机械基础实验书(正)

1、机械工程基础实验指导黄志诚 编景德镇陶瓷学院机电学院机设教研室2008年 9 月目录实验一、低碳钢拉伸时力学性能的测定 2实验二、渐开线齿廓的范成实验 6实验三、减速器的拆装 10实验四、轴系结构组合设计 14实验一、低碳钢拉伸时力学性能的测定实验目的1、观察低碳钢拉伸过程中的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。2、 测定低碳钢的屈服极限（屈服点）c s,强度极限（抗拉强度）c b,断后伸 长率S和断面收缩率书o实验设备及工具a）WE型液压式万能试验机；b）SH-350试样分划器；c）游标卡尺；d）低碳钢长试样（l=100mm, d=10mm）。拉伸试件按国标GB/T63971986制作。

2、如图2- 1所示，拉伸试件采用哑铃状， 由工作部分、圆弧过渡部分和夹持部分组成。若以L表示试件工作部分标距，d表示试件直径，则拉伸试件有短试件（L = 5d）和长试件（L = 10d）两种。本试验采 用长试件n图2-2低碳钢的拉伸曲线图2-1圆形拉伸试件、实验原理及方法将试件安装于试验机的夹头内，之后匀速缓慢加载（加载速度对力学性能是 有影响的，速度越快，所测的强度值就越高），直至将试件拉断。低碳钢试件在 静拉伸试验中，通常可直接得到拉伸曲线，即F L曲线，如实2-2图所示。用 准确的拉伸曲线可直接换算出应力应变二-；曲线。观察拉伸曲线可见试件依次经 过弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段等

3、四个阶段，其中前三个阶段是均 匀变形的。 弹性阶段 是指拉伸图上的0A段。在弹性阶段，存在一比例极限点 A， 对应的应力为比例极限Cp,此部分载荷与变形是成比例的，材料的弹性模量E应 在此范围内测定。 屈服阶段 对应拉伸图上的BC段。在低碳钢的拉伸曲线上，当载荷增加 到一定数值时出现的锯齿现象。屈服阶段中一个重要的力学性能就是屈服点。低 碳钢材料存在上屈服点和下屈服点，不加说明，一般都是指下屈服点。上屈服点 对应拉伸图中的B点，记为Fsu，即试件发生屈服而力首次下降前的最大力值。 下屈服点记为Fsl，是指不计初始瞬时效应的屈服阶段中的最小力值。金属材料 的屈服是宏观塑性变形开始的一种标志。一般

4、通过指针法或图示法来确定屈服点，综合起来具体做法可概括为：当屈 服出现一对峰谷时，贝U对应于谷低点的位置就是屈服点；当屈服阶段出现多个波 动峰谷时，则除去第一个谷值后所余最小谷值点就是屈服点。用上述方法测得屈 服载荷，然后计算出屈服点、下屈服点和上屈服点：6 = Fs/A，二sl=Fsl /A，二 su = Fsu/A(2.1) 强化阶段 对应于拉伸图中的CD段。变形强化标志着材料抵抗继续变形的 能力在增强。这也表明材料要继续变形，就要不断增加载荷。在强化阶段如果卸载， 弹性变形会随之消失，塑性变形将会永久保留下来。强化阶段的卸载路径与弹性阶 段平行。卸载后重新加载时，加载线仍与弹性阶段平行。

5、重新加载后，材料的比例 极限明显提高，而塑性性能会相应下降。这种现象称之为形变硬化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料的宝贵性质之一。工程中利用冷作硬化工艺的例子很多，如挤压、 冷拔、喷丸等。D点是拉伸曲线的最高点，载荷为 Fb，对应的应力是材料的强度极 限或抗拉极限，记为6，b = Fb/A(2.2) 缩颈阶段 对应于拉伸图的DE段。载荷达到最大值后，由于材料本身存在 缺陷，于是均匀变形转化为集中变形，导致形成缩颈。缩颈阶段，承载面积急剧减 小，试件承受的载荷也不断下降，直至断裂。断裂后，试件的弹性变形消失，塑性 变形则永久保留在破断的试件上。材料的塑性性能通常用试件断后残留的变形来衡 量。轴向拉

