机械设计基础实验

机械原理与机械设计实验指导书青岛大学机械根底实验教学中心前言机械原理课程作为机械类专业的一门主干技术根底课，在培养学生综合设计能力的全局中承当着培养学生机械系统方案创新设计能力的任务；机械设计课程是以一般通用零件的设计为核心的设计性课程，是论述零部件的根本设计理论与方法的技术根底课。机械原理和机械设计课程在机械设计系列课程体系中占有十分重要的地位。《机械原理机械设计实验指导书》是结合“机械原理”、“机械设计”课程的具体要求并根据山东省“高等学校根底课实验教学示范中心建设标准”的要求进行编写的，其主要目的是培养学生掌握典型机械的实验方法，获得实验技能的根本训练和创新能力的培养。本书注重了根本实验、提高型实验、研究创新型三种不同类型实验编写。学生做实验由浅到深、由简到繁的学习过程，使学生能系统的掌握本门课程的理论与实践知识。高等学校的实验室是进行教学和科研的重要基地，是积累科学优势的根底。没有实验手段就不可能出科研成果，就没有科学的进步和开展，任何新知识、新科技、新创造、新成果都离不开实验。通过实验可以培养学生的动手能力、设计能力、创新能力、分析问题和解决问题的能力。以适应当前社会新知识、新技术快速开展的需要。本书可作为高等工科学校机械类专业的实验教材也可供非机类专业可供参考。由于水平所限和编写的时间仓促，贻误之处恳切希望广阔读者指正。目录第一篇机械原理实验第一章实验一机构运动简图的测绘和分析……………………3第二章实验二齿轮范成实验……………………6第三章实验三渐开线直齿圆柱齿轮参数测定…………………11第四章实验四回转构件动平衡实验………………15第五章实验五机构运动创新实验………………20第二篇机械设计实验第六章实验六带传动实验………………………27第七章实验七滑动轴承实验……………………36第八章实验八轴系结构设计实验………………44第九章实验九减速器装拆实验…………………54第一篇机械原理实验第一章实验一机械运动简图的测绘和分析一、实验目的〔1〕学会根据各类机械实物或模型，绘制机械运动简图；〔2〕分析和验证机构自由度，进一步理解机构自由度的概念，掌握机构自由度的计算方法；〔3〕加深对机构结构分析的了解。二、实验设备和工具〔1〕各类典型机构的实物〔如：牛头刨床、缝纫机头等〕；〔2〕各类典型机构的模型〔如：搅拌机、碎石机等〕；〔3〕钢皮尺、内外卡钳、量角器〔根据需要选用〕；〔4〕三角板、铅笔、橡皮、草纸〔自备〕；〔5〕“机构运动简图的绘制”电教片及放像机。三、原理和方法1．原理由于机构运动与机构中所有构件的数目和构件所组成的运动副的数目、类型、相对位置有关，因此，在绘制机构运动简图时，可以撇开构件的形状和运动副的具体构造，而用一些简略的符号〔见教科书或机械设计手册中有关“常用机构和运动副简图符号”的规定〕来代替构件和运动副，并按一定的比例尺表示运动副的相对位置，以此说明机构的运动特征。常用符号例如如表1-1所示。2．方法〔1〕测绘时使被测绘的机构缓慢运动，从原动构件开始仔细观察机构的运动，分清各个运动单元，从而确定机构的构件数目。〔2〕根据相互连接的两构件间的接触情况及相对运动的特点，确定各个运动副的种类。〔3〕在草稿纸上徒手按规定的符号及构件的连接次序，从原动构件开始，逐步画出机构运动简图的草图。用数字1、2、3、……分别标注各构件，用拉丁字母A、B、C……分别标注各运动副。〔4〕测量与机构运动有关的尺寸，即转动副间的中心距和移动副导路的方向等，选定原动件的位置，并按一定的比例尺画成正式的机构运动简图。四、步骤和要求〔1〕绘制指定的几种机器或结构模型的机构运动简图，其中至少有一种需按确定的比例尺绘制。其余的可凭目测，使图与实物大致成比例，这种不按比例尺绘制的简图通常称为机构示意图。〔2〕计算机构自由度数，并将结果与实际机构的自由度相对照，观察计算结果与实际是否相符。〔3〕对上述机构进行结构分析〔高副低代、分类杆组、确定机构级别等〕。五、思考题〔1〕一个正确的“机构运动简图”应能说明那些内容？〔2〕绘制机构运动简图时，原动件的位置为什么可以任意选定？会不会影响简图的正确性？〔3〕机构自由度的计算对测绘机构运动简图有何帮助？表1-1名称符号低副转动副移动副螺旋副高副凸轮副齿轮副构件活动构件机架实验一机构运动简图的测绘和分析报告学生姓名学号组别实验日期成绩指导教师测绘和分析计算编号机构名称自由度级别编号机构名称自由度级别第二章实验二齿轮范成实验一、实验目的〔1〕掌握用范成法加工渐开线齿轮的根本原理；〔2〕了解渐开线齿轮产生根切现象的原因和防止根切的方法；〔3〕了解比拟标准齿轮和变位齿轮的异同点。二、实验仪器和用具〔1〕齿轮范成仪〔2〕圆规〔3〕三角尺〔4〕剪刀〔5〕铅笔〔6〕绘图纸〔直径φ280〕〔除齿轮范成仪外，其余均由学员自备〕三、实验原理和方法运用一对齿轮在啮合时其共轭齿廓互为包络线的原理加工轮齿的方法称为范成法，加工时其中一轮为刀具，另一轮为轮坯，它们保持固定的速比相对转动，完全和一对真正的齿轮在传动一样。同时刀具还沿着轮坯的轴向作往复切削运动。这样所加工出的齿轮的齿廓就是刀具刀刃在各个位置的包络线。虽然在实际加工时，无法看到刀刃形成包络线的过程，但我们可以设法通过齿轮范成仪来反复演示轮坯与刀具间的对滚切削过程。将刀具刀刃在“切削”时曾占有的各个位置用铅笔线记录在绘图纸上，这样我们就能清楚的观察到齿轮范成的过程。实验所用的刀具是齿条刀具，该刀具的齿廓用,模数m=25，齿顶高系数，径向间隙系数。