机械基础实验

机械基础实验

训练一机构运动简图测绘.......................................3

训练二齿轮范成原理...........................................6

实验三动平衡实验.............................................9

实验四速度波动调节实验.......................................12

实验五机构创意组合实验.......................................17

实验六平面机构创新设计及运动测试分析实验.....................18

实验七平面机构设计及运动仿真分析实验.........................19

实验八螺栓联接静动态实验.....................................21

实验九螺旋传动效率实验.......................................25

实验十带传动实验.............................................29

实验十一液体动压轴承实验.....................................31

实验十二机械传动性能综合测试实验.............................37

实验十三滚动轴承综合性能测试分析实验.........................41

实验十四机械传动设计及多轴搭接实验...........................43

实验十五减速器拆装实验.......................................45

绪论

机械基础课（工程制图、机械设计基础、制造工程学等）是实践性与理论性

均很强的课程，实验教学不能依附于理论教学,但是更不能与理论教学完全脱节,

实验教学务必以理论教学为基础，以培养学生综合实践能力与开拓创新能力为目

的。我们按照从机械认识、机械设计到机械研究创新的认识规律，构建了以学生

自我训练为主，培养高素养创新人才的更为宽广与开放的“五个层次”实验课程

体系：引导认知、基本训练、基础实验、综合实验与创新实践。将工程制图、机

械设计基础、制造工程学等课程的实验教学环节融为一体。

“五个层次”实验课程体系架构如下:

