机械原理实验指导书9Word文档下载推荐.docx
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2．A4绘图纸一张、圆规、三角板、剪刀、铅笔、橡皮、计算器等（自备）。
图2-1
1.图纸托盘；
2.滑架；
3.机架；
4.齿条刀具；
5.调节螺钉；
6.定位螺钉；
7.刀架；
8.锁紧螺钉；
9.压环
三、原理
范成法（又称包络法或称展成法）的基本原理是一对齿轮或一个齿轮与齿条啮合时，一个齿轮的齿廓是另一个齿轮齿廓的包络线。
因此，若将其中一个齿轮或齿条制成刀具，使刀具与轮坯的运动关系与一对齿轮（或齿轮与齿条）啮合一样（由齿轮加工机床保证），并加上必要的切削运动与进给运动，就可以在轮坯上连续切出所有的轮齿。
当齿条刀具中线与轮坯分度圆相切（即刀具调节到刻度“0”位置）时，便能切制出标准齿轮。
当齿条刀具离开轮坯中心移动时，切制出正变位齿轮。
当齿条刀具靠近轮坯中心移动时，切制出负变位齿轮。
四、步骤
1．测量图纸托盘直径（即为轮坯分度圆直径d）。
2．在齿条刀具上量取齿距p（相邻两齿同侧齿廓对应点之间的距离）。
3．计算模数m和齿数z
m=p/π（取标准模数）；
z=d/m（取整数）
4．在纸坯上画出四个圆：
分度圆d、齿顶圆da、齿根圆df、基圆db（其公式参见教科书）。
5．将纸坯装在范成仪上，调整刀具对准刻度上的“0”位置，范成标准齿轮12个齿（如图2所示），注意观察有否根切。
图2-2
6．为避免根切，范成正变位齿轮。
1）计算变位量minm，其中min=
。
2）计算并在轮坯上画出分度圆d、齿顶圆da、齿根圆df、基圆db（公式参见教科书或实验报告），其中分度圆d、基圆db与标准齿轮相同。
3）将纸坯装在范成仪上，移动刀具离开轮坯中心，移动量（变位量）为minm。
4）范成正变位齿轮12个齿（如图3），注意观察此时有否根切。
图2-3
1．用齿条刀具加工标准齿轮和变位齿轮时，刀具相对轮坯的位置及运动有何不同？
2．用同一把齿条刀具加工标准齿轮和变位齿轮时，定性比较下述几何参数和尺寸的变化：
m、、da、d、df、db、s、e和p。
3．根切现象是如何产生的？
避免根切可采取哪些措施？
4．本实验
1．齿条刀具的基本参数
m=10，，ha*1，c*
2．被加工齿轮基本参数
m=，d=，z=
3．实验结果比较
项目
标准齿轮（mm）
正变位齿轮（mm）
分度圆直径d
齿顶圆直径da
齿根圆直径df
基圆直径db
齿距p
分度圆齿厚s
分度圆齿槽宽e
变位系数min
实验三直齿圆柱齿轮参数的测定
一、实验目的
1．掌握应用普通游标卡尺和公法线千分尺测定渐开线直齿圆柱齿轮基本参数的方法。
2．进一步巩固并熟悉齿轮各部分名称、尺寸与基本参数之间的关系及渐开线的性质。
二、实验内容
测定一对渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数，并判别它是否为标准轮。
对非标准齿轮，求出其变位系数。
三、实验设备和工具
1．一对齿轮（齿数为奇数和齿数为偶数的各一个）。
2．游标卡尺，公法线千分尺。
3．渐开线函数表（自备）。
4．计算器（自备）。
四、实验原理及步骤
渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数有：
齿数Z、模数m、分度圆压力角α齿顶高系数h*a、顶隙系数C*、中心距α和变位系数x等。
本实验是用游标卡尺和公法千分尺测量，并通过计算来确定齿轮的基本参数。
1．确定齿数z：
齿数z可直接从被测齿轮上数出。
2．确定模数m和分度圆压力角a
在图2-1中，由渐开线性质可知，齿廓间的公法线长度
与所对应的基圆弧长
相等。
根据这一性质，用公法线千分尺跨过n个齿，测得齿廓间公法线长度为Wn′，然后再跨过n+1个齿测得其长度为
由图2-1可知
式中，Pb为基圆齿距，
（mm），与齿轮变位与否无关。
为实测基圆齿厚，与变位量有关。
