机械基础实验指导书Word格式文档下载.docx

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副

齿轮高副

凸轮高副

4、仔细测量机构中与运动有关的尺寸，取长度比例尺

将示意图画成机构运动简图。

5、计算机构的自由度，进行结构分析，并判别机构是否具有确定的运动。

思考题

1、机构运动简图应包括哪些内容？

2、哪些是与机构运动有关的尺寸？

3、以一实例说明零件与构件的差别。

4、概述构件、运动副、机构、机器的意义。

5、列举几个运动简图相同但实际应用不同的机器或机构实例，由此说明机构运动简图的作用。

完成实验报告

机构名称：

机构运动简图：

运动学尺寸：

计算机构自由度：

实验2渐开线齿廓的范成实验

齿轮的加工方法很多，如切削法、铸造法、热轧法、电加工法等。

但就加工原理来看，切削法又可分为两大类，即仿形法和范成法。

所谓仿形法，是指用与齿槽形状相同的成形刀具或模具将轮坯齿槽的材料去掉，常用的方法是用圆盘铣刀或指状铣刀在普通铣床上进行加工。

所谓范成法，是指利用一对齿轮作无侧隙啮合传动时，两轮的齿廓互为包络线的原理来加工齿轮的，因而又称为包络法。

常用的有用滚齿机、插齿机、剃齿机等加工齿轮。

1、理解范成法切削齿轮的基本原理和过程。

2、理解渐开线齿轮发生根切的原因和用变位修正来避免根切的道理，并验证最小变位系数。

3、加深对相互啮合的齿廓互为包络线的理解。

4、分析比较标准齿轮和变位齿轮的区别。

实验原理

用仿形法加工齿轮时一般都是不连续切削。

每加工完齿轮上的一个齿间后，要进行分度才能继续加工下一个齿间，由于分度中的误差和刀具形状误差，因此用这种方法加工出来的齿轮精度较差，生产效率也低，而且加工同一模数和压力角的齿轮，因齿数不同时则刀具也要相应改变，因此刀具的通用性也差。

范成法是根据一对齿轮相互啮合时，其齿廓互为包络线的原理来加工齿轮的（即一对齿轮在啮合过程中它们的齿廓始终相切）。

加工时刀具和齿坯之间保持固定的速比，正如平常一对相互啮合的齿轮传动一样，用范成法加工齿轮时，同一模数和压力角的刀具适用于不同齿数的齿轮，这样刀具的通用性就好，加工出来的齿轮精度较高，生产率也高。

本实验就是用齿轮范成仪通过作图的方法来作出齿条刀具在实际加工时刀刃在轮坯上的各个切削位置所形成的包络线，即用范成法加工齿轮的过程，从而加深对齿廓曲线的形成，变位修正和范成原理的理解。

实验设备与工具

1、工具：

（自备）

铅笔、橡皮、三角尺、圆规等

2、实验设备：

齿轮范成仪，绘图纸，剪刀

齿轮范成仪构造如图3-1所示。

图中模数为15mm的齿条刀具1通过螺母与滑板2固定在一起，而与滑板2上齿条相啮合的是齿轮4，滑板2和底座5有燕尾导槽相配合。

所示齿条1和滑板2可相对底座5沿燕尾导槽方向移动，圆盘6（表示机床工作台）套在小轴8上，可绕底座5的轴心线转动，轴心线同燕尾导槽方向互相垂直交叉，圆盘6上的图纸3（表示齿轮毛坯）由螺母6压紧，使之能与圆盘一起转动，图纸3的外径等于齿坯的外径。

