机械设计综合实验指导书及实验报告Word文件下载.docx

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三、实验简介

机械零件陈列观摩，共包括：

（1）螺纹联接及应用

（2）键、花键、销、铆、焊、铰接

（3）带传动

（4）链传动

（5）齿轮传动

（6）蜗杆传动

（7）滑动轴承及润滑密封

（8）滚动轴承及装置设计

（9）轴的分析及设计

（10）联轴器及离合器。

共10个陈列柜，罗列了机械设计内容中大多数常用的基本零件及标准件，并对相应的零件进行了结构和基本受力分析，联接和安装的基本方法的说明，有些常用的零件还给出了简单的应用举例。

通过本实验的观摩，学生可以对照书本所学的基本内容，初步领会机械设计的一些常用零部件的基本设计及应用原理，从而达到举一反三的教学目的，对其所学的课本理论知识进一步巩固和深化。

四、实验要求

1、学生必须带上课本，以便于及书本内容进行对照观察。

2、进入实验室必须保持安静，不得大声喧哗，以免影响其他同学。

3、不得私自打开陈列柜，不得用手触摸各种机械零件模型。

4、服从实验人员的安排，认真领会机械零件的构造原理。

五、思考题

1、常用螺纹联接的方法有哪些?

2、说明无键联结的优缺点．

3、在带传动中，带张紧的方法有哪些?

4、轴上零件轴向常用的定位方法有哪些?

举例说明。

第二章滑动轴承实验

实验二滑动轴承基本性能实验

一、概述

滑动轴承用于支承转动零件，是一种在机械中被广泛应用的重要零部件。

根据轴承的工作原理，滑动轴承属于滑动摩擦类型。

滑动轴承中的润滑油若能形成一定的油膜厚度而将作相对转动的轴承及轴颈表面分开，则运动副表面就不发生接触，从而降低摩擦、减少磨损，延长轴承的使用寿命。

根据流体润滑形成原理的不同，润滑油膜分为流体静压润滑（外部供压式）及流体动压润滑（内部自生式），本章讨论流体动压轴承实验。

流体动压润滑轴承其工作原理是通过轴颈旋转，借助流体粘性将润滑油带入轴颈及轴瓦配合表面的收敛楔形间隙内，由于润滑油由大端入口至小端出口的流动过程中必须满足流体流动连续性条件，从而润滑油在间隙内就自然形成周向油膜压力（见图2-1），在油膜压力作用下，轴颈由图2-1（a）所示的位置被推向图2-1（b）所示的位置。

