机械设计实验.docx
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机械设计实验
机械设计基础实验指导书
（二）
现代设计研究所编
南昌大学机电工程学院
2007.3.20
实验三、带传动……………………………………………………………………………………………10
实验四、滑动轴承实验……………………………………………………………………………………13
实验五、组合轴系结构设计………………………………………………………………………………21
实验六、减速器拆装实验…………………………………………………………………………………22
三、带传动
（一）实验目的
1、在不同负载的情况下，手工抄录主动轮转速、主动轮转矩、被动轮转速、被动轮转矩，然后根据此数据计算并绘出弹性滑动曲线和传动效率曲线。
2、随着带传动负载逐级增加，用计算机进行数据处理与分析，并输出滑动曲线、效率曲线和所有实验数据。
（二）实验系统
1、实验系统的组成
图1
2、主要技术参数：
直流电机功率50W、主动电机调速范围0~1800转/分、额定转矩T=2450g·cm、电源220V/50Hz
3、实验机结构特点
（1）机械部分
本实验台机械部分，主要由两台直流电机组成，如图2所示。
其中一台作为原动机，另一台则为负载的发电机。
1、从动直流发电机2、从动带轮
3、传动带4、主动带轮
5、主动直流发电机
6、牵引绳7、滑轮
8、砝码9、拉簧
10、浮动支座11、固定支座
12、电测箱13、拉力传感器
图214、标定杆
原动机是由可控硅整流装置供给电动机电枢以不同的端电压，实现无级调速。
发电机由每按一下“加载”就并上一个负载电阻，使发电机负载逐步增加，电枢电流增大，随之电磁转矩也增大，既发电机的负载增大，实现了负载的改变。
两台电机均为悬挂支承，当传递载荷时，作用于电机定子上的力矩T1、T2迫使拉钩作用于拉力传感器，传感器输出的电信号正比于T1、T2的原始信号。
原动机的机座设计成浮动结构，与牵引钢丝绳、定滑轮、砝码一起组成带传动预拉力形成机构，改变砝码大小，即可准确地预定带传动的预拉力F0。
两台电机的转速传感器分别安装在带轮背后的环槽中，由此可获得转速信号。
（2）电测系统
电测系统装在实验台电测箱内，如图1所示。
附设单片机，承担数据采集、数据处理、信息记忆、自动显示等功能。
实时显示带传动过程中主动轮转速、转矩和从动轮转速、转矩值。
通过微机接口外接PC机，显示并打印输出带传动的滑动曲线ε—T2及效率曲线η—T2及相关数据。
电测箱操作部分主要集中在箱体正面的面板，面板的布置如图3所示。
图3
（三）实验步骤
（1）设置预拉力，如需试验不同预拉力F0对传动性能的影响，可通过改变砝码8的大小来改变预拉力F0。
（2）打开计算机，运行带传动实验系统，选择端口，然后用鼠标点击采集“数据采集”菜单，等待数据输入。
（3）将实验台粗调电位器逆时针转到底，使开关断开，细调电位器也逆时针旋到底。
打开实验机电源，按“清零”键，几秒钟后，数码管显示“0”，自动校零完成。
（4）顺时针转动粗调电位器，开关接通并使主动轮转速稳定在工作转速（一般取1200—1300r/m左右），按下“加载”键再调整主动轮转速（用细调电位器），使其仍保持在工作转速范围内，待转速稳定（一般需2—3个显示周期）后，再按“加载”键，以此往复，直至实验机面板上的八个发光管指示灯全亮为止。
此时，实验台面板上四组数码管将全部显示“8888”，表明所采数据已全部送至计算机。
（5）当实验机全部显“8888”时，计算机屏幕将显示所采集的全部八组主、被动轮的转速和转矩。
此时应将电机粗、细调电位器逆时针转到底，使“开关”断开。
（6）移动鼠标，选择“数据分析”功能，屏幕将显示本次实验的曲线和数据。