当滑板2在底座5上沿燕尾导槽方向移动时，滑板齿条2带动圆盘6作相应转动，此时齿坯节圆沿滑板上的刀具节线作无滑动的滚动，好象被加工齿坯相对于齿条刀具的运动一样。

齿条在滑板上的相对位置可以调整，当齿条中线与滑板上的基线n—n重合时，表示齿条刀具中线（分度线）与被加工齿轮分度圆相切，此时得到的是标准齿轮。

当齿条的中线与滑板上基线n—n不重合时，表示刀具齿条的中线与被加工齿轮分度圆间的位置有移距，此时范成所得到的齿轮是变位齿轮。

实验方法和步骤

1、范成标准齿轮齿廓

（1）对照齿轮范成仪阅读实验教材，熟悉范成仪的构造和作用原理。

（2）按模数m=15mm，齿数z=10，压力角α=20°

来计算齿轮的齿根圆、基圆、分度圆、齿顶圆。

然后在图纸上画好齿轮中心线，定出圆心，作出Φ=18mm的小圆及齿轮的齿根圆、基圆、分度圆、齿顶圆（二个）六个同心圆，再分别作出分度圆、基圆的切线，二切线之间夹角α=20゜是该齿轮的压力角，然后按齿顶圆直裁剪图纸，并按28mm直径在中间剪孔。

图3-2范成齿轮齿坯

（3）将图纸装在范成仪上，旋紧压紧螺母6，再校正齿条的位置，使其中线分度圆相切并固定之。

（4）观察齿条刀具上距中线一个模数的齿顶线，是否超过啮合极限点N（超过与否说明了什么？

）

（5）推动滑板时，对准底座上的刻线。

每次移动的距离约为5mm。

用铅笔在图纸上绘齿条刀具在齿坯上的相对位置图，也就是刀具在齿坏坯上的切去部分的吃刀线，如图示3-3所示，在图中可以看出被加工齿轮的齿廓曲线是齿条刀具在各个位置的包络曲线。

（6）观察范成仪得到的渐开线齿廓曲线，可发现齿廓的根部有部分渐开线齿廓被切去，由于该齿轮齿数少于是17而末经修正，显然发生了根切现象。

2、范成变位齿轮齿廓

（1）仍按模数m=15mm、齿数z=10、压力角α=20°

计算齿轮的齿根圆、基圆、分度圆、及齿顶圆，但须将齿顶圆外径增加12mm。

因为当压力角α=20゜，齿顶高系数

的齿轮不发生根切的最小变位系数xmin=（17-z）/17，式中z为被加工齿轮的齿数，以z=10代入上式则得X=（17-10）/17≈0.411，变位后，顶圆直径da=mz+2xm+2m≈192mm。

（2）将齿条刀具的中线向下移动6mm（xm=0.411*15≈6mm），在变位齿轮纸坯上重复上述范成步骤，由此画出齿廓线正好不发生根切现象。

思考题和实验报告

1、思考题

（1）比较标准齿轮和变位齿轮在下列参数的异同

标准齿轮

正变位齿轮

基圆直径

分度圆直径

齿顶圆直径

齿根圆直径

分度圆上齿厚

分度圆上齿间

分度圆上周节

分度圆上压力角

（2）有三个正常齿制且α=20°

的标准齿轮，其模数和齿数分别为m1=2mm,z1=20;

m2=2mm,z2=50;

