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机械设计实验指导书
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机械设计实验指导书
机械与汽车工程学院
汽车服务工程教研室
2012年3月12日
目录
1.机构运动简图测绘及分析实验
2.滑动轴承实验
3.轴系结构设计实验
4.减速器拆装实验
实验一机构运动简图测绘及分析实验
一、实验目的
熟悉机构运动简图的绘制方法，掌握从实际机构中测绘机构运动简图的技能；巩固机构结构分析原理及自由度计算方法。
二、实验设备及工具
1.测绘用四种机构实物模型；
2.测量用尺、分规、铅笔及草稿纸。
三、实验原理
机构运动简图的常用符号如图1-1至图1-4所示（详见《机械制图》GB4460—84“机构运动简图符号”）。
（1）转动副，如图1-1所示。
a）全为活动构件时
b）构件1为机架时
图1-1转动副
（2）移动副，如图1-2所示。
a）全为活动构件时
b）构件1为机架时
图1-2移动副
（3）高副，如图1-3所示。
a）全为活动构件时
b）构件1为机架时
图1-3高副
（4）构件图例，如图1-4所示
a）具有两个运动副元素时
b）具有三个运动副元素时
c）具有四个运动副元素时
图1-4构件图例
2、实验原理
机构各部分的运动，是由其原动件的运动规律、该机构中各运动副的类型（高副、低副，转动副、移动副等）和机构的运动尺寸来决定的，而与构件的外形、断面尺寸、组成构件的零件数目及固联方式等无关。
所以，只要根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，就可以用运动副的代表符号和简单的线条把机构的运动简图作出来。
正确的机构运动简图中各构件的尺寸、运动副的类型和相对位置以及机构组成形式应与原机构保持一致，从而保证机构运动简图与原机构具有完全相同的运动特性，以便根据该图对机构进行运动及动力分析。
所谓机构运动简图就是从运动的观点出发，用规定的符号和简单的线条按一定的尺寸比例来表示实际机构的组成及各构件间相对运动关系。
3、绘制机构运动简图的方法及步骤
（1）分析机构的实际构造和运动情况
任选原动件并缓慢转动，根据各构件之间有无相对运动，分清机构是由哪些构件组成的；按照机构运动的传递顺序，仔细观察各构件之间相对运动的性质，从而确定运动副的类型和数目。
（2）合理选择投影面和原动件位置，作机构示意图
选择恰当的投影面，一般选择与大多数构件的运动平面相平行的平面为视图平面；合理选择原动件的一个位置，以便简单清楚地将机构的运动情况正确地表达出来。
撇开各构件的具体结构形状，找出每个构件上的所有运动副，用简单的线条联接该构件上的所有运动副元素来表示每一个构件。
即用简单的线条和规定符号来代表构件和运动副，从而在所选投影面上作出机构的示意图。
（3）计算机构的自由度并检验机构示意图是否正确
a、机构自由度计算公式：
F=3n-2PL-PH
式中：
n——机构活动构件数
PH——平面低副个数
PL——平面高副个数
b、核对计算结果
机构具有确定运动的条件为：
机构的自由度大于零且等于原动件数。
因本实验中各机构模型均具有确定的运动，故各机构计算自由度应与其原动件数相同：
否则说明所作示意图有误，应对机构重新进行分析、作示意图。
注意：
转动副和移动副虽同为低副，但因其运动性质不同，在作示意图时一定不能混淆互换。
可单单通过自由度计算，又不能发现转动副与移动副相混淆的错误情况，故应将所作图中的各运动副类型与原机构进行逐一核对检查。
（4）量取运动尺寸