（7）移动鼠标至“打印”功能，打印机将打印实验曲线和数据。
（8）实验过程中如需调出本次数据，只须将鼠标点击“数据采集”功能，同时，按下实验台上的“送数”键，数据即被送至计算机。
（9）一次实验结束后如需继续实验，应“关断”粗调电位器，将细调电位器逆时针旋到底，并按下实验机的“清零”，进行“自动校零”。
同时将计算机屏幕中的“数据采集”菜单选中，重复上述4—7项即可。
（10）实验结束后，将实验台电机调速电位器开关关断，关闭实验机电源，用鼠标点击“退出”。
（11）实验结果示例：
（四）实验报告要求
1、在专用实验报告纸上完成实验报告。
2、实验报告内容包括：
1）实验目的
2）实验设备与工具
3）实验原理与方法
4）实验步骤
5）测定数据及处理结果
序号
主动轮转速
n1（r/m）
从动轮转速
n2（r/m）
主动轮扭矩
T1（N·m）
被动轮扭矩
T2（N·m）
效率
η（%）
滑差率
ε（%）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
6）实测曲线（η—T2及ε—T2）
7）实验结果分析
四、滑动轴承实验
一、实验目的
该实验台用于机械设计中液体动压滑动轴承实验。
主要利用它来观察滑动轴承的结构、测量其径向油膜压力分布、测定其摩擦特征曲线。
使用该实验系统可以方便地完成以下实验：
1、液体动压轴承油膜压力周向分布的测试分析
2、液体动压轴承油膜压力周向分布的仿真分析
3、液体动压轴承摩擦特征曲线的测定
4、液体动压轴承实验的其他重要参数测定：
如轴承平均压力值、轴承PV值、偏心率、最小油膜厚度、油膜温度等
二、实验设备
1、实验设备组成
轴承实验台的系统框图如图1所示，它由以下设备组成：
图1轴承实验台系统框图
⑴轴承实验台——轴承实验台的机械结构
⑵压力传感器——共7个，用于测量轴瓦上油膜压力分布值
⑶力传感器——共2个，1个加载传感器测量外加载荷值，1个摩擦力传感器测量摩擦力
⑷转速传感器——测量主轴转速
⑸温度传感器——共2个，测量油膜温度
⑹单片机
⑺PC机
⑻打印机
2、实验系统结构
该实验机构中滑动轴承部分的结构简图如图2
图2滑动轴承部分简图
1、电 机2、皮 带3、摩擦力传感器4、压力传感器：
测量轴承表面油膜压力，共7个F1~F7，5、轴 瓦6、加载传感器：
测量外加载荷值7、主 轴
8、温度传感器：
测量进油口和中心处油膜温度，共2个t1~t29、油 槽10、底 座
11、面 板12、调速旋钮：
控制电机转速并由转速传感器测出转速大小
试验台启动后，由电机1通过皮带带动主轴7在油槽9中转动，在油膜粘力作用下通过摩擦力传感器3测出主轴旋转时受到的摩擦力矩；当润滑油充满整个轴瓦内壁后轴瓦上的7个压力传感器可分别测出分布在其上的油膜压力值；待稳定工作后由温度传感器t1测出入油口的油温，t2测出出油口的油温。
三、实验项目
1、径向滑动轴承形成流体动力润滑的过程
图3径向滑动轴承形成流体动力润滑的过程
径向滑动轴承的轴颈与轴承空间必须留有间隙，如图3—a所示，当轴颈静止时，轴颈处于轴承孔的最低位置，并与轴瓦接触。
此时，两表面间自然形成一收敛的契形空间。
当轴颈开始转动时，速度极低，带入轴承间隙中的油量较少，这时轴瓦对轴颈摩擦力的方向与轴颈表面圆周速度方向相反，迫使轴颈在摩擦力作用下沿孔壁向右爬升（图3—b）。
随着转速的增大，轴颈表面的圆周速度增大，带入契形空间的油量也逐渐加多。
这时，右侧契形油膜产生了一定的动压力，将轴颈向左浮起。
当轴颈达到稳定运转时，轴颈便稳定在一定的偏心位置上（图3—c）。
这时，轴承处于流体动力润滑状态，油膜产生的动压力与外加载荷F相平衡。
此时，由于轴承内的摩擦阻力仅为液体的内阻力，故摩擦系数达到最小值。