几何体认知、机械进展与未来认知

引导认知机械原理认知、机械设计认知

机械创新设计认知

构形设计与绘图、计算机绘图室

基本训练机构运动简图测绘

齿轮范成原理

动平衡实验

基础实验速度波动调节实验

带传动实验，液体动压轴承实验

r（包含综合性、设计性与研究创新性实验项目）

机械传动方案综合及性能分析实验

平面机构创新设计及运动测试分析实验

机构创意组合实验，螺纹传动综合性能分析实验

综合实验机械传动设计及多轴搭接实验

滚动轴承组合设计及综合性能分析实验

静态与动态螺栓联接综合实验

平面机构设计及运动仿真分析实验

减速箱结构分析及装拆实验

创新实践--------学生机械创新设计作品制作

“五个层次”的实验作为一个有机的整体，又各具相对独立的系统与明确的

目标：

(1)引导认知——在学习机械基础课程之前设置的“启蒙作业”：通过实

物与模型的动态展示，让学生得到有关机械设计与创新的“启蒙教育"。

(2)基本训练一一机械创新设计必不可少的基本技能的训练：通过构形设

计与绘图一计算机绘图一机构运动简图测绘等项目的训练，培养学生空间想像能

力、构形能力、图形表达能力，机构综合能力，为机械创新设计打下坚实的基础。

(3)基础实验一一机械系统基本原理、基本实验方法的初步剖析：让学生

通过基础实验掌握机械系统基本原理、基本实验方法，培养学生工程实践能力、

分析问题与解决问题的能力。

(4)综合实验一一综合设计能力与开拓创新能力培养的提升性实验：机械

创新设计是综合性很强的实践活动，包含机电液的综合、方案与结构的设计、功

能与结构研究创新，按综合性一设计性一研究创新性的机械创新设计过程，由我

中心实验教师自行设计了一组以学生自我训练为主、培养高素养创新人才的综合

性、设计性与研究创新性实验项目，培养学生综合设计能力，开拓创新能力，分

析问题与解决问题的能力。

(5)创新实践一一创新实验教学的蒋蕾工程：根据以学生为主体、以实现

学生自我训练为主、重视学生个性进展、习惯高素养创新人才培养的实验教学模

式，通过让学生根据自己的特长与兴趣，进行机械创新设计制作，并参加各类大

奖赛。培养学生综合设计能力，工程实践能力，开拓创新能力，提出问题与解

决问题的能力。

根据“五个层次”实验课程体系与机械类机械设计基础实验教学的要求，编

写了这本习惯高素养创新人才培养的《机械基础实验》教材。其内容涵盖基本训

练、基础实验与综合实验。

由于时间仓促，本教材还有许多不足之处尚未弥补，如有疏漏的地方，望请

指正。

训练一机构运动简图测绘

一、训练目的：

1.掌握对实际机械或者模型的机构运动简图测绘的基本技能。

2.熟悉机构运动简图与实际机械结构的区别，加深与巩固机构自由度计算

等理论知识。

二、训练工具

1.机构模型一组、钢尺一把等；

2.草稿纸、铅笔等（自备）。

三、训练要求：

1.实验前，认真预习教材及有关参考资料，弄清机构运动简图、机构示意

图的概念及绘制机构运动简图时的注意事项。

2.每人测绘四个机构简图，（其中两个机构运动简图，二个机构示意图）。

要求包含四连杆机构、齿轮机构、凸轮机构等，其中至少有一个根据实

物绘制的简图。

3.每人完成一份实验报告（运动简图、机构自由度计算、体会与建议等）。

四、原理及方法：

机构运动简图是反映机构运动情况的简单图形，由于机构运动情况仅与机构

中的构件数及其所构成的各运动副的数目、种类、相对位置有关。因此，在绘制

机构运动简图时，能够撇开构件的复杂外形与运动副的具体结构，而用简单的线

条与规定符号来代替构件、运动副，并按一定的比例尺定出运动副的相对位置，

这样绘制的图形叫做机构运动简图。机构运动简图与原机构具有完全相同的运动

特征，它不仅能够简明地表示机构的运动情况，而且还能够根据该图对机构进行

运动及动力分析。

不按比例绘出的图形称之机构结构简图或者机构示意图，它只能定性研究机

构的某些运动特性。下面以平面机构为例说明机构运动简图测绘的步骤及方

法。

五、训练步骤：

在绘制机构运动简图时，要把该机构的实际构造与运动情况搞清晰，首先要

定出其运动输入（原动）部分与运动输出（工作）部分，然后再沿着运动传递的

路线，把运动输入与输出之间各个传动部分搞清晰，这样才能正确绘出机构运动

简图。下面我们以图1一1（a）所示偏心轮机构模型为例，进行机构运动简图

的测绘及机构自由度计算。

会3?朴4-4田

1.认清构成机构的构件数。

测绘时，缓慢转动手柄使机构运动，注意观察机构中什么构件是活动构件，

哪个构件是固定构件，哪个是运动输入构件，哪个是运动输出构件，并逐一编排

构件序号。如图2—1中所示1、2、3、4等。

2.推断各构件间构成的运动副的性质及种类与数目。

缓慢转动手柄，根据相联两构件的接触及相对运动情况，确定各个运动副的

性质与种类。如偏心轮2与固定构件1是圆柱面接触，其相对运动是绕A点转

动，故构件2与构件1在A点构成转动副；同样构件3与构件2在偏心轮2上B

点、滑块4与构件3在销轴中心C点构成转动副；滑块4沿固定构件1的方向x

-x移动，故滑块4与构件1构成移动副。此机构有三个转动副与一个移动副，

共有四个低副。

3.选择视图面绘出机构示意图。

选择视图面的原则是以与大多数构件运动平面相平行的平面作为视图面。

在草稿纸上首先定出与机架构成运动副的大致位置，然后按规定的符号及构

件的联接次序徒手画出机构示意图。关于构成转动副的构件，不管事实上际形状

如何，都只用两转动副之间的连线代表，比如AB代表构件2,BC代表构件3。

关于构成移动副的构件，不管其截面形状如何，通常用滑块或者导杆表示，比如

滑快4代表构件4,并通过滑快上转动副C的中心线x-x代表构件4与构件1

相对移动的方向线。机架打斜线表示，如构件1。原动件上打箭头表示，如构件

2o关于构成高副的构件，也务必按照表1—1中规定的符号表示（或者画出接触

处两运动副元素的实际形状来表示）。

4.计算自由度并校核计算结果是否正确

由机构自由度的计算公式可得：

,,

F=3n-（2pf+p/,-p）-F=3x3-（2x4+0-0）-0=l

根据计算所得机构自由度F=l,该机构只有一个原动件即偏心轮，因此机构

的原动件数与自由度数相等。该机构具有确定的运动。若计算机的自由度与原动

件数不符时，务必检查所绘制的简图或者机构自由度计算是否有误，直至计算结

果符合实际情况。

5.测量机构的运动学尺寸并按比例绘机构运动简图。

认真测量机构的有关运动学尺寸（如转动副的中心距、移动副方向线、线间

的夹角等），如测量AB杆、BC杆的长度、滑快4的移动方向线x—x至转动副

A的距离。将数据记录好，然后选择恰当的长度比例尺山（m/mm），按比例画出

机构运动简图（图l-lb）.

构件的实际长度（m）

二一简图上所画的构件长度（mm）

6.绘制机构运动简图，完成实验报告。

六、课外训练作业

1.试绘制2-3个牛头刨模型或者实物的机构运动简图，并进行机构结构分析;