当动压油膜的压力p在载荷F方向分力的合力及载荷F平衡时，轴颈中心处于某一相应稳定的平衡位置O1，O1位置的坐标为O1（e，φ）。

其中e=OO1，称为偏心距；

φ为偏位角（轴承中心0及轴颈中心0l连线及外载荷F作用线间的夹角）。

随着轴承载荷、转速、润滑油种类等参数的变化以及轴承几何参数（如宽径比、相对间隙）的不同，轴颈中心的位置也随之发生变化。

对处于工况参数随时间变化下工作的非稳态滑动轴承，轴心的轨迹将形成一条轴心轨迹图。

为了保证形成完全的液体摩擦状态‘对于实际的工程表面，最小油膜厚度必须满足下列条件：

（2—1）

式中，S为安全系数，通常取S≥2；

Rzl、Rz2盈分别为轴颈和轴瓦孔表面粗糙度的十点高度。

滑动轴承实验是分析滑动轴承承载机理的基本实验，它是分析及研究轴承的润滑特性以及进行滑动轴承创新性设计的重要实践基础。

根据要求不同，滑动轴承实验分为基本型、综合设计型和研究创新型三种类型。

二、实验目的

（1）掌握实验装置的结构原理，了解滑动轴承的润滑方式、轴承实验台的加载方法以及轴承实验台主轴的驱动方式及调速的原理。

（2）掌握实验台所采用的测试用传感器的工作原理。

（3）通过实验测试的周向油膜压力分布及轴向油膜压力分布，掌握滑动轴承中流体动压油膜形成的机理及滑动轴承承载机理。

（4）通过实验掌握工况参数和轴承参数的变化对滑动轴承润滑性能及承载能力的影响。

三、实验内容

对于基本型实验，实验内容如下：

（1）轴承中间平面上周向油膜压力分布曲线图[见图2-2（a）]和轴向油膜压力分布曲线图[（见图2-2（c）]。

（2）周向油膜压力分布曲线图的承载分量的曲线图[见图2—2。

（b）]，求轴承的端泄影响系数K。

考虑有限宽轴承在宽度B方向的端泄对油膜承载量的影响，其影响系数K可由下式求出：

（2—2）

式中，F为轴承外载荷，N；

B为轴承有效工作宽度，mm；

d为轴颈直径，mm；

pm为根据油膜压力承载分量的曲线图求出的动压油膜的平均压力，如图2—2（b）所示。

图2—2（a）为实测上轴瓦上均布测点1～7位置处的油膜压力形成的周向油膜压力分布曲线；

图（b）为过这7个分点分别弓l垂线段l一1”、2—2”、…、7—7”，使之分别等于图（a）中的油膜压力值的垂直分量后连成的光滑曲线，该曲线被称为动压油膜的承载分量曲线；

图（c）为轴向油膜压力分布曲线。

根据承载分量曲线和直径所围成的图形面积等于平均压力pm及直径围成的矩形面积相等的条件，通过数方格数的方法即可求出pm大小。

再将求出的pm值代入式2—2即可求出K。

四、实验装置

实验装置采用西南交通大学研制的zHS20系列滑动轴承综合实验台。

该实验台主要由主轴驱动系统、静压加载系统、轴承润滑系统、油膜压力测试系统、油温测试系统、摩擦因素测试系统以及数据采集及处理系统等组成。

1．主轴驱动系统及电机选择

实验台的主轴支承在实验台箱体上的一对滚动轴承上。

该主轴的驱动电机需满足无极调速、低速大转矩及实验过程中能快速启停等要求。

驱动电机主要有交流异步电动机、直流电动机、步进电机、交流（直流）伺服电动机等类型。

交流伺服电动机的工作原理及普通交流异步电动机相似，但交流伺服电动机的转子电阻比异步电机的大得多，其转矩特性（转矩T及转差率S的关系）也因此较普通电机有很大区别（见图2-3）。

。

它可使临界转差率大于1，这样不仅使转矩特性更接近于线性，而且具有较大的起动转矩，因此，伺服电机具有起动快、灵敏度高的特点。

目前，基于稀土永磁体的交流永磁伺服驱动系统，能提供最高水平的动态响应和扭矩密度。

所以用交流伺服驱动取替传统交流调速、直流和步进调速驱动，以便使系统性能达到一个全新的控制水平，从而获得更宽的调速范围和更大的低速扭矩。

因此，本实验台选用了交流伺服电动机，其优点归纳如下：

（1）控制精度高。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证，因此，交流伺服具有极高的控制精度。

（2）低频特性好。

步进电机在低速时易出现低频振动现象；

普通交流电机由变频器进行调速，在低频时的力矩小；

直流电机在低速的控制极不稳定。

而交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。

交流伺服系统具有共振抑制功能，可以克服机械的刚性不足缺点，并且系统内部具有频率解析功能（FI叮），。

可检测出机械的共振点，便于调整系统。

（3）矩频特性好。

交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为1000r'

／rain）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

（4）过载能力强。

交流伺服电机具有较强的过载能力。

它具有速度过载和转矩过载能力。

其最大转矩为额定转矩的3倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。

（5）运行稳定。

交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲现象，控制性能更为可靠。

（6）响应速度快。

交流伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速1000t．／min仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