被加工齿轮的齿数z=8，分度圆直径，最大变位量+205，本实验所用范成仪的结构，如图2-1所示：半圆盘1可以绕其固定的中心O转动，在半圆盘的周缘刻有凹槽，槽内绕有钢丝2，两根分别固定在半圆盘及纵拖板3上的a、b和c、d处。纵拖板3那么可在机架4上沿水平方向左右移动，形成齿条与齿轮的啮合运动。做实验时，将画好的齿顶圆、分度圆、基圆与齿根圆的齿坯图纸安装在半圆盘1上。对准中心由压环7压住，并放在齿条〔刀具〕6的下面。旋转螺杆8使横拖板5前后移动，以调整刀具6〔齿条〕中线使与齿轮坯的分度圆相切〔在实验中也可以调整刀具的齿顶线，使与齿轮的齿根圆相切〕。首先将齿轮坯和刀具推到右方的极限位置，并在图纸上用削尖的铅笔描出齿条刀具的齿形，这就相当于刀具在此位置切削一次留下的刀痕。再将齿条刀具由左向右方推过很小一段距离，此时压紧在图2-1圆盘上的图纸将随之转过一定的角度，并用铅笔描出刀具的轮廓形状，就这样断续移动齿条刀具，认真描出刀具在各个位置上的齿形，直到绘出2~3个齿形为止，此为标准齿轮齿廓曲线。图2-1假设需描绘正移距变位齿廓时，只需调整螺杆8后刀具远离齿坯中心，直到刀具齿顶线与变位齿轮的齿根圆相切为止。即可作正移距变位齿轮的齿廓曲线。反之，如将齿条刀具6调近轮坯中心那么可相应地描出负移距变位齿轮的齿廓曲线。四、实验步骤要求绘制一个标准齿轮〔x=0〕和一个变位齿轮〔x≠0〕。1．绘制标准渐开线齿轮〔x=0〕〔1〕计算出齿轮分度圆直径d，基圆直径db和齿顶圆直径da；〔2〕在图纸上绘出齿轮的分度圆、基圆和齿顶圆，并将其装在圆盘上；〔3〕调整齿条刀具的位置，使齿条刀具的中线与初切齿轮的分度圆相切，描绘出2~3齿；〔4〕测量分度圆齿厚s及齿间e，并与计算结果加以比拟。2．绘制变位齿轮〔x>0〕〔1〕算出变位系数x和变位量xm,x的选择应使齿轮没有根切现象；〔2〕计算出齿轮的分度圆直径d，基圆直径db和齿顶圆直径da；〔3〕在图纸上绘出分度圆、基圆、齿顶圆并将其装夹在圆盘上；〔4〕调整齿条刀具的位置，使齿条刀具的中线离开被切齿轮的分度圆，并相距xm的距离，绘出2~3个齿。〔5〕测量分度圆齿厚s及齿间e，并与计算结果比拟。3．绘制x<0的变位齿轮〔选作〕五、思考题〔1〕齿条刀具的齿顶高和齿根高为什么都等于？〔2〕用范成法加工齿轮时，轮廓曲线是如何形成的？〔3〕试比拟标准齿轮与变位齿轮的齿形有什么不同，并分析其原因。实验二齿轮范成实验报告学生姓名学号组别实验日期成绩指导教师一、切削刀具的主要参数模数m=齿顶高系数齿形角=径向间隙系数二、计算数据a、标准齿轮序号项目公式及计算数值1分度圆直径2基圆直径3齿顶圆直径4分度圆齿厚b、变位齿轮序号项目公式及计算数值1变位系数=2齿条刀变位量3分度圆直径4基圆直径5齿顶圆直径=6分度圆齿厚x>0的变位齿轮和标准齿轮在齿轮参数上的比拟序号项目异同变动结果1齿顶圆的直径da2模数m3齿根圆的直径df4分度圆直径d5分度圆上的齿厚s6分度圆上的齿槽宽e7分度圆上的周节p8刀具齿形角三、齿轮范成图〔附图〕四、心得和体会注：“异同”一栏填“异”或“同”字即可；“变动结果”栏填“增”、“减”、“相同”即可；“增”即表示变位齿轮上的尺寸比标准齿轮上尺寸增大〔其余类推〕。第三章实验三渐开线直齿圆柱齿轮参数的测定一、实验目的〔1〕掌握应用游标卡尺测定渐开线直齿圆柱齿轮根本参数的方法；〔2〕通过测量和计算，熟练掌握有关齿轮各几何参数之间的相互关系和渐开线性质的知识。二、实验设备和工具〔1〕齿轮一对〔齿数为奇数和偶数各一个〕；〔2〕游标卡尺〔游标读数值不大于㎜〕；〔3〕渐开线函数表〔自备〕；〔4〕计算工具〔自备〕。三、原理和方法单个渐开线直齿圆柱齿轮的根本参数有：齿数z、模数m、齿顶高系数、分度圆压力角、变位系数x；一对渐开线直齿圆柱齿轮啮合的根本参数有：啮合角′、顶隙系数、中心距a。本实验是用游标卡尺来测量轮齿，并通过计算得出一对直齿圆柱齿轮的根本参数。其原理和方法如下：图3-11．确定齿轮的模数m和压力角图3-1标准直齿圆柱齿轮公法线长度的计算如下：如图3-1所示，假设卡尺跨n个齿，其公法线长度为同理,假设卡尺跨n+1个齿,其公法线长度那么应为所以〔3-1〕又因所以〔3-2〕式中为齿轮基圆周节，它由测量得到的公法线长和代入〔3-1〕求得。可能是15也可能是20，故分别用15和20代入式〔3-2〕算出两个模数，取其模数最接近标准值的一组m和，即为所求齿轮的模数和压力角。为了使卡尺的两个卡角能保证与齿廓的渐开线局部相切，所需的跨齿数n按下式计算〔3-3〕或直接由下表查出z12～1819～2728～3637～4546～5455～6364～72n12345672．确定齿轮的变位系数x根据基圆的齿厚公式：得(3-4)式中可由以上公法线长度公式求得，即：(3-5)将式(3-5)代入(3-4)即可求出变位系数x.。3．确定齿轮的齿顶高系数和顶隙系数根据齿轮齿根高的计算公式：〔3-6〕又〔3-7〕式〔3-6〕中齿根圆直径可用游标卡尺测定，因此可求出齿根高。在式〔3-7〕中仅和未知，由于不同齿制的和均为标准值，故分别用正常齿制=1，=0.8,=0.3两组标准值代入，符合式〔3-6〕的一组即为所求的值。4．确定一对互相啮合的齿轮的啮合角´和中心距a一对互相啮合的齿轮，用上述方法分别确定其模数m、压力角和变位系数、后，可用下式计算啮合角和中心距a：〔3-8〕〔3-9〕实验时，可用游标卡尺直接测定这对齿轮的中心距a´，测定方法如图3-2所示。