机械工程实验.docx
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机械工程实验
实验一 通用零部件和常用传动的认知
1.1实验目的
1．了解通用零部件的结构、类型、特点及应用；
2．了解各种常用传动及密封装置的特点及应用，增强感性认识；
3．通过对通用零部件和常用传动的认知，建立现代机械设计的意识。
1.2实验设备
机械设计陈列柜（共10柜），其陈列内容见表1-1。
表8-1 机械设计陈列柜柜名及内容
序号
柜 名
陈列内容
1
螺纹连接的应用与设计
螺纹的类型与应用、螺纹连接的基本类型与防松、
标准连接件、提高螺栓连接强度的措施
2
键、花键、销、铆、焊、胶接
键连接、花键连接、无键连接、
销连接、铆接、焊接、胶接
3
带传动
带传动的类型、带轮结构、带的张紧装置
4
链传动
链传动的组成、链传动的运动特性、链条类型、
链轮结构、链传动的张紧装置
5
齿轮传动
齿轮传动的基本类型、轮齿的失效形式、
齿轮传动的受力分析、齿轮的结构
6
蜗杆传动
蜗杆传动的类型、蜗杆结构、蜗轮结构、
蜗轮蜗杆传动的受力分析
7
滑动轴承与润滑密封
推力滑动轴承、轴瓦结构、向心滑动轴承、
润滑用油杯、密封方式、标准密封件
8
滚动轴承与装置设计
滚动轴承主要类型、直径系列与宽度系列、
轴承装置典型结构
9
轴的分析与设计
轴的类型、轴上零件定位、轴的结构设计
10
联轴器与离合器
刚性联轴器、弹性联轴器、离合器
1.3实验内容
参观机械设计陈列柜。
机械设计陈列柜主要解说词是:
同学们，你们好！
欢迎大家参观机械设计陈列柜，本陈列柜共10柜，系统展示联接、传动、轴系及其他通用零件的基本类型、结构形式和设计知识，目的在于帮助大家增强感性认识，提高机械设计能力。
请大家按照陈列顺序参观，并仔细听取同步讲解。
第一柜 螺纹联接的应用与设计
螺纹联接和螺旋传动都是利用螺纹零件工作的，常用螺纹类型很多，大家现在看到的是两类8种，即用于紧固的粗牙普通螺纹、细牙普通螺纹、圆柱螺纹、圆锥管螺纹和圆锥螺纹；用于传动的矩形螺纹，梯形螺纹、锯齿形螺纹以及左、右旋螺纹，请同学们仔细观看。
螺纹联接在结构上有4种基本类型。
大家依次可以看到螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接和紧定螺钉联接。
在螺栓联接中，又有普通螺栓联接与配合螺栓联接之分。
普通螺栓联接的结构特点是联接件上通孔和螺栓杆间留有间隙，而配合螺栓联接的孔和螺栓杆间则采用过渡配合。
除这4种基本类型外，我们还可以看到吊环螺钉联接，T形槽螺栓联接、地脚螺栓联接和配合螺栓联接等特殊结构类型。
设计时，可根据需要加以选用。
螺纹联接离不开联接件，螺纹联接件种类很多，这里陈列有常见的螺栓，双头螺柱、螺钉、螺母、垫圈等，它们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。
在螺纹联接中，为了防止联接松脱以保证联接可靠，设计螺纹联接时必须采取有效的防松措施，这里陈列有靠磨擦防松的对顶螺母、弹簧垫圈、自锁螺母；靠机械防松的开口销与六角开槽螺母、止动垫圈、串联钢丝，以及特殊的端铆，冲点等防松方法。
绝大多数螺纹关接在装配时都必须预先拧紧，以增强联接的可靠性和紧密性。
对于重要的联接，如缸盖螺栓联接，既需要足够的预紧力，但又不希望出现因预紧力过大而使螺栓过载拉断的情况。
