机械设计基础实验指导书.docx
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机械设计基础实验指导书
机械设计基础
实验指导书及实验报告
班级
学号
姓名
内蒙古科技大学机械基础实验室
2007年8月
前言
实验技能的培养，在高等工科院校学生整个学习过程中占有重要的地位，它
是和理论知识的学习相辅相成的两个重要方面。
实验的作用不仅在于验证科技领域中已知的现象和规律，帮助学生更形象更深刻地理解知识，更重要的还在于通过多次多种类型的实验，熟悉各类仪器设备的应用，掌握实验手段、方法和技能，从而为今后的科研工作中，探索某些科技问题和变化规律以至于发明创造打下良好的基础；实验常常是重大科技发明的基础和前提，这在科技发展史上已屡见不鲜，实验的重要意义正在于此。
机械设计基础是一门实践性很强的技术基础课，而实验正是这一环节的重要组成部分。
在编写本书的过程中，曾得到许多同仁的大力帮助和支持，在此表示衷心感谢！
由于编著者水平和时间有限，误漏之处恐属难免，恳请读者给予指正。
编者
2007年8月
实验一机构运动简图绘制………………………………………………………1
实验二齿轮范成原理……………………………………………………………2
实验三螺栓联接静、动态实验…………………………………………………3
实验四带传动实验………………………………………………………………7
实验五减速器拆装实验…………………………………………………………9
实验报告一………………………………………………………………………10
实验报告二………………………………………………………………………11
实验报告三………………………………………………………………………12
实验报告四………………………………………………………………………13
实验报告五………………………………………………………………………14
实验一机构运动简图绘制
一、实验目的
1、学会根据实际机构或模型的构造绘制机构运动简图的技能；
2、通过实验进一步理解机构的组成和机构自由度的意义及其计算方法。
二、实验设备与工具
1、机械实物及机构模型；
2、钢板尺，游标卡尺，内、外卡尺；
3、三角板，铅笔，橡皮，草稿纸等（学生自备）。
三、实验原理和测绘方法
1、实验原理
机构运动的性质与机构中构件的数目和运动副的类型、数目、相对位置有关。
因此画机构运动简图时，应以规定的符号代表运动副和简单的线条代表构件，并以一定的比例尺按实际尺寸定出运动副间的相对位置，用尽可能简单的线条表示机构中各构件。
这种用比例尺绘出的机构简单图型称为机构运动简图，若不按比例尺绘出，则称为机构示意图。
2、测绘方法
（1）缓慢驱动被测机构的原动件，仔细观察各构件的运动，分清各运动单元，从而确定机构构件的数目。
（2）根据相连接两构件的接触情况及相对运动性质，确定各运动副的类型。
（3）在草稿纸上绘出机构示意图。
用1、2、3…依次标注各构件，用A、B、C…分别标注各运动副。
在原运动件上标出表示运动方向的箭头。
（4）测量与机构运动有关的尺寸，并标注在草图上。
（5）选长度比例尺μL（m/mm），在实验报告上画出机构运动简图。
实验二齿轮范成原理
一、实验目的
1、掌握用范成法加工渐开线齿轮的基本原理，观察齿廊曲线的形成过程；
2、了解渐开线齿轮的根切现象和齿顶变尖现象，分析比较标准齿轮和变位齿轮的异同点。
二、实验设备与工具
1、齿轮范成仪，剪刀，绘图纸；
齿轮范成仪基本参数：
m=20mmα=20°hα*=1c