首先使该对齿轮做无齿侧间隙啮合，然后分别测量齿轮的孔径、及尺寸b，由此得图3-2〔3-10〕图3-2四、步骤和要求〔1〕直接数齿轮的齿数z；〔2〕由式〔3-3〕计算或查表得测量时卡尺的跨齿数n；〔3〕测量公法线长度和及齿根圆直径、中心距a´、读数精确到。注意每个尺寸应测量三次，记入实验报告附表，取其平均值作为测量结果；〔4〕逐个计算齿轮的参数，记入实验报告附表。最后将计算的中心距与实测的中心距进行比拟。五、思考题〔1〕通过两个齿轮的参数测定，试判别该对齿轮能否互相啮合。如能，那么进一步判别它们的传动类型是什么？〔2〕在测量齿根圆直径时，对齿数为奇数和偶数的齿轮在测量方法上有什么不同？〔3〕测量齿轮公法线长度是根据渐开线的什么性质？实验三渐开线直齿圆柱齿轮参数的测定实验报告学生姓名学号组别实验日期成绩指导教师参数测定与计算齿轮编号测量数据齿数z跨齿数n测量次数123平均值123平均值n齿公法线n+1齿公法线孔径尺寸b中心距a´计算数据基圆周节模数m压力角齿顶高系数顶隙系数基圆齿厚分度圆直径d变位系数x啮合角´中心距a中心距的相对误差第四章实验四回转构件动平衡实验一、实验目的稳固回转构件动平衡的根本原理，掌握补偿式动平衡机的根本原理和操作方法。二、设备和工具〔1〕框架式动平衡机及其附件、试件；〔2〕平衡重量、螺钉、螺母和橡皮泥；〔3〕游标卡尺、磁力千分表架及百分表；〔4〕扳手、螺丝刀。三、实验原理和方法由回转构件动平衡原理可知，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T′和T"内，回转半径分别为r0′和r0"的两个不平衡重量G0′和G0"所产生，如图4-1所示。因此进行动平衡实验时，便可以不管被平衡构件的实际不平衡重量所在位置及其大小如何，只需要根据构件实际外形的许可，选择两回转平面作为校正平面T′和T"，且把不平衡重量看作处于该两平衡平面中的G0′和G0"，然后针对r0′G0′和r0"G0"进行平衡就可以到达目的。图4-1本实验采用框架式机械动平衡试验机，如图4-2所示。下面介绍其工作原理，主要说明双面校正使回转件到达这一根本概念的具体应用，及其利用补偿重径积法测定两平衡校正平面中的不平衡重径积的根本方法。图示框架1经弹簧2与固定的底座3相联，它只能绕OX轴线摆动，构成一个震动系统。框架上装有主轴4，由固定在底座上的电动机14通过传动带和带盘12驱动。主轴4上装有螺旋齿轮6，它和齿轮5齿数相等且互相啮合。齿轮6还可沿主轴4移动，移动的最大距离和它的轴向宽度相等，比齿轮5的节圆周长要长，因此调节手轮18使齿轮6从左极限位置移到右极限位置时，齿轮5以及和它相固定的轴9能随之回转一周以上。借此调整9与主轴4的相对转角c，即调节补偿重量位置的指示角，c的大小由指针15指示。圆盘7固定在轴9上，通过调节手轮17可以使圆盘8沿轴9上下移动，以调节补偿力偶大小的两圆盘间的距离Lc，Lc的大小由指针16指示。图4-1图4-2被平衡的回转件10放在两个滚动支承13上，通过挠性联轴器11由主轴4带动。此时试件不平衡重量可以看成在两平衡校正平面T′和T上两个不平衡重量G0和G0所产生。平衡时可先令平衡平面T通过摆架的振摆轴线OX，如图4-2所示。当回转件转动后，T面上的不平衡重量G0的离心力P0对轴线OX的力矩为零，不引起框架的振动；而平衡校正平面T0上的G0′的离心力P0′对振摆轴线OX形成力矩M0，使框架发生振动，其大小为图4-2M0=P0′Lcos为了测量出T′面上的不平衡重量大小和相位，加上一补偿重径积Gcrc使产生一个补偿力矩，即在圆盘7和8上各装一个平衡重量Gc，其重心都与轴线相距rc，但相位差为1800，当马达旋转后，其主轴4带动齿轮6、5，因而圆盘7、8也旋转，这时Gc的离心力Pc就构成一力偶矩PcLc，它对于轴线OX的分量为Mc也影响框架的振动，其大小为按合力矩定理，框架绕轴振动时所受的合力矩为：式中Mc的转向从图示轴OX的箭头处向O点看为顺时针方向，故按力学规定取负值。如M=0，那么框架静止不动。此时，或满足上式的条件应为：〔4-1〕〔4-2〕〔4-1〕〔4-2〕在平衡机的补偿位置中，Gc、rc是的，试件的两平衡校正平面是预先选定的，因而两平衡校正平面的距离L也是的，因此〔4-1〕式可以写成：G0′r0′=ALc〔4-3〕其中测量另一个平衡校正平面T"上的不平衡重径积，只需将试件调头使平面T´通过OX轴，测量方法与上述相同。为了便于观察和提高测量精度，在框架1上装有重块19，移动19，即改变整个振动系统的自振频率使框架接近共振状态，即振幅放大。通过调节手轮17和18，使框架静止不动，读出Lc和c的数值。由公式〔4-3〕既可计算不平衡重径积的大小，中选定加平衡重量的回转半径rp′后平衡重量Gp′的大小为：其相位可以这样来确定：停车后，使指针15转到图中与OX轴垂直的虚线位置，此时Gp′的位置就在平面T′内回转中心的铅直上方。四、实验步骤〔1〕记录Lc的零点及本实验的系数A。〔A数值标注在马达上〕。〔2〕起动电动机使试件回转，注意试件一端的联轴节应与皮带轮顺着转动方向靠好，防止起动冲击。〔3〕移动重块19，使框架振幅最大〔此步骤实验前已调整完毕〕。