6、伸的塑性性能通常用伸长率和断面收缩率来表示。塑性材料缩颈部分的变形在总变形中占很大比例，研究表明，低碳钢试件缩 颈部分的变形占塑性变形的80%左右。测定断后伸长率时，缩颈部分及其影响区 的塑性变形都包含在内，这就要求断口位置到最邻近的标距端线的距离不小于 L/3，此时可直接测量试件标距两端的距离得到 Lio否则就要用移位法(见)使 断口居于标距的中央附近。若断口落在标距之外则试验无效。 试件标距对伸长率;的影响把试件断裂后的塑性伸长量 L分成均匀变形阶段的伸长量 Li和缩颈阶段 的伸长量厶L2两部分。研究表明， Li沿试件标距长度均匀分布， L2主要集中 于缩颈附近。远离缩颈处的变形较小， L

7、i要比 L2小得多，一般 Li不会超过 L2的5%o实验与理论研究表明， Li与试件初始标距长度 丄成正比，而 L2 与试样横截面面积的大小 A有关，伸长率为二- A/l，其中、- 是材料常数。则对于同一种材料，只有在试件的 A/L值为常数的条件下，其断后伸长率：才是常数。若面积A相同时，L大，则小；反之，贝X大。故有5 10 o 延伸率；和断面收缩率的测定试件的原始标距为I。，拉断后将两段试件紧密对接在一起，量出拉断后的标距 长Il，延伸率应为、，占 10 100%（2.3）Io式中lo 试件原始标距，l1 试件拉断后标距长度。对于塑性材料，断裂前变形集中在紧缩处，该部分变形最大，距离断口位

8、置越 远，变形越小，即断裂位置对延伸率是有影响的。为了便于比较，规定断口在标距 中央三分之一范围内测出的延伸率为测量标准。如断口不在此范围内，则需进行折 算，也称断口移中。具体方法如下：以断口 O为起点，在长度上取基本等于短段格 数得到B点，当长段所剩格数为偶数时（见图 2.2a）,则由所剩格数的一半得到 C 点，取BC段长度将其移至短段边，则得断口移中得标距长，其计算式为li = AB 2BC(a)取 ucn图2.2断口移中示意图如果长段取B点后所剩格数为奇数（见图2.2b），则取所剩格数加一格之半得 Ci点和减一格之半得C点，移中后标距长为丨1 = AB BCi BC将计算所得的丨1代入式

9、中，可求得折算后的延伸率。为了测定低碳钢的断面收缩率，试件拉断后，在断口处两端沿互相垂直的方向各测一次直径，取平均值di计算断口处横截面面积，再按下式计算面积收缩率一*100%(24式中 Ao试件原始横截面面积 Ai试件拉断后断口处最小面积四、实验步骤1、 测量试样尺寸将试样在划线器上分成十等份并测量出lo,在标距lo的 两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，取其均值，再以 三者的最小值计算A o。2、 加载将试样安装在试验机上均匀、缓慢加载注意读出 Fs,最后直到将 试样拉断，计下最大载荷Fb。3、取下试样，试验机恢复原状。测量断后试样尺寸。五、实验数据记录及处理试样尺寸

10、实验前实验后原标距lo (mm)断后标距li (mm)最小直径 do (mm)上断裂处最小 直径di (mm)i中2下平均原始截面积A o (mm2)最小断裂处截面积2Ai (mm )材料的强度指标CT S、(T b屈服载荷Fs (KN)屈服极限C S(MPa)最大载何Fb (KN)强度极限Cb(MPa)材料的塑性指标S、书l _|S = i o x ioo%lo书=A0 A1 x 100% A六、实验分析及思考题a) 材料相同，直径相等的长试样lo=1Odo和短试样lo=5do其断后伸长率S是否 相同？b) 为消除加载偏心的影响应采取什么措施？C)实验时如何观察低碳钢的屈服极限？测定C S时