2.试绘制2-3个油泵模型或者实物的机构运动简图，并进行机构结构分析；

3.试绘制2-3个其他机构模型或者实物的机构运动简图，并进行机构结构分

析。

训练二齿轮范成原理

一、训练目的

1、掌握用范成法加工渐开线齿轮齿廓的基本原理，观察齿廓形成的过程；

2、熟悉渐开线齿廓产生根切现象、原因及避免根切的方法，建立变位齿轮概

念；

3、要求认真观察插齿机插齿的范成原理及范成过程；

3、比较标准齿轮与变位的异同点，分析熟悉它们的齿形变化及各参数的关系。

二、训练工具

1.插齿机、齿轮范成仪；

2.范成齿廓的齿轮毛坯的图纸；

3.学生自备：计算器、圆规、削尖的铅笔、三角板、橡皮擦及小刀等物。

三、训练要求

1.每组一人，绘制标准齿轮与变位齿轮的齿廓图各一张；齿廓图要求至少有

两个以上完整的齿廓曲线

2.每人一份实验报告。

四、原理及方法

范成法是利用一对齿轮啮合时，其共挽齿廓互为包络线的原理来加工齿轮。

加工时，其中一轮为刀具，另一轮为毛坯，毛坯与刀具之间仍然保持固定速比的

传动，它们的对滚运动如同一对互相啮合的齿轮的运动，同时刀具还沿毛坯轴向

作切削运动，这样加工所得到的齿轮的齿廓曲线就是刀具的刀刃在各个位置的包

络线。若用渐开线作为刀具的齿廓曲线，则包络线亦必为渐开线。由于在实际加

工时，看不到刀刃在各个位置形成包络线的过程，故通过齿轮范成仪来实现毛坯

与刀具之间的形成过程。

为了保证毛坯与齿条刀具的固定速比的传动，也就要求毛坯的（即转动的齿

轮圆盘）分度圆与齿条刀具的节线相切、齿条刀具的移动速度与毛坯分度圆的圆

周速度相等。在齿条刀具上并标有范成标准齿轮时两条对“零”的刻度线。

切制标准齿轮时，应使齿条刀具的分度线（中线）与齿轮毛坯的分度圆相切,

即齿条刀具准确对“零”刻度线，这就能够利用范成仪来加工一个标准齿轮的图

形。

齿轮加工示意图

切制变位齿轮时，应使齿条刀具的分度线（中线）向前或者向后平行移动一

段距离xm（x为变位系数、m为加工齿轮时刀具的模数）。即齿条刀具的刀顶线

与变位齿轮毛坯的齿根圆相切并留下铅笔所画的位置。这样能够加工一个变位齿

轮的图形。

刀具的齿顶线若超出极限啮合点Ni时齿廓的齿根部位产生了根切，齿根己

切好的渐开线齿廓被切去一部分，这种现象就称之根切现象。为了避免根切现象,

使齿条刀具的分度线（中线）向后（远离齿轮毛坯中心）平行移动一段距离xm,

使刀具的齿顶线不超出极限啮合点Ni就能够，作一个正变位齿轮的范成实验。

取移距值要适宜，当移距值超过一定极限时，齿顶会变尖。（通常齿顶圆的齿厚

应保证在0.25m~0.4m）o

齿轮不产生根切的最小变位系数的计算公式：

Xmin=（Zinin-Z）ha/Zinine0

因此，只需将齿条刀具平行向齿轮毛坯齿顶部移动距离不小于x*m,这样加

工出来的变位齿轮可避免根切现象。

五、训练步骤

1.根据已知的刀具基本参数a、m、％*、C*与被加工齿轮的分度圆直径，计

算出被加工的标准齿轮的齿数、基园、齿根圆及齿顶圆的直径。

2.拧下范成仪齿轮上的压板，将毛坯图纸的中心与范成仪的中心重合，然后

将压板拧紧。

3.调节刀具的中线，使与被加工齿轮的分度圆相切（或者调节刀具的齿顶线,

使与毛坯的齿根圆相切），如今，刀具处在切制标准齿轮的位置上。

4.开始“切制”齿廓时，马上所有的准备工作都做好了，如今将齿条刀与毛

坯作纯滚动的移动到一端，然后向另一端走刀（移动），移动的距离不要太大，

太大了会使渐开线出现不圆滑，造成产品报废现象，标准移动距离为不使渐开线

出现毛刺为宜。当移动了一个不大的距离使齿条刀刃切入毛坯齿顶圆时，用削尖

的铅笔描下刀具刀刃的位置，直到形成两个完整的轮齿齿廓，刀具走到另一端不

能再走为止。

5.用标准渐开线齿廓检验所绘得的渐开线齿廓，观察有无根切现象。如有根

切，分析其原因。观察刀具的齿顶线是否超过极限啮合点N,若超过了，就会产

生根切。

6.计算正变位齿轮的基园，齿根圆及齿顶圆的直径；重新调整刀具，使刀具

离开毛坯的分度圆，即向毛坯的齿顶部移动一段距离Xminm,这时刀具的齿顶线

与变位齿轮的根圆相切。按2、4步骤切制变位齿轮的轮齿齿廓。

7.全部加工完时，取下图纸，观察标准齿廓与变位齿廓有什么异同点并按要

求写出实验报告。

实验三动平衡实验

一.实验目的

1.巩固与验证刚性回转件动平衡理论与方法；

2.掌握动平衡实验台的工作原理与操作方法；

3.掌握平衡精度的基本概念

二.设备与工具

1.通用电测回转件动平衡机。

2.普通天平与平衡质量（橡皮泥）。

三.实验要求

每2-3人一组，每人完成一份实验报告。

四.实验原理及方法

质量分布不在同一回转达面内的回转构件，其不平衡都能够认为是在两个任

选回转面内，由矢量半径分别为F'与F"的两个不平衡质量m。'与m"产

生。因此只需针对m。'与mJ进行平衡就能够达到回转构件动平衡的目的。本

实验就是使用通用电测回转件动平衡机，分别测定所选平衡校正面内相应的不平

衡质径积mJr。'与m。"r。"的大小与相位，并加以校正，最后达一所要求的平

衡。

<

图1

如图1所示动平衡机要紧由机架、转子、驱动机构与测量系统四部分构成。

转子通过一对弹性构件悬挂或者支撑在机架上，能在垂直于试件转动轴线的水平

方向自由摆动。实验时转子通过联轴器，传动带由电动机驱动作自由转动。转子

的不平衡质径所产生的离心惯性力迫使试件架往复摆动。传感器直接安装在试件

架上。当转子往复摆动时，传感器就输出一周期信号，此信号送入测量系统进行

测量。

图2：电器操纵操纵面板

五.动平衡机实验步骤：

1.打开电源，启动电机，使转子回转。

2.将输入“衰减器”开关指向XI档，若电表超过满刻度，则将开关顺次转

向高衰减档位，以减弱信号输入。

3.“左、右”开关指向右，即接通了支架右端传感器，此电表读示右端不平衡。

假如开关指向左，即接通了转子左端传感器，如今电表读数表示左端的不平衡值。

4.“重、轻”：开关指向重，表示相位角度指示处要加配重，开关指向轻，

表示相位角度指示处要减少重量。

5.“转速、相位”开关，指向转速，表示“相位转速显示”是显示转速；若本

开关转向相位，表示“相位转速显示”是相位。

6.“电表”的读数反映了要加减平衡配重的相对大小。

7.停机，分别在“相位转速显示”的相位处加（减）平衡配重。

8.再启动动平衡机，若所对应的端面的电表读数都减小，但没有达到预定要