〔4〕加补偿力矩，先调节手轮17，使Lc有一些读数，这时框架振动，然后调节手轮18，观察指针20，由于试件与圆盘转速相等，故M0与Mc变化频率相等，当调节c=0+1800时，Mc与M0相同，两力矩正向叠加，框架振幅最大，当调节到c=0时，两力矩反向叠加，框架振幅最小，这时不平衡重量的相位已经根本找到，再继续调节手轮17即改变Lc，如此反复调整数次直到指针20不动，此时框架振动消失。〔5〕停车、读出Lc，c的数值，计算不平衡重径积的大小。〔6〕再根据你所确定的不平衡重量，试件校正后再开车，观察平衡效果〔此时Lc必须调到零值的初始位置〕。五、思考题〔1〕动平衡试验法适合哪些类型的试件？试件经过动平衡后是否满足静平衡要求？〔2〕为什么动平衡要在垂直于轴线的两端平衡面上分别进行平衡？〔3〕当试件的一个平面已被平衡后欲平衡第二个平面时，是否仍一定要使第一个平面通过框架的振摆轴线？为什么？实验四回转构件的动平衡实验报告学生姓名学号组别实验日期成绩指导教师一、数据的记录与计算项目单位数量已知GcrcLr0测定Lc计算G0观察c二、答复思考题第五章实验五机构运动创新实验一、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性；〔2〕训练学生的工程实践动手能力；〔3〕培养学生创新意识及综合设计能力。二、实验设备及工具〔1〕机构运动创新方案实验台〔共8台〕；〔2〕可供在实验台上实现各种设计方案的各种零件及组件；〔3〕六角扳手、活动扳手、卷尺等。三、实验原理任何机构都是由自由度为零的假设干杆组依次连接到原动件〔或已经形成的简单机构〕和机架上的方法所组成。学生根据预定的系统要求，完成机构系统方案，初步设计后，利用该装置提供的零件或组件，在实验台上实现自己的设计方案，并用减速电机驱动运行，以检验方案的合理性与可行性。四、杆组的概念、正确拆分杆组及拼装机构1．杆组的概念任何机构中都包含原动件、机架和从动件系统三局部。由于机架的自由度为零，一般每个原动件的自由度为1，而平面机构具有确定运动的条件是机构的原动件数目与机构的自由度数目相等，所以，从动件系统的自由度必然为零。机构的从动件一般还可以进一步分解成假设干个不可再分的自由度为零的构件组合，这种组合成为根本杆组。图5-1对于只含低副的平面机构，假设杆组中有n个活动构件、pL个低副，因杆组自由度为零，故有图5-1或为保证n和pL均为整数，n只能取2，4，6，…等偶数。根据n的取值不同，杆组可分为以下情况。〔1〕两个构件和三个低副构成的杆组称Ⅱ级组，如图5-1所示。〔2〕四个构件和六个低副组成的杆组称Ⅲ级组，如图5-2所示。图5-22．机构的组成原理图5-2任何平面机构均可以用假设干个根本杆组依次联接到原动件和机架上去的方法来组成。这是本实验的根本原理。3．正确拆分杆组〔1〕先去掉机构中的局部自由度和虚约束，有时还要将高副加以低代；〔2〕计算机构的自由度，确定原动件；〔3〕从远离原动件的一端先试拆分Ⅱ级杆组，假设拆不出Ⅱ级组时，再试拆Ⅲ级组，即由最低级别向高一级杆组依次拆分，最后剩下原动件和机架。五、实验步骤〔1〕根据实验设备及工具的内容介绍，熟悉实验设备的硬件组成及零件的功用；〔2〕自拟机构运动方案或选择实验指导书中提供的运动方案为拼装实验内容；〔3〕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，并用图示之；〔4〕拼装机构运动方案，从举例中选择一个。六、举例说明1．自动车床送料机构结构说明：图5-3所示，自动车床送料机构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，通过连杆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。l1l1图5-32．铸锭送料机构结构说明：如图5-4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〕送到下一工序。图5-4工作特点：图中实线位置为加热炉铸锭进入装料器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把铸锭卸放到下一工序的位置。例如：加热炉出料设备、加工机械的上料设备等。图5-43．转动导杆与凸轮放大升程机构结构说明：图5-5所示，曲柄1为主动件，凸轮3和导杆2固联。图5-5A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图5-5A4．冲压送料机构图5-6结构说明：图5-6所示，1—2—3—4—5—9组成导杆摇杆滑块冲压机构，由1—8—7—6—9组成齿轮凸轮送料机构。冲压机构是在导杆机构的根底上，串联一个摇杆滑块机构组合而成的。图5-6工作特点：导杆机构按给定的行程速度变化系数设计，它和摇杆滑块机构组合可到达工作段几近于匀速的要求。适中选择导路位置，可使工作段压力角较小。按机构运动循环图确定凸轮工作角和从动件运动规律，那么机构可在预定时间将工件送至待加工位置.。5．插床的插削机构结构说明：图5-7所示，在ABC摆动导杆机构的摆杆BC反向延长的D点上加二级杆组连杆4和滑块5，成为六杆机构。在滑块5固接插刀，该机构可作为插床的插削机构。图5-7工作特点：主动曲柄AB匀速转动，滑块5在垂直AC的导路上往复移动，具有较大急回特性。改变ED连杆的长度，滑块5可获得不同的运动规律。图5-76．曲柄滑块机构与齿轮齿条机构的组合图5-8结构说明：图5-8所示机构由偏置曲柄滑块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。