机械设计实验指导书.docx
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机械设计实验指导书
机械设计
实验指导书
（机械设计及其自动化专业用）
编写：
梁华琪
班级：
学号：
：
建筑工业学院机电系机械实验室
2007年9月
实验一螺栓联接实验…………………………………………………2
实验二带传动实验……………………………………………………6
实验三机械传动性能综合实验………………………………………9
实验四蜗杆传动效率测试实验………………………………………14
实验五动压轴承实验…………………………………………………18
实验六摩擦磨损试验…………………………………………………22
实验七轴系结构分析与设计实验……………………………………31
实验八链与万向节传动系统实验……………………………………35
实验九减速器结构分析实验…………………………………………37
实验一螺栓联接实验
实验学时：
2
实验类型：
验证性
实验要求：
必开
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要求达到下述目的。
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、实验项目
LZS螺栓联接综合实验台可进行下列实验项目：
1、（空心）螺栓联接静、动态实验。
（空心螺栓+刚性垫片+无锥塞）
2、改变螺栓刚度的联接静、动态实验。
（空心螺栓、实心螺栓）
3、改变垫片刚度的静、动态实验。
（刚性垫片、弹性垫片）
4、改变被连接件刚度的静、动态实验。
（有锥塞、无锥塞）
三、实验设备及仪器
该实验需LZS螺栓联接综合实验台一台，CQYDJ－4静动态测量仪一台，计算机及专用软件等实验设备及仪器。
1、螺栓联接实验台的结构与工作原理。
如图1所示。
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截面积，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）被联接件部分由上板、下板和八角环、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，中部有锥形孔，插入或拨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。
图1螺栓联接实验台的结构
1）.an、电动机2、蜗杆3、凸轮4、蜗轮5、下板6、扭力插座7、锥塞8、拉力插座9、弹簧
10、空心螺杆11、千分表12、螺母13、组合垫片（一面刚性一面弹性）14、八角环压力插座
15、八角环16、挺杆压力插座17、M8螺杆18、挺杆19、手轮20上板
4）主要技术参数
①、螺栓材料为40Cr、弹性模量E=206000N/mm2，螺栓杆外直径D1=16mm，螺栓杆直径D2=8mm，变形计算长度L=160mm。
②、八角环材料为40Cr，弹性模量E=206000N/mm2。
L=105mm。
③、挺杆材料为40Cr、弹性模量E=206000N/mm2，挺杆直径D=14mm，变形计算长度L=88mm。
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型静动态测量仪测量，通过标定或计算即可换算出各部分的大小。
该仪器的工作原理方框图请参看CQYDJ－4型静动态测量仪使用说明书。
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——应变片是用极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件上，当被测件受到外力作用长度发生变化时，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ΔR的变化，这样就把机械量转换成电量（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ΔR/R，就可换算出相应的应变ε，并可直接在测量仪的液晶128X64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，按半桥测量要求粘贴组成如图2所示半桥电路（即测量桥的两桥臂），图中A、B、C三点分别应为连接线中的三色细导线，其黄色线（即B点）为两应变片之公共点。
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；
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。
图2半桥电路
四、实验方法及步骤
以出厂设定（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。
）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与步骤
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。
手轮侧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”，进入静态螺栓实验主界面。
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。