由此可见，测定公法线长度
和
后就可求出基圆齿距Pb，实测基圆齿厚Sb，进而可确定出齿轮的压力角a、模数m和变位系数x。
因此，准确测定公法线长度是齿轮基本参数测定中的关键环节。
图3-1
公法线长度测量
（1）测定公法线长度
首先根据被齿轮的齿数Z，按下列公式计算跨齿数。
式中：
α—压力角；
z—被测齿轮的齿数
我国采用模数制齿轮，其分度圆标准压力角是20°
和15°
若压力角为20°
可直接参照下表确定跨齿数n。
z
12～18
19～27
28～36
37～45
46～54
55～63
64～72
73～81
82～90
n
2
3
4
5
6
7
8
9
10
公法线长度测量按图５—1所示方法进行，首先测出跨n个齿时的公法线长度
测定时应注意使千分尺的卡脚与齿廓工作段中部附近相切，即卡脚与齿轮两个渐开线齿面相切在分度圆附近。
为减少测量误差，
值应在齿轮一周的三个均分位置各测量一次，取其平均值。
为求出基圆齿距Pb，还应按同样方法量出跨测n+1齿时的公法线长度
（2）确定基圆齿距Pb，Pb=
－
（3）确定模数m和压力角
根据求得的基圆齿距Pb，可按下式计算出模数：
m=Pb/（πcosα）
由于式中α可能是15°
也可能是20°
，故分别代入计算出两个相应模数，取其最接近于标准值的一组m和α。
3．测定齿顶圆直径da′和齿根圆直径df′及计算全齿高h′
为减少测量误差，同一数值在不同位置上测量三次，然后取其算术平均值。
当齿数为偶数时，da′和df′可用游标卡尺直接测量，如图５—2所示。
当齿数为奇数时，直接测量得不到da′和df′的真实值，而须采用间接测量方法，如图５—3所示，先量出齿轮安装孔值径D，再分别量出孔壁到某一齿顶的距离H1，和孔壁到某一齿根的距离H2。
则da′和df′可按下式求出；
齿顶圆直径da′
da′=S+2H1
（mm）
齿根圆直径df′
df′=S+2H2
（mm）
计算全齿高h
奇数齿全齿高h′
h′=H1-H2
偶数齿全齿高h′
h′=
（da-df）
图3-2偶数齿测量
图3-3奇数齿测量
4．确定变位齿轮传动类型和变位系数x
标准齿轮的理论公法线长度Wn=mcos[（n-0.5）π+Zinvα]
若实测得齿轮的公法线长度Wn′（由于齿轮在实际使用中，用齿厚的加工允差（负值）来保证有齿侧间隙，公法线长度就有了一定的减簿量，所以要注意加上此减簿量，其值根据估计的齿轮精度，查公差数值表确定）与同样跨齿数的标准齿轮公法线长度Wn不一致时，所测的齿轮就是变位齿轮。
5.确定h*a、C*
由于按实侧，计算所得的da′，df′，h′值中包含有（h*a、C*），
正常齿ha*=1，
C*=0.25
短齿
h*=0.8，
C*=0.3
就可判定ha*,C*的值
计算核对齿轮的设计几何尺寸
根据确定的Z，m，α，ha*，C*，x，就可算出几何尺寸。
五、思考题
1.渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数有哪些？
2.测量公法线长度时，游标卡尺卡脚放在渐开线齿廓工作段的不同位置上（但保持与齿廓相切），对测量结果有无影响，为什么？
3．同一模数、齿数、压力角的标准齿轮的公法线长度是否相等？
基圆齿距是否相等？
为什么？
实验四
机构运动创新设计
一、实验目的
1.加深学生对平面机构的组成原理、结构组成的认识，了解平面机构组成及运动特点。
2.培养学生的机构综合设计能力、创新能力和实践动手能力。
二、实验设备及工具
1.CQJP—D机构运动创新设计方案实验台
1）齿轮：
模数2，压力角20°
，齿数为28、35、42、56，中心距组合为：
63、70、77、84、91、98；
2）凸轮：
基圆半径20㎜，升回型，从动件行程为30㎜；
3）齿条：
，单根齿条全长为400㎜；
4）槽轮：
4槽槽轮；
5）拨盘：
可形成两销拨盘或单销拨盘；
6）主动轴：
轴端带有一平键，有圆头和扁头两种结构型式（可构成回转或移动副）；
