机械原理实验指导书Word文档格式.docx
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构
件
活动构件
机
架
实验二四杆机构类型变异与运动特性实验
一.实验目的：
1.通过组装各种铰链，熟悉和掌握各种铰链和平面低副的组装方法，提高学生的动手能力，为后面的机构创新实验打好基础。
2.通过观察所设计机构的运动，掌握四杆机构的极限位置、摆角、传动角、压力角的概念，以及最小传动角发生的位置等。
二．实验仪器和工具:
组合式可调平面机构和构件、零件、钢板尺、扳手等，学生自备圆规、铅笔等文具。
1.实验仪器的特点
可以在框架内无级地调整主、从动固定铰链的位置和固定导路的位置；
杆件和机架都是组合式的，可以方便地进行组装和拆卸；
能够组装、连接各种类型的平面连杆机构并使其运动；
杆件的长度可以无级地调节。
2.机架的结构
正方形框架中的左右两边通过螺母固联一组带纵向滑板的纵向滑杆，每两根纵向滑杆为一组，纵向滑板能够沿纵向滑杆上下移动。
纵向滑板之间通过螺纹连接件连接有三组带横向滑板的横向滑杆。
每两根横向滑杆为一组，横向滑板能够沿横向滑杆左右移动。
3.组装机构的零件
组装机构的零件有摇把、滑套、长、短滑销、各种滑块、从动定铰链、导路支撑、销挡、主动定铰链轴组件、以及各种长度的构件杆等。
三．实验步骤:
1.自选一组四个杆长数据，使最短杆1与最长杆长度之和小于或等于其它两杆之和。
为使实验效果明显，每两杆长度之差至少为10mm。
2.在横向滑板上任选主动定铰链位置，装入主动定铰链轴组件和摇把，以选定的最短杆1为曲柄，一端装上滑套，另一端固联在主动定铰链轴组件上。
然后依次连接上连杆BC、摇杆CD（或滑块）。
为防止运动时构件发生干涉，各构件必须装配在不同层面。
3.整个机构组装完毕并运转自如，认真观察运动情况后测量出各杆长度，以一定的比例尺将机构运动简图绘制在实验报告上。
4.按要求将该机构的运动参数求出，填写在实验报告中。
四．试验台组件清单:
序号
名称
示意图
规格
1
齿轮
M=2,α=20°
Z=28、35、42、56
2
凸轮
基圆半径R=20㎜升回型;
行程30㎜
3
齿条
M=2α=20°
4
槽轮
4槽
5
拨盘
双销，销回转半径R=49.5㎜
6
主动轴
15㎜
L=
30㎜
45㎜
60㎜
75㎜
7
从动轴
（形成回转副）
8
（形成移动副）
9
转动副轴（或滑块）
L=5㎜
10
复合铰链Ⅰ（或滑块）
L=20㎜
11
复合铰链Ⅱ（或滑块）
12
主动滑块插件
40㎜
55㎜
13
主动滑块座
14
活动铰链座Ⅰ
（可在杆件任意位置形成转-移副）
螺孔M8
15
活动铰链座Ⅱ
（可在杆件任意位置形成移动副或转动副）
螺孔M5
16
滑块导向杆（或连杆）
L=330㎜
17
连杆Ⅰ
100㎜
110㎜
150㎜
160㎜
240㎜
300㎜
18
连杆Ⅱ
L1=22㎜
L2=138㎜
19
压紧螺栓
M5
20
带垫片螺栓
21
层面限位套
4㎜
7㎜
10㎜
22
紧固垫片（限制轴回转）
厚2㎜
孔￠16，外径￠22
23
高副锁紧弹簧
24
齿条护板
25
T型螺母
（用于电机座与行程开关座的固定）
26
行程开关碰块
27
皮带轮
28
张紧轮
29
张紧轮支承杆
30
张紧轮销轴
31
螺栓Ⅰ
M10×
32
螺栓Ⅱ
33
螺栓Ⅲ
M8×
34
直线电机
10㎜/s
35
旋转电机
10r/min
36
实验台机架
机架内可移动立柱5根，每根立柱上可移动滑块3块。
用直线电机的机架配有行程开关，行程开关安装板及直线电机控制器。
实验三渐开线齿轮范成原理
一．实验目的：
1.了解齿轮范成加工原理；
2.观察齿轮加工时的根切现象，掌握避免根切的基本方法；
3.比较标准齿轮与变位齿轮的异同点。
二．实验设备：
1.渐开线齿轮范成仪；
2.齿轮毛胚（圆形纸）；
3.圆规、直尺，铅笔等（自备）。
三．齿轮范成仪构造：
