳性、接触精度、齿侧间

2、隙等等。滑动轴承实验是测量滑动轴承轴套与转轴间隙中的油膜在圆周方向的压力分布。带传动实验主要是测定弹性滑动和打滑，并求出带传动的工作效率。带传动效率实验是在预定带的圆周速度值、预紧力值的条件下，测量工作载荷F由小到大过程中，效率的变化情况。根据教学基本要求，本章介绍几个机械基础实验，以便了解机械性能和工作能力测试的实验原理、装置、方法和技能。实验过程还应注意下面几点：1)实验原理和方案的正确性、可能性和合理性；2)实验设备能满足实验目的和要求，并具有合适的准确度和足够的强度和刚度。3)实验条件应尽量符合实际工况，并尽量节省人力、物力。4)加载部件是试验机的关键部分，要正确标定，并能实现空载起动

3、、加载准确、可靠、稳定，在运转中能改变加载的大小和方向，便于测量。5)合理设计和准备试件。6)注意观察和采集数据，实验完毕要正确撰写实验报告。7.2 齿轮检测技术齿轮机构是各种机构中应用最为广泛的一种机构。它可以用来传递空间任意两轴间的运动和动力，并具有传动平稳、准确可靠、传动效率高、使用寿命长等特点。齿轮机构的应用广泛，种类繁多，其中直齿圆柱齿轮是齿轮机构中应用最广、最简单、最基本的一种类型。齿轮检测的内容包括运动精度、传动平稳性、接触精度、齿侧间隙等等。本节主要以直齿圆柱齿轮为对象讲述有关齿轮的检测技术，主要包括齿轮基本参数的测定和齿轮的范成技术。实验渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数有：齿数、

4、模数、分度圆压力角、齿顶高系数、顶隙系数和变位系数等。这些参数可以通过测量而获得。齿数 齿轮圆周表面上的轮齿总数。模数 当给定齿轮的齿数及齿距时，分度圆直径可由下式求出。 但由于为无理数，给设计、制造等带来不便。为了便于设计、制造及互换使用，于是将规定为标准值，此值称为模数，即，单位为mm。模数是决定齿轮尺寸的一个基本参数，齿数相同的齿轮，模数越大，则齿轮尺寸也越大。为了便于制造、检验和互换使用，齿轮的模数已标准化，如表71所示。表71 标准模数系列第一系列1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50第 二系 列1.75 2.25 2.7

5、5 （3.25） 3.5 （3.75） 4.5 5.5 （6.5） 7 9 （11） 14 18 22 28 （30） 注：选用模数时，应优先选用第一系列，其次是第二系列，括号内的模数尽量不用压力角 如图71所示 齿廓接触点所受的正压力方向（即齿廓在该点的法线方向）与该齿轮绕轴心转动的线速度方向所夹的锐角称为渐开线在该处的压力角，用表示。齿廓上各点的压力角是不相同的，压力角的大小影响齿轮的传力效果及齿轮的抗弯强度，我国规定分度圆上的压力角为标准值，即 。在某些场合也可采用、和等的齿轮图 71齿顶高系数和顶隙系数，齿轮的齿顶圆和齿根圆之间的径向尺寸称为齿全高，用表示，而分度圆以上的齿高称为齿顶高

6、，用表示，。分度圆以下的齿高称为齿根高，用表示，。式中和分别称为齿顶高系数和顶隙系数。这两个系数在我国也已经标准化，其标准值为，。也有非标准的短齿，其值为，。 1掌握应用游标卡尺测量渐开线齿轮的有关尺寸，从而确定齿轮的基本参数的简单方法； 2. 通过测量和计算，掌握齿轮各部分尺寸与基本参数的关系，理解和巩固渐开线的性质。1. 被测量齿轮；2游标卡尺；2. 学生自备计算器、纸和笔等文具。 齿轮各部分尺寸一般可以用普通量具测量，而各部分尺寸又与齿轮的齿数z、模数m、压力角、齿顶高系数和变位系数x等基本参数之间有确定的关系，所以通过测量齿轮的有关尺寸，可以计算出齿轮的基本参数。本实验利用游标卡尺测量

7、齿轮的齿顶圆直径，齿根圆直径和公法线长度，从而计算出齿轮基本参数。如图7-2所示，用游标卡尺两量爪的测量平面与渐开线齿廓相切，所测量的跨距称为齿轮的公法线长度，以w表示。游标卡尺的两量爪所跨的齿数n不能太少也不能太多,跨齿数n由齿轮的齿数z决定，可查看表7-2. 图72表72 齿数z12-1819-2627-3637-4546-5455-6364-7273-81跨齿数n23456789 由图7-2可得齿轮公法线长度wn为： (7-1)同理，如果跨齿数为(n+l)，其公法线长度为； (7-2)由式(2)减式(1)得 (7-3)又因 上两式联立可得齿轮模数: (7-4) (一)、确定齿轮的模数m和