求，说明所加平衡配重不够。这样重复几次，直要达到预定的要求，如今平衡结

束。

实验四速度波动调节实验

一.实验目的：

1.通过机械系统动力学调速实验，观察机械的周期性波动现象，并掌握利用

飞轮进行速度波动调节的原理与方法；

2.通过利用传感器、工控机等先进的实验技术手段进行实验操作，训练掌握

现代化的实验测试手段与方法，增强工程实践能力；

3.通过进行实验结果与理论数据的比较，分析误差产生的原因增强工程意识,

树立正确的设计理念。

二.实验要求

每2-3人一组，每人完成一份实验报告。

三.实验台使用说明：

I.基本参数

被测机构为曲柄滑动机构，如图1所示：

各杆长度：曲柄LAB=50mm;连杆LBC=180mm,曲柄转速m=1325r/min

已知生产阻力为拉伸弹簧，当拉伸长度L时的拉伸阻力F为：

L=5mm,F=Okg；L=10mm,F=5kg；L=15mm,F=15kg。

2.实验内容

(1)曲柄的真实运动仿真：通过数模计算得出真实运动规律，作出曲柄等

效驱动力矩线图、等效阻力矩线图，角速度线图与角加速度线图；进行速度波动

调节计算，得出最大盈亏功Wmax与速度不均匀系数6的值。

(2)曲柄真实运动的实测：通过曲柄上的角位移传感器与A/D转换器进

行采集、转换与处理，并输入计算机显示出实测的曲柄角速度线图与角加速度线

图；与理论角速度线图与角加速度线图分析比较使学生熟悉机构结构对曲柄速度

波动的影响。

(3)分别不装飞轮、在曲柄轴上装大飞轮或者小飞轮，观察并比较它们的

系统运转的不均匀性。

三.实验原理与方法

作用在机械上的驱动力矩与阻力矩是主动件转角6的周期性函数。且在等效

驱动力矩与等效阻力矩及等效转动惯量变化的公共周期(这里均为360。)，驱动

功=阻抗功时，在稳固转动期间主动件的速度(角速度)波动值按周期性波动，

其运转不均匀程度，用运转速度不均匀系数表示，其大小为：

3max-3min

6=3m

3max---------周期中最大角速度；umin------------周期中最小角速度；

3m平均角速度：3=(3max+3min)/2。

所谓机器运转周期性速度波动的调节，其目的就在于减小速度波动，使其达

到机器工作所同意的程度；或者者说，减小机器运转速度不均匀系数6使其不超

过许用值[6]。周期性速度波动的调节方法，是在机器中安装一个具有很大转动

惯量的构件即所谓飞轮，其调速原理简述如下：

在一个周期中最大动能Emax与最小动能Emax之差称之最大盈亏功，以[W]

示之，即：

[W]=Emax-Emin=(1/2)(JO+JF)(wmax2-wmin2)

Jo--------------忽略等效转动惯量中的变量部分机械的等效转动惯量；

JF------飞轮等效转动惯量。

°=3m2(jo+Jf)

因此，当机器等效力矩已给定时，最大盈亏功是一确定值。欲减小3max-3

min的值，可增大等效转动惯量J。或者增大以心机器做好后J。是一个确定值，

故在机器中外加一个转动惯量为JF的飞轮，即可减小3max-3mh来达到调速

的目的

四.实验步骤：

1.打开计算机，单击“速度波动调节”图标，进入速度波动调节试验台软件

系统的封面。单击左键，进入曲柄滑块机构原始参数输入界面。

2.启动实验台电动机，待曲柄滑块机构运转平稳后，测定电动机的功率，填

入参数输入界面的对应参数框内。

3.在曲柄滑块机构原始参数输入界面左下方单击“进入实验”键，进入曲柄

滑块机构的曲柄运动仿真与测试分析界面。

“速度实测”，进行数据采集与传输，显示曲柄实测的角速度，角加速度曲线图。

图2

4.在曲柄滑块的曲柄运动仿真与测试分析界面的左下方单击“等效力矩”键,

等效力矩键变为“速度仿真”，动态显示曲柄滑块机构即时位置与曲柄动态的等

效驱动力矩、等效阻力矩线图，单击“速度仿真”键“速度仿真”键变为“等效

力矩”，动态显示曲柄滑块机构即时位置与曲柄动态的角速度、角加速度曲线图。

单击“速度实测”，进行数据采集与传输，显示曲柄实测的角速度，角加速度曲

线图。

5.假如要打印仿真等效驱动力矩线图、等效阻力矩线图，角速度、角加速度

线图与实测的角速度、角加速度曲线图，在曲柄滑块机构的曲柄运动仿真与测试

分析界面下方，单击“打印”键，打印机自动打印。

6.在曲柄轴上加上大飞轮进行测试；记录实验测试运动曲线；

7.将大飞轮卸下加上小飞轮；记录实验测试运动曲线；

8.不加飞轮测试；记录实验测试运动曲线。

五.问题讨论

1.分析大飞轮与小飞轮调速后传动平稳性的影响？哪一种好？为什么？

2.飞轮调速方法适用于那类机构？

3.平均转速提高后，速度不均匀系数如何变化？

六.软件操作说明（★曲柄滑块机构参数输入界面说明）

1.曲柄滑块机构原始参数说明

A曲柄原始参数

曲柄AB的长度：LAB=0.05m；曲柄质心Si到A点距离：LASI=

0.025m；

2

平衡块的转动惯量：JP=0.00674kgm；

2

飞轮1的转动惯量：JF=0.00657kgm；

2

（未加飞轮）飞轮2的转动惯量：JF=0.00814kgm；

（加小飞轮）飞轮3的转动惯量：JF=0.01336kgm2；

（加大飞轮）曲柄AB的质量（不包含MPI）：Mi=0.253kg；

曲柄AB绕质心Si的转动惯量（不包含）：Jsi=0.000142kgm2o

B连杆原始参数

连杆BC的长度：LBC=0.18m；连杆质心S2到B点距离：LBS2=0.045

连杆BC的质量M2=0.579kg；连杆绕质心S2的转动惯量Jsi=

0.00081kgm20

C滑块原始参数

滑块质量：M3=0.335kg；偏距值（上为正）：e=-0.02m。

D弹簧原始参数

弹簧刚度值：K=1100N/m；弹簧初压值：L=0.01m。

E动力原始参数：

电动机（曲柄）的功率P：可调0~9。3；

电动机（曲柄）的特性系数：G=9.72rpm/Nm；

许用速度不均匀系数6：按机械要求选取；

仿真计算步长D6：按计算精度选取。

2.功能键说明:

［进入实验］:单击此键，进入曲柄运动仿真与测试分析界面;

如要打印仿真等效力矩线图，等效阻力矩线图、角速度、角加速度线图与实

测角速度、角加速度线图，在曲柄滑块机构的曲柄运动仿真与测试界面的下方单

击“打印”。

［关闭音乐］:单击此键,音乐关闭，同时［关闭］音乐变为［打开音乐］;

明］:单击此键,弹出曲柄滑块机构原始参数与界面操作说明框;

［返回］:单击此键,返回主界面;