11、为何要限制加载速度？实验二、渐开线齿廓的范成实验一、实验目的（1）掌握展成法加工渐开线齿廓的原理。（2）了解齿轮的根切现象及采用变位修正来避免根切的方法。（3）了解变位后对轮齿尺寸产生的影响。二、实验设备与工具（1）齿轮展成仪。（2）钢直尺、圆规、剪刀。（3）铅笔、三角板、绘图纸。三、实验原理齿轮在实际加工中，看不到轮齿齿廓渐开线的形成过程。本实验通过齿轮展成 仪来实现轮坯与刀具之间的相对运动过程，并用铅笔将刀具相对轮坯的各个位置记 录在图纸上，这样就能清楚地观察到渐开线齿廓的展成过程。齿轮展成仪所 用的刀具模型为齿条插刀，仪器构造如图 4-1所示。图4-1齿轮展成仪结构示意图1托盘；2轮坯分

12、度圆；3滑架；4支座；5 齿条（刀具）；6 调节螺旋；7、9螺钉；8刀架；10 压环绘图纸做成圆形轮坯，用压环 10固定在托盘1上，托盘可绕固定轴O转动。代表齿条刀具的齿条5通过螺钉7固定在刀架8 上,刀架装在滑架3上的径向导槽内，旋转螺旋6,可使刀架带着齿条刀具相对于托盘中心 O作径向移动。因此，齿 条刀具5既可以随滑架3作水平左右移动，又可以随刀架一起作径向移动。滑架3与托盘1之间采用齿轮齿条啮合传动，保证轮坯分度圆与滑架基准刻线作纯滚动， 当齿条刀具5的分度线与基准刻线对齐时，能展成标准齿轮齿廓。调节齿条刀具相 对齿坯中心的径向位置，可以展成变位齿轮齿廓。四、实验步骤（1）展成标准齿轮

13、根据所用展成仪的模数m和托盘中心至刀具中线的距离（轮坯分度圆半径r），求出被加工标准齿轮的齿数z，齿顶圆直径da，齿根圆直径df和基圆直径db。 在一张图纸上，分别以da、df、db和分度圆直径d画出4个同心圆，并将 图纸剪成直径为da的圆形轮坯。 将圆形纸片（轮坯）放在展成仪的托盘 1上，使二者圆心重合，然后用压环 10和螺钉9将纸片夹紧在托盘上。 将展成仪上的齿条5的中线与滑架3上的标尺刻度零线对准（此时齿条刀具 的分度线应与圆形纸片上所画的分度圆相切）。 将滑架3推至左（或右）极限位置，用削尖的铅笔在圆形纸片（代表被加工 轮坯）上画下齿条刀具5的齿廓在该位置上的投影线（代表齿条刀具插齿加

14、工每次 切削所形成的痕迹）。然后将滑架向右（或左）移动一个很小的距离，此时通过啮 合传动带动托盘1也相应转过一个小角度，再将齿条刀具的齿廓在该位置上的投影 线画在圆形纸片上。连续重复上述工作，绘出齿条刀具的齿廓在各个位置上的投影 线，这些投影线的包络线即为被加工齿轮的渐开线齿廓。 按上述方法，绘出23个完整的齿形，如图4-2所示。图4-2标准渐形线齿轮齿廓的展成过程（2）展成正变位齿轮 根据所用展成仪的参数，计算出不发生根切现象时的最小变位系数 Xmin。然 后确定变位系数X（ XXmin），计算变位齿轮的齿顶圆直径da和齿根圆直径df（ da 和df由指导教师计算）。 在另一张图纸上，分别以