2、油膜压力测试实验
2.1理论计算压力
图4为轴承工作时轴颈的位置。
图4径向滑动轴承的油压分布
根据流体动力润滑的雷诺方程，从油膜起始角
1到任意角
的压力为：
（1-1）
式中：
Pφ——任意位置的压力 单位：
Pa
η——油膜粘度
ω——主轴转速 单位：
rad/s
ψ——相对间隙
其中D为轴承孔直径，d为轴径直径
φ ——油压任意角 单位：
度
φ0——最大压力处极角 单位：
度
φ1——油膜起始角 单位：
度
χ ——偏心率
其中e为偏心距
在雷诺公式中，油膜起始角φ1，最大压力处极角φ0由实验台实验测试得到。
另一变化参数：
偏心率χ的变化情况，它由查表得到。
具体方法如下：
对有限宽轴承，油膜的总承载能力为：
（1-2）
式中：
F——承载能力，即外加载荷 单位：
N
B——轴承宽度 单位：
mm
Cp——承载量系数，见表1
由公式（1-2）可推出：
（1-3）
由公式（1-3）计算得承载量系数Cp后再查表可得到在不同转速、不同外加载荷下的偏心率情况。
注：
若所查的参数系数超出了表中所列的，可用插入值法进行推算。
2.2实际测量压力
如图2所示，图中代号2，3，4，5，7，8，9七个压力传感器用于测量轴瓦表面每隔22度角处的七点油膜压力值。
在实验台配套的软件中可以分别作出油膜实际压力分布曲线和理论分布曲线，比较两者间的差异。
3、摩擦特性实验
3.1理论摩擦系数
理论摩擦系数公式：
（1-4）
式中：
f——摩擦系数
p——轴承平均压力，单位：
Pa
ε——随轴承宽径比而变化的系数，对于B/d<1的轴承，ε=（d/B）1.5；当B/d≥1时，ε=1；
由公式（1-4）可知理论摩擦系数f的大小与油膜粘度η、转速ω和平均压力p（也即外加载荷F）有关。
在使用同一种润滑油的前提下，粘度η的变化与油膜温度有关，由于在不是长时间工作的情况下，油膜温度变化不大，因此在本实验系统中暂时不考虑粘度因素。
3.2测量摩擦系数
如图2所示，在轴瓦中心引出一压力传感器10，用以测量轴承工作时的摩擦力矩，进而换算得摩擦系数值。
对它们分析如图5：
∑F*r=N*L
（1）
∑F=f*F
（2）
式中：
∑F——圆周上各切点摩擦力之和
∑F=F1+F2+F3+F4+…
r ——圆周半径
N ——压力传感器测得的力图5轴径圆周表面摩擦力分析
L ——力臂
F——外加载荷力
f ——摩擦系数
所以实测摩擦系数公式：
（1-5）
4、轴承实验中其他重要参数
在轴承实验实验中还有一些比较重要的参数概念，以下分别作一一介绍。
⑴轴承的平均压力p（单位：
MPa）
（1-6）
式中：
F——外加载荷，N
B——轴承宽度，mm
d——轴径直径，mm
[p]——轴瓦材料许用压力，MPa，其值可查
⑵轴承pv值（单位：
MPa*m/s）
轴承的发热量与其单位面积上的摩擦功耗fpv成正比（f是摩擦系数），限制pv值就是限制轴承的温升。
（1-7）
式中：
v——轴颈圆周速度，m/s
[pv]——轴承材料pv许用值，MPa*m/s，其值可查
⑶最小油膜厚度
（1-8）
式中各参数说明见前。
四、实验步骤
1、在开机做实验之前必须首先完成以下几点操作，否则容易影响设备的使用寿命和精度。
（1）在开电机转速之前请确认载荷为空，即要求先开转速再加载
（2）在一次实验结束后马上又要重新开始实验时请用轴瓦上端的螺栓旋入顶起轴瓦将油膜先放干净，同时在软件中要重新复位（这很重要！
！
），以确保下次实验数据准确。
（3）由于油膜形成需要一小段时间，所以在开机实验或在变化载荷或转速后请待其稳定后（一般等待个5~10s即可）再采集数据。
（4）在长期使用过程中请确保实验油的足量、清洁；油量不足和不干净都会影响实验数据的精度。
2、系统软件操作