因此，在装配时要设法控制预紧力。
控制预紧力的方法和工具很多，这里陈列的测力矩扳手和定力矩扳手就是常用的工具，测力矩扳手的工作原理是利用弹性变形来指示拧紧力矩的大小，定力矩扳手则利用了过载时卡盘与柱销打滑的原理，调整弹簧的压紧力可以控制拧紧力矩的大小。
螺纹联接应用广泛，这里陈列了一些应用方面的模型。
在应用中，作为紧固用的螺纹联接，要保证联接强度和紧密性，作为传递运动和动力的螺旋传动，则要保证螺旋副的传动精度，效率和磨损寿命等。
为了提高螺栓联接的强度，可以采取很多措施，这里陈列的腰状杆螺栓，空心螺栓、螺母下装弹性元件以及在汽缸螺栓联接中采用刚度较大的硬垫片或密封环密封，都能降低影响螺栓疲劳强度的应力幅。
采用悬置螺母、环槽螺母、内斜螺母等均载螺母，能改善螺纹牙上载荷分布不均现象。
采用球面垫圈，腰环螺栓联接，在支承面加工出凸台或沉孔座，倾斜支承面处，加斜面垫圈等，都能减少附加弯曲应力。
此外，采用合理的制造工艺方法，也有利于提高螺栓强度。
第二柜 键、花键、销、铆、焊、胶接
键是一种标准零件，通常用于实现轴与轮毂之间的周向固定，并传递转矩。
这里陈列有键联接的几种主要类型，依次为普通平键联接、导向平键联接、滑键联接、半圆键联接、楔键联接和切向键联接。
在这些键联接接中，普通平键应用最为广泛。
再看花键联接，它由外花键和内花键组成。
花键联接按其齿形不同，分为矩形花键，渐开线花键和三角形花键，它们都已标准化。
花键联接虽然可以看作是平键联接在数目上的发展，但由于其结构与制造工艺不同，所以在强度、工艺和使用上表现出新的特点。
凡是轴与毂的联接不用键或花键时，统称无键联接。
这里陈列的型面联接模型，就属于无键联接的一种。
无键联接因减少了应力集中，所以能传递较大的转矩，但加工比较复杂。
以上各种键的类型可看展台上的附图。
销主要用来固定零件之间的相对位置，也可用于轴与毂的联接或其它零件的联接，并可传递不大的载荷。
还可以作为安全装置中的过载剪断元件，称为安全销。
销可分为圆柱销、圆锥销、槽销、开口销等。
铆接是一种早就使用的简单的机械联接，主要由铆钉和被联接件组成。
这里陈列有三种典型的铆缝结构形式，依次为搭接，单盖板对接和双盖板对接。
此外，我们还可以看到常用的铆钉在铆接后的七种形式。
铆接具有工艺设备简单、抗震、耐冲击和牢固可靠等优点，但结构一般较为笨重，铆件上的钉孔会削弱强度，铆接时一般噪声很大。
因此，目前除在桥梁、建筑、造船等工业部门仍常采用外，，应逐渐减少，并为焊接，胶接所代替。
焊接的方法很多，如电焊、气焊和电渣，其中尤以电焊应用最广。
电焊焊接时形成的接缝叫焊缝。
接焊缝特点，焊接有正接填角焊，搭接填角焊，对接焊和塞焊等基本形式。
胶接是利用胶粘剂在一定条件下把预制元件联接在一起，并具有一定的联接强度。
采用胶接时，要正确选择胶粘剂和设计胶接接头的结构形式。
这里陈列的是板件接头，圆柱形接头。
锥形及肓孔接头、角接头等典型结构。
第三柜 带传动
在机械传动系统中，经常采用带传动来传递运动和动力。
观察带传动模型，可知它由主、从动带轮及套在两轮上的传动带所组成，当电动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间磨擦力的作用，便拖动从动轮一起转动，并传递一定的动力。