图5-8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〕，故采用此种机构可实现行程放大。七、思考题〔1〕何为机构创新方案？〔2〕你设计或选择机构系统方案在实验台上组装后是否合理？〔3〕你设计的方案可用几种形式来组装，最后能否到达设计要求？实验五机构运动创新实验报告学生姓名学号组别实验日期成绩指导教师一、绘制实际拼装的机构运动方案简图，并在简图中标注实际测得构件尺寸。二、简要说明机构杆组拆组过程，并画出所拆杆组简图。三、答复思考题第二篇机械设计实验第六章实验六带传动实验一、实验目的本实验配有专用多媒体软件，学生可利用计算机在软件界面说明文件的指导下，独立的进行实验，培养学生的实际动手能力。〔1〕观察带传动中的弹性滑动和打滑现象以及它们与带传递的载荷之间的关系；〔2〕测定弹性滑动率和带传动效率与所传递的载荷之间的关系，绘制带传动弹性滑动曲线和效率曲线；〔3〕了解带传动实验台的工作原理与扭矩、转速的测量方法。二、实验台简介皮带传动实验台主要结构如图6-1所示。图6-1皮带传动实验台主要结构图1、电机移动底板2、法码3、传感器4、弹性测力杆5、主动电动机6、平皮带7、光电测速装置8、发电机9、电子加载10、机壳11、操纵面板1．主要结构及工作原理本实验台可进行皮带传动滑差率和效率曲线的测定。其电动机为直流无级调速，采用先进的调速电路，测速方式为红外线光电测速；皮带轮转速和扭矩可直接在面板上准确读取，也可输出到计算机中进行测试分析。〔1〕该实验传动系统由主动直流伺服电动机5装在滑座上，可沿滑座滑动，电机轴上装有主动轮，通过平皮带带动从动轮，从动轮装在直流伺服发电机8的轴上。在发电机的输出电路上，并联了八个灯泡〔每个灯泡40瓦〕，作为带传动的加载装置〔可手动或计算机加载控制〕。砝码2通过钢丝绳、定滑轮拉紧滑座，从而使带张紧，并保证一定的初拉力。开启灯泡，以改变发电机的负载电阻增大，带的受力增大，两边拉力差也增大，带的弹性滑动逐步增加。当带传递的载荷刚好到达所能传递的最大有效圆周力时带开始打滑，当负载继续增加时那么完全打滑。〔2〕测量系统测量系统由光电测速装置和测扭矩装置两局部组成。A、两电机后端装有红外线光电测速装置和测速转盘7，主、从动皮带轮转速可直接在计算机上或在面板各自的数码管上读取，并传到计算机中进行处理分析。B、主动轮的扭矩T1和从动轮扭矩T2均通过电机外壳来测定。电动机5和发电机8的外壳支撑在支座的滚动轴承中，并可绕与转子相重合的轴线摆动。当电动机启动和发电机负载后，由于定子磁场和转子磁场的相互作用，电动机的外壳将向转子旋转的反向倾倒，发电机的外壳将向转子旋转的同向倾倒，它们的倾倒力矩可分别通过固定在定子外壳上的测力计所得的力矩来平衡。B型实验台可直接在面板11各自的数码管上读取，并传到计算机中进行处理分析；A型实验台可在各自的测力计读数并通过扭矩公式进行计算。主动轮上扭矩：T1=Q1K1L1〔N·从动轮上扭矩：T2=Q2K2L2〔N·传动的有效拉力：F=2T1/D1〔N〕〔3〕式中Q1、Q2——测力计上百分表的读数K1、K2——测力计标定值〔〕L1、L2——测力计的力臂(L1=L2=120mm〕带传动的效率：η=〔T2·n2〕/〔T1·n1〕·100%〔4〕弹性滑动率：ε=〔n1–n2〕/n1·100%〔5〕2．主要技术参数直流电动机功率：355W发电机额定功率：355W调速范围：50～1500rpm最大负载转速下降率：≤5%初拉力最大值为：3杠杆测力臂长度：L1=L2=120mm〔L1、L2—电动机中心至测力杆支点的长度〕皮带轮直径：D1=D2=120mm测力计标定值：K1=K2百分表精度为：测量范围为：0～10mm实验台总重量：453．电气装置工作原理皮带传动实验台面板布置图如图6-2所示。3451267图6-2皮带传动实验台面板布置图1、电流开关2、转速调节3、电动机转速显示4、发电机转速显示5、发电机负载6、加载按钮7、减载按钮该仪器的转速控制由两局部组成：一局部为由脉冲宽度调制原理所设计的直流电机调速电源；另一局部为电动机和发电机各自的转速测量电路及显示电路以及各自的红外线传感器电路。〔1〕调速电源能输出电动机和发电机励磁电压，还能输出电动机所需的电枢电压，调节板面上“调速”旋钮，即可获得不同的电枢电压，也就改变了电动机的转速，通过皮带的作用，也就同时改变了发电机的转速，使发电机输出不同的功率。发电机的电枢端最多可并接八个40W灯泡用为负载，改变面板上A~H的开关状态，即可改变发电机的负载量。〔2〕转速测量及显示电路有左、右两组LED数码管，分别显示电动机和发电机的转速。在单片机的程序控制下，可分别完成“复位”、“查看”和“存储”功能，以及同时完成“测量”功能。通电后，该电路自动开始工作，个位右下方的小数点亮，即表示电路正在检测并计算电动机和发电机的转速。通电后或检测过程中，一旦发现测速显示不正常或需要重新启动测速时，可按“复位”键。当需要存储记忆所测到的转速时，可按“存储”键，一共可存储记忆最后存储的10个数据。如果按“查看”键，即可查看前一次存储的数据，再按可再继续向前查看。在“存储”和“查看”操作后，如需继续测量，可按“测量”键，这样就可以同时测量电动机和发电机的转速。