2．液压系统

实验台的液压系统功能，一是为实验轴承提供循环润滑系统，二是为轴承静压加载系统提供压力供油。

液压系统框图如图2—4所示。

为了保证液压加载系统的稳定性，该系统采用变频恒压的控制方式。

变频恒压供油系统主要由油泵、变频器、压力传感器组成，如图2—5所示。

通过压力传感器对加载系统的压力监测，实时调节油泵电机的转速使电机一油泵一液压油路系统组成一个闭环控制系统。

由于在各种转速下形成的油膜压力和端泄情况有一定的差别，通过变频恒压系统能真正地实现在各种转速下的加载压力保持不变。

若液压加载系统向固定于箱座上的加载盖板内的油腔输送的供油压力为p0时，载荷即施加在轴瓦上，则轴承载荷为：

（2—3）

式中，p0为油腔供油压力，kqf／cm2；

A为油腔在水平面上投影面积，A=60cm2；

Go为初始载荷（包括轴瓦自重、压力变送器重量等），Go=7.5kgf。

注：

由于实际需要，本书保留了一些非国际标准制单位，lkgf=0.980665N。

3．油膜压力变送系统

在轴瓦上半部承载区轴承宽度的中间剖面上，沿周向均匀分布钻有1～7共7个小孔，分别在小孔处安装压力变送器。

当轴旋转到一定转速后，在轴承内形成动压油膜，通过压力变送器测出油膜压力值，并在计算机上显示周向油膜压力分布曲线（见图2—2）。

在轴瓦的有效宽度B的1／4处，安装轴向油膜压力变送器8，测出位置8处的油膜压力P8，根据轴向油膜压力分布对称原理，可以测得轴向油膜压力分布曲线[见图2—2（c）]。

本实验台采用压阻式压力变送器，它由压力敏感部件及压力变送器部件组成。

（1）压力敏感部件。

扩散硅压阻式压力传感器的工作原理：

以扩散硅材料制成的膜片作为弹性敏感元件，其硅晶片上通过微机加工工艺构成一个惠斯通电桥，如图2—6所示，图中，表示恒流源，R表示电桥阻值，U表示激励电压，Vo表示电桥输出电压。

当有外部压力作用时，膜片发生弹性变形，膜片的一部分受压缩，另一部分则受拉伸。

两个电阻位于膜片的压缩区，另两个位于位伸区，并联成惠斯通全桥形式，以使输出信号最大。

（2）压力变送器部件（性能参数见表2—1）。

因压力传感器是一个在硅晶片上通过加工工艺构成的一个惠斯通电桥，该电桥桥阻的变化及作用在其上的外部作用力大小成正比例关系。

为了将电阻变化量转换为电压信号，给电桥提供最大2mADC的恒流源，用于激励压力传感器工作。

信号放大和转换处理电路将惠斯通电桥产生的电压信号线性放大处理后，将其转换为4～20mADC的工业标准信号变送输出构成压力变送器。

其主要性能特点如下。

①稳定性高。

每年漂移优于0．2％满量程。

②温度系数小。

由于在生产过程中对产品精密地校准及补偿，使其温度误差极小。

③适应性强。

产品量程宽，过程连接形式、制造材料、结构具有多样化特征，因而可适应工业测量中的各种场合及不同的介质。

④安装维护方便。

产品可任意安装在各测量点而不影响其性能。

表2—1压力变送器的性能参数表

量程

O～1．2Mpa

允许过载

200％

供电电压

24VDC，范围电源：

12~30VDC

输出信号

4～20mADC（二线制）

精度

±

0．5％

补偿温度范围

0～+60℃

工作温度范围

-10～+80℃

4．油温测试系统

在轴承的入口处和出口处分别安装温度传感器各一只，分别采集轴承入口处的润滑油油温t1和出口处的油温t2，则可得到润滑油的平均温度tm[tm=（t1+t2）／2]，一般情况下tm不大于75℃。

5．滑动轴承控制系统

实验台的8个油膜压力传感器、液压加载传感器、测摩擦因数用的拉压负荷传感器以及油温传感器采集的测试数据通过A／D转换器，以RS485总线方式传送到计算机的实验数据采集及处理软件系统，直接在屏幕上显示出来，或由打印机打印输出实验结果。

主轴电机的转速大小通过计算机进行设置，设置值通过RS485总线送到伺服电机驱动器，由伺服电机驱动器控制电机的转速。

油压加载系统的压力是由实验人员在电脑上设置加载压