传动带有多种类型，这里陈列有平带、标准普通V带、接头V带、多楔V带及同步带。
其中以标准普通V带应用最广。
这种传动带制成无接头的环带，接横剖面尺寸为Y、Z、A、B、C、D、E七种型号。
再看V带轮结构。
这里陈列有实心式、腹板式、孔板式和轮幅式等常用形式。
选择什么橛的结构形式，主要取决于带轮的直径。
带轮尺寸由带轮型号确定。
为了防止V带松弛，保证带的传动能力，设计时必须考虑张紧问题。
常见的张紧装置有：
滑道式定期张紧装置，摆架式定期张紧装置，利用电动机自重的自动张紧装置以及张紧轮装置。
第四柜 链传动
链传动属于带有中间挠性件的啮合传动。
观察链传动模型。
可知它由主、从动链轮和链条所组成。
按用途不同，链可分为传动链和起重运输链。
在一般机械传动中，常用的是传动链。
这里陈列有常见的单排滚子链、双排滚子链、齿形链和起重链。
链轮是链传动的主要零件。
这里陈列有整体式、孔板式、齿圈焊接式和齿圈用螺栓联接式等不同结构的链轮。
滚子链链轮的齿形已经标准化，可用标准刀具加工。
传动链类型。
传动链有许多种，这里陈列的有套筒滚子链、双列滚子链、起重链条和链接头，它们都广泛的运用在机械传动中。
再看链传动的布置与张紧。
链传动的布置是否合适，对传动的工作能力及使用寿命都有较大影响。
水平布置时，紧边在上在下都可以，但在上好些。
垂直布置时，为保证有效啮合，应考虑中心距可调，设张紧轮，使上下两轮偏置等措施。
链传动张紧的目的，主要是为了避免在链条垂度过大时产生啮合不良和链条的振动现象。
这里展示有张紧轮定期张紧、张紧轮自动张紧和压板定期张紧等方法。
第五柜 齿轮传动
齿轮传动是机械传动中最主要的一类传动，形式很多，应用广泛。
这里展示的是最常用的直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、人字齿轮传动、齿轮齿条传动、直齿圆锥齿轮传动和曲齿锥齿轮传动。
了解齿轮失效形式是设计计算齿轮传动的基础。
这里陈列展示齿轮常见的五种失效形式模型，它们是轮齿折断，齿面磨损、点蚀、胶合及塑性变形。
针对失效形式，可以建立相应的设计准则。
目前设计一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。
为了进行强度计算，必须对轮齿进行受力分析，这里陈列的直齿轮，斜齿轮和锥齿轮轮齿受力分析模型，可以帮助我们形象地了解作用在齿轮的法向力分解出圆周力、径向力及轴向力的情况，至于各分力的大小，可由相应的计算公式确定。
再看齿轮的结构形式。
这里陈列有齿轮轴、实心式、腹板式、带加强筋的腹板式、轮辐式等常用结构，设计时主要根据齿轮的尺寸确定。
第六柜 蜗杆传动
蜗杆传动是用来传递空间互相垂直而不相交的两轴间的运动和动力的传动机构。
由于它具有传动比大而结构紧凑等优点，所以应用较广。
这里展示的是普通圆柱蜗杆传动，三头蜗杆传动，圆弧面蜗杆传动和锥蜗杆传动等常见类型，其中应用最多的是普通圆柱蜗杆传动，即阿基米德蜗杆传动，在通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的中间平面上，蜗杆与蜗轮的啮合关系可以看做是直齿齿条和齿轮的啮合关系。
现在看蜗杆的结构。
由于蜗杆螺旋部份的直径不大，所以常和轴做成一个整体。
这里陈列有两种结构形式的蜗杆，其中一种无退刀槽，加工螺旋部分时只能用铣制的办法，另一种则有退刀槽。