三、实验内容〔1〕皮带传动滑动曲线和效率曲线的测量绘制：该实验装置采用压力传感器和A/D采集并转换成主动带轮和从动带轮的驱动力矩和阻力矩数据，采用角位移传感器和A/D板采集并转换成主、从动带轮的转数。最后输入计算机进行处理作出滑动曲线和效率曲线。使学生了解带传动的弹性滑动和打滑对传动效率的影响。〔2〕皮带传动运动模拟：该实验装置配置的计算机软件，在输入实测主、从动带轮的转数后，通过模计算作出带传动运动模拟，可清楚观察带传动的弹性滑动和打滑现象。四、软件界面操作说明1．皮带传动实验台软件封面皮带传动实验台软件封面如图6-3所示。图6-3软件封面2．皮带传动实验说明界面在封面上非文字区单击左键，即可进入皮带传动实验说明界面，如图6-4所示。图6-4说明界面[实验]：单击此键，进入皮带传动实验分析界面。[关闭音乐]：单击此键，音乐关闭，同时[关闭音乐]变为[翻开音乐]；反之，单击[翻开音乐]，音乐翻开，[翻开音乐]变为[关闭音乐]。[说明]：单击此键，弹出皮带传动实验说明框。[返回]：单击此键，返回皮带传动实验台软件封面。[退出]：单击此键，结束程序的运行，返回WINDOWS界面。3．皮带传动实验分析界面皮带传动实验分析界面如图6-5所示，各控制键说明如下：图6-5实验分析界面[运动模拟]：单击此健，可以清楚观察皮带传动的运动和弹性滑动及打滑现象。[稳定测试]：单击此键，稳定记录显示皮带传动的实测结果。[实测曲线]：单击此键，显示皮带传动的滑动曲线和效率曲线。[关闭音乐]：单击此键，音乐关闭，同时[关闭音乐]变为[翻开音乐]；反之，单击音乐翻开，同时[翻开音乐]变为[关闭音乐]。[说明]：单击此键，弹出皮带传动实验说明框。[打印]：单击此键，弹出打印对话筐，将皮带传动滑动曲线和效率曲线打印出来或保存为文件。[返回]：单击此键，返回皮带传动实验说明界面。[退出]：单击此键，结束程序的运行，返回WINDOWS界面。五、实验步骤1．B型实验台〔1〕翻开计算机，单击“皮带传动”图标，进入皮带传动的封面。单击左键，进入皮带传动实验说明界面；〔2〕在皮带传动实验说明界面下方单击“实验”键，进入皮带传动实验分析界面；〔3〕启动实验台的电动机，待皮带传动运转平稳后，可进行皮带传动实验；〔4〕在皮带传动实验分析界面下方单击“运动模拟”键，观察皮带传动的运动和弹性滑动及打滑现象；〔5〕单击“加载”键，可对灯泡组加载，每加载一次可增加5%的灯泡组负荷功率。每采集一次数据，时间间隔5-10秒钟；〔6〕数据稳定后，单击“稳定测试”键，稳定记录显示皮带传动的实测数据；〔7〕重复实验步骤5和6直至皮带打滑，结束测试；〔8〕如果实验效果不够理想，可单击“重做实验”即可从第五步开始重做实验；〔9〕单击“实测曲线”键，显示皮带传动滑动曲线和效率曲线；〔10〕如果要打印皮带传动滑动曲线和效率曲线。在该界面下方单击“打印”键，即可打印出该曲线图；〔11〕如果实验结束，单击“退出”，返回Windows界面。2．A型实验台：〔1〕接通电源，实验台的指示灯亮，检查一下测力计的测力杆是否处于平衡状态，假设不平衡那么调整到平衡。〔2〕加砝码3kg，使皮带具有初拉力。〔3〕慢慢地沿顺时针方向旋转按扭，使电机从开始运转加速到n=1000转/分左右，在没加负载的情况下，记录n、Q、Q一组数据。〔4〕翻开一个灯泡〔即加载40W〕记录n、n、Q、Q一组数据，注意此时n和n之间的差值，即观察带的弹性滑动现象。〔5〕逐渐增加负载〔即每次翻开一个40瓦的灯泡〕，重复第4步，直到ε≧3%左右，即圆2上的A点，带传动开始进入打滑状态。假设再翻开灯泡增加载荷，那么n和n之差值迅速增大。〔6〕添写实验报告中的各项数据，绘制弹性滑动曲线和效率曲线图。六、实验操作考前须知〔1〕通电前的准备a.面板上调速旋钮逆时针旋到底〔转速最底〕位置，连接地线。b.加上一定的法码使皮带张紧。〔或3kg〕c.断开发电机所有负载。〔2〕通电后，电动机和发电机转速显示的四位数码管亮。〔3〕调节调速旋钮，使电动机和发电机有一定的转速，测速电路可同时测出它们的转速。实验六带传动实验报告实验名称实验日期成绩姓名班级学号一．实验设备与实验条件实验机型号：实验条件：带类型及型号：带轮直径：测力杆臂长：实验数据记录与处理序名号称Q〔N〕Q〔N〕n〔rpm〕n〔rpm〕△n〔rpm〕TN﹒mmTN﹒mmF〔N〕η〔%〕ε〔%〕1234567891011121314151617181920绘制效率曲线和滑动曲线η〔%〕ε〔%〕0F四．分析思考题1．带传动的效率与哪些因素有关？为什么？带传动的滑动系数与哪些因素有关？为什么？引起弹性滑动的原因是什么？能否防止弹性滑动？〔能、不能〕引起打滑的原因是什么？防止打滑的措施是什么？第七章实验七滑动轴承实验一、实验目的该实验台用于机械设计中液体动压滑动轴承实验。主要用来观察滑动轴承的结构、测量其径向油膜压力分布、测定其摩擦特性曲线。使用该实验系统可以方便地完成以下实验：〔1〕观察滑动轴承的动压油膜形成过程与现象。〔2〕滑动轴承油膜压力周向与轴向分布的测试分析。〔ZCS—Ⅱ型包括仿真分析〕〔3〕测定和绘制滑动轴承周向与轴向油膜压力分布曲线。〔4〕了解滑动轴承的摩擦系数的测量方法和摩擦特性曲线的绘制方法。〔5〕了解滑动轴承实验其他重要参数的测定。二、实验系统与工作原理1．实验系统组成轴承实验系统如图7-1所示。ZCS-ZCS-Ⅰ轴承实验台7路径向油压表工作载荷传感器摩擦力矩传感器主轴转速传感器XC-Ⅰ轴承实验仪工作载荷显示摩擦力矩显示主轴转速显示7-1滑动轴承实验系统框图轴承实验系统由以下设备组成：〔1〕ZCS—Ⅰ液体动压轴承实验台的机械结构。