（1）、在使用软件前请确保实验台与计算机通讯正常
（2）、油膜压力仿真与测试实验
进入主窗体1
首先选择通讯口串口1或者串口2，在开始加载和电机转速之前必须先点击“复位”以让软件载入实验台的初始状态，保证后面实验结果的准确性（该步骤不可缺少，否则数据结果不可预测）。
在确定机构工作稳定后点击按键“自动采集”、“手动采集”将数据采集进来（总共12个数据，它们是7个油膜压力值，1个外加载荷值，1个转速值和1个计算摩擦力矩的压力值）。
当数据采集完成后就可以进行油膜压力分析了，点击“实测曲线” 作出测得的7个压力值曲线；点击“理论曲线” 作出理论压力曲线，可对两者进行比较。
同时也可手动改变7点压力值的大小或载荷、转速值再观察曲线的变化。
点击按键“结果显示” 会将相应的结果值显示在结果显示框中。
说明：
由于油膜压力并不是一开始就能较规则地形成，在载荷或速度变化后油膜会有不规则的变化，此属正常现象。
若发现在稳定较长时间后仍不规则，用户可以通过再次加载或减载来波动油膜以促使其趋于合理。
建议：
在较高转速和载荷情况（一般240rpm和1300N以上）下，得到的实验数据会较低载荷、低转速状态下理想。
⑶、摩擦特性仿真与测试
进入主窗体2
同样首先选择通讯口COM1或COM2（若在压力实验中已经选择了串口，该步可省略）。
在摩擦特性实验中同样有实测实验和仿真实验两部分。
在实验模式
中选择进入相应操作状态。
“实测实验”模式将从实验台采集进的数据发送到软件数据显示列表中，如
点击“实测曲线”作出摩擦系数实测曲线；点击“理论曲线”作出摩擦系数理论曲线；在曲线显示窗口，纵坐标显示的均为摩擦系数，横坐标由操作模式决定，
若选择速度固定则以载荷值为横坐标，反之则以速度为横坐标。
同时，用户可选中一组数据，双击或点击“计算”按钮在“计算结果”区域显示该数据状态下的理论和实际摩擦系数、偏心率和平均压力值等参数。
说明：
在实验过程中，由于一些干扰和波动引起的异常而保存下来的数据，用户可以选中该组数据将其删除，以避免影响实验结果。
本套实验台软件提供了在不需要实验台的情况下通过变化参数来观察摩擦系数曲线所受影响情况。
此时在实验模式中选择“理论模拟”，进入仿真模拟实验。
用户可以以两种方式观察理论计算情况，一是通过软件中预先存入的数据来观察计算结果，即点击“预存数据”二是自己输入载荷和转速值来观察实验结果，点击右侧“保存”即可将数据存入数据列表中。
输入5组及以上数据后即可观察理论系数曲线情况。
五、实验报告要求
1、在专用实验报告纸上完成实验报告。
2、实验报告内容包括：
1）实验目的
2）实验设备与工具
3）实验原理与方法
4）实验步骤
5）实验结果
6）叙述滑动轴承产生液体摩擦现象
7）测试数据处理结果
8）摩擦系数与特性系数μn/p曲线
9）油膜压力分布曲线
10）承载能力曲线
11）实验结果分析
五、组合轴系结构设计
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。
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
钢皮尺、游标卡尺、内外卡钳、铅笔、三角板等。
三、 实验内容与要求：
1、 指导教师根据实验箱中的说明书选择性安排每组的实验内容
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，进行轴系结构设计，解决轴承类型选择，轴上零件定位固定轴承安装与调节、润滑及密封等问题。
3、 绘制轴系结构装配图。