8、压力角 1. 记录被测齿轮的编号和齿数z，根据z查表72可得跨齿数n。 2. 用游标卡尺尽量精确地测量跨n个和(n+l)个齿的公法线长度各三次，每次测量不同的齿廓，而且必须使量爪的测量平面与齿廓相切，然后记下每次的读数，并填入实验报告书的表74中，取其平均值作为公法线长度和。3将和和或代入式(4)，计算出模数和 ,然后把它们与标准模数系列表(GB1357-87)比较，选取其中与某标准模数同值或与其接近的标准模数作为该齿轮的模数m(标准化)，而它所对应的压力角就是齿轮的压力角。(二）、确定齿轮的变位系数x 根据齿轮基圆齿厚公式 (7-5)将公式(3)代入式(2)整理得: (7-6)将上两式联立整

9、理后，得到变位系数 (7-7)（三）、确定齿顶高系数和顶隙系数 用游标卡尺尽量精确地测量齿顶圆直径和齿根圆直径各三次,并取其平均值，作为和填入表74中。计算分度圆直径d=zm，并利用齿顶高公式 (7-8)又因： (7-9)由（8）和（9）式得齿顶高系数 (7-10) 由式（10）计算出的齿顶高系数应符合标准值，然后查表73取其对应的标准顶隙系数。 表73齿 轮类 别齿顶高系数顶隙系数正常齿10.25短 齿0.80.3齿轮参数测定实验报告实验名称 实验日期班 级 姓 名 指导老师 成 绩 将测量数据与计算结果填入下表（精确到小数点后两位）。表74齿 轮 编 号齿轮齿数z跨测齿数n公法线长度WnW

10、n+1WnWn+1WnWn+1测量次数123公法线长度平均值计算基圆周节pb模数m（计算值）=20º=15º标准化后取值m变位系数x分度圆直径d=zm齿顶圆直径齿根圆直径齿顶高系数 计算值标准值顶隙系数c* 二、思考题 决定渐开线齿廓形状的基本参数主要有那些？测量公法线长度时，卡尺的量爪若在渐开线齿廓的不同位置相切，对所测量的公法线长度有无影响？为什么？在测量齿顶圆直径和齿根圆直径时，对偶数齿和奇数齿的齿轮在测量方法上有什么不同？l掌握用范成法切制渐开线齿轮齿廓的基本原理；2了解渐开线齿轮产生根切现象的原因及避免根切的方法；3分析和比较标准齿轮和变位齿轮的异同点。1齿轮范成

11、仪；2自备齿轮毛坯一张(如图75所示)、绘图圆规及三角板、计算器和铅笔等文具。凡是符合齿廓啮合基本定律的曲线都可作为齿廓曲线，常用的齿廓曲线有摆线、渐开线、圆弧线等，其中使用最广泛的是渐开线。渐开线齿廓可以通过插齿、滚齿加工形成。其基本原理是运用一对齿轮在啮合时，其共轭齿廓互为包络线。不过在加工时不是一对齿轮啮合，而是齿坯与滚刀或插齿刀相互啮合，并保持固定的传动比，与此同时，刀具还沿着轮坯的轴向做往复切削运动。如图7-3所示。 图 73这样加工出来的齿廓就是刀具的刀刃在各个位置的包络线。如果用渐开线作为刀具的齿廓，根据共轭原理，其包络线必定也是渐开线.这种加工渐开线齿廓的方法就是范成法。当然，

12、在机器的实际加工中，我们看不到刀刃在各个位置所形成的包络线，在实验中，我们用齿轮范成仪来显示齿条刀具与齿轮毛坯之间的范成运动，并用铅笔将刀刃的各个位置画在纸制毛坯上，这样我们就可以清楚地观察 到齿轮范成的全过程。齿轮范成法加工渐开线齿廓，是利用一对齿轮互相啮合传动时齿廓互为包络线的原理。如将其中一个齿轮的齿廓磨成刀刃（即齿轮刀具），另一为齿轮毛坯，当刀具和齿轮毛坯的分度圆相切并作纯滚动时，齿轮刀具的刀刃就可以在齿轮毛坯上切出齿廓。这与一对相互啮合的 齿条齿轮传动的运动完全相同。 图74图7-4是齿轮范成仪的示意图，其中扇形盘2绕固定轴O转动，用压板1和螺母7将代表齿轮毛坯的图纸固定在扇形盘2上