范成法是利用共轭齿廓互为包络线的原理加工齿轮的一种方法，范成仪可以真实地再现齿轮范成加工的全过程。
图3-1渐开线齿轮范成仪的构造
范成仪的构造如图3-1所示：
圆盘1绕固定轴心0转动，圆盘背后装有与之固联的齿轮2，并与固定在横动拖板上的齿条4啮合。
横动拖板上装有齿条刀6，可在机架5上横向移动。
由于齿轮2与齿轮3的啮合关系，从而使圆盘1相对齿条刀6的运动和被加工齿轮与齿条刀具的运动完全一样。
根据横动拖板两侧的刻度，可调节齿条刀中线与被加工齿轮的分度圆的相对位置，相切，加工的是标准齿轮；
反之，加工的是变位齿轮。
齿条刀参数：
模数m=15压力角α=20o
齿顶高=齿根高=1.25m
1.根据齿条刀的参数和被加工齿轮的齿数（Ζ=10），计算出该齿轮的分度圆直径d，齿顶圆直径da，齿根圆直径df，基圆直径db等备用。
2.将圆形纸装在范成仪的圆盘上，并用压环压紧，然后以轴心o为圆心将上述各圆画在圆形纸上。
3.将齿条刀中线与被加工齿轮分度圆相切，齿条刀两端标记对准刻度“0”，然后将齿条刀固定螺栓拧紧。
4.将齿条刀移到左端极限位置，用铅笔描绘齿条刀的外廓线，凡进入圆形纸的齿条刀部分,且经铅笔描绘后即表示被加工齿轮该部分被切掉。
5.然后慢慢移动齿条刀，每移动一次描绘一遍，直至将齿条刀移到最右,端极限位置，此时，可描绘出3-4个完整齿形，观察后会发现齿形根切很严重。
6.松开压环，将圆形纸转180°
对准中心压紧。
7.松开齿条刀，将其平行下移一个距离X,然后重新拧紧。
i.移距量X=x'
.m变位系数x'
min=
X>
Xmin
8.将齿条刀移向左极限，重复步骤5，再做一遍。
9.齿廓范成实验结果如图3-2
图3-2齿廓范成实验结果
1.齿轮范成实验的实质是什么？
2.分析产生根切的原因及避免根切的方法。
实验四渐开线齿轮参数测定
一、实验目的：
1．掌握应用普通量具游标卡尺测定渐开线直齿圆柱齿轮基本参数的方法；
2．通过测量和计算，巩固熟悉渐开线齿轮的各部分尺寸、参数关系和渐开线的几何特性。
二、设备和工具：
1．被测齿轮两个（齿数为奇数和偶数各一个）；
2．游标卡尺（游标读数值不大于0.05mm）；
3．渐开线函数表和计算器（自备）。
三、原理和方法：
渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数有：
①齿数z、②模数m、③分度圆压力角
、④齿顶高系数h*a、⑤顶隙系数c*、⑥变位系数
。
实验用普通游标卡尺来测量，并通过计算确定齿轮的这些基本参数。
本实验的方法和技能对测绘修配机器上的齿轮零件具有现实意义。
原理和方法如下：
1．齿数z：
直接数；
2．模数m和压力角
的确定：
利用渐开线齿轮的基节pb和分度圆周节的关系：
∵
（3-1）
∴
（3-2）
由图3-1可以看出，根据渐开线的几何特性，基节pb可用游标卡尺测量公法线长度的方法来测得，如图所示。
跨n个齿的公法线长度（见图3-1）见下页。
（3-3）
跨n+1个齿的公法线长度
（3-4）
∴Sb=Wn+1-Wn
测得基节pb后根据式（3-2）计算出模数m，由于式中的压力角
可能是15
也可能是20
，故分别代入算出其相应的模数，取其最接近于标准值的一组m和
为所求值。
为了保证使卡尺的两个量足与齿廓的渐开线部分相切，跨齿数n值应根据被测齿轮的齿数z参照表3-1决定。
表3-1
被测齿轮齿数z
12-18
19-27
28-36
37-45
46-54
55-63
64-72
73-81
跨测齿数n
3．变位系数
的测定：
分度圆上的齿厚S和变位系数
有如下关系式
（3-6）
由于轮齿齿廓为渐开线，基圆齿厚Sb与分度圆齿厚有如下关系
（3-7）
式（3-6）代入式（3-7）导得
（3-8）
式中基圆齿厚Sb由实测的公法线长度计算得到
因公法线长度变化与基圆齿厚变化有关，所以变化系数
也可用如下公式得
（3-9）
式中：
——为被测齿轮公法线长度的实际测量值。