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）根据齿轮圆周速度（高、中、低）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、 测量零件结构尺寸（支座不用测量），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，在实验报告上用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（如交承跨距、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。
五、实验报告要求
1、在专用实验报告纸上完成实验报告。
2、实验报告内容包括：
1）实验目的
2）实验设备与工具
3）实验原理与方法
4）实验步骤
①绘出轴系结构装配图：
②轴系结构设计说明（说明轴上零件的定位、固定方式，滚动轴承的安装、调整、润滑与密封方法）。
六、减速器拆装实验
一、 实验目的：
了解减速器的结构、各零部件的形状、功用及其正确安装方法，为课程设计提供参考资料。
二、实验前的准备
1、复习教材中的有关齿轮、蜗杆、蜗轮、轴的结构和滚动轴承的支承结构支承部位的结构设计。
2、教材第十八章减速器。
三、实验步骤
1、每组2～3人，拆装一台减速器，先观察减速器的外形结构。
（1）用手转动输入轴，观察转动的松紧程度，及装配的妥帖程度，观察减速器和外部机器的联接方式，联轴器的型式。
（2）观察附件（如观察孔，透气装置，油尺，定位销，启盖螺钉，放油塞，吊钩，吊耳等）的类型，结构及安装方式和位置。
（3）观察各联接螺栓的类型，布置方式和位置。
（4）观察箱体，箱盖的结构型式，加强筋的布置方式和位置。
（5）观察底座结构，及地脚螺栓的布置方式和位置。
2、确定拆装步骤、方法及所用工具，拆开箱盖。
（1）拆下油尺、透气塞、观察孔盖，注意它们与箱体的接触面的密封情况，如有密封垫片，应保持完好。
（2）拆下所有的箱盖和箱体的联接螺栓（拆下后，螺帽及垫片应拧在一起）。
（3）拆下轴承端盖（嵌入式轴承端盖不必拆，注意观察透盖的密封圈）。
（4）顶起启盖螺钉，把箱盖与箱体分开。
（5）取下箱盖。
3、认清该减速器的型式，了解各级传动比的分配比例，观察箱内齿轮啮合情况（如啮合的松紧程度等）、轴承支承结构情况（固定端与游动端的结构，轴承型号）、润滑方式、轴承间隙的调整方法、轴承的密封装置、油槽、油沟的位置。
4、测量箱内各零部件的尺寸及各零部件间的相对尺寸（位置）并记录减速器的主要参数，模数，齿数，齿宽系数传动比。
传动功率，重量等。
5、把轴和轴上零部件一起拆下（注意各零部件之间的相对位置，特别是两端轴承的布置可能不同，不要搞乱），观察轴上各零部件的安装情况（周向固定及轴向固定的方法）。
6、拆下轴上零部件，观察轴的结构，分析轴上零部件，装拆方案。
7、安装：
安装次序与拆卸时相反，结构应与原状严格相向，安装每一零部件时，一定要先擦干净再装，安装时要进行下列检查：
1）轴承内圈须紧贴轴肩或定距环。
2）圆锥滚子轴承，及向心推力球轴承的轴向游动的范围应符合规定，并用手转动轴承时，必须轻快灵活。
3）齿轮转动的最小侧隙应符合图纸要求。
4）机体机盖及其它零件未加工时内表面和齿轮的未加工表面所涂底漆和红色油漆以及它们的外表所涂浅灰色油漆应注意保护。
5）恢复原状，整理工具。
四、注意事项
1、在拆卸时，都要先仔细观察结构，搞清楚结构的特点之后再拆，切忌一下子就把所有零部件全部拆散。
2、结合讲课内容及有关参考资料，了解结构特点，互相对比分析优缺点。
3、拆下的零部件要逐件按一定位置放好，不要乱放。
4、保持工作场所的清洁，实验结束后要经教师同意才能离开实验室。
五、此实验不需写实验报告，是为机械设计课程设计做准备的。
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