*=0.25
被加工齿轮齿数：
Z=10
2、圆规，三角板，铅笔，橡皮，计算工具（学生自备）。
三、实验原理和方法
范成法是应用一对共轭齿廊互为包络线的原理来加工齿轮齿廓。
实验时，齿条代表切削刀具，齿条的节线与被加工齿轮的分度园作纯滚动。
这样，刀具刀刃各位置的包络线即为被加工齿轮的齿廓。
由于刀刃是齿条型直线（相当于基圆直径无穷大的渐开线），所以包络出的齿廓必为渐开线。
当齿条中线与被加工齿轮分度园相切并作纯滚动时，所加工的为标准齿轮；如果是齿轮中线的一条平行线与分度园相切作纯滚动时，所加工的为变为齿轮。
四、实验步骤
1、根据齿条刀具的基本参数和被加工齿轮的齿数以及变位系数计算出标准齿轮和变位齿轮的分度园直径，齿顶园直径，齿根园直径和基园直径，并画在绘图纸上。
2、将图纸固定在齿轮范成仪的圆盘上，对准中心，调节刀具中心线与齿轮毛坯分度园相切，制作标准齿轮。
开始时将刀具推向最右（左）边，然后将溜板慢慢向左（右）移动。
每移动一定距离，在代表齿轮毛坯的图纸上用铅笔描下刀具的刀刃位置，直到形成三个完整的齿形为止。
3、使刀具离开轮坯中心线xm毫米（=0.4×20）再用上法推出三个变位齿轮的齿形。
实验三螺栓联接静、动态实验
一、实验目的
现代各类机械中，广泛应用螺栓进行联接，如何计算和测量螺栓受力情况及静、动态特性参数，是工程技术人员的一个重要课题。
本实验通过对螺栓的受力进行测试和分析以达到以下目的：
1、了解螺栓联接在拧紧过程中各部分的受力情况。
2、计算螺栓相对刚度，并绘制螺栓联接的受力变形图。
3、验证受轴向工作载荷时，预紧螺栓联接的变形规律，及对螺栓总拉力的影响。
4、通过螺栓的动载实验，改变螺栓联接的相对刚度，观察螺栓动应力幅值的变化，以验证提高螺栓联接强度的各项措施。
二、实验内容
1、空心、实心螺栓联接静、动态实验；
2、改变螺栓刚度的静、动态实验；
3、改变垫片刚度的静、动态实验；
4、改变被连接件刚度的静、动态实验；
三、实验设备及仪器
LZS螺栓联接综合实验台；CQYDJ—4静动态测量仪；计算机及专用软件；测力矩搬手。
1、螺栓联接综合实验台的结构与工作原理。
1）螺栓部分包括M16空心螺栓、大螺母、组合垫片和M8小螺杆组成。
空心螺栓贴有测拉力和扭矩的两组应变片，分别测量螺栓在拧紧时，所受预紧拉力和扭矩。
空心螺栓的内孔中装有M8小螺杆，拧紧或松开其上的手柄杆，即可改变空心螺栓的实际受载面积，以达到改变联接件刚度的目的。
组合垫片设计成刚性和弹性两用的结构，用以改变被联接件系统的刚度。
2）被联接件部分由上孔、下孔和八角环、锥塞组成，八角环上贴有一组应变片，测量被联接件受力的大小；中部有锥型孔，插入或拔出锥塞即可改变八角环的受力，以改变被联接件系统的刚度。
3）加载部分由蜗杆、蜗轮、挺杆和弹簧组成，挺杆上贴有应变片，用以测量所加工作载荷的大小，蜗杆一端与电机相联，另一端装有手轮，启动电机或转动手轮使挺杆上升或下降，以达到加载、卸载（改变工作载荷）的目的。
2、LSD-A型静动态测量仪的工作原理及各测点应变片的组桥方式。
实验台各被测件的应变量用CQYDJ-4型动态测量仪测量，通过标定或计算即可换算出各部分的大小。
CQYDJ-4型静动态测量仪是利用金属材料的特性，将非电量的变化转换成电量变化的测量仪，应变测量的转换元件——应变片是用特细的金属电阻丝绕成或用金属箔片印刷腐蚀而成，用粘剂将应变片牢固的贴在被测物体上，当被测件受到外力作用长度发上变化时，粘贴在被测件上的应变片也相应变化，应变片的电阻值也随着发生了△R的变化，这样就把机械能转换成电量（电阻值）的变化。