m3=5mm,z3=20,问这三个齿轮的齿形有何不同？

可以用同一把成形铣刀加工吗？

可以用同一把滚刀加工吗？

（3）用齿形角α=20°

，齿顶高系数ha=1的插齿刀（不考虑插刀的新旧程度，作为一标准齿轮考虑）是否可能加工出小于17齿且无根切的标准齿轮？

（4）用齿轮范成仪所模仿的切齿轮过程能否用来说明滚齿机切齿轮的原理，有哪些不同的地方？

（5）以本范成仪如何模拟加工，z=25的标准齿轮，此时齿根部分是否全部是渐开线？

试用作图法求出该廓渐开线起始点的位置。

2、完成实验报告

（1）记录实验所用的标准齿条刀具和被切标准、变位齿轮的基本参数，并进行几何计算。

（2）附录范成切齿的结果。

（3）思考题的讨论和建议。

实验3 

机械零部件的认识实验

实验指导书

一、实验目的

1．初步了解《机械设计》课程所研究的各种常用零件的结构、类型、特点及应用。

2．了解各种标准零件的结构形式及相关的国家标准。

3．了解各种传动的特点及应用。

4．了解各种常用的润滑剂及相关的国家标准。

5．增强对各种零部的结构及机器的感性认识。

二、实验内容

陈列室展示各种常用零部件的模型和实物，通过展示，增强学生对零部件的感性认识。

实验教师只作简单介绍，提出问题，供学生思考，学生通过观察，增加对常用零部件的结构、类型、特点的理解，培养对课程理论学习和专业方向的兴趣。

三、实验设备和工具

机械零部件陈列室展柜和各种零部件模型和实物。

四、实验原理

（一）螺纹联接

螺纹联接是利用螺纹零件工作的，主要用作紧固零件。

基本要求是保证联接强度及联接可靠性，同学们应了解如下内容：

1．螺纹的种类：

常用的螺纹主要有普通螺纹、米制锥螺纹、管螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹和锯齿螺纹。

前三种主要用于联接，后三种主要用于传动。

除矩形螺纹外，都已标准化。

除管螺纹保留英制外，其余都采用米制螺纹。

2．螺纹联接的基本类型：

常用的有普通螺栓联接，双头螺柱联接、螺钉联接及紧定螺钉联接。

除此之外，还有一些特殊结构联接。

如专门用于将机座或机架固定在地基上的地脚螺栓联接，装在大型零部件的顶盖或机器外壳上便于起吊用的吊环螺钉联接及应用在设备中的T型槽螺栓联接等。

3．螺纹联接的防松：

防松的根本问题在于防止螺旋副在受载时发生相对转动。

防松的方法，按其工作原理可分为摩擦防松、机械防松及铆冲防松等。

摩擦防松简单、方便，但没有机械防松可靠。

对重要联接，特别是在机器内部的不易检查的联接，应采机械防松。

常见的摩擦防松方法有对顶螺母，弹簧垫圈及自锁螺母等；

机械防松方法有开口销与六角开槽螺母、止动垫圈及串联钢丝等；

铆冲防松主要是将螺母拧紧后把螺栓未端伸出部分铆死，或利用冲头在螺栓未端与螺母的旋合处打冲，利用冲点防松。

4．提高螺纹联接强度的措施

1）受轴向变载荷的紧螺栓联接，一般是因疲劳而破坏。

为了提高疲劳强度，减小螺栓的刚度，可适当增加螺栓长度，或采用腰状杆螺栓与空心螺栓。

2）不论螺栓联接的结构如何，所受的拉力都是通过螺栓和螺母的螺纹牙相接触来传递的，由于螺栓和螺母的刚度与变形的性质不同，各圈螺纹牙上的受力也是不同的。

为了改善螺纹牙上的载荷分布不均程度，常用悬置螺母或采用钢丝螺套来减小螺栓旋合段本来受力较大的几圈螺纹牙的受力面。

3）为了提高螺纹联连强度，还应减小螺栓头和螺栓杆的过渡处所产生的应力集中。

为了减小应力集中的程度，可采用较大的过渡圆角和卸载结构。

在设计、制造和装配上应力求避免螺纹联接产生附加弯曲应力，以免降低螺栓强度；

4）再就是采用合理的制造工艺方法，来提高螺栓的疲劳强度。

如采用冷镦螺栓头部和滚压螺纹的工艺方法或用采用表面氮化、氰化、喷丸等处理工艺都是有效方法。

在掌握上述内容，通过参观螺纹联接展柜，同学应区分出：

①什么是普通螺纹、管螺纹、梯形螺纹和锯齿螺纹；

②能认识什么是普通螺纹、双头螺纹、螺钉及紧定螺钉联接；

③能认识摩擦防松与机械防松的零件；

④了解联接螺栓的光杆部分做得比较细的原因是什么等问题。

（二）标准联接零件

标准联接零件一般是由专业企业按国标（GB）成批生产，供应市场的零件。

这类零件的结构形式和尺寸都已标准化，设计时可根据有关标准选用。

通过实验学生们要能区分螺栓与螺钉；

能了解各种标准化零件的结构特点，使用情况；

了解各类零件有那些标准代号，以提高学生们对标准化意识。

1．螺栓：

一般是与螺母配合使用以联接被联接零件，无需在被联接的零件上加工螺纹，其联接结构简单，装拆方便，种类较多，应用最广泛。

其国家标准有：

GB5782～5786六角头螺栓、GB31.1～31.3六角头带孔螺栓、GB8方头螺栓、GB27六角头铰制孔用螺栓、GB37T形槽用螺栓、GB799地脚螺栓及GB897～900双头螺栓等。