——为标准齿轮公法线长度理论计算值，可按公式计算或查有关手册。
标准齿轮公法线长度公式
（3-10）
当
时
（3-11）
4．齿顶高系数h*a和顶隙系数c*的判定：
由于
齿顶圆
（3-12）
齿根圆
（3-13）
所以可根据测得da和df值按公式逆运算来加以判定。
测量方法见图3-2。
（见下页）
*5．测定一对相互啮合的齿轮传动
应根据单个齿轮测得的变位系数
和
，计算出一对齿轮的啮合角
和中心距
无齿测间隙啮合方程：
（3-14）
安装中心距
（3-15）
实测中心距测定方法见图3-3。
（3-16）
若不符应对两轮的变位系数
加以修正（由于计算繁复实验不要求）
（a）偶数齿齿轮（b）奇数齿齿轮
图3-2
刚性转子动平衡实验
一、实验目的
1.通过实验巩固和验证回转件动平衡原理和方法；
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、实验原理及设备
转子动平衡检测是一般用于轴向宽度B与直径D的比值大于0.2的转子（小于0.2的转子适用于静平衡）。
转子动平衡检测时，必须同时考虑其惯性力和惯性力偶的平衡，即Pi=0，Mi=0。
如图1所示，设一回转构件的偏心重Q1及Q2分别位于平面1和平面2内，r1及r2为其回转半径。
当回转体以等角速度回转时，它们将产生离心惯性力P1及P2，形成一空间力系。
图1动平衡原理
1、光电传感器2、被试转子3、硬支承摆架组件
4、压力传感器5、减振底座6、传动带7、电动机8、零位标志
图2DPH－I型智能动平衡机结构
由理论力学可知，一个力可以分解为与它平行的两个分力。
因此可以根据该回转体的结构，选定两个平衡基面I和II作为安装配重的平面。
将上述离心惯性力分别分解到平面I和II内，即将力P1及P2分解为P1I及P2I（在平面I内）及P1II及P2II（在平面II内）。
这样就可以把空间力系的平衡问题转化为两个平面汇交力系的平衡问题了。
显然，只要在平面I和II内各加入一个合适的配重QI和QII，使两平面内的惯性力之和均等于零，构件也就平衡了。
DPH－I型智能动平衡机结构如图2所示。
测试系统由计算机、数据采集器、高灵敏度有源压电力传感器和光电相位传感器等组成。
当被测转子在部件上被拖动旋转后，由于转子的中心惯性主轴与其旋转轴线存在偏移而产生不平衡离心力，迫使支承做强迫震动，安装在左右两个硬支撑机架上的两个有源压电力传感器感受此力而发生机电换能，产生两路包含有不平衡信息的电信号输出到数据采集装置的两个信号输入端；
与此同时，安装在转子上方的光电相位传感器产生与转子旋转同频同相的参考信号，通过数据采集器输入到计算机。
计算机通过采集器采集此三路信号，由虚拟仪器进行前置处理，跟踪滤波，幅度调整，相关处理，FFT变换，校正面之间的分离解算，最小二乘加权处理等。
最终算出左右两面的不平衡量（克），校正角（度），以及实测转速（转/分）。
与此同时，给出实验过程的数据处理方法，FFT方法的处理过程，曲线的变化过程。
图3
三、主要软件界面操作介绍
1、系统主界面介绍
图4系统主界面介绍
1）测试结果显示区域，包括左右不平衡量显示、转子转速显示、不平衡方位显示。
2）转子结构显示区，用户可以通过双击当前显示的转子结构图，直接进入转子结构选择图，选择需要的转子结构。
3）转子参数输入区域，在进行计算偏心位置和偏心量时，需要用户输入当前转子的各种尺寸，如图上所示的尺寸，在图上没有标出的尺寸是转子半径，输入数值均是以毫米（mm）为单位的。
4）原始数据显示区，该区域是用来显示当前采集的数据或者调入的数据的原始曲线，在该曲线上用户可以看出机械振动的大概情况，根据转子偏心的大小，在原始曲线上用户可以看出一些周期性的振动情况。
5）数据分析曲线显示按钮：
通过该按钮可以进入详细曲线显示窗口，可以通过详细曲线显示窗口看到整个分析过程。
6）指示出检测后的辊子的状态，灰色为没有达到平衡，蓝色为已经达到平衡状态。
平衡状态的标准通过“允许不平衡质量”栏由用户设定。