运动尺寸是指与机构运动有关的、能确定各运动副相对位置的尺寸。
在原机构上量取机构的运动尺寸，并将这些尺寸标注在机构示意图上。
（5）绘制机构运动简图
选取适当的长度比例尺，依照机构示意图，按一定顺序进行绘图，并将比例尺标注在图上，即为机构运动简图。
长度比例尺的意义如下：
例如：
某构件的长度LAB=1m，绘在图上的长度AB=1000mm，则长度比例尺为：
（6）标注比例尺和运动尺寸，画斜线表示机架，在原动件上画箭头表示运动方向。
四、例题
绘制出偏心轮机构的运动简图，并计算其自由度。
1、选择手柄作为原动件并缓慢转动，根据各构件之间有无相对运动，分清机构是由哪些构件组成的。
在图1-5（a）中，机构由1—机架，2—手柄（即曲柄，本例中取为原动件），3—连杆，4—滑块（即从动件）组成。
图1-5（a）图1-5（b）
2、从原动件开始，按照机构运动的传递顺序，仔细观察各构件之间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。
在图1-5（a）中，曲柄2为原动件，则运动传递顺序为：
曲柄2，连杆3，滑块4。
回转件的回转中心是相对回转表面的几何中心，而构件2可以绕构件1的偏心轴A作相对转动，故构件3与构件2在B点处也组成转动副；构件4与构件3在C点处又组成转动副；构件4沿X-X方向在构件1上作相对直线运动，组成移动副。
3、合理选择原动件的一个位置，以便简单清楚地将机构的运动情况正确地表达出来，如图1-5（b）所示，用规定的符号和简单的线条画出机构的示意图。
4、计算机构自由度
（1）机构自由度计算公式：
F=3n-2PL-PH
本例所作示意图中，n=3，PL=4，PH=0，代入上式得：
F=3n-2PL-PH=3×2-2×4-0=1
（2）核对计算结果
观察各构件的运动可知该机构的运动是确定的，则机构的自由度应大于零且等于原动件数，由计算得：
F=1=原动件数，从而验证以上所作机构示意图的正确性。
5、量取运动尺寸
在构件2、3上分别量取两相临转动副中心之间的距离LAB、LBC；量取转动副A到滑块运动轨迹X-X之间的距离，并将所量尺寸标注在机构示意图上。
6、作图（略）
五、实验内容
1．选择一至两种实际机械模型，顺序测量各运动副间的相对位置，绘制机构运动简图。
2．计算上述实物或模型的机构自由度，并验证其运动是否确定。
3．绘制上述实物或模型的结构立体图。
4．根据教材图5-33、图5-34的机构运动简图，用硬纸板（或ABS板）和按扣作出机构模型，并用这几种机构构想出几种概念产品。
5．完成实验报告。
机械模型：
附图1-1附图1-2
附图1-3附图1-4
附图1-5
附图1-6附图1-7
实验二液体动压径向滑动轴承特性实验
一、实验目的
理解和掌握动压油膜的形成:
、周向和轴向油膜压力分布状况；
粘度、转速、载荷等对润滑状态、摩擦系数的影响以及有关测试方法。
二、实验顺序和内容
1．了解实验台的结构和使用方法；
2．了解实验方法，调整测试仪器和设备；
3．测出某工况下的压力分布；
4．测出轴承摩擦特性曲线
5．整理计算实验数据，按比例在毫米方格纸上绘制出油膜压力p（周向和轴向）的分布曲线和轴承摩擦特性曲线
6．实验结果分析
三、实验设备简介
图1是实验设备的总体布置：
1－试验轴承箱
2－轴承供油压力表
3－轴承供油减压阀
4－溢流阀（控制油腔压力）
5－加载油腔压力表
6－液压箱
7－变速箱
8－电机调速控制器
9－底座
10－油泵电机开关
11－主电机开关
12－调速电机
13－联轴器，
这是原南京工学院（现为东南大学）生产的液体动压滑动轴承实验台。
实验设备有三大部分（传动机构、试验轴承箱、液压箱油路等）组成：