〔2〕油压表—共7个，用于测量轴瓦上径向油膜压力分布值。〔3〕工作载荷传感器—为应变力传感器、测量外加载荷值。〔4〕摩擦力矩传感器—为应变力传感器、测量在油膜粘力作用下轴与轴瓦间产生磨擦力矩。〔5〕转速传感器—为霍尔磁电式传感器、测量主轴转速。〔6〕液体动压轴承实验仪—以单片微机为主体、完成对工作载荷传感器，磨擦力矩〔7〕传感器及转速传感器信号采集，处理并将结果由LED数码管显示出来。如果是ZCS—Ⅱ型实验台，上图的显示结果可由数据采集器—计算机—CRT显示器显示。2．工作原理实验台结构如图7-2所示，该实验台主轴7由两高精度的单列向心球轴承支撑。直流电机1通过三角带2传动到主轴7，主轴顺时针转动，主轴上装有精密加工的轴瓦5由装在底座上的无机调速器12实现主轴的无机变化，轴的转速由装在试验台上的霍尔转速传感器测出并显示。主轴瓦5外圆被加载装置〔末画〕压住，旋转加载杆即可方便地对轴瓦加载，加载力大小由工作载荷传感器6测出，由测试仪面板上显示。主轴瓦上还装有测力杆L，在主轴回转过程中，主轴与主轴瓦之间的摩擦力矩由摩擦力矩传感器测出，并在测试仪面板上显示，由此算出摩擦系数。主轴瓦前端装有7只测量径向压力的油压表4，油的进口在轴瓦的1/2处。由油压表可读出轴与轴瓦之间径向平面内相应点的油膜压力，由此可绘制出径向油膜压力分布曲线。1—直流电机2—三角带3—摩擦力矩传感器4—油压表5—主轴瓦6—工作载荷传感器7—主轴9—油槽10—底座12—无级调速器图7-2实验台结构示意图3．主要技术参数轴瓦内直径：d=70mm长度L=125mm加载传感器量程：W=0~2000N〔200kg〕压力传感器量程：0~1MPa油压表量程0~1MPa轴调速范围：0~500rpm摩擦力传感器量程：50N直流电机功率：400W4．XC—Ⅰ液体动压轴承实验仪XC—Ⅰ液体动压轴承实验仪正面图如图7-3所示。XC—Ⅰ液体动压轴承实验仪转速〔r/m〕工作载荷〔N〕摩擦力矩〔Nm〕清零清零电源电源*复位键在轴承实验仪后面图7-3轴承实验仪正面图实验仪箱体内附设有单片机、承当检测、数据处理、信息记忆、自动数字显示及传递等功能。5．实验操作步骤实验操作需知：〔1〕在开电机转速之前请确认为空载，即要求先开转速在加载。〔2〕在一次实验结束后马上又要重新开始实验时请用轴瓦上端的螺栓旋入顶起轴瓦将油膜先放干净，确保下次实验数据准确。〔3〕由于油膜形成需要一小段时间，所以在开机实验或在变化载荷或转速后请待其稳定后再采集数据。ZCS—Ⅰ型实验台操作步骤：〔1〕在松开螺旋加载杆的状态下，启动电机并慢慢将主轴转速调整到300转/分左右。〔2〕慢慢转动螺旋加载杆，同时观察实验仪面板上的工作载荷显示窗口，一般应加载1500N左右。〔3〕待各压力表的压力值稳定后，由左至右依次记录各压力表的压力值〔7块表〕。〔4〕当载荷不变，逐级降低转速〔250、200、150、100、80、60、40、30、20r/min〕，每改变一级转速记录一次各点压力值。也可转速不变，逐级降低载荷。〔5〕测量摩擦系数，如图7-2所示，在轴瓦中心引出一摩擦力矩传感器3，用以测量轴承工作时的摩擦力矩，进而换算得摩擦系数值。径向滑动轴承的摩擦系数随轴承的特性系数λ=ηn/p值而改变。〔如图7-4所示〕η—油的动力黏度n—轴的转速p—压力p=W/BdW—轴上的载荷图7-4B—轴瓦的宽度〔B=125mm〕图7-4d—轴的直径〔d=70mm〕在边界摩擦时，f随ηn/p的增大而变化很小〔由于n值很小，建议用手慢慢转动轴〕，进入混合摩擦后ηn/p的改变引起f的急剧变化，在刚形成液体摩擦时f到达最小值，此后，随ηn/p的增大油膜厚度亦随之增大，因而f亦有所增大。如图7-5所示，摩擦系数f之值可通过测量轴承的摩擦力矩而得到，轴转动时，轴对轴瓦产生周向摩擦力F，其摩擦力矩为F·d/2，它供轴瓦5翻转，其翻转力矩通过固定在实验台底座的摩擦力矩传感器测出并经过以下计算可得摩擦系数f之值。根据力矩平衡条件得：F·d/2=LQ∑F=F1+F2+F3+F4+…摩擦力之和Q—作用在摩擦力矩传感器上的反作用力L—测力杆的长度〔L=120mm〕W—工作载荷在实验仪上读出ƒ==图7-5轴径圆周外表摩擦力分析f—摩擦系数图7-5轴径圆周外表摩擦力分析LQ—由摩擦力矩传感器测得，在实验仪上读出。〔6〕关机，待实验数据记录完毕后，先松开螺旋加载杆，并旋动调整电位器使电机转速为零，关闭实验台及实验仪电源。〔7〕绘制周向油膜压力分布曲线与承载曲线①根据测出的各压力值按一定比例绘制出油压分布曲线与承载曲线，其具体画法是：沿着圆周外表从左到右画出角度分别为30、50、70、90、110、130、150等分别得出油孔点1、2、3、4、5、6、7的位置。通过这些点与圆心O连线，在各连线的延长线上压力表〔比例：0.1MP=5mm〕测出的压力值画出压力线1—1'，2—2'，3—3'，……，7—7'。将1'，2'，3'，……，7'各点连成光滑曲线。②为了确定轴承的承载量，用P1sinΦ1〔Ⅰ=1、2、…7〕求得向量1—1'，2—2'，3—3'，……，7—7'在载荷方向〔即y轴的投影值。角度Φ1与sinΦ1的数值见下表〕Φ130507090110130150sinΦ10．5000．7660．93971．000．93970．7660．500然后将P1sinΦ1这些平行于y轴的向量移到直径0—8上。