螺旋部份可以车制也可以铣制，但这种结构的刚度较前一种差。
当螺杆螺旋部分的直径较大时，也可以将蜗杆与轴分开制作。
常用的蜗轮结构形式也有多种，这里陈列有齿圈式、螺栓联接式、整体浇铸式和拼铸式等典型结构，设计时可根据蜗牛杆尺寸选择。
在设计蜗杆传动时，要进行受力分析，这里陈列的受力分析模型，展示出齿面法向载荷分解为圆周力、径向力及轴向力的情况，各分力的大小由计算公式计算。
第七柜 滑动轴承与密封装置
滑动摩擦轴承简称滑动轴承，用来支承转动零件。
按其所能承受的载荷方向不同，有向心轴承与推力轴承之分。
现在看到的是对开式向心滑动轴承，用来承受径向载荷。
从结构上看，它由对开式轴承座，轴瓦及联接螺栓组成，这是独立使用的向心轴承的基本结构形式。
此外，这里还陈列有整体式向心滑动轴承，带锥形表面轴套轴承，多油楔轴承和扇形块可倾轴瓦轴承等结构形式。
推力滑动轴承用来承受轴向载荷。
它由轴承座与推力轴颈组成。
这里展示的是固定的推力轴承的几种结构形式，依次为实心式、单环式、空心式和多环式。
在滑动轴承中，轴瓦是直接与轴颈接触的零件，是轴承的重要组成部分，常用的轴瓦可分为整体式和剖分式两种结构。
为了把润滑油导入整个磨擦表面，轴瓦或轴颈上须开设油孔或油槽。
油槽的形式一般有纵向槽，环形槽及螺旋槽等。
在磨擦面间加入润滑剂进行润滑，有利于降低磨擦，减轻磨损，保护零件不遭锈蚀，而且在采用循环润滑时可起到散热降温的作用。
这里陈列的是常用的润滑装置，如手工加油润滑用的压注油杯，旋套式注油杯，手动式滴油油杯，油芯式油杯等，它们适用于使用润滑油分散润滑的机器。
此外，这里还陈列有用润滑的直通式压注油杯和连续压注油杯。
再看机器的密封，机器设备密封性能的好坏，是衡量设备质量的重要指标之一，机器常用的密封装置可分为接触式与非接触式两种，这里陈列的毡圈密封、皮碗密封、O形橡胶圈密封模型，就属于接触式密封形式，接触式密封的特点是结构简单，价廉，但磨损较快，寿命短，适合速度较低的场合。
非接触式密封适合速度较高的地方，这里陈列的油沟密封槽密封和迷宫密封槽密封就属于非接触式密封方式。
密封装置中的密封件都已标准化或规格化，这里陈列有部份密封件实物，设计时应查阅有关标准选用。
第八柜 滚动轴承与装置设计
滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。
观察滚动轴承，可知是由内圈、外圈、滚动体和保持架等四部分组成。
滚动体是形成滚动磨擦的基本元件，它可以制成球状或不同的滚子形状，相应地有球轴承和滚子轴承。
滚动轴承按承受的外载荷不同，可以概括地分为向心轴承，推力轴承和向心推力轴承三大类，在各个大类中，又可做成不同结构、尺寸、精度等级，以便适应不同的技术要求，这里陈列出常用的10大类轴承，它们分别为深沟球轴承、调心球轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、滚针轴承、螺旋滚子轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承和推力调心滚子轴承。
为便于组织生产的选用，国家标准GB-T272-93规定了轴承代号的表示方法。
大家应先熟悉基本代号的含义。
据此可以识别常用轴承的主要特色。
滚动轴承工作时，轴承元件上载荷和应力是变化的。