15、da、df、db和分度圆直径d画出四个同心圆，并 将图纸剪成直径为da的圆形轮坯。 同展成标准齿轮步骤。 将齿条5向离开齿坯中心O的方向移动一段距离xm。 同展成标准齿轮步骤。 同展成标准齿轮步骤，绘出的齿廓如图 4-3所示。图4-3正变位渐形线齿轮齿廓的展成过程五、注意事项（1）本实验最好选用模数较大（m15mm ）而分度圆较小的展成仪，使齿数 z 10，以便在展成标准齿轮齿廓时能观察到较为明显的根切现象。（2）代表轮坯的纸片应有一定厚度（用 70g以上纸），纸面应平整无明显翘 曲，以防在实验过程中顶在齿条5的齿顶部。为了节约实验时间与纸片，亦可将标 准齿轮与变位齿轮的轮坯以直径为界画在同一

16、张纸上使用。（3）轮坯纸片装在托盘1上时应固定可靠，在实验过程中不得随意松开或重 新固定，否则可能导致实验失败。（4）在做实验步骤时，应自始至终将滑架从一个极限位沿一个方向逐渐推 动直到画出所需的全部齿廓，不得来回推动以免展成仪啮合间隙影响实验结果的精 确性。六、思考题（1）产生根切现象的原因是什么？如何避免？2）齿廓曲线是否全是渐开线？3）变位后齿轮的哪些尺寸不变？轮齿尺寸将发生什么变化？实验三、减速器的拆装、实验目的（1）通过对减速器的拆装与观察，了解减速器的整体结构、功能及设计布局。（2）通过减速器的结构分析，了解其如何满足功能要求和强度、刚度要求、 工艺（加工与装配）要求及润滑与密封等

17、要求。（3）通过对减速器中某轴系部件的拆装与分析，了解轴上零件的定位方式、 轴系与箱体的定位方式、轴承及其间隙调整方法、密封装置等；观察与分析轴的工 艺结构。（4）通过对不同类型减速器的分析比较，加深对机械零、部件结构设计的感 性认识，为机械零、部件设计打下基础。二、实验设备和工具（1）拆装用减速器 单级直齿圆柱齿轮减速器，两级直齿圆柱齿轮减速器， 锥齿轮减速器，蜗杆减速器（下置式）。（2） 观察、比较用减速器单级斜齿圆柱齿轮减速器，两级斜齿圆柱齿轮减 速器，蜗杆减速器（上置式），摆线针轮行星减速器。（3）活动扳手、手锤、铜棒、钢直尺、铅丝、轴承拆卸器、游标卡尺、百分 表及表架。（4）煤油若干

18、量、油盘若干只。三、减速器的类型与结构减速器是一种由封闭在箱体内的齿轮、蜗杆蜗轮等传动零件组成的传动装置， 装在原动机和工作机之间用来改变轴的转速和转矩，以适应工作机的需要。由于减 速器结构紧凑、传动效率高、使用维护方便，因而在工业中应用广泛。减速器常见类型有以下三种：圆柱齿轮减速器、锥齿轮减速器和蜗杆减速器， 分别见图5-1 a、b、c所示。1一一 i|,一F1 i 1I _ xII|- 1厂a）单级圆柱齿轮减速器b）锥齿轮减速器c）下置式蜗杆减速器图5-1减速器的类型在圆柱齿轮减速器中，按齿轮传动级数可分为单级、两级和多级。蜗杆减速器 又可分为蜗杆上置式和蜗杆下置式两级和两级以上的减速器的

19、传动布置形式有展开式、分流式和同轴式三种形 式，分别见实5-2图a、b、c所示。展开式用于载荷平稳的场合，分流式用于变载荷的场合，同轴式用于原动机与工作机同轴的特殊的工作场合40a）展开式Xb）分流式c）同轴式盖；5吊耳；6吊钩；7 箱座；8 油标尺;9 油塞；10 油沟；11定位销图5-3单级圆柱齿轮减速器结构图5-2减速器传动布置形式减速器的结构随其类型和要求的不同而异，一般由齿轮、轴、轴承、箱体和附 件等组成。图5-3为单级圆柱齿轮减速器的结构图。箱体为剖分式结构，由箱盖和箱座 组成，剖分面通过齿轮轴线平面。箱体应 有足够的强度和刚度，除适当的壁厚外， 还要在轴承座孔处设加强肋以增加支承