7）从动轴：
轴端无平键，有圆头和扁头两种结构型式（可构成回转副或移动副）；
8）移动副：
轴端带扁头结构形式（可构成移动副）；
9）转动副轴（或滑块）：
用于两构件形成转动副或移动副；
10）复合铰链Ⅰ（或滑块）：
用于三构件形成复合转动副或形成转动副+移动副；
11）复合铰链Ⅱ：
用于四构件形成复合转动副；
12）主动滑块插件：
插入主动滑块座孔中，使主动运动为往复直线运动；
13）主动滑块座：
装入直线电机齿条轴上形成往复直线运动；
14）活动铰链座Ⅰ：
用于在滑块导向杆（或连杆）以及连杆的任意位置形成转动——移动副；
15）活动铰链座Ⅱ：
用于在滑块导向杆（或连杆）以及连杆的任意位置形成转动副或移动副；
16）滑块导向杆（或连杆）；
17）连杆Ⅰ：
有六种长度不等的连杆；
18）连杆Ⅱ：
可形成三个回转副的连杆；
19）压紧螺栓：
规格M5，使连杆与转动副轴固紧，无相对转动且无轴向窜动；
20）带垫片螺栓：
规格M5，防止连杆与转动副轴的轴向分离，连杆与转动副轴能相对转动；
21）层面限位套：
限定不同层面间的平面运动构件距离，防止运动构件之间的干涉；
22）紧固垫片：
限制轴的回转；
23）高副锁紧弹簧：
保证凸轮与从动件间的高副接触；
24）齿条护板：
保证齿轮与齿条间的正确啮合；
25）T型螺母
26）行程开关碰块
27）V带轮：
用于机构主动件为转动时的运动传递；
28）张紧轮：
用于皮带的张紧；
29）张紧轮支承杆：
调整张紧轮位置，使其张紧或放松皮带；
30）张紧轮轴销：
安紧张紧轮；
31、32、33）螺栓：
特制，用于在连杆任意位置固紧活动铰链座Ⅰ；
34）直线电机：
10㎜/s，配直线电机控制器，根据主动滑块移动的距离，调节两行程开关的相对位置来调节齿条或滑块往复运动距离，但调节距离不得大于400㎜；
注意：
机构拼接未运动前，应先检查行程开关与装在主动滑块座上的行程开关碰块的相对位置，以保证换向运动能正确实施，防止机件损坏；
35）旋转电机：
10r/min，沿机架上的长形孔可改变电机的安装位置；
36）实验台机架
37）标准件、紧固件若干（A型平键、螺栓、螺母、紧定螺钉等）；
2.组装、拆卸工具：
一字起子、十字起子、固定扳手、内六角扳手、钢板尺、卷尺。
三、实验原理、方法与步骤
1.实验原理
任何平面机构都是由若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上而构成的。
2.实验方法与步骤
1）掌握平面机构组成原理；
2）熟悉本实验中的实验设备，各零、部件功用和安装、拆卸工具；
3）自拟平面机构运动方案，形成拼接实验内容；
4）将自拟的平面机构运动方案正确拆分成基本杆组；
5）正确拼接各基本杆组；
6）将基本杆组按运动传递规律顺序联接到原动件和机架上。
四、基本杆组的拆分与拼装
机构运动创新设计方案实验台提供的运动副拼接方法参见以下各图所示。
1）实验台机架：
图1实验台机架图
实验台机架中有5根铅垂立柱，均可沿X方向移动。
移动前应旋松在电机侧安装在上、下横梁上的立柱紧固螺钉，并用双手移动立柱到需要的位置后，将立柱与上（或下）横梁靠紧再旋紧立柱紧固螺钉（立柱与横梁不靠紧旋紧螺钉时会使立柱在X方向发生偏移）。
注：
立柱紧固螺钉只需旋松即可，不允许将其旋下。
立柱上的滑块可在立柱上沿Y方向移动，要移动立柱上的滑块，只需将滑块上的内六角平头紧定螺钉旋松即可（该紧定pu螺钉在靠近电机侧）。
按上述方法移动立柱和滑块，就可在机架的X、Y平面内确定固定铰链的位置。
2）主、从动轴与机架的连接（下图各零件编号与“机构运动创新设计方案实验台组件清单”序号相同，后述各图均相同）
图2主、从动轴与机架的连接
按上图方法将轴联接好后，主（或从）动轴相对机架不能转动，与机架成为刚性联接；
若件22不装配，则主（或从）动轴可以相对机架作旋转运动。
3）转动副的连接：
图3转动副连接图
按图示联接好后，采用件19联接，连杆与件9无相对运动；