图1实验设备总体布置图
一、传动机构
试验轴承由JZT型调速电动机、通过带传动、变速箱和联轴器带动旋转。
JZT型调速电动机其调速范围为120～1200rpm无级变速。
带传动传动比i=2.5。
变速箱中有一离合器和两对齿轮。
齿轮传动的速比分别为24／60和60／25，所以传动机构有两种传动比。
当变速手柄位于右方时，速比为24／60的一对齿轮工作，当变速手柄位于左方时，速比为60／25的一对齿轮工作；变速箱与调速电机配合可得到20~1200rpm的无级变速的主轴转速。
传动系统示意图如图2。
图2传动系统示意图
二、试验轴承箱（图3）
主轴3支承在两个D级滚动轴承2上。
试验轴承7空套在主轴中央，试验轴承内径d=60mm,有效长度L=60mm。
在轴承中间剖面（有效长度L/2）处沿周向开有七个周向测压孔，垂直对称120度均匀分布。
距中间剖面L/4处（即距轴向测压孔15mm处）在垂直轴面内开有1个轴向测压孔，图中的周向压力表1与7个周向测压孔相连，轴向压力表8与1个轴向测压孔相连。
在轴承上方有一个与箱体连接的加载盖板4，它与轴承外圆相配的内表面，开有水平投影面积60c㎡的矩形油腔，以便压力油自油泵输送至油腔对试验轴承垂直径向加载。
若供给油腔的油压为P0，另计入试验轴承自重（包括压力表和平衡重）8Kg，则作用在轴承上的垂直载荷为：
.（公式1）
图3试验轴承箱
1－轴承周向油压表（7只），2－D级滚动轴承，3－试验轴承主轴，4－加载盖板，
5、6－测力杆和环，7－试验轴承，8－轴承轴向油压表（1只），9－平衡锤
轴承外圆左侧装有测力杠杆5，杆端有环6，供测摩擦力矩时与拉力计相联，环6与轴承中心的距离为150mm。
轴承外圆下方还配有两只平衡锤9，使装有测力杆、压力表和平衡锤的试验轴承处于静平衡状态。
箱体左侧装有重锤式拉力计。
测量摩擦力矩时，需将拉力计上的吊钩挂在测力杆的环6上。
拉力计工作原理如图4：
1－吊钩2－圆盘
3－表盘4－小齿轮
5－指针6－大齿轮
7－重锤
重锤7、圆盘2、大齿轮6固定在同一轴上；
小齿轮4与指针5固定在同一轴上；
工作时，吊钩1受力，带动圆盘2与大齿轮6旋转，从而带动小
齿轮4与指针5旋转。
图4拉力计原理图
测量摩擦系数的原理如图5：
轴承外圆环与测力杆的圆环与拉力计的吊钩相连。
轴在径向力F作用下旋转时，油膜和接触面间的摩擦力，将带着轴承外圆环朝着轴旋转方向转动，但这种转动受到拉力计拉杆的约束，结果使拉力计的重锤圆盘及指针旋转某一角度
而平衡。
由轴承平衡条件：
（公式2）
这里：
L和d是固定值，分别为150mm和60mm.f为摩擦系数。
（三）液压箱油路图（图6）
图6液压箱油路图
液压箱包括油箱、油泵、过滤器、油管和调节阀。
来自油泵的压力油，一路直接送至静压加载油垫的油腔，另一路经减压阀降压后送至试验轴承。
油泵输油压力根据加载大小由溢流阀控制。
四、测试内容和方法
（一）油膜压力分布的确定
⑴测试步骤
开启油泵，调整溢流阀手柄，使加载油腔压力在1kg/cm2以下，将变速手柄杆放在低速档上，调节电机转速控制器旋钮，使转速指针在最低速；开启主电机开关，然后调节控制器旋钮使指针读数在100~200rpm之间，再将变速手柄杆放到高速档逐渐调节转速，使主轴转速达到800rpm左右，加载荷，调节溢流阀手柄，将加载供油压力调到P0=4kg/cm2。
运转几分钟，待各压力表示数稳定后，自作至右依次记录7只周向压力表和轴向压力表8的读数。
⑵做周向油膜压力分布曲线并计算K值
