机械原理课程设计.docx
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机械原理课程设计
目 录
绪论………………………………………………………………………………1
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、创造工程学等)是实践性和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,实验教学必须以理论教学为基础,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,培养高素质创新人才的更为宽广和开放的“五个层次”实验课程体系:
引导认知、基本训练、基础实验、综合实验和创新实践。
将工程制图、机械设计基础、创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、机械发展与未来认知
引导认知 机械原理认知、机械设计认知
机械创新设计认知
构形设计和绘图、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
(包括综合性、设计性和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和明确的目标:
(1)引导认知——在学习机械基础课程之前设置的“启蒙作业”:
通过实物和模型的动态展示,让学生得到有关机械设计与创新的“启蒙教育”。
(2)基本训练——机械创新设计必不可少的基本技能的训练:
通过构形设计和绘图→计算机绘图→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——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、分析问题和解决问题的能力。
(4)综合实验——综合设计能力和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,包括机电液的综合、方案和结构的设计、功能与结构研究创新,按综合性→设计性→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、培养高素质创新人才的综合性、设计性和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,分析问题和解决问题的能力。
(5)创新实践——创新实验教学的蓓蕾工程:
根据以学生为主体、以实现学生自我训练为主、重视学生个性发展、适应高素质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和兴趣,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,提出问题和解决问题的能力。
根据“五个层次”实验课程体系和机械类机械设计基础实验教学的要求,编写了这本适应高素质创新人才培养的《机械基础实验》教材。
其内容涵盖基本训练、基础实验和综合实验。
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.掌握对实际机械或模型的机构运动简图测绘的基本技能。
2.了解机构运动简图与实际机械结构的区别,加深和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)。
要求包括四连杆机构、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组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,可以撇开构件的复杂外形和运动副的具体结构,而用简单的线条和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,它不仅可以简明地表示机构的运动情况,而且还可以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为机构结构简图或机构示意图,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和运动情况搞清楚,首先要定出其运动输入(原动)部分和运动输出(工作)部分,然后再沿着运动传递的路线,把运动输入和输出之间各个传动部分搞清楚,这样才能正确绘出机构运动简图。
下面我们以图1-1(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。
1.认清组成机构的构件数。
测绘时,缓慢转动手柄使机构运动,注意观察机构中哪些构件是活动构件,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.判断各构件间组成的运动副的性质及种类和数目。
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和种类。
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点组成转动副;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点组成转动副;滑块4沿固定构件1的方向x-x移动,故滑块4与构件1组成移动副。
此机构有三个转动副和一个移动副,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组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。
对于组成转动副的构件,不管其实际形状如何,都只用两转动副之间的连线代表,例如AB代表构件2,BC代表构件3。
对于组成移动副的构件,不管其截面形状如何,一般用滑块或导杆表示,例如滑快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2。
对于组成高副的构件,也必须按照表1-1中规定的符号表示(或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:
根据计算所得机构自由度F=1,该机构只有一个原动件即偏心轮,所以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,必须检查所绘制的简图或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。
仔细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μl(m/mm),按比例画出机构运动简图(图1-1b).