为清楚起见，将直径0—8平移到〔图五〕的下部，在直径0—8上先画出轴承外表上油孔位置的投影点1、2…8，然后通过这些点画出上述相应的各点压力在载荷方向的分量，即1″、2″、3″、…7″等点将各点平滑连接起来，所形成的曲线即为在载荷方向的压力分布。图7-6油膜压力分布ZCS—Ⅱ型实验台系统软件操作步骤：1．油膜压力仿真与测试实验用ZCS—Ⅱ型实验台时，首先进入主窗体1，选择通讯口COM1或者COM2，确定机构工作稳定后点击按键│数据采集│将数据采集进来〔总共12个数据，7个油膜压力值，1个外加载荷值，1个转速值和1个计算摩擦力矩的压力值〕。当数据采集完成后就可以进行油膜压力分析了，点击│实测曲线│作出测得的7个压力值曲线；点击│理论曲线│作出理论压力曲线，可对两者进行比拟。同时也可手动改变7点压力值的大小或载荷、转速值再观察曲线的变化。点击按键│结果显示│会将相应的结果值显示在结果显示框中。2．摩擦特性仿真与测试进入主窗体2，同样首先选择通讯口COM1或COM2。在摩擦特性实验中同样有实测实验和仿真实验两局部。在实验模式│⊙理论模拟│或│○实测实验│中选择相应操作状态。“实测实验”模式将从实验台采集进的数据发送到软件数据显示列表中，点击│实测曲线│作出摩擦系数实测曲线。〔屡次采集〕在曲线显示窗口，纵坐标显示的均为摩擦系数，横坐标由操作模式决定│○载荷固定│或│⊙速度固定│，假设选择速度固定那么以载荷值为横坐标，反之那么以速度为横坐标。实验七滑动轴承实验报告实验名称实验日期成绩姓名班级学号一．实验设备与实验条件1．实验机型号2．实验条件实验轴承直径：=实验轴承长度：=润滑油牌号：二．实验数据记录序号n〔r/min〕W〔N〕压力表值/MPa备注123456781234567891011121314151617181920三．实验数据处理1．轴承周向油膜压力曲线与承载曲线轴承周向油膜压力曲线与承载曲线2．轴承摩擦特性曲线序号n〔r/min〕W〔N〕p〔N/mm〕η〔Pa·s〕λ=ηn/pf=2LQ/Wd123456789101112131415n为主轴转速；W为工作载荷；p压力；η油的动力粘度；λ摩擦特性系数；f摩擦系数3．绘制摩擦特性曲线图摩擦特性曲线四．心得与建议第八章实验八轴系结构设计实验一、实验目的〔1〕熟悉并掌握轴系结构设计中有关轴的结构设计、轴承组合设计的根本方法。〔2〕了解轴的加工工艺和轴上零件的装配工艺。二、实验设备1．组合式轴系结构设计分析实验箱实验箱提供能进行减速器圆柱齿轮轴系、小圆锥齿轮轴系及蜗杆轴系结构设计实验的全套零件。2．测量及绘图工具300㎜钢板尺、游标卡尺、内外卡钳、铅笔、三角板等〔自备〕。三、实验内容与要求1．指导老师根据表8-1选择性安排每组的实验内容〔实验题号〕表8-1实验内容实验题号已知条件齿轮类型载荷转速其他条件示意图1小直齿轮轻低2中高3大直齿轮中低4重中5小斜齿轮轻中6中高7大斜齿轮中中8重低9小锥齿轮轻低锥齿轮轴10中高锥齿轮与轴分开11蜗杆轻低发热量小12重中发热量大2．进行轴的结构设计与滚动轴承装置的组合设计每组学生根据实验题号〔如：1、3、5、8等〕的要求，进行轴系结构设计，解决轴承类型选择、轴上零件的固定和拆装、轴承间隙的调整、润滑与密封等问题。3．绘制轴承装置结构装配图。4．每人编写实验报告一份。四、实验步骤〔1〕明确实验内容，理解设计要求；〔2〕复习有关轴承装置设计的内容与方法〔参看教材有关章节〕；〔3〕构思轴系结构方案①根据齿轮类型选择滚动轴承型号；②确定支承轴向固定方式〔两端固定：一端固定、一端游动〕；③根据齿轮圆周速度〔高、中、低〕确定轴承润滑方式〔脂润滑、油润滑〕；④选择端盖形式〔凸缘式、嵌入式〕并考虑透盖处密封方式〔毡圈、皮碗、油沟〕；⑤考虑轴上零件的定位与固定，轴承间隙调整等问题；⑥绘制轴系结构方案示意图。4．组装轴系部件根据轴系结构方案，从实验箱中选取适宜零件并组装成轴系部件，检查所设计组装的轴系结构是否正确。5．绘制轴承装置结构草图。6．测量零件结构尺寸〔箱体零件不用测量〕，并作好记录。7．将所有零件放入实验箱内的规定位置，交还所借工具。8．根据结构草图及测量数据，在3号图纸上用1：1比例绘制轴系结构装配图，要求装配关系表达正确，注明必要尺寸〔如支承跨距、齿轮直径与宽度、主要配合尺寸〕，填写标题栏和明细表。9．写出实验报告。序号类别零件代号零件名称件数序号类别零件代号零件名称件数1234齿轮类ZJ-01-01直齿轮121-04-06透盖1-01-02斜齿轮122-04-07透盖1-01-03锥齿轮123支座ZJ-05-01支座2-01-04蜗杆124-05-02套杯1567轴类ZJ-02-01轴125套杯类-05-03套杯1-02-02锥齿轮轴126-05-04套杯1-02-03轴：27-05-05套杯189101112131415套筒类ZJ-03-01挡油环228轴轴承2052-03-02轴套129承轴承72052-03-03轴套130联接件类4-03-04轴套131GB31-76螺栓M8×181-03-05调整环232螺栓M8×304-03-06隔套133GB810-76小圆螺母N181-03-07定位套134GB97-761-03-08隔套13511617181920端盖类ZJ-04-01闷盖136GB1096-79键8×7×321-04-02透盖137GB1096-79键8×7×201-04-03闷