用扭力矩扳手预紧被试螺栓，当扳手力矩为30～40Nm时，取下扳手，完成螺栓预紧。
6）将千分表测量的螺栓拉变形值和八角环压变形值输入到相应的“千分表值输入”框中。
a）单击“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）如果预紧正确，单击"标定"键进行参数标定，此时标定系数被自动修正。
c）用手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）单击“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）如果加载正确，单击"标定"键进行参数标定，此时标定系数被自动修正。
f）单击"实验报告"键，生成实验报告。
（二）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。
你已经做了静态实验，则此处不必重做。
3）取下实验台右侧手轮，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。
同时生成理论曲线与实际测量的曲线图。
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钟（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。
六、实验报告
1、数据记录（自拟）
2、螺栓联接静、动特性应力分布曲线图（力与变形曲线）
3、结果分析。
实验二带传动实验
实验学时：
2
实验类型：
验证性
实验要求：
必开
一、实验台目的：
1、掌握测定皮带传动滑差率和效率及绘制实测曲线。
2、学生可利用计算机在软件界面说明文件的指导下，独立自主地进行实验，培养学生的实际动手能力。
二、实验容：
1、皮带传动滑动曲线和效率曲线的测量绘制：
该实验装置采用压力传感器和A/D卡采集主动带轮和从动带轮的驱动力矩力和阻力矩力，采用光电传感器和A/D板采集主、从动带轮的转速。
最后输入计算机进行处理分析，作出实测滑动曲线和效率曲线。
使学生了解带传动的弹性滑动和打滑对传动效率的影响。
2、皮带传动运动弹性滑动和打滑现象动画模拟：
该实验装置配置的计算机多媒体软件，在输入实测主、从动带轮的转速后，通过数模计算作出带传动运动模拟，可清楚观察带传动的弹性滑动和打滑现象动画图象。
三、实验设备
1、实验台简介：
图1皮带传动实验台主要结构图
1、电机移动底板2、砝码和砝码架3、力传感器4、转矩力测杆5、主动电动机
6、平皮带7、光电测速装置8、发电机9、灯泡组10、机座机壳11、操纵面板
（1）主要结构及工作原理
该实验传动系统，由皮带6和一个装有主动带轮的直流伺服电动机组件，另一个装有从动带轮的直流伺服发电机组件构成。
（2）、主动轮电机5为特制两端带滚动轴承座的直流伺服电机，滚动轴承座固定在一个滑动的底板1上，电机外壳（定子）未固定可相对其两端滚动轴承座转动。
滑动的底板能相对机座10在水平方向滑动。
（3）、砝码架和砝码2与滑动底板通过绳和滑轮相连，用于紧皮带；加上或减少法码，即可增加或减少皮带初拉力。
从动轮电机8也为特制两端带滚动轴承座的直流伺服发电机，电机外壳（定子）未固定可相对其两端滚动轴承座转动，轴承座固定在机座机壳上。
（4）、发电机和灯泡9，以及实验台的电子加载电路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的加载按钮控制，也可用面板上触摸按钮（加载按钮和卸载按钮）进行手动控制和显示。
（5）、可转动两电机的外壳上装有测力杆4，把电机外壳转动时产生的转矩力传递给传感器。
主、从动皮带轮扭矩力可直接在面板各自的数码管上读取，并传到计算机中进行处理分析。
（6）、两电机后端装有光电测速装置和测速转盘7，测速方式为红外线光电测速；主、从动皮带轮转速可直接在面板各自的数码管上读取，并传到计算机中进行处理分析。
（7）、直流电动机的调速电源，采用先进的脉冲宽度调制的调速电源；
2、主要技术参数
直流电机功率为355W
主电机调速围50～1500rpm
皮带初拉力值为2~3.5kg.f
杠杆测力臂长度L1=L2=120mm（L1L2—电动机、发电机中心至传感器中心的距离）
皮带轮直径D1=D2=120mm
压力传感器精度为1%测量围为0～50N
测速围：
50转/分～1500转/分
灯泡额定功率：
共320W（8个40W）
3、电气装置工作原理
该仪器电气测量控制由三个部分组成：
（1）、电机调速部分：
该部分采用专用的由脉宽调制（PWM）原理设计的直流电机调速电源，调节面板上的调速旋钮对电动机进行调速。
（2）、仪器控制直流电源及传感器放大电路部分：
该电路板由直流电源及传感器放大电路组成，直流电源主要向显示控制板和4组传感器放大电路供电,和将4个传感器的测量信号放大到规定幅度供显示控制板采样测量。
（3）、显示测量控制部分：
该部分由单片机、A/D转换、加载控制电路和RS-232接口组成。
A/D转换控制电路负责转速测量和4路传感器信号采样，采集的各参数除送面板进行显示外。
经由RS-232接口送上位机（电脑）进行数据分柝处理。
加载控制电路主要用于计算机对负荷灯泡组加载，也可通过面板上的触摸按钮对灯泡组进行手工加载和卸载。
实验台可脱机（电脑），用手工对各采集的实验数据进行记录处理。
四、实验步骤：
1、打开计算机，单击“皮带传动”图标，进入皮带传动的封面。
单击左键，进入皮带传动实验说明界面。