7）左右两面不平衡量角度指示图，指针指示的方位为偏重的位置角度。
8）自动采集按钮，为连续动态采集方式，直到停止按钮按下为止。
9）单次采集按钮。
10）复位按钮，清除数据及曲线，重新进行测试。
11）工件几何尺寸保存按钮开关，点击该开关可以保存设置数据（重新开机数据不变）。
2、模式设置界面
图5模式设置界面
如上图所示，图上罗列了一般转子的结构图，用户可以通过鼠标来选择相应的转子结构来进行实验。
每一种结构对应了一个计算模型，用户选择了转子结构同时也选择了该结构的计算方法。
3、采集器标定窗口
用户进行标定的前提是有一个已经平衡了的转子，在已经平衡了的转子上的A，B两面加上偏心重量，所加的重量（不平衡量）及偏角（方位角）用户从“标定数据输入窗口”输入，启动装置后，用户通过点击“开始标定采集”来开始标定的第一步，这里需要注意的是所有的这些操作是针对同一结构的转子进行标定的，以后进行转子动平衡时应该是同一结构的转子，如果转子的结构不同则需要重新标定。
“测试次数”由用户自己设定，次数越多标定的时间越长，一般5~10次。
“测试原始数据”栏只是用户观察数据栏，只要有数据表示正常，反之为不正常。
“详细曲线显示”用户可观察标定过程中数据的动态变化过程，来判断标定数据的准确性。
图6采集器标定窗口
在数据采集完成后，计算机采集并计算的结果位于第二行的显示区域，用户可以将手工添加的实际不平衡量和实际的不平衡位置填入第三行的输入框中，输入完成并按“保存标定结果”按钮，“退出标定”完成该次标定。
4、数据分析窗口
按“数据分析曲线”键，得如下窗口，可详细了解数据分析过程。
图7数据分析窗口
1）滤波器窗口：
显示加窗滤波后的曲线，横坐标为离散点，纵坐标为幅值。
2）频谱分析图：
FFT变换左右支撑振动信号的幅值谱，横坐标为频率，纵坐标为幅值。
3）实际偏心量分布图：
自动检测时，动态显示每次测试的偏心量的变化情况。
横坐标为测量点数，纵坐标为幅值。
4）实际相位分布图：
自动检测时，动态显示每次测试的偏相位角的变化情况。
横坐标为测量点数，纵坐标为偏心角度。
5）最下端指示栏指示出每次测量时转速、偏心量、偏心角的数值。
四、主要技术参数
1）工件质量范围（kg）：
0.1~5
2）工件最大外径（mm）：
Φ260
3）两支承间距离（mm）：
50~400
4）支承轴径范围（mm）：
Φ3~30
5）圈带传动处轴径范围（mm）：
Φ25~80
6）电机功率（kw）：
0.12
7）平衡转速：
约1200转/分,2500转/分两档
8）最小可达残余不平衡量≤0.3gmm/kg
9）一次减低率：
≥90%
10）测量时间：
最长3s
五、动平衡实验操作步骤
1.平衡件模式选择
点击“动平衡实验系统”,出现“动平衡实验系统”的虚拟仪器操作前面板，点击左上“设置”菜单功能键的“模式设置”功能，屏幕上出现模型ABCDEF六种模型。
根据动平衡元件的形状，选择其模型格式。
选中的模型右上角的指示灯变红,点击“确定”，回到虚拟仪器操作前面扳。
在前面扳右上角就会显示所选定的模型形态。
量出你所要平衡器件的具体尺寸，并根据图示平衡件的具体尺寸，将数字输入相应的A、B、C、框内。
点击“保存当前配置”键，仪器就能记录、保存这批数据，作为平衡件相应平衡公式的基本数据。
只要不重新输入新的数据，此格式及相关数据不管计算机是否关机或运行其它程序，始终保持不变。
2.系统标定
1）点击“设置”框的“系统标定”功能键，屏幕上出现仪器标定窗口。
将两块2克重的磁铁分别放置在标准转子左右两侧的零度位置上，在标定数据输入窗口框内，将相应的数值分别输入“左不平衡量”、“左方位”；
“右不平衡量”及“右方位”的数据框内（按以上操作，左、右不平衡量均为2克，左、右方位均是零度），启动动平衡试验机，待转子转速平稳运转后，点击“开始标定采集”，下方的红色进度条会作相应变化，上方显示框显示当前转速，及正在标定的次数，标定值是多次测试的平均值。