2．螺钉：

螺钉联接不用螺母，而是紧定在被联接件之一的螺纹孔中，其结构与螺栓相同，但头部形状较多以适应不同装配要求。

常用于结构紧凑场合。

GB65开槽圆柱头螺钉；

GB67开槽盘头螺钉；

GB68开槽沉头螺钉；

GB818十字槽盘头螺钉；

GB819十字槽沉头螺钉；

GB820十字槽半沉头螺钉；

GB70内六角圆柱头螺钉；

GB71开槽锥端紧定螺钉；

GB73开槽平端紧定螺钉；

GB74开槽凹端紧定螺钉；

GB75开槽长圆柱端紧定螺钉；

GB834滚花高头螺钉；

GB77～80各种内六角紧定螺钉；

GB83～86各类方头紧定螺钉；

GB845～847各类十字自攻螺钉；

GB5282～5284各类开槽自攻螺钉；

GB6560～6561各类十字头自攻锁紧螺钉；

GB825吊环螺钉等。

3．螺母：

螺母形式很多，按形状可分为六角螺母、四方螺母及圆螺母；

按联接用途可分为普通螺母，锁紧螺母及悬置螺母等。

应用最广泛的是六角螺母及普通螺母。

GB6170～6171、GB6175～61761型及2型A、B级六角螺母；

GB411型C级螺母；

GB6172A、B级六角薄螺母；

GB6173A、B六角薄型细牙螺母；

GB6178、GB61801、2型A、B级六角开槽螺母；

GB9457、GB94581、2型，A、B级六角开槽细牙螺母；

GB56六角厚螺母；

GB6184六角锁紧螺母；

GB39方螺母；

GB806滚花高螺母；

GB923盖形螺母；

GB805扣紧螺母；

GB812、GB810圆螺母及小圆螺母；

GB62蝶形螺母等。

4．垫圈：

垫圈种类有平垫、弹簧垫及锁紧垫圈等。

平垫圈主要用于保护被联接件的支承面，弹簧及锁紧垫圈主要用于摩擦和机械防松场合，其国家标准有：

GB97.1～97.2、GB95～96、GB848、GB5287各类大、小及特大平垫圈；

GB852工字钢用方斜垫圈；

GB853槽钢用方斜垫圈；

GB861.1及GB862.1内齿、外齿锁紧垫圈；

GB93、GB7244、GB859各种类弹簧垫圈；

GB854～855单耳、双耳止动垫圈；

GB856外舌止动垫圈；

GB858圆螺母止动垫圈。

5．挡圈：

常用于轴端零件固定之用。

GB891～892螺钉、螺栓紧固轴端挡圈；

GB893.1～893.2A型B型孔用弹性挡圈；

GB894.1～894.2A型B型轴用弹性挡圈；

GB895.1～895.2孔用、轴用钢丝挡圈；

GB886轴肩挡圈等。

（三）键、花键及销联接

1．键联接：

键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。

其主要类型有：

平键联接、楔键联接和切向键联接。

各类键使用的场合不同，键槽的加工工艺也不同。

可根据键联接的结构特点，使用要求和工作条件来选择，键的尺寸则应符合标准规格和强度要求来取定。

GB1096～1099各类普通平键、导向键及各类半圆键；

GB1563～1566各类楔键、切向键及薄型平键等。

2．花键联接：

花键联接是由外花键和内花键组成。

适用于定心精度要求高、裁荷大或经常滑移的联接。

花键联接的齿数、尺寸，配合等均按标准选取，可用于静联接或动联接。

按其齿形可分为矩形花键（GB1144）和渐线形花键（GB3478.1），前一种由于多齿工作，承载能力高、对中性好、导向性好、齿根较浅、应力集中较小、轴与毂强度削弱小等优点，广泛应用在飞机、汽车、拖拉机、机床及农业机械传动装置中；