按图7所示做一个圆，取其直径为轴承直径d，先在圆周上定出7只周向压历表所接油孔位置，从圆周上各压力表的位置点开始，沿着半径的延长线方向按一定比例尺（可取1cm=4kg/cm2）,标出所测得的相应压力表读数值，将各压力值向量的末端点连成一光滑曲线，即得轴承中间剖面油膜压力周向分布曲线。
根据油膜压力周向分布曲线可求得轴承中间剖面上的平均单位压力Pm。
Pm的求法如下：
将圆周上1，2，…7各点投影到水平直线OS上，得到相应的1，2，…7点，在通过这7个点的垂直线上标出各点对应的压力值，形成端点
，
，…
。
将各端点连成一条光滑的曲线，用数方格的方法近似求出曲线所围的面积。
然后取Pm使其所围矩形面积与曲线所围的面积相等（即使阴影面积①＋②＝③）。
此时Pm即为轴承中间剖面上的平均单位压力。
图7周向油膜压力分布曲线
⑶做轴向油膜压力分布曲线（图8）
取一长度为有效长度L＝60mm做一水平线，在中点的垂线上按比例标出该点压力P4，（端点为4′），在距两端L/4＝15mm处沿垂线方向各标出压力P8（压力表8的读数），由于轴承的端泄，其两端压力为0。
将各压力值的端点连成一条光滑的曲线，即为轴向油膜压力分布曲线，此曲线形状应该符合抛物线分布规律。
⑷求实测K值：
K为端泄对油膜轴向压力的影响系数，可按下式计算：
K=F/Pm·
·d（公式3）
这里：
F为承载量，按实际载荷计；
Pm为轴承中间剖面上的平均单位压力；
为轴承有效长度；
d为轴承直径。
依照油膜压力沿轴向抛物线分布规律，K值近似为0.7~0.75，将所求得之K值与此值加以比较，看其是否符合油膜压力沿轴向抛物线分布规律。
（二）轴承摩擦特性曲线的测定
⑴将加载压力调至P0=4kg/cm2，转速调至800rpm，移开测力杆限位钩，将拉力计吊钩联结在测力杆顶端的吊环上，待拉力计示数稳定后记录其读数值，然后依次将主轴转速调至800、600、400、200、100、50、20rpm临界点（临界值附近的转速可根据具体情况选择），记录各转速下的拉力计读数。
注意调速30rpm以下时速度一定要慢，当拉力计读数突然大幅增加时的位置即为临界点。
⑵根据润滑油温度测定值，确定润滑油的动力粘度值η。
轴承进出口的油温，可用玻璃温度计，半导体点温计或热电偶测出。
实验用油LAN-32（相当于旧标号10号机油）。
测定加载油垫回油温度作为进油温度t进。
记录其温度数值。
根据实测进油温度t进，由图9查得近似轴承平均温度tm，再根据tm由图11查得润滑油的动力粘度值η。
图9进油温度（t进）与平均油温（tm）关系曲线（LAN-32）
⑶轴承摩擦特性曲线（f-λ）的绘制
f根据公式2计算。
由
知，G为拉力计读数，以克为单位，当P0=4kg/cm2时，f=0.02G×10-3；当P0=2kg/cm2时，f=0.039G×10-3。
轴承特性值λ按下式计算：
.
这里η是润滑油的动力粘度,单位Pa·s；p为轴承比压，p=F/dL，单位是N/mm2。
也可按下表查得：
P0（kg/cm2）
4
3
2
F（kg）
248
188
128
P（N/mm2）
0.689
0.522
0.356
根据计算数值，可以作出轴承摩擦特性曲线图10。
图10轴承摩擦特性曲线
图11油温与粘度关系曲线（LAN-32）
（三）、改变载荷,将加载油垫供油压力调到2kg/cm2=重复上述程序。
将所测得f-λ曲线与第一次实验曲线相比较，两次作出的实验曲线应基本重合，以证明摩擦系数仅与λ有关。
五．思考题
1．根据实验数据及所作油膜压力分布曲线，考虑端泄影响，如何计算轴承的承载力？
2．轴承的转速、载荷及油的粘度对动压滑动轴承摩擦系数有何影响，为什么（可查有关资料回答）？
六、实验操作注意事项
1． 先启动油泵电机后启动主机电机，先关主电机，后关油泵电机；
2． 必须低速、轻载（为什么不能空载）起动和停车；