用灵敏的电阻测量仪——电桥，测出电阻值的变化△R/R，就可换算出相应的应变ε，并可直接在测量仪的液晶128×64点阵的大显示屏读出应变值。
通过A/D板该仪器可向计算机发送被测点应变值，供计算机处理。
LZS螺栓联接综合实验台各测点均采用箔式电阻应变片，其阻值为120Ω，灵敏系数K=2.20,各测点均为两片应变片，按半桥测量量要求粘贴组成。
3、计算机专用多媒体软件及其他配套器具
1）需要计算机的配置为带RS232口主板、128M内存、40G硬盘、Celeron1.3G、光驱48X、17”纯平显示器。
2）实验台专用多媒体软件，该软件可进行螺栓静态联接实验和动态联接实验的数据结果处理、整理，并打印出所需的实测曲线和理论曲线图，待实验结束后进行分析。
3）专用扭力扳手0-200Nm一把，量程为0-1mm的千分表两个。
四、实验方法及步骤
以实验台八角环上未装两锥塞，松开空心螺栓上的M8小螺杆手柄，组合垫片换成刚性的空心螺栓联接静、动态实验为例说明实验方法和步骤。
（一）螺栓联接静态实验方法和步骤
1）用静动态测量仪配套的4根信号数据线的插头端将实验台各测点插座连接好，各测点的布置为：
电机侧八角环的上方为螺栓拉力，下方为螺栓扭力。
手轮测八角环的上方为八角环压力，下方为挺杆压力。
然后再将数据线分别连接于测量仪背面CH1、CH2、CH3、CH4各通道的A、B、C接线端子上。
用配套的串口线接测量仪背面的9芯RS232插座，另一头连接计算机上的RS232串口。
2）打开测量仪电源开关，启动计算机，，进入软件封面，单击“静态螺栓实验”，进入静态螺栓实验界面。
单击“串口测试”菜单，用以检查通讯是否正常，通讯正常方可进行以下实验步骤。
3）进入静态螺栓主界面，单击“实验项目选择”菜单，选“空心螺杆”项，（默认值）。
4）转动实验台手轮，挺杆下降，使弹簧下座接触下板面，卸掉弹簧施加给空心螺栓的轴向载荷。
将用以测量被联接件与联接件（螺栓）变形量的两块千分表，分别安装在表架上，使表的测杆触头分别与上板面和螺栓顶端面少许（0。
5MM）接触。
5）手拧大螺母至恰好与垫片接触。
螺栓不应有松动的感觉，分别将两千分表调零。
单击“校零”键，软件对上一步骤采集的数据进行清零处理。
6）用扭力矩扳手预紧被式螺栓，当扳手力矩为30—40Nm时，取下扳手，完成螺栓预紧。
7）将千分表测量的螺栓拉变形值和八角环压变型值输入到相应的“千分表值输入”框中。
a）“预紧”键进行螺栓预紧后，预紧工况的数据采集和处理。
同时生成预紧时的理论曲线。
b）预紧正确，单击“标定”键进行参数标定，此时标定系数被自动修正。
c）将实验台上手轮逆时钟（面对手轮）旋转，使挺杆上升至一定高度（≤15mm），压缩弹簧对空心螺栓轴向加载，力的大小可通过上升高度控制，塞入Φ15mm的测量棒确定，然后将千分表测到的变形值再次输入到相应的“千分表值输入”框中。
d）“加载”键进行轴向加载工况的数据采集和处理，同时生成理论曲线与实际测量的曲线图。
e）加载正确，单击“标定”键进行参数标定系数被自动修正。
f）“实验报告”键，生成实验报告。
2螺栓联接动态实验
1）螺栓联接的静态实验结束返回封面，单击“动态螺栓”进入动态螺栓实验界面。
2）重复静态实验方法与步骤中的1-12步。
如果你已经做了静态实验，则此处不必重做。
3）取下实验台右测手轮，开启实验台电动机开关，单击“动态”键，使电动机运转。
进行动态工况的采集和处理。
同时生成理论曲线和实际测量的曲线图。