［退单击此键,结束程序的运行，返回WINDOWS界面。

实验五机构创意组合实验

一、实验目的

1.加深学生对平面机构的构成原理认识，进一步熟悉机构构成及运动特性；

2.训练学生的工程实践动手能力。培养学生创新意识及综合设计的能力。

二、实验设备及工具

1、ZBS—C平面机构创意组合分析测试实验台附件：齿轮、齿条、槽轮、凸轮、

转动轴、连杆、各类连接组合零部件等。

2、装拆工具：十字起子、活动板手、内六角板手、钢板尺、卷尺等。

3.（自备）草稿纸、笔、绘图工具等

三、实验要求

1.每2-3人一组，每一组实验前拟一份机构运动设计方案，实验后提交新设

计方案；

2.完成实验后各组将机械零部件“物还原位”，老师验收后方可离去；

3.每人完成一份实验报告。

四、实验原理及方法

根据平面机构的构成原理：任何平面机构都能够由若干个基本杆组依次联接到

原动件与机架上而构成，故可通过选定的机构类型，拼装该机构并进行分析。

五.实验内容

1.自行到实验室熟悉本实验中的实验装置，各类零部件、装拆工具的功用。

熟悉机构的拼接方法，拟订自己的机构运动方案的拼接步骤；

2.自拟或者课本提供的机构运动方案做为拼接对象；

3.拼接机构，将各基本杆组按运动传递规律顺序拼接到原动件与机架上。

4、绘制运动简图，分析所拼接的平面机构

5.根据平面机构的构成的原理，利用常用的零部件拼接调整，设计一种具有

新型的带发明制造性的组合机构。每一组提交一份机构创新设计方案。

6.最后把组合机构安装在实验平台上，进行测试分析、运动分析、实验结果

分析、拟定这次实验的步骤，并写出实验报告。

实验六平面机构创新设计及运动测试分析实验

一、实验目的

1.加深学生对平面机构的构成原理认识，进一步熟悉机构构成及运动特性；

2.训练学生的工程实践动手能力。培养学生创新意识及综合设计的能力。

二、实验设备及工具

1、ZBS—C平面机构创意组合分析测试实验台附件：齿轮、齿条、槽轮、凸轮、

转动轴、连杆、各类连接组合零部件等。

2、装拆工具：十字起子、活动板手、内六角板手、钢板尺、卷尺等。

3.（自备）草稿纸、笔、绘图工具等

三、实验要求

1.每2-3人一组，每一组实验前拟一份机构运动设计方案，实验后提交新设

计方案；

2.完成实验后各组将机械零部件“物还原位”，老师验收后方可离去；

3.每人完成一份实验报告。

四、实验原理及方法

根据平面机构的构成原理：任何平面机构都能够由若干个基本杆组依次联接到

原动件与机架上而构成，故可通过选定的机构类型，拼装该机构并进行分析。

五.实验内容

1.自行到实验室熟悉本实验中的实验装置，各类零部件、装拆工具的功用。

熟悉机构的拼接方法，拟订自己的机构运动方案的拼接步骤；

2.自拟或者课本提供的机构运动方案做为拼接对象；

3.拼接机构，将各基本杆组按运动传递规律顺序拼接到原动件与机架上。

4、绘制运动简图，分析所拼接的平面机构

5.根据平面机构的构成的原理，利用常用的零部件拼接调整，设计一种具有

新型的带发明制造性的组合机构。每一组提交一份机构创新设计方案。

6.最后把组合机构安装在实验平台上，进行测试分析、运动分析、实验结果

分析、拟定这次实验的步骤，并写出实验报告。

实验七平面机构设计及运动仿真分析实验

一、实验目的

1.以机构及系统设计为主线，以机构系统运动方案设计为重点，培养学掌

握机构运动参数测试的原理与方法。掌握利用运动学、动力学测试结果，重新调

整、设计机构的原理与方法，从而培养学生设计、创新能力。

2.通过本系统的实验，使学生深入熟悉机构结构参数及几何参数对机构

运动及动力性能的影响，从而对机构运动学与动力学（机构平衡、机构真实运动

规律，速度波动调节）有一个完整的认识。

3.实现计算机多媒体交互式教学方式，使学生在计算机多媒体教学课件的

指导下，独立自主地进行实验内容的选择实验台操作及虚拟仿真，培养学生综合

分析能力及独立解决工程实际问题的能力，熟悉现代实验设计、现代测试手段。

二、实验设备及工具

实验台共由三种基本机构构成：四杆机构、曲柄滑块机构与平面凸轮机构。

这些机构的参数均可变化，以达到机构设计的目的。

三、实验要求

1.每2-3人一组，每一组实验前拟一份预习报告；

2.完成实验后，每人完成一份实验报告。

四、实验原理及方法

实验台由电机、传动机构、检测传感口构成，检测传感口包含光珊角位移

传感口及直线位移传感口，每台实验台配有检测系统一套，分析仿真软件一套，

可显示运动轨入构运动轨出的构件的运动变化曲线（速度、位移、加速度）及仿

真曲线。

五、实验内容：

1、四杆机构设计及运动检测仿真与分析。

2、曲柄滑块机构设计及运动检测仿真与分析。

3、基本平面凸轮轮廓设计及运动检测仿真与分析。

实验八螺栓联接静动态实验

一.实验目的

1.熟悉螺栓联接在拧紧过程中各部分的受力情况。

2.计算螺栓相对刚度，并绘制螺栓联接的受力变形图。

3.验证受轴向工作载荷时，预紧螺栓联接的变形规律。

4.通过螺栓动载实验，改变螺栓联接的相对刚度，观察螺栓动应力幅值的变

化，以验证提高螺栓联强度的各项措施。

二.实验设备及工具

1.LZS螺栓联接综合实验台一台，

2.LSD1—A静动态测量仪一台，计算机及专用软件等实验设备及仪器。

3.记录纸、笔等