13、，拧松螺钉6，可调整齿条刀具3与齿轮毛坯之间的径向距离，螺钉6将齿条刀具2固定在滑板4上，滑板沿固定轨道5作住复横向移动，为了保证扇形盘2与滑板4作相对纯滚动，范成仪的扇形盘与滑板采用齿轮齿条啮合传动。 1. 根据下表所给的基本参数计算出标准齿轮、正变位齿轮和负变位齿轮的分度圆、基圆、齿顶圆和齿根圆的直径，并将它们记录下来填入表75中。齿条刀具参数齿轮参数mm 2如图75所示，在图纸上画出分度圆，并把它分成三等份(如图中的OA、OB、OC)，分别作其角平分线（如图中虚线中的OD、OE、OF），然后过角平分线与分度圆的交点，分别作OD、OE、OF的垂线。 3. 在图纸上分别画出标准齿轮，正变位齿

14、轮和负变位齿轮的齿顶圆和齿根圆，它们分别代表1/3个标准齿轮、正变位齿轮和负变位齿轮的毛坯。并沿各齿顶圆将多余的图纸剪去，又以轮坯的中心为圆心，剪出=16mm的圆孔。 图751将范成仪的螺母7拧松，拿下压板1，把毛坯中心的圆孔套在O轴上。然后使毛坯和扇形盘2对心，并调整齿条刀具3和轮坯之间的径向距离,使代表标准齿轮毛坯部分的角平分线及其垂线分别与扇形盘 2的中线OO及其垂线DD重合，然后放下压板1，锁紧螺母7。松开螺钉6，上下移动刀具3，使其中线EE与毛坯分度圆相切(即EE线与DD线重合)，则调好了毛坯与刀具间的径向距离，然后锁紧螺钉6。 2. 将固连在滑板4上的刀具3推移到右或左端，然后向另

15、一端慢慢移动，每移动一小段距离 (约23毫米)，则用削尖的铅笔描画出刀具3的刀刃(每画一笔，相当于刀具切削轮坯的齿槽间一刀)，如此重复，直至刀具移到另一端，则在毛坯纸上描画出34个完整的标准齿轮齿廓。这样描绘出的刀具刀刃在各个位置时的轨迹包络线，就形成了渐开线齿廓。 3. 拧松螺母7，将毛坯转过120°，描绘正变位齿轮毛坯的渐开线齿廓。依据步骤1，调整轮坯与扇形盘对心，并保证EE线与DD线重合，然后将刀具3向外移动xm毫米，锁紧螺钉6，并左右移动刀具，观察其顶线是否依次切于毛坯根圆，否则，应轻轻拧松螺钉6，进行微调，直至满足上述要求。重复步骤2，则在轮坯纸上描画出3-4个完整的正变位

16、齿轮的齿廓曲线。 4. 同理，再将轮坯转过120°，使负变位齿轮毛坯与扇形盘对心，并使EE线与DD线重合，然后将刀具移向轮坯中心xm毫米，锁紧螺钉6。同样，刀具顶线应切于轮坯根圆，重复步骤2，则可以在轮坯纸上描画出3-4个完整的负变位齿轮的齿廓曲钱。齿轮范成原理实验报告实验名称 实验日期班 级 姓 名 指导老师 成 绩 一、 根据齿轮参数计算标准齿轮、正变位齿轮和负变位齿轮各部分的尺寸，并将结果填入下面的表格中。然后以标准齿轮为准，比较正变位和负变位齿轮尺寸变化情况。 表75名称计 算 结 果结 果 比 较标 准齿 轮正变位齿 轮负变位齿 轮正变位齿 轮负变位齿 轮分度圆直径d基圆直

17、径db齿顶圆直径da齿根圆直径df分度圆周节p分度圆齿厚s分度圆齿槽宽e齿顶圆齿厚sa齿顶高ha齿根高hf齿全高h二、附上所描绘的齿廓图纸，在图上标出各个圆的半径,并用彩笔描出齿廓曲线的根切段。三、思考题渐开线齿廓的根切现象是怎样产生的? 如何避免? 在图形上如何判断齿廓是否根切?与标准齿轮相比，正变位齿轮哪些参数发生了变化？怎样变化的？推想若采用负变位又将如何？3标准齿轮与变位齿轮相比，其齿廓形状有什么异同点？7.3 机械传动性能综合试验实验目的1.通过测试常见机械传动装置（如带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动等）在传递运动与动力过程中的参数曲线(速度曲线、转矩曲线、传动比曲线、功率曲线及效