4）单击“实验报告”键，生成实验报告。
5）完成上述操作后，动态螺栓联接实验结束。
五、注意事项
1、电机的接线必须正确，电机的旋转方向为逆时针（面向手轮正面）。
2、进行动态实验，开启电机电源开关时必须注意把手轮卸下来，避免电机转动时发生安全事故，并可减少实验台振动和噪声。
实验四带传动实验
一、实验目的
1、观察带传动中的弹性滑动和打滑现象，以及它们与带传递载荷之间的关系。
2、比较预紧力大小对带传动承载能力的影响。
3、比较分析平带、V带和圆带传动的承载能力。
4、测定并绘制带传动的弹性滑动曲线和效率曲线，观察带传动弹性滑动和打滑的动画仿真，了解带传动所传递载荷与弹性滑差率及传动效率之间的关系。
5、了解带传动实验台的构造和工作原理，掌握带传动转矩、转速的测量方法。
二、实验台结构及工作原理
1、试验带装在主动带轮和从动带轮上。
主动带轮装在直流电动机的主轴前端，该电动机为特制的两端外壳由滚动轴承支承的直流电动机，滚动轴承座固定在移动底板上，整个电动机可相对两端滚动轴承座转动，移动底板能相对机座在水平方向滑移。
从动带轮装在发电机的主轴前端，该发电机为特制的两端外壳由滚动轴承支承的直流发电机，滚动轴承座固定在机座上，整个发电机可相对两端滚动轴承座转动。
2、砝码及砝码架通过尼龙绳与滑动底板相连，用于张紧试验带，增加或减小砝码，即可增大或减小实验带的初拉力。
3、发电机的输出电路中有8个40W灯泡，组成实验台加载系统，该加载系统可通过计算机软件主界面上的加载按钮控制，也可用实验台面板上触摸按钮进行手动控制并显示。
4、主动带轮的驱动转矩和从动带轮的负载转矩均是通过电机外壳的反力矩来测定的。
当电动机启动和发电机加负载后，由于定子与转子间磁场的相互作用，电动机的外壳（定子）将向转子回转的方向（逆时针）翻转，而发电机的外壳将向转子回转的方向（顺时针）翻转。
两电机外壳上均固定有测力杆，把电机外壳翻转时产生的转矩力传递给传感器。
主、从动带轮转矩力可直接在面板上的数码管窗口上读取，并可传到计算机中进行计算分析。
带传动实验分析界面窗口直接显示主、从动带轮上的转矩值。
主动带轮上的转矩T1=K1F1L1
从动带论上的转矩T2=K2F2L2
式中：
K1、K2——转矩力测杆刚性系数，K1=K2=0.24；
F1、F2——转矩力，N；
L1、L2——转矩力臂，L1=L2=120mm
5、两电机的主轴后端均装有电测速转盘，转盘上有小孔，转盘一侧固定有光电传感器，传感器测头正对转盘小孔，主轴转动时，可在实验台面板数码管窗口上直接读出主轴转速（即带轮转速），并可传到计算机中进行计算分析。
6、弹性滑差率ε
主、从动带轮转速可从实验台面板窗口或带传动实验分析界面窗口上直接读出。
由于带传动存在弹性滑动，使其速度降低程度用滑差率ε表示：
当d1=d2时，
式中：
d1、d2——主、从动带轮的基准直径；
v1、v2——主、从动带轮的圆周速度；
n1、n2——主、从动带轮的转速；
7、带传动的效率η
式中：
P1、P2——主、从动带轮上的功率；
T1、T2——主、从动带轮上的转矩；
n1、n2——主、从动带轮的转速；
8、带传动的弹性滑动曲线和效率曲线
改变带传动的负载，即T1、T2、n1、n2也都在改变，这样就可算得一系列的ε、η值，以T2为横坐标，分别以ε、η为纵坐标，可绘制出弹性滑动曲线和效率曲线。
实验五减速器拆装实验
一、实验目的
1、观察减速器外形及内部构造、各部分组成
2、测定减速器主要参数
二、实验设备
1、PM350减速器；蜗杆减速器；圆锥圆柱齿轮减速器；
2、各种测量工具