三.实验内容与要求

1.完成基本螺栓联接静动态实验、增加螺栓刚度时的静动态实验、增加被联

接件刚度时的静动态实验、改用弹性垫片时的静动态实验等内容实验；

2.作好实验数据记录，认真观察实验过程中发生的各类现象与数据变化；

3.遵守实验操作规程，切记接线、开启电源时要注意安全；

4.每2-3人一组，每人一份实验报告。

四.螺栓联接实验台的结构与工作原理（如图1所示）

1.联接部分包含M16空心螺栓、大螺母、垫片构成。空心螺栓贴有测拉力扭

矩两组变应片，分别测量螺栓在拧紧时，所受的预拉力与扭矩。空心螺栓的内孔

中装有M8螺栓，拧紧或者松开其上的手柄，即可改变空心螺栓的实际受载面积,

以达到改变联接件刚度的目的。垫片组由刚性与弹性两种垫片构成。

2.被联接件部分由上板、下板与八角环构成，八角环上贴有应变片，测量被

联接件受力大小，中部有锥形孔，插入或者拔出锥塞即改变八角环受力，以改变

被联接件系统的刚度。

3.加载部分由蜗轮、蜗杆、挺杆与弹簧构成，挺杆上贴有应变片，用以测量

所加工作载荷的大小，蜗杆一端与电机相联，另一端装有手轮，启动电机或者

转动手轮，使挺杆上升或者下降，以达到加载、卸载的目的。

五.实验步骤及方法

（一）实验台及仪器的预调与连接:

1.实验台：取出八角环上两锥塞，松开空心螺栓上M8小螺杆，装上刚性垫

付片，转动手轮使挺杆降下，处于卸载位置。将两块千分表分别安装在表架上，

使表头分别与上板面（靠外侧）与螺栓顶面接触，用以测量联接件（螺栓）与被

联接件的变形量。手拧大螺母至恰好与垫片接触。（预紧初始值）螺栓不应有松

2.测量仪：配套的4根输出线的插头将各点插座连接好，各测点布置：电机

侧八角环上方为螺栓拉力，下方为螺栓扭力。手轮侧八角环上方为八角环压力，

下方为挺杆压力。然后将各测点输出线分别接于测量仪背面1、2、3、4通道的

A、B、C接线端子上。注意黄色地线接B端子（中点）。

3.计算机：用配套的串口数据线接仪器背面的9芯插座，另一端接计算机上

的A/D板接口。启动计算机，按软件使用与说明书要求与步骤操作进入实验台

静态螺栓实验界面后。单击空调零键后对“应变测量值”框中的数据清零，如串

口数据联接无误，则该输入框中会有数据显示并跳动。

4.调节静动态测量仪：通过测量仪上的选择开关，分别切换至各对应点，调

节对应的“电阻平衡”电位器，使数码管为“0”，进行测点的电阻平衡。

(二)实验方法与步骤：

1、螺栓联接静态实验:

⑴用扭力矩扳手预紧被试螺栓，当板手力矩为30~40N时，取下板手，完成

螺栓预紧。

⑵进入静态螺栓界面，将附录表中给定的标定系数由键盘输入到相应的“参

数给定”框中。将千分表测量的螺栓拉变形与八角环压变形值输入到相应的“千

分表值输入"框中。

⑶单击“预紧测试”键，对预紧的数据进行采集与处理。

⑷用手将实验台上的手轮逆时钟(面对手轮)旋转，使挺杆上升到一定高度,

对螺栓轴向加载，加载高度6mm。高度值可通过塞入916mm的测量棒确定,

然后将千分表测到的变形值再次输入到相应的“千分表值输入”框中。

⑸单击“加载测试键”，进行轴向加载的数据采集处理系统；

(6)单击“实测曲线”键，做出螺栓联接对受力与变形的实测综合变形图；

⑺单击“理论曲线”键，做出螺栓联接对受力与变形的理论曲线图形；

(8)单击“打印”键，打印实测曲线图形与理论曲线图形；

(9)完成上述操作后，静态螺栓实验结束，单击“返回”键可返回主界面。

2、螺栓联接动态实验

⑴螺栓联的静态实验结束返回主界面后，单击动态螺栓键，进入动态螺

栓实验界面；

⑵重复静态实验方法与步骤中的3~4步；

⑶取下实验台右侧手轮开启实验台电动机开关，单击“动态测试”键，使

电动机运转30秒左右。进行动态加载工况的采集与处理；

⑷单击“测试曲线”键，做出工作载荷变化时螺栓拉力与八角环压力变化

的实际波形图；

⑸单击“理论曲线”键，做出工作载荷变化时螺栓拉力与八角环压力及工

作载荷变化的理论波形图；

(6)单击“打印”键，打印实测波形图与理论波形图；

⑺完成上述操作后，动态螺栓联接实验结束。

3.实验完毕，关好电源，清理好仪器与实验台。

4.分析实验结果，完成实验报告。

（三）注意事项

1.电机的接线务必正确，电机的旋转方向为逆时钟（面向手轮正面）；

2.进行动态实验开启电机电源开关前，，务必先把手轮卸下来，避免电机转动

时发生安全事故，并可减少实验台振动与噪声；

实验九螺旋传动效率实验

实验目的

螺旋传动是利用螺杆与螺母构成的螺旋副来实现传动要求的。它要紧用于

将回转运动传变为直线运动，同时传递运动与动力。LXL—1型螺旋传动实验台

使用滑动螺旋传动方式，通过LXL操纵相实现螺纹在一定负载下正反运转，并

选配不一致参数的矩形螺纹、梯形螺纹与锯齿螺纹等广泛应用的传动螺纹类型，

运用现代测试手段与自行开发的测试软件，计算与实测相结合而获得给定螺纹参

数与螺纹类型的传动效率，并绘制效率曲线图。

二.实验设备及配件

（-）实验台系统结构

实验台传动系统结构图如下所示：

厂行程开关2-螺旋工作副3-支承座4-转矩转速传感器

5-联轴器6-减速器7-直流电机8-底座

（二）实验台技术指标

1.驱动电机：92瓦直流电机驱动，通过调速电路实现额定转速范围内无

级调速，调速范围：。〜1500转/分;