连续运转的轴承有可能发生疲劳点蚀，因此需要按疲劳寿命选择滚动轴承的尺寸。
要保证轴承顺利工作，必须解决轴承的安装、紧固、调整、润滑、密封等问题，即进行轴承装置的结构设计或轴承组合。
先看常用的10种轴承部件结构模型
第1种为直齿轮轴承部件，它采用深沟球轴承，两轴承内圈一侧用轴肩定位，外圈靠轴承盖作轴向紧固，属两端固定的支承结构。
右端轴承外圈与轴承盖间留有间隙。
采用U型橡胶油封密封。
第2种也是直齿轮轴承部件，它采用深沟球轴承和嵌入式轴承盖，轴向间隙靠右端轴承外圈与轴承盖间的调整环保证。
采用密封槽密封。
显然，这也是两端固定的支承结构。
第3种为人字齿轮轴承部件，采用外圈无挡边圆柱滚子轴承，靠轴承内、外圈作双向轴向固定。
工作时轴可以自由地作双向轴向移动，经实现自动调节。
这是一种两端游动的支承结构。
第4种为斜齿轮轴承部件，采用角接触轴承，两轴承内侧加档油盘，进行内部封。
靠轴承盖与箱体间的调整片为保证轴承有合适的轴向间隙。
采用U型橡胶油封密封。
这也是两固定的支承结构。
第5种第6种都斜齿轮轴承部件，请自己分析它们的结构特点。
第7种和第8种为小圆锥齿轮轴承部件都采用圆锥滚子轴承，一种正装，一种反装。
套杯内外两垫片可分别用来调整轮齿的啮合位置及轴承的间隙，采用毡圈密封。
正装方案安装调整方便，反装方案应使支承刚度稍大，结构复杂，安装调整不便。
第9、10种为蜗杆轴承部件。
第9种采用圆锥滚子轴承，呈两端固定方式。
第10种则为一端固定，一端游动的方式，固定端采用一对角接触球轴承。
游动端采用一个深沟球轴承。
这种结构可用于转速较高，轴承较大的场合。
在轴承组合设计中，轴承内、外圈的轴向紧固值得注意。
这里展示了轴承内外圈紧固的常用方法。
为了提高轴承旋转精度和增加轴承装置刚性，轴承可以预紧，即在安装时用某种方法在轴承中产生并保持一轴向力，以消除轴承侧向间隙。
这里展示有轴承的常用预紧方法。
第九柜 轴的分析与设计
轴是组成机器的主要零件之一，一切回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能进行运动及动力传递。
轴的种类很多，这里展示有常见的光轴、阶梯轴、空心轴、曲轴及钢丝软轴。
直轴按承受载荷性质的不同，可分为心轴、转轴和传动轴。
心轴只承受弯矩；转轴既承受弯矩又承受扭矩；传动轴则主要承受扭矩。
设计轴的结构时，必须考虑轴上零件的定位。
这里介绍常用的零件定位方法。
左起第一个模型，轴上齿轮靠轴肩轴向定位，用套筒压紧；滚动轴承靠套筒定位，用圆螺母压紧。
齿轮用键作周向固定。
第二个模型，轴上零件用紧定螺钉固定，适用于轴向力不大之处。
第三个模型，轴上零件利用弹簧挡圈定位，同样只适用于轴向力不大的情况。
第四个模型，轴上零件利用圆锥形轴端定位，用螺母压板压紧，这种方法只适用于轴端零件固定。
下面我们看轴的结构设计。
轴的结构设计是指定出轴的合理外形和全部结构尺寸。
这里以圆柱齿轮减速器中的输出轴的结构设计为例，介绍轴的结构设计过程。
左起第一个模型表示设计的第一步。
这一步要确定齿轮、箱体内壁、轴承、联轴器等相对位置，并根据轴所传递的转矩，按扭转强度初步计算出轴的直径，此轴径可作为安装联轴器处的最小直径。
再看第二个模型，它表示设计的第二步，设计内容为确定各轴段的直径和长度。
设计时以最小直径为基础，逐步确定安装轴承、齿轮处轴段直径。
各轴段长度根据轴上零件宽度及相互位置确定。