渐形线花键联接，受载时齿上有径向力，能起到定心作用，使各齿受力均匀，强度、寿命长等特点，主要用于载荷较大、定心精度要求较高以及尺寸较大的联接。

3．销联接：

销主要用来固定零件之间的相对位置时，称为定位销，它是组合加工和装配时的重要辅助零件；

用于接接时，称为联接销，可传递不大的载荷；

作为安全装置中的过载剪断元件时，称为安全销。

销有多种类型，如圆锥销、槽销、销轴和开口销等，这些均已标准化，主要国标代号有：

GB119、GB20、GB878、GB879、GB117、GB118、GB881、GB877等。

各种销都有各自的特点，如：

圆柱销多次拆装会降低定位精度和可靠性；

锥销在受横向力时可以自锁，安装方便，定位精度高，多次拆装不影响定位精度等。

以上几种联接，通过展柜的参观同学们要仔细观察其结构，使用场合，并能分清和认识以上各类零件。

（四）机械传动

机械传动有螺旋传动、带传动、链传动、齿传动及蜗杆传动等。

各种传动都有不同的特点和使用范围，这些传动知识同学们在学习“机械设计”课程中都有要详细讲授。

在这里主要通过实物观察，增加同学们对各种机械传动知识的感性认识，为今后理论学习及课程设计打下良好基础。

1．螺旋传动：

螺旋传动是利用螺纹零件工作的，作为传动件要求保证螺旋副的传动精度，效率和磨损寿命等。

其螺纹种类有矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹等。

按其用途可分传力螺旋、传导螺旋及调整螺旋三种；

按摩擦性质不同可分为滑动螺旋、滚动螺旋及静压螺旋等。

滑动螺旋常为半干摩擦，摩擦阻力大、传动效率低（一般为30～60%）；

但其结构简单，加工方便，易于自锁，运转平稳，但在低速时可能出现爬行；

其螺纹有侧向间隙，反向时有空行程，定位精度和轴向刚度较差，要提高精度必须采用消隙机构；

磨损快。

滑动螺旋应用于传力或调整螺旋时，要求自锁，常采用单线螺纹；

用于传导时，为了提高传动效率及直线运动速度，常采用多线螺纹（线数n=3～4）。

滑动螺旋主要应用于金属切削机床进给；

分度机构的传导螺纹，摩擦压力机及千斤顶的传动。

滚动螺旋因螺旋中含有滚珠或滚子，在传动时摩擦阻力小，传动效率高（一般在90%以上）；

起动力矩小，传动灵活、工作寿命长等优点，但结构复杂制造较难；

滚动螺旋具有传动可逆性（可以把旋转动变为直线运动，也可把直线运动变成转运动），为了避免螺旋副受载时逆转，应设置防止逆转的机构；

其运转平稳，起动时无颤动，低速时不爬行；

螺母与螺杆经调整预紧后，可得到很高的定位精度（6μm/0.3m）和重复定位精度（可达1～2μm），并可提高轴的刚度；

其工作寿命长、不易发生故障，但抗冲击性能较差。

主要用在金属切削精密机床和数控机床、测试机械、仪表的传导螺旋和调整螺旋及起重、升降机构和汽车、拖拉机转向机构的传力螺旋；

飞机、导弹、船舶、铁路等自控系统的传导和传力螺旋上。

静压螺旋是为了降低螺旋传动的摩擦，提高传动效率，并增强螺旋传动的刚性的抗振性能，将静压原理应用于螺旋传动中，制成静压螺旋。

因为静压螺旋是液体摩擦，摩擦阻力小，传动效率高（可达99%），但螺母结构复杂；

其具有传动的可逆性，必要时应设置防止逆转的机构；

工作稳定，无爬行现象；

反向时无空行程，定位精度高，并有较高轴向刚度；

磨损小及寿命长等特点。

使用时需要一套压力稳定、温度恒定、有精滤装置的供油系统。

主要用于精密机床进给，分度机构的传导螺旋。

2.带传动：

是带被张紧（预紧力）而压在两个带轮上，主动轮带轮通过摩擦带动带以后，再通过摩擦带动从动带轮转动。

它具有传动中心距大、结构简单、超载打滑（减速）等特点。

常有平带传动、V型带传动，多楔带及同步带传动等。

平带传动结构最简单，带轮容易制造。

在传动中心距较大的情况下应用较多；

V型带为一整圈，无接缝，故质量均匀，在同样张紧力下，V型带较平带传动能产生更大的摩擦力，再加上传动比较大、结构紧凑，并标准化生产，因而应用广泛；

多楔带传动兼有平带和V型带传动的优点，柔性好、摩擦力大、能传递的功率大，并能解决多根V型带长短不一使各带受力不均匀的问题。

主要用于传递功率较大而结构要求紧凑的场合，传动比可达10，带速可达40m/s。