2.螺纹参数：螺距P=3、4、6；公称直径=30,制造精度8级；

3.测量精度±3%；

（三）LXL操纵箱操作使用说明

操纵箱是整个系统的操纵中心，它向直流电机、传感器、行程开关等元器

件输送不一致的电压。为避免接线错误而导致使用故障，在线路连接接头设计上,

插口与插头对应，互不相同。

操作步骤：

1.按后面板各插口连接电源线及信号线路；

2.接通前面板总电源开关；

3.按下前面板启动按钮；

4.顺时针旋转调速旋钮，逐步调节运行速度。

（四）工作机构装拆方法

实验台每台配备3套类型相同而螺距不一致（螺距P=3、4、6）的螺杆，

测完一套，则更换另一套。通过测得三套数据绘制成曲线。

实验过程中，螺纹装拆步骤是：

1.断开电源；

2.松开左、右支承座前后止动螺钉；

3.卸下载荷（祛码）后，松开蝴蝶螺母并从丝杆母上卸下固定螺杆；

4.用手转动联轴器，使十字联轴器槽口垂直朝上，整体取出螺旋机构；

4.更换螺旋机构。

三、实验程序

（-）螺旋传动效率实验原理

螺纹传动效率是随升角增加、当量摩擦角减小而减小。具体计算方法是：

①运动方向与负载方向相反

火力

71=------

吆（丸+化）

其中：2---升角吆2=

兀d?

J

（pv----当量摩擦角tg（p2=

COSP

n——螺纹线数p——当量摩擦角d2——螺纹中径

f螺纹副摩擦系数；B——螺纹牙斜角

②运动方向与负载方向相同

_tg（A-（pv）

%―

2.测试原理及数据处理

通过扭矩转速传感器适时采集扭矩M与转速n,每次采集五组取平均值,

实测效率的计算按如下公式：

①运动方向与负载方向相反

_电（4一心）

77—

2

2兀M

②运动方向与负载方向相同

2兀Mm

甘r+lA,A/]+A/2+Ms

其中：Mm=」---Z―--------------“

nitl=〃]+〃2+〃3+〃4+〃5F----轴向负荷

（二）.测试指导软件系统操作使用说明

1.输入参数；

2.输入测量值框螺杆轴向负荷（每个祛码5KG）；

3.点击|理论曲线|；

4.卸去载荷；点击|空载测试|；

5.加载后，点击加载测试|。注意观擦数据稳固性，并连测4次，获得被测

螺纹效率，且构成实测曲线中的一个点；

6.更换另外两种同类型不一致螺距的螺纹，按以上步骤测试，获得实测曲

线上另外两个点;

7.点击除制曲线I，程序按测得的三点绘制给定类型不一致升角的效率曲线。

（三）实验台使用过程中的安全'保护及注意事项

为避免实验过程中因使用、保护不当，而产生意外事故或者安全事故，实

验前务必做好下列安全保护工作：

1.行程开关工作状态检查：

（1）检查方法：螺杆转动使螺母作直线滑动，由于滑动距离的限制，螺杆

务必在极限位置时反转。电机正反转是通过一对行程开关来操纵的，因此行程开

关不能失灵。检查办法是：接通操纵箱，螺旋装置工作，用手按下行程开关（行

程开关电压＜24伏）2〜5秒，观察电机是否反转（为避免反转启动过快而烧坏电机,

启动间隔时间设定为2〜5秒）。

（2）故障排除方法：①检查行程开关接线是否松动；②检查行程开关是否

通电（必要时还需检查电压）；③行程开关是否损坏（行程开关故障率为

l/1000000）o

2.加载钢丝锅工作状态检查

螺旋传动工作负荷是由祛码组重量通过钢丝绳施加于螺母而产生的，每个祛

码重5KG,工作负荷要求10KG（即两个祛码）。为避免钢丝因磨损而拉断，实

验教师应定期更换钢丝绳，以免砸伤学生。

3.LXL操纵箱工作状态检查

LXL操纵箱是整个实验台的供电系统，其功能是变压、调速、定时与电机

正反转操纵，工作过程中要留心操纵箱前面板电流、电压表读数是否稳固与过载,

表读数较不稳固时，要予以检查。

4.润滑状态检查

定期给减速器、被测螺旋副加润滑油。

（四）打印曲线，进行结果分析

实验十带传动实验

一、实验目的：

1、观察带传动的弹性滑动与打滑现象

2、观察带传动初拉力对传动能力的影响

3、测绘滑动曲线与效率曲线

二、实验台简介及工作原理

图1

•要紧结构及工作原理

本实验台的电动机为直流无级调速，使用先进的调速电路，测速方式为红外

线光电测速，皮带轮转速与扭矩可直接在面板上准确读取读取，也可输入到计算

机中进行测试分析。

实验台有一主动电机5作驱动使用，它固定在一个以水平方向移动的滑动底

板1上，与从动电机8用一根平皮带6连接，在与滑动底板1相连的法码架上加

上法码2作为预紧力，即可拉紧皮带6。从动电机8作发电机使用，其电枢绕组

两端接上灯泡9作为负载。

当工作运转时，电机定子未固定可转动，其外壳上装有测力杆4,支点压在

压力传感器3上，通过操纵电路可得到电动机与发电机的转矩，其数值可在面板

11上各自的数码管上显示。两电机后端装有光电测速装置7与测速转盘，所测

转速可在面板11上各自的数码管上显示。同样，所测得的转矩与转速也可输送

到计算机、打印机，将数据与变化曲线打印出来，提供分析。

三、实验内容与要求

1.皮带传动滑动曲线与效率曲线的测量绘制：

2.观察与分析带传动的弹性滑动与打滑现象及其对传动效率的影响。

3.每2-3人一组，每人一份实验报告。

四、实验步骤：

1、打开计算机，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、单击“稳固测试”键，稳固记录实时显示的皮带传动实测结果；单击“实