经过这一步，阶梯轴初具形态。
往右看第三个模型，它表示设计的第三步，设计内容是解决轴上零件的固定，确定轴的全部结构形状和尺寸。
从模型可见，齿轮靠轴环的轴肩作轴向定位，用套筒压紧。
齿轮用键周向定位。
联轴器处设计出定位轴肩，采用轴端压板紧固，用键周向定位。
各定位轴肩的高度根据结构需要确定，尤其要注意滚动轴承处的定位轴肩，其高度不应超过轴承内圈，以便于轴承拆卸。
为减小轴在剖面突变处的应力集中，应设计有过渡圆角。
过渡圆角半径必须小于与之相配的零件的倒角尺寸或圆角半径，以使零件得到可靠的定位。
为便于安装，轴端应设计倒角。
轴上的两个键槽设计在同一直线上，有利加工。
对于不同的装配方案，可以得到不同的轴的结构形式。
最右边的模型，就是另一种设计结果。
请大家自己观察分析其结构特点。
第十柜 联轴器与离合器
联轴器是用来联接两轴以传递运动和转矩的部件。
本柜陈列在固定式刚性联轴器、可移式刚性联轴器和弹性联轴器等基本类型。
先看固定式刚性联轴器，这里展示的是凸缘联轴器和套筒式联轴器，由于它们无可移性，无弹性元件对所联两轴间的偏移缺乏补偿能力，所以适合转速低，无冲击，轴的刚性大和对中性较好的场合。
再看无弹性元件挠性联轴器。
这里展示的有十字滑块联轴器、滑块联轴器、十字轴式万向联轴器和齿式联轴器。
这类联轴器因具有可移性，故可补偿两轴间的偏移。
但因无弹性元件，也不能缓冲减振。
非金属弹性元件挠性联轴器的种类也很多，这里展示的有弹性套柱销联轴器、柱销联轴器、轮胎联轴器、星形弹性联轴器和梅花形弹性联轴器。
它们的共同的特点是装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的偏移，而且具有缓冲减振的能力。
上述各种联轴器已标准化或规格化，设计时只需要参考手册，根据机器的工作特点及要求，结合联轴器的性能选定合适的类型。
离合器也用来联接轴与轴以传递运动的转矩，但它能在机器运转中将传动系统随时分离或接合，本柜陈列有牙嵌离合器、磨擦离合器和特殊结构与功能的离合器等三大类型。
先看牙嵌离合器。
这里展示在应用较广的牙嵌离合器，内齿啮合式离合器。
离合器由两个半离合器组成，其中一个固定在主动轴上，另一个用导键或花键与从动轴联接，并可用操纵机构使其作轴向移动，以实现主合器的分离与接合。
这类离合器一般用于低速接合处。
再看磨擦离合器。
这里展示有单盘磨擦离合器，多盘磨擦离合器和锥形磨擦离合器。
与牙嵌离合器相比，磨擦离合器不论在任何速度时都可离合，接合过程平稳，冲击振动较小，过载时可以打滑，但其外廓尺寸较大。
除一般结构和一般功能的离合器外，还有一些特殊结构或特殊功能的离合器。
这里展示的有只能传递单向转矩的滚柱式定向离合器，过载自行分离的滚珠安全离合器以及控制速度的离心离合器
同学们，机械设计陈列柜的全部内容到此参观完毕，谢谢大家的配合，并祝愿同学们在机械零件或机械设计课程学习中取得新的进步。
1.4思考题
1．什么是通用零件？
什么是专用零件？
试各举一个实例。
2．螺纹的类型有哪些？
各用在何处？
3．螺栓、螺钉和双头螺柱在应用上有何不同？
4．试举带传动、链传动、联轴器和离合器应用实例各一个。
5．轴按承载情况分为哪几种?
6．轴承根据工作时的摩擦性质分为哪几种?
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