3． 拉力计吊钩和测力杆环只有在测摩擦力矩时，方可相联；
4． 在液体润滑摩擦状态下，试验要迅速；
5． 轴承润滑供油压力最好不超过1kg/c㎡。
实验三轴系结构设计实验指导书
一、实验目的：
熟悉并掌握轴系结构设计中有关轴的结构设计、滚动轴承组合设计的基本方法，要求以下几方面。
1、 熟悉并掌握轴、轴上零件的结构形状及功用、工艺要求；
2、熟悉并掌握各零件间的装配关系；
3、 熟悉并掌握轴、轴上零件的定位与固定方法；
4、 了解轴承的类型、布置、安装及调整方法，以及润滑和密封方式。
5、掌握机械设计部装图的表达方法。
二、实验设备：
1、 组合式轴系结构设计分析实验箱。
实验箱提供能进行减速器圆柱齿轮轴系，小圆锥齿轮轴系及蜗杆轴系结构设计的全套零件。
2、 测量及绘图工具
300㎜钢板尺、游标卡尺、内外卡钳、铅笔、三角板等。
三、实验内容与要求：
1、 指导教师根据下表选择性安排每组的实验内容（实验题号）
方案类型
方案号
设计条件
轴系布置简图
轴承固定方式
轴承代号
传动件
齿轮轴
1－1
两端固定
6类
齿轮
带轮
1－2
两端固定
7类
齿轮
带轮
1－3
两端固定
3类
齿轮
带轮
蜗杆轴
2－1
一端固定一端游动
固定端6类
游动端7类
蜗杆
联轴器
2－2
一端固定一端游动
固定端7类
游动端N类
蜗杆
联轴器
2－3
一端固定一端游动
固定端3类
游动端6类
蜗杆
联轴器
2－4
一端固定一端游动
固定端3类
游动端N类
蜗杆
联轴器
锥齿轮轴
3－1
两端固定
6类
锥齿轮
联轴器
3－2
两端固定
3类
锥齿轮
联轴器
3－3
两端固定
3类
锥齿轮
联轴器
2、 进行轴的结构设计与滚动轴承组合设计
每组学生根据实验题号的要求，进行轴系结构分析与设计，解决轴承类型选择的原因，轴上零件定位固定，轴承安装与调节、润滑及密封等问题。
建议:
每组从3个方案类型中各选1个方案。
在做实验之前，将结构草图画在纸上，实验时将草图带给实验老师检查，通过后才可进行实验。
3、 绘制轴系结构装配图。
分析并测绘轴系部件，画出轴系部件装配图；
4、 每人编写实验报告一份。
四、实验步骤：
1、 明确实验内容，理解设计要求；
2、 复习有关轴的结构设计与轴承组合设计的内容与方法（参看教材有关章节）；
3、 构思轴系结构设计方案
（1）根据齿轮类型选择滚动轴承型号；
（2）确定支承轴向固定方式（两端固定：
一端固定、一端游动）；
（3）确定轴承润滑方式（脂润滑、油润滑）；
（4）选择端盖形式（凸缘式、嵌入式）并考虑透盖处密封方式（毡圈、皮碗、油沟）；
（5）考虑轴上零件的定位与固定，轴承间隙调整等问题；
（6）绘制轴系结构方案示意图
4、 组装轴系部件
根据轴系结构方案，从实验箱中选取合适零件并组装成轴系部件、检查所设计组装的轴系结构是否正确。
5、 绘制轴系结构草图。
6、 测量1个方案的零件主要结构尺寸（支座不用测量）；测量轴系主要装配与分析计算尺寸（如支承跨距和悬臂），并作好记录。
7、 将所有零件放入实验箱内的规定位置，交还所借工具。
8、 根据结构草图及测量数据，在3号图纸上用1：
1比例绘制轴系结构装配图，要求装配关系表达正确，注明必要尺寸（如支承跨距、齿轮直径与宽度、主要配合尺寸），填写标题栏和明细表。
9、 写出实验报告。
实验四减速器拆装实验指导书
一．实验目的
1．要求了解减速器铸造箱体的结构以及轴和齿轮的结构；
2．了解轴上零件的定位和固定、齿轮和轴承的润滑、密封以及减速器附属零件的作用、构造和安装位置；
3．熟悉减速器的拆装和调整过程；
4．了解拆装工具和结构设计的关系。
二．实验设备
1．单级圆柱齿轮减速器；