测曲线”键，显示皮带传动滑动曲线与效率曲线。

5、假如要打印皮带传动滑动曲线与效率曲线。在该界面下方单击打印键，打

印机自动打印出皮带传动滑动曲线与效率曲线。

6、假如实验结束，单击退出，返回window界面。

五、实验操作注意事项

1、通电前准备a、b、c请查原稿。

2、通电后，电动机与发电机转速显示的四位数码管亮。

3、调节调旋钮，使电动机与发电机有一定转速，测速电路可同时测出它们的

转速。

4、此后即可按实验指导书的要求操作。

实验十一液体动压轴承实验

一、实验目的：

1.观察滑动轴承在启动过程中的摩擦现象，加深对形成液体动压条件的懂得;

2.熟悉滑动轴承动压油膜的形成过程与现象；

3.熟悉摩擦系数、转速、力的测量方法；测定液体动压轴承摩擦特性曲线，

熟悉滑动轴承摩擦特性，考察影响摩擦系数的因素。

二、实验要求：

1.绘出滑动轴承在一定转速下的径向油压分布曲线；求轴承的承载能力；

2.绘出滑动轴承的确摩擦特性曲线；

三、实验原理：

我们明白动压油膜形成有三个条件，即：①两工作表面务必有锲形间隙；

②两工作表面务必有相对滑动速度（相对速度）其运动方向务必保证润滑油从大

截面流进，从小截面流出；③两工作表面务必连续充满润滑油或者其他粘性液

体。滑动轴承形成动压油膜的过程如下图所示。静止时，轴承与轴颈直接接触,

如图（a）径向间隙△使轴承与轴颈配合面之间形成锲形间隙，其间充满润滑油。

由于润滑油具有粘性与附着于金属表面的特性，因而当轴颈回转时，依靠附着在

轴上的油层带动润滑油挤入锲形间隙。由于通过间隙的油量不变（流体连续条

件），而间隙的截面逐步变小，因此油层中必定产生液体动压力，它力图锲开配

合面以支撑外载荷。当各类参数协调时，液体动压力能使轴中心与轴瓦中心有一

偏距。最小油膜度hmin在轴颈与轴承中心连线上。液体动压力的分布如图（C）

所示。

图1液体动压润滑的过程

当轴刚启动的前一瞬间，轴与轴瓦直接接触，它们之间的摩擦为干性摩擦,

摩擦系数f比较大；随着轴的转动，液体油被带进锲形，如今轴与轴瓦之间的摩

擦为半干摩擦，摩擦系数f相对减小；随着液体油被大量带进轴与轴瓦间，如今

油把轴与轴瓦分隔开来，如今的摩擦为液体摩擦；我们能够画出f--nn/p曲线,

n为油的粘度，n为轴的转速，P为平均单位载荷。

P=——MPa

dB

式中：主轴直彳初为60〃〃律；B：轴瓦宽度，为25mm

〃：为轴的转速W：轴承所承受的外载荷

液体摩擦区

图2

从图中能够看出，当液体润滑油一定（n一定）及外载荷一定时，摩擦系数

的大小与转速大小有关。

四、实验台的结构与工作原理

此实验台由下列几部份构成

1.轴与轴瓦及油膜压力测量装置：

轴10的材料为45号钢，轴颈表面淬火、磨光，通过滚动轴承安装在支座

±0轴下部分泡在润滑油中。轴瓦11的材料为青铜，在轴瓦宽度的中间，沿圆

周均布钻有7个直径为1mm的小孔，每个小孔连接一个压力传感器。压力的大

小能够在面板上读出。

记录下各压力表上的压力值，选定一定的比例尺，便可绘出滑动轴承径向

油膜压力分布曲线。

在轴瓦全长1/4处装有一个测轴向油压传感器4

2.加载装置：

主轴瓦外圆上方有加载装置，旋转加载杆6即可对轴瓦加载，加载大小W

由载荷传感器5传出，在面板上由数码管显示。

3.测摩擦力装置：

摩擦系数是通过测量轴承的摩擦力矩而得到的。轴转动时，轴对轴瓦产生摩

擦力F,其摩擦力矩为Fd/2,其翻转力矩由测力杆在主轴瓦上方某处(装有测力

计)产生的反力矩来平衡。其反力通过摩擦传感器7由面板上相应的数码管显示

出摩擦力值Q(单位：N)o

根据力矩平衡方程条件得：

Fd/2=LQ

贝UF=(2LQ)/d

f=F/W=(2LQ)/(dW)

式中d：轴的直径为70mm

L：测力杆上的测力点到轴承中心的距离，L为140mm

W：作用在轴上的外载荷(N)

4.传动装置：

由直流电动机2通过三角带3传动，驱动主轴顺时针方向转动，由装在底座

里的调速器实现主轴的无级调速.

5.摩擦状态指示装置及动压油膜的形成：

如图4为滑动轴承摩擦状态指示原理图，将轴与轴瓦串联在指示电路中，当轴

没有转动时，轴与轴瓦是接触的，接通电源开关能够看到灯很亮；当轴在很低的

转速下慢慢转动时，灯忽亮忽暗；当轴的转速达到一定值时，灯泡就不亮了，这

时动压油膜已经形成了。

五实验方法：

1.准备工作:

除了保证图4电路中轴与轴瓦之间的直接接触以外，其它部分是绝缘的，轴

瓦不得与机座相接触。

2.绘制轴承径向油膜压力分布曲线与承载量曲线

①启动电机（如今不加外载荷），慢慢调节转速旋扭，观察油膜指示灯的变

化情况，观察润滑油膜的形成过程，将转速调到转/分左右，旋转加载杆6加载

②观擦指示灯泡，看是否形成油膜，当油膜形成以后，压力表稳固时，由

左至右依次记录各压力表的压力值P并记录在下表中

压力表1压力表2压力表3压力表4压力表5压力表6压力表7

压力值

Mpa

（当转速不变，能够改变外载的大小，观察同一压力表值的变化）③非液体

摩擦与液体摩擦状态下的转速n