18、率曲线等),加深对常见机械传动性能的认识和理解；2. 通过测试由常见机械传动组成的不同传动系统的参数曲线，掌握机械传动合理布置的基本要求；3. 通过实验认识智能化机械设计综合实验台的工作原理，掌握计算机辅助实验的新方法, 培养进行设计性实验与创新性实验的能力。实验设备本实验在“机械设计综合实验台”上进行。实验台采用模块化结构，由不同种类的机械传动装置、联轴器、变频电机、加载装置和工控机等模块组成，学生可以根据选择或设计的实验类型、方案和内容，自己动手进行传动连接、安装调试和测试，进行设计性实验、综合性实验或创新性实验。机械设计综合实验台各硬件组成部件的结构布局如图7.6所示。252262143

19、3978 图7.6实验台的结构布局1-变频调速电机 2-联轴器 3-转矩转速传感器 4-试件5-加载与制动装置 6-工控机 7-变频器 8电器控制柜 9-台座 实验台组成部件的主要技术参数如表7.6所示。表7.6序号组 成 部 件技 术 参 数备 注1变频调速电机550WYP-50-0.55-4-B32ZJ型转矩转速传感器.规格 5N.m ;输出讯号幅度不小于100mV.规格 50N.m;输出讯号幅度不小于100mV3机械传动装置(试件)直齿圆柱齿轮减速器 i=5蜗杆减速器 i=10V型带传动齿形带传动 Pb=9.525 Zb=80套筒滚子链传动 Z1=17 Z2=25WPA50-1/10O型

20、带3根08A型3根4磁粉制动器额定转矩: 50 N.m激磁电流: 2A允许滑差功率: 1.1Kw5工控机PC-500为了提高实验设备的精度，实验台采用两个扭矩测量卡进行采样。测量精度达到±0.2%FS，能满足教学实验与科研生产试验的实际需要。机械设计综合实验台采用自动控制测试技术设计，所有电机程控启停，转速程控调节，负载程控调节，用扭矩测量卡替代扭矩测量仪，整台设备能够自动进行数据采集处理，自动输出实验结果，是高度智能化的产品。其控制系统主界面如图7.7所示。图7.7 实验台控制系统主界面机械设计综合实验台的工作原理如图7.8所示。负载ZJ扭矩传感器机械传动装置（试件）ZJ扭矩传感器

21、变频电机扭矩测量卡扭矩测量卡负载调节转速调节工控机图7.8 实验台的工作原理实验原理运用“机械设计综合实验台”能完成多类实验项目（表7.7），教师可根据专业特点和实验教学改革需要指定，也可以让学生自主选择或设计实验类型与实验内容。表7.7类型编号实验项目名称被测试件项目适用对象备 注A典型机械传动装置性能测试实验在带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动等传动中选择专科本科B组合传动系统布置优化实验由典型机械传动装置按设计思路组合本科部分被测试件由教师提供,或另购公司的拓展性实验设备C新型机械传动性能测试实验新开发研制的机械传动装置研究生被测试件由教师提供,或另购公司的拓展性实验设备 无论选择哪类实

22、验, 其基本内容都是通过对某种机械传动装置或传动方案性能参数曲线的测试, 来分析机械传动的性能特点；实验利用实验台的自动控制测试技术，能自动测试出机械传动的性能参数, 如转速n (r/min)、扭矩M (N.m)、功率N (K.w)。并按照以下关系自动绘制参数曲线：传功比 i=n1/n2扭矩 M=9550 N/n (Nm)传功效率 =N2/N1= M1 n2/ M2 n1根据参数曲线（图7.9所示）可以对被测机械传动装置或传动系统的传动性能进行分析。图7.9 参数曲线（示例）四、实验步骤参考图7.10所示实验步骤，用鼠标和键盘进行实验操作。实验A实验B实验C确定实验类型与内容准备阶段安装被测装

23、置调试测试设备转速n 扭矩M功率N 效率传动比 i测试阶段设置实验参数采集实验数据参数曲线实验结果分析分析阶段实验报告图7.10 实验步骤1. 准备阶段（1）认真阅读实验指导书和实验台使用说明书；（2）确定实验类型与实验内容；选择实验A(典型机械传动装置性能测试实验) 时, 可从V带传动、同步带传动、套筒滚子链传动、圆柱齿轮减速器、蜗杆减速器中，选择1-2种进行传动性能测试实验;选择实验B（组合传动系统布置优化实验）时, 则要确定选用的典型机械传动装置及其组合布置方案，并进行方案比较实验。如表7.8所示。表7.8 编 号组合布置方案a组合布置方案b实验内容B1V带传动-齿轮减速器齿轮减速器-V带传动实验内容B2同步带传动-齿轮减速器齿轮减速器-同步带传动 实验内容B3链传动-齿轮减速器齿轮减速器-链传动实验内容B4