2）平均次数可以在“测量次数”框内人工输入，一般默认的次数为10次。
标定结束后应按“保存标定结果”键，完成标定过程后，按“退出标定”键，即可进入转子的动平衡实际检测。
标定测试时，在仪器标定窗口“测试原始数据”框内显示的四组数据，是左右两个支撑输出的原始数据。
如在转子左右两侧，同一角度，加入同样重量的不平衡块，而显示的两组数据相差甚远，应适当调整两面支撑传感器的顶紧螺丝，可减少测试的误差。
3.动平衡测试
1）手动（单次）：
手动测试为单次检测，检测一次系统自动停止，并显示测试结果。
2）自动（循环）：
自动测试为多次循环测试，操作者可以看到系统动态变化。
按“数据分析曲线”键，可以看到测试曲线变化情况。
需要注意的是：
要进行加重平衡时，在停止转子运转前，必须先按“停止测试”键，使软件系统停止运行，否则会出现异常。
4.实验曲线分析
在数据采集过程中，或在停止测试时，都可在前面板区按“数据分析曲线”键，计算机屏幕会切换到“采集数据分析窗口”，该窗口有四个图形显示区和5个数字显示窗口，它们分别是“滤波后曲线”、“频谱分析图”、“实际偏心量分布图”和“实际相位分布图”四个图形显示区和转速，左右偏心量及偏心角五个数字显示窗口在自动测试情况下（即多次循环测试），从“实际偏心量分布图”和“实际相位分布图”可以看到每次测试过程当中的偏心量和相位角的动态变化，曲线变化波动较大说明系统不稳定要进行调整。
5.平衡过程
本实验装置在做动平衡实验时，为了方便起见一般是用永久磁铁配重，作加重平衡实验，根据左、右不平衡量显示值（显示值为去重值），加重时根据左、右相位角显示位置，在对应其相位180度的位置，添置相应数量的永久磁铁，使不平衡的转子达到动态平衡的目的。
在自动检测状态时，先在主面板按“停止测试”键，待自动检测进度条停止后，关停动平衡实验台转子，根据实验转子所标刻度，按左、右不平衡量显示值，添加平衡块，其质量可等于或略小于面板显示的不平衡量，然后，启动实验装置，待转速稳定后，再按“自动测试”，进行第二次动平衡检测，如此反复多次，系统提供的转子一般可以将左、右不平衡量控制中0.1克以内。
在主界面中的“允许偏心量”栏中输入实验要求偏心量（一般要求大于0.05克）。
当“转子平衡状态”指示灯由灰色变蓝色时，说明转子已经达到了所要求的平衡状态。
由于动平衡数学模型计算理论的抽象理想化和实际动平衡器件及其所加平衡块的参数多样化的区别，因此动平衡实验的过程是个逐步逼近的过程。
6.动平衡实验操作示例
1）打开“测试程序界面”，然后打开实验台电源开关，并打开电机电源开关，点击开始测试。
这时应看到绿、白、蓝三路信号曲线。
如没有应检查传感器的位置是否放好。
2）三路信号正常后点击退出测试，退出“测试程序”。
然后双击“动平衡实验系统界面”进入实验状态。
3）测量A、B、C及转子半径尺寸输入各自窗口，然后点击“设置”窗口进入“系统标定”界面在标定数据输入窗口输入左、右不平衡量及左右方位度数（一般以我们给的最大重量磁钢2g作标定，方位放在O度），数据输入后点击“开始标定采集”窗口开始采集。
这时可以点击“详细曲线显示”窗口，显示曲线动态过程。
等测试十次后自动停止测试。
点击“保存标定结果”窗口，回到原始实验界面，开始实验。
4）点击“自动采集”窗口，采集35次数据比较稳定后点击“停止测试”窗口，以左右放1.2克为例，左边放在0度，右边放在270度。
这时数据显示为：
左右
然后在左边180度处放1.2克，在右边280度对面100度处放1.2克，点击“自动采集”。
开始采集35次后点击停止测试。
这时数据为：
若我们设定左、右不平衡量≤0.3克时即为达到平衡要求。
这时左边还没平衡，右边已平衡。
在左边283度对面放0.4克，点击自动采集，采集35次后数据为：
这时两边都≤0.3克，“滚子平衡状态”窗口出现红色标志，点击“停止测试”。
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