20、 刚度。一般先将箱盖与箱座的剖分面加 工平整，合拢后用螺栓联接并以定位销 定位，找正后加工轴承孔。对支承同一 轴的轴承孔应一次镗出。装配时，在剖 分面上不允许用垫片，否则将不能保证 轴承孔的圆度误差在允许范围内。箱盖与箱座用一组螺栓联接。为保 证轴承孔的联接刚度，轴承座 图安装螺栓处做出凸台，并使轴承座孔 两侧联接螺栓尽量靠近轴承座 孔。安装螺栓的凸台处应留有扳手空 间。为便于箱盖与箱座加工及安装定位，在剖分面的长度方向两端各有一个定位 圆锥销。箱盖上设有窥视孔，以便观察齿轮或蜗杆蜗轮的啮合情况。窥视孔盖上 装有通气器，使箱体内外气压平衡，否则易造成漏油。为便于拆卸箱盖，其上装 有起盖螺钉。为

21、拆卸方便，箱盖上设有吊耳或吊环螺钉。为搬运整台减速器，在 箱座上铸有吊钩。箱座上设有油标尺用来检查箱内油池的油面高度。最低处有放油油塞，以便排 净污油和清洗箱体内腔底部。 箱座与基座用地脚螺栓联接， 地脚螺栓孔端制成沉孔， 并留出扳手空间。四、减速器的润滑与密封减速器的润滑主要指齿轮与轴承的润滑，其润滑方式及润滑剂的选择见课本相 关章节。减速器需密封的部位很多， 可根据不同的工作条件和使用要求选择不同的密封 结构。轴伸出端的密封和轴承靠箱体内侧的密封见课本相关章节。箱体接合面的密 封通常于装配时在箱体接合面上涂密封胶或水玻璃。五、实验步骤（1）观察减速器外部结构，判断传动级数、输入轴、输出轴及

22、安装方式。（2）观察减速器的外形与箱体附件，了解附件的功能、结构特点和位置，测 出外廓尺寸、中心距、中心高。（3）测定轴承的轴向间隙。固定好百分表，用手推动轴至一端，然后再推动 轴至另一端，百分表所指示出的量值差即是轴承轴向间隙的大小。（4）拧下箱盖和箱座联接螺栓，拧下端盖螺钉（嵌入式端盖除外），拔出定 位销，借助起盖螺钉打开箱盖。（5）测定齿轮副的侧隙。将一段铅丝插入齿轮间，转动齿轮碾压铅丝，铅丝 变形后的厚度即是齿轮副侧隙的大小，用游标卡尺测量其值。（6）仔细观察箱体剖分面及内部结构、箱体内轴系零部件间相互位置关系， 确定传动方式。数出齿轮齿数并计算传动比，判定斜齿轮或蜗杆的旋向及轴向力、

23、 轴承型号及安装方式。绘制机构传动示意图。（7）取出轴系部件，拆零件并观察分析各零件的作用、结构、周向定位、轴 向定位、间隙调整、润滑、密封等问题。把各零件编号并分类放置。（8）分析轴承内圈与轴的配合，轴承外圈与机座的配合情况。（9）在煤油里清洗各零件。（10）拆、量、观察分析过程结束后，按拆卸的反顺序装配好减速器。六、注意事项（1）减速器拆装过程中，若需搬动，必须按规则用箱座上的吊钩缓吊轻放， 并注意人身安全。（2）拆卸箱盖时应先拆开联接螺钉与定位销，再用起盖螺钉将盖、座分离， 然后利用盖上的吊耳或环首螺钉起吊。拆开的箱盖与箱座应注意保护其结合面，防 止碰坏或擦伤。（3）拆装轴承时须用专用工具，不得用锤子乱敲。无论是拆卸还是装配，均 不得将力施加于外圈上通过滚动体带动内圈，否则将损坏轴