采用件20联接，连杆与件9可相对转动，从而形成两连杆的相对旋转运动。
4）移动副的连接：
·
图4移动副连接图
5）活动铰链座Ⅰ（件14）的安装：
图5活动铰链座Ⅰ连接图
如图联接，可在连杆任意位置形成铰链，且件9如图装配，就可在铰链座Ⅰ（件14）上形成回转副或形成回转——移动副。
6）活动铰链座Ⅱ（件15）的安装：
图6活动铰链座Ⅱ的连接图
如图连接，可在连杆任意位置形成铰链，从而形成回转副。
7）复合铰链轴Ⅰ（件10）的安装：
（或转-移动副）
或：
（用带垫片螺栓）
+
图7复合铰链轴Ⅰ的连接图
将复合铰链轴Ⅰ铣平端插入连杆长槽中时构成移动副，而联接螺栓均应用带垫片螺栓。
8）复合铰链轴Ⅱ（件11）的安装：
图8复合铰链轴Ⅱ的连接图
复合铰链轴Ⅰ联接好后，可构成三构件组成的复合铰链，也可构成复合铰链+移动副。
复合铰链轴Ⅱ联接好后，可构成四构件组成的复合铰链。
9）齿轮与主（从）动轴的连接图：
图9齿轮与主（从）动轴的连接图
10）凸轮与主（从）动轴的连接图：
图10凸轮与主（从）动轴的连接图
11）凸轮副连接图：
图11凸轮副连接图
按图示连接后，连杆与主（从）动轴间可相对移动，并由弹簧23保持高副的接触。
12）槽轮机构连接：
图12槽轮机构连接图
注：
拨盘装入主动轴后，应在拨盘上拧入紧定螺钉37，使拨盘与主动轴无相对运动；
同时槽轮装入主（从）动轴后，也应拧入紧定螺钉37，使槽轮与主（从）动轴无相对运动。
13）齿条相对机架的连接：
图13齿条相对机架的连接图
如图连接后，齿条可相对机架作直线移动；
旋松滑块上的内六角螺钉，滑块可在立柱上沿Y方向相对移动（齿条护板保证齿轮工作位置）。
14）主动滑块与直线电机轴的连接：
图14主动滑块与直线电机轴的连接图
当由滑块作为主动件时，将主动滑块座与直线电机轴（齿条）固连即可，并完成如图示连接就可形成主动滑块。
五、实验内容
机构运动创新设计实验，其运动方案可由学生构思平面机构运动简图进行创新构思并完成方案的拼接，达到开发学生创造性思维的目的。
实验也可选用实用机械中应用的各种平面机构，根据机构运动简图，进行拼接实验。
该实验台提供的配件可完成不少于40种机构运动方案的拼接实验。
实验时每台架可由3～4名学生一组，完成不少于每人1种的不同机构运动方案的拼接设计实验。
实验内容也可从下列实用机械中的各种机构中选择拼接方案，完成实验。
1.内燃机机构
图15内燃机机构
F=3n2PLPH=372100=1
机构组成：
曲柄滑块与摇杆滑块组合机构。
工作特点：
当曲柄1作连续转动时，滑块6作往复直线移动，同时摇杆DE作往复摆动带动滑块5作往复直线移动。
该机构用于内燃机中，滑块6在压力气体作用下作往复直线运动（故滑块6是实际的主动件），带动曲柄1回转并使滑块5往复运动使压力气体通过不同路径进入滑块6的左、右端并实现进排气。
2.牛头刨床机构
（a）（b）
图16牛头刨床机构
F=3n2PLPH=35270=1
图b）为将图a）中的构件3由导杆变为滑块，而将构件4由滑块变为导杆形成。
牛头刨床机构由摆动导杆机构与双滑块机构组成。
在图a）中，构件2、3、4组成两个同方位的移动副，且构件3与其它构件组成移动副两次；
而图b）则是将图a）中D点滑块移至A点，使A点移动副在箱底处，易于润滑，使移动副摩擦损失减少，机构工作性能得到改善。
图a）和图b）所示机构的运动特性完全相同。
当曲柄1回转时，导杆3绕点A摆动并具有急回性质，使杆5完成往复直线运动，并具有工作行程慢进，非工作行程快回的特点。
3.齿轮—曲柄摇杆机构
图17齿轮-曲柄摇杆机构
F=3n2PLPH=34251=1
该机构由曲柄摇杆机构和齿轮机构组成，其中齿轮5与摇杆2形成刚性联接。
当曲柄1回转时，连杆2驱动摇杆3摆动，从而通过齿轮5与齿轮4的啮合驱动齿轮4回转。
由于摆杆3往复摆动，从而实现齿轮4相对摆杆3的往复回转。
4.齿轮—曲柄摆块机构
图18齿轮-曲柄摆块机构
该机构由齿轮机构和曲柄——摆块机构组成。