三、实验要求
通过对减速器的拆装过程，全面细致地观察齿轮、轴、轴承和箱体零部件。
了解其结构特定和作用，对一些数据进行必要的测量，为课程设计打下良好的基础。
通过实验达到以下目的：
1、了解各类减速器的特点及使用范围。
2、详细观察减速器箱体的结构特点，了解其作用。
3、详细观察齿轮、轴和轴承部件结构特点、相互关系、组合特点及作用。
4、了解轴承端盖，观察孔、油面指示器，通气器，出油孔、定位销、起盖螺钉、吊环和吊钩等所在位置、结构特点及其功用。
5、了解各零部件之间的相对位置，进行一些必要的测量。
四、实验步骤
1、观察减速器外貌，了解各零部件所处位置、结构特点及其作用。
观察箱体形状、凸台、加强筋的分布。
2、打开观察孔，观察齿轮啮合情况，了解齿测间隙的测量方法。
3、取出定位销和凸缘上的联接螺栓，然后旋起起盖螺钉，待箱盖和箱体分离3——4mm后，再用吊环螺钉取下箱盖。
4、观察减速器内部各零部件的相互位置，并进行必要的测量。
5、将轴系零部件取出，仔细观察齿轮、轴、轴上零件与轴的联接、固定方法及轴承结构，进行必要的测量。
6、全部工作完后，用棉纱擦净各零部件，按拆开时顺序装入各零部件。
实验报告一机构运动简图绘制
机号
同组人姓名
实验日期
成绩
教师签字
机构名称：
比例：
n=pL=PH=F=
机构名称：
比例：
n=pL=PH=F=
机构名称：
比例：
n=pL=PH=F=
机构名称：
比例：
n=pL=PH=F=
思考题：
1、一个正确的“机构运动简图”应能说明哪些内容？
2、机构运动简图与机构示意图有何区别？
实验报告二齿轮范成原理
机号
同组人姓名
实验日期
成绩
教师签字
名称
单位
标准
变位
比较
分度圆直径d
mm
基圆直径db
mm
齿顶圆直径da
mm
齿根圆直径df
mm
分度圆齿厚s
mm
分度圆齿槽宽e
mm
齿距p
mm
齿顶高ha
mm
齿根高hf
mm
全齿高h
mm
思考题：
1、本实验的标准齿轮是否根切？
2、本实验的齿廓范成原理能否用于非渐开线齿形的加工？
实验报告三螺栓联接静、动态实验
机号
同组人姓名
实验日期
成绩
教师签字
一、实验数据及计算结果
实测值
理论值
螺栓拉力
螺栓扭矩
八角环
挺杆
螺栓拉力
螺栓扭矩
八角环
挺杆
预紧形变值（μm）
预紧应变值（με）
预紧力（N）
预紧刚度（N/mm）
预紧标定值（με/N）
加载形变值（μm）
加载应变值（με）
加载力（N）
加载刚度（N/mm）
加载标定值（με/N）
二、螺栓联接静、动态特性应力分布曲线图
三、实验结果分析
实验报告四带传动实验
机号
同组人姓名
实验日期
成绩
教师签字
一、已知参数
F0=L1=L2=D1=D2=
二、实验数据及处理
序号
n1（rpm）
n2（rpm）
ε（%）
F1（N）
F2（N）
T1（Nm）
T2（Nm）
P1（w）
P2（w）
η（%）
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
三、绘制T2与ε、T2与η曲线；
实验报告五减速器拆装
机号
同组人姓名
实验日期
成绩
教师签字
一、测量及计算数据
名称
单位
高速级
低速级
中心距a
齿轮齿数Z
齿顶圆直径da
齿根圆直径df
传动比i
法向模数mn
端面模数mt
螺旋角β
二、思考题
1、箱体上筋板的作用？
2、箱体为什么沿轴线平面剖分？
3、箱体为什么做成圆弧曲线形？
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