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、了解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、要求仔细观察插齿机插齿的范成原理及范成过程;
3、比较标准齿轮和变位的异同点,分析了解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,绘制标准齿轮和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,其共轭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,毛坯和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,这就可以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。
这样可以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N1时齿廓的齿根部位产生了根切,齿根已切好的渐开线齿廓被切去一部分,这种现象就称为根切现象。
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N1就可以,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。
(一般齿顶圆的齿厚应保证在0.25m~0.4m)。
齿轮不产生根切的最小变位系数的计算公式:
xmin=(zmin-z)ha*∕zmin.。
所以,只需将齿条刀具平行向齿轮毛坯齿顶部移动距离不小于xminm,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、ha*、C*和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(或调节刀具的齿顶线,使与毛坯的齿根圆相切),此时,刀具处在切制标准齿轮的位置上。
4.开始“切制”齿廓时,即将所有的准备工作都做好了,此时将齿条刀和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.巩固和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和操作方法;
3.掌握平衡精度的基本概念
二.设备和工具
1.通用电测回转件动平衡机。
2.普通天平和平衡质量(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,其不平衡都可以认为是在两个任选回转面内,由矢量半径分别为ro′和 ro″的两个不平衡质量mo′和m″″产生。
因此只需针对mo′和mo″进行平衡就可以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mo′ro′和mo″ro″的大小和相位,并加以校正,最后达一所要求的平衡。
图1
如图1所示动平衡机主要由机架、转子、驱动机构和测量系统四部分组成。
转子通过一对弹性构件悬挂或支撑在机架上,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。
相位转速显示
μA O
电 表
X2 重 轻 转速 相位
X1 X3 左 右
衰减器
图2:
电器控制操纵面板
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X1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。
如果开关指向左,即接通了转子左端传感器,此时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,此时平衡结束。
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和方法;
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和方法,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:
1.基本参数
被测机构为曲柄滑动机构,如图1所示:
B
n1
A
e C
图1 曲柄滑块机构
各杆长度:
曲柄LAB=50mm; 连杆LBC=180mm, 曲柄转速n1=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=0kg; 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,角速度线图和角加速度线图;进行速度波动调节计算,得出最大盈亏功Wmax和速度不均匀系数δ的值。
(2) 曲柄真实运动的实测:
通过曲柄上的角位移传感器和A/D转换器进行采集、转换和处理,并输入计算机显示出实测的曲柄角速度线图和角加速度线图;与理论角速度线图和角加速度线图分析比较使学生了解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.实验原理和方法
作用在机械上的驱动力矩和阻力矩是主动件转角φ的周期性函数。
且在等效驱动力矩和等效阻力矩及等效转动惯量变化的公共周期(这里均为360o),驱动功=阻抗功时,在稳定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:
δ= ωmax - ωmin ωm
ωmax——周期中最大角速度; ωmin——周期中最小角速度;
ωm ——平均角速度:
ω=(ωmax+ωmin)/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允许的程度;或者说,减小机器运转速度不均匀系数δ使其不超过许用值[δ]。
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之差称为最大盈亏功,以[W]示之,即:
[W]=Emax–Emin =(1/2)(JO+JF)(ωmax2-ωmin2)
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。
δ= [W] ωm2( 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ωmax —ωmin的值,可增大等效转动惯量JO或增大ωm。
机器做好后JO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ωmax —ωmin,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”,进行数据采集和传输,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和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和曲柄动态的角速度、角加速度曲线图。
单击“速度实测”,进行数据采集和传输,显示曲柄实测的角速度,角加速度曲线图。
5.如果要打印仿真等效驱动力矩线图、等效阻力矩线图,角速度、角加速度线图和实测的角速度、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,速度不均匀系数怎样变化?
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S1到A点距离:
LAS1=0.025m;
平衡块的转动惯量:
JP=0.00674kgm2;
飞轮1的转动惯量:
JF=0.00657kgm2 ;
(未加飞轮)飞轮2的转动惯量:
JF=0.00814kgm2;
(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(不包括MP1):
M1=0.253kg;
曲柄AB绕质心S1的转动惯量(不包括):
JS1 =0.000142kgm2。
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=0.045m;
连杆BC的质量M2=0.579kg; 连杆绕质心S2的转动惯量JS1=0.00081kgm2。
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0~90ω;
电动机(曲柄)的特性系数:
G=9.72rpm/Nm;
许用速度不均匀系数δ:
按机械要求选取;
仿真计算步长Dφ:
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、角加速度线图和实测角速度、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];
[说 明]:
单击此键,弹出曲柄滑块机构原始参数以及界面操作说明框;
[返 回]:
单击此键,返回主界面;
[退 出]:
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组成原理认识,进一步了解机构组成及运动特性;
2.训练学生的工程实践动手能力。
培养学生创新意