其中齿轮1与杆2可相对转动，而齿轮4则装在铰链B点并与导杆3固联。
杆2作圆周运动，为曲柄，通过连杆使摆块摆动从而改变连杆的姿态使齿轮4带动齿轮1作相对曲柄的同向回转与逆向回转。
5.双滑块机构
图19双滑块机构
F=3n2PLPH=33240=1
该机构由导路互相垂直的双滑块组成，也可看成由曲柄滑块机构A-B-C构成，从而将滑块4视做虚约束。
当曲柄1作匀速转动时，滑块3、4均作直线运动，同时，杆件2上任一点的轨迹为一椭圆。
应用举例：
椭圆画器和剑杆织机引纬机构。
6.冲压机构
图20冲压机构
F=3n2PLPH=33240=1（将对称部分看作虚约束）
该机构由齿轮机构与对称配置的两套曲柄滑块机构组合而成，AD杆与齿轮1固联，BC杆与齿轮2固联。
组成要求：
z1=z2；
lAD=lBC；
齿轮1匀速转动，带动齿轮2反向同速回转，从而通过连杆3、4驱动杆5上下直线运动完成预定功能。
该机构可拆去杆件5，而E点运动轨迹不变，故该机构可用于因受空间限制无法安置滑槽但又须获得直线进给的自动机械中。
而且对称布置的曲柄滑块机构可使滑块运动受力状态好。
应用：
此机构可用于冲压机、充气泵、自动送料机中。
F=3n2PLPH=34251=1（将5看作虚约束）
7.筛料机构
图21筛料机构
该机构由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构构成。
曲柄1匀速转动，通过摇杆3和连杆4带动滑块5作往复直线运动，由于曲柄摇杆机构的急回性质，使得滑块5速度、加速度变化较大，从而更好地完成筛料工作。
1.机构的组成原理是什么？
何为基本杆组？
2.为何要对平面高副机构进行“高副低代”？
如何进行“高副低代”？
3.将你所拼装的机构运动方案画运动简图表示出来。
实验五曲柄导杆滑块机构动态测试实验
1.利用计算机对平面机构动态参数进行采集、处理，作出实测的动态参数曲线，并通过计算机对该平面机构的运动进行数模仿真，作出相应的动态参数曲线，从而实现理论与实际的紧密结合。
2.利用计算机对平面机构结构参数进行优化设计，然后，通过计算机对该平面机构的运动进行仿真和测试分析，从而实现计算机辅助设计与计算机仿真和测试分析有效的结合，培养学生的创新意识。
3.利用计算机的人机交互性能，使学生可在软件界面说明文件的指导下，独立自主地进行实验，培养学生的动手能力。
二、实验设备简介
图1
（一）主要技术参数：
1.曲柄导杆滑块机构主要技术参数：
曲柄原始参数：
曲柄滑块曲柄AB的长度LAB：
可调0.04~0.06m。
曲柄质心S1到A点的距离LAS1=0。
平衡质点P1到A点的距离LAP1：
可调0.04~0.05m。
曲柄AB的质量（不包括MP1）M1=2.45kg。
曲柄AB绕质心S1的转动惯量（不包括MP1）JS1=0.0045kgm2。
P1点上的平衡质量MP1：
可调。
1）滑块2原始参数：
滑块2质量M2=0.15kg。
曲柄A点到C点的距离LAC=0.18m。
2）导杆原始参数：
导杆CD的长度LCD：
可调0.20~0.26m。
导杆质心S3到C点的距离LCS3=0.145m。
导杆CD的质量M3=0.9kg。
导杆绕质心S3的转动惯量JS3=0.00768kgm2。
3）连杆原始参数：
连杆DE的长度LDE：
可调0.27~0.31m。
连杆质心S4到D点的距离LBS4=0.15m。
连杆DE的质量M4=0.55kg。
连杆绕质心S4的转动惯量JS4=0.0045kgm2。
4）滑块5原始参数：
滑块质量M5=0.3kg。
偏距值（上为正）e：
可调0～0.035m。
5）其余原始参数：
浮动机架的总质量M6=36.8kg。
加速度计的方向角а：
可调0~3600。
电动机（曲柄）的额定功率P：
90w。
电动机（曲柄）的特性系数G=9.724rp
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