同步带是沿纵向制有很多齿，带轮轮面也制有相应齿，它是靠齿的啮合进行传动，可使带与轮的速度一致等特点。

3.链传动：

是由主动链轮齿带动链以后，又通过链带动从动链轮，属于带有中间挠性件的啮合传动。

与属于摩擦传动的带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，能保持准确的平均传动比，传动效率高。

按用途不同可分为传动链传动、输送链传动和起重链传动。

输送链和起重链主要用在运输和起重机械中，而在一般机械传动中，常用的传动链。

传动链有短节距精密滚子链（简称滚子链），齿形链等。

在滚子链中为使传动平稳，结构紧凑，宜选用小节距单排链，当速度高、功率大时则选用小节距多排链。

齿形链又称无声链，它是由一级带有两个齿的链板左右交错并列铰链而成。

齿形链设有导板，以防止链条在工作时发生侧向窜动。

与滚子链相比，齿形链传动平稳、无噪声、承受冲击性能好、工作可靠。

链轮是链传动的主要零件，链轮齿形已标准化（GB1244、GB10855）链轮设计主要是确定其结构尺寸，选择材料及热处理方法等。

4.齿轮传动：

齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，型式多、应用广泛。

其主要特点是：

效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定等。

可做成开式、半开式及封闭式传动。

失效形式主要有轮齿折断、齿面点锈、齿面磨损、齿面胶合及塑性变形等。

常用的渐开线齿轮有直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、标准锥齿齿轮传动、圆弧齿圆柱齿传动等。

齿轮传动啮合方式有内啮合、外啮合、齿轮与齿条啮合等。

参观时一定要了解各种齿轮特征，主要参数的名称及几种失效形式的主要特征，使实验在真正意义上的与理论教学上产生互补作用。

5.蜗杆传动：

蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意角，常用的为90°

。

蜗杆传动有下述特点：

当使用单头蜗杆（相当于单线螺纹）时，蜗杆旋转一周，蜗轮只转过一个齿距，因此能实现大传动比。

在动力传动中，一般传动比i=5～80；

在分度机构或手动机构的传动中，传动比可达300；

若只传递运动，传动比可达1000。

由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。

在传动中，蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，与蜗轮啮合是逐渐进入与逐渐退出，故冲击载荷小，传动平衡，噪声低；

但当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁；

再就是蜗杆传动与螺旋传动相似，在啮合处的有相对滑动，当速度很大，工作条件不够良好时会产生严重摩擦与磨损，引起发热，摩擦损失较大，效率低。

根据蜗杆形状不同，分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥面蜗杆传动。

通过实验同学应了解蜗杆传动结构及蜗杆减速器种类和形式。

（五）轴系零、部件

1.轴承：

轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。

轴承根据摩擦性质不同分为滚动轴承和滑动轴承两大类。

滚动轴承由于摩擦系数小，起动阻力小，而且它已标准化（标准代号有：

GB/T281、GB/T276、GB/T288、GB/T292、GB/T285、GB/T5801、GB/T297、GB/T301及GB/T4663、GB/T5859等），选用，润滑、维护都很方便，因此在一般机器应用较广。

滑动轴承按其承受载荷方向的不同分为径向滑动轴承和止推轴承；

按润滑表面状态不同又可分为液体润滑轴承、不完全液体润滑轴承及无润滑轴承（指工作时不加润滑剂）；

根据液体润滑承载机理不同，又可分为液体动力润滑轴承（简称液体动压轴承）和液体静压润滑轴