2．两级三轴线圆柱齿轮减速器；
3．两级圆锥——圆柱齿轮减速器；
4．单级蜗杆减速器。
三．拆装工具和测量工具（每组）
1．活板手二把；
2．呆板手二把；
3．拉马一只；
4．木头锒头一把；
5．内外卡钳各一把；
6．游标卡尺一把；
7．钢皮尺一把。
四．实验内容
1.了解铸造箱体的结构（图1）；
2.观察、了解减速器附属零件的用途、结构和安装位置的要求；
3.测量减速器的中心距、中心高、箱座上、下凸缘的宽度和厚度、筋板厚度、齿轮端面（蜗轮轮毂）与箱体内壁的距离、大齿轮顶圆（蜗轮外圆）与箱内壁之间的距离、轴承内端面至箱内壁之间的距离等。
4.观察、了解蜗杆减速器箱体侧面（蜗轮轴向）宽度与蜗杆的轴承盖外园之间的关系。
为提高蜗杆轴的刚度，仔细观察蜗杆轴承座的结构特点。
5.了解轴承的润滑方式和密封装置，包括外密封的型式。
轴承内侧挡油环、封油环的作用原理及其结构和安装位置。
6.了解轴承的组合结构以及轴承的拆、装、固定和轴向游隙的调整，测绘高速轴及轴承部件的结构图。
图1单级圆柱齿轮减速器
1.箱体； 2.轴承； 3.放油螺塞； 4.齿轮； 5.油标； 6.轴； 7.垫片； 8.端盖； 9.螺钉；10.定位销；11、12.螺栓；13.观察孔盖； 14.螺钉； 15.箱盖；16.齿轮轴 17.轴承；18.垫片；19.端盖；20.螺钉 21.端盖；22.螺钉；23.垫片；24.螺帽；
五．实验步骤
1.拆卸
（1）仔细观察减速器外面各部分的结构，从观察中思考以下问题：
如何保证箱体交承具有足够的刚度？
轴承座两侧的上下箱体联接螺栓应如何布置？
交承该螺栓的凸台高度应如何确定？
如何减轻箱体的重量和减少箱体的加工面积？
减速器的附件如吊钩、定位销钉、启盖螺钉、油标、油塞、观察孔和通气等各起何作用？
其结构如何？
应如何合理布置？
（2）用板手拆下观察孔盖板，考虑观察孔位置是否恰当，大小是否合适。
（3）拆卸箱盖。
a）用板手拆下轴承端盖的紧固螺钉。
b）用扳手（或套筒扳手）拆卸上、下箱体之间的联接螺栓；拆下定位销钉。
将螺钉、螺栓、垫圈、螺母和销钉等放在塑料盘中，以免丢失。
然后拧动启盖螺钉卸下箱盖。
c）仔细观察箱体内各零部件的结构及位置。
对轴向游隙可调的轴承应如何进行调整？
轴的热膨胀如何进行补偿？
轴承是如何进行润滑的？
如箱座的接合面上有油沟，则箱盖应采取怎样的相应结构才能使箱盖上的油进入油沟？
油沟有几种加工方法？
加工方法不同时，油沟的形状有何异同？
为了使润滑油经油沟后进入轴承，轴承盖的结构应如何设计？
在何种条件下滚动轴承的内侧要用挡油环或封油环？
其作用原理、构造和安装位置如何？
d）测量实验内容之3所列的有关尺寸。
e）卸下轴承盖；将轴和轴上零件随轴一起从箱座取出，按合理的顺序拆卸轴上零件。
f）测绘高速轴及其支承部件的结构草图。
2.装配
按原样将减速器装配好。
装配时按先内部后外部的合理顺序进行；装配轴套和滚动轴承时，应注意方向；应注意滚动轴承的合理装拆方法。
经指导教师检查后才能合上箱盖。
装配上、下箱之间的联接螺栓前应先安装好定位销钉。
六．注意事项
1.实验前必须预习实验指导书,初步了解有关减速器装配图。
2.切忌盲目拆装，拆卸前要仔细观察零、部件的结构及位置，考虑好合理的拆装顺序，拆下的零、部件要妥善安放好，避免丢失和损坏。
3.爱护工具及设备,仔细拆装使箱体外的油漆少受损坏。
4.认真完成实验报告。
以下无正文
仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。
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