2、皮带传动实验说明界面下方单击“实验”键，进入皮带传动实验分析界面。
3、启动实验台的电动机，待皮带传动运转平稳后，可进行皮带传动实验。
在实验台的操作面板上开动总电源，均匀按动调速按钮，同时按动加载按钮置零，待皮带转速平稳后，在皮带传动实验界面上单击“稳定测试”，对带传动的主动轮、从动轮的转速，以及主动轮、从动轮的转矩，进行第一个工况的数据采集和处理，并在皮带传动实验界面的虚拟仪表上显示。
4、在实验台的操作面板上按动加载按钮1—2次，待皮带转速平稳后，在皮带传动实验界面上再次单击“稳定测试”，进行第二个工况的数据采集和处理。
如此类推，直至皮带打滑，结束测试。
5、在皮带传动实验界面上单击“实测曲线”，在皮带传动实验界面上作出带传动的实测滑差—效率曲线图。
6、若实验结果不够理想，在皮带传动实实验界面上单击“重做实验”，即可从第3步开始重做一次实验。
7、在皮带传动实验分析界面下方单击“运动模拟”键，观察皮带传动的运动和弹性滑动及打滑现象。
8、如果要打印皮带传动滑动曲线和效率曲线。
在该界面下方单击“打印”键，打印机自动打印出皮带传动滑动曲线和效率曲线。
9、如果实验结束，单击“退出”，返回Windows界面。
五、实验操作注意事项：
1、启动电源开关前，需将面板上的调速旋钮逆时针旋到底（转速最低位置）。
以避免电机高速运动带来的冲击损坏传感器。
在法码架上加上一定的法码使皮带紧，以确保实验安全。
2、实验台的R232连接线与计算机接口，不允许带电插拔。
以免损坏电电脑。
3、做实验测试前，先开机将皮带转速调至1000转/分以上，运转10分钟以上。
使实验台皮带预热性能稳定。
4、在实验中采集数据时，一定要等数据采集窗口的数据稳定后再进行采集，每采集一次，时间间隔5-10秒钟。
5、当皮带加载至打滑时，运转时间不能过长，防止损坏皮带。
6、在皮带万一飞出的情况下，一般可将皮带调头，再装上进行实验。
在皮带调头，实验仍不能进行的情况下，则需将电机支座固定螺钉松动，适当调整两个带轮的轴线的平行后，再拧紧螺钉。
再做实验。
六、实验报告
1、数据记录
功率（N）
滑差率（ε）
效率（η）
2、作出N-ε、N-η曲线图。
3、结果分析。
实验四蜗杆传动效率测试实验
实验学时：
2
实验类型：
验证性
实验要求：
必开
一、实验目的
1、了解蜗杆传动实验台结构及其工作原理；
2、通过本实验加深理解蜗杆传动效率与转速和载荷的关系；
3、通过对不同头数蜗杆传动装置的实验，进一步了解蜗杆头数对传动性能的影响；
4、掌握转矩、转速、功率、效率的测量方法。
二、实验台结构及其工作原理
蜗杆传动效率测试实验台结构如图1所示：
图1蜗杆传动效率测试实验台结构简图
1、底座2、传感器3、电机4、轴承支架
5、联轴器6、磁粉制动器7、蜗杆传动减速器
实验台的动力自一台直流调速电机3，电机的转轴由一对固定在底座1上的轴承支架4托起，因而电机的定子连同外壳可以绕转轴摆动。
转子的轴头通过联轴器5与蜗杆减速器7的蜗杆轴相连，直接驱动蜗杆轴转动。
电机机壳上装有测矩杠杆，通过输入测矩传感器2，可测出电机工作时的输出转矩（即蜗杆减速器的输入转矩）。
被测减速器7为一级蜗杆减速器，其箱体固定在实验台底座上，蜗杆减速器为蜗杆下置式，传动比i=15（或i=30），其动力输出轴（蜗轮轴）上装有磁粉制动器6，改变制动器输入电流的大小即改变负载制动力矩的大小。
实验台面板上布置或装有电机转速调节旋钮和加载按钮，以及转速和加载显示器件等，电机转速、输入及输出力矩等信号通过单片机数据采集系统输入上位机数据处理后即可显示并打印出实验结果和曲线。
实验台原理框图如图2所示：
图2蜗杆传动效率测试实验台原理框图
实验测试的容与方法：
1、当蜗杆传动系统工作在一定转速时，改变输出负载的大小，测定蜗杆传动系统输入功率P1和相应的输出功率P2，从而得出其传动效率
。
功率是通过测定其转矩获得的。
2、当蜗杆传动系统工作在一定负载时，改变输出的转速大小，测定蜗杆传动系统输入功率P1和相应的输出功率P2，亦可得到其传动效率
。
3、改用不同头数的蜗杆减速器进行实验，加深蜗杆头数对传动性能的影响的理解。
三、实验操作步骤
1、准备工作
1）将实验台与微机的串口连接线连好。
2）用手转动联轴器，要求转动灵活。
3）控制面板上的电源开关放到“关”的位置，调速旋钮旋在最低点。
2、进行实验
1）启动微机，进入实验软件主界面，并根据实验台上的配置选择单头或双头蜗杆减速器。
2）接通电源，打开电源开关，数码管亮。
3）缓慢顺时针旋转调节电机调速旋钮，电机启动，使转速达1000转/分左右。
4）待转速稳定后，可按动加载按钮加载,（第1档加载系统已默认）。
5）点击软件主界面“数据采集”按钮，电机转速、电机转矩、负载力矩等实验数据发送到实验界面。
6）点击软件主界面“数据分析”按钮，实验结果以及实验曲线即在相应窗口显示，点击“保存”。
7）将载荷设定在某一定值，从小到大（反之亦可）调节输入转速，中间采集数据8次，点击软件主界面，分析实验结果以及相应的实验曲线（
、
）。
8）停机，关闭电源开关。
更换蜗杆减速器，重复3—7项。
9）根据实验软件界面提供的蜗杆减速器参数以及实验条件，进行蜗杆传动效率的理论值计算，与实测值进行比较，并进行误差分析。
例一、单头
=1
=5°43′d=34mm
=800r/min时:
当量摩擦角
例二、双头
=2
=11°19′d=34mm
=400r/min时：
当量摩擦角
四、 实验数据记录与处理
1、实验台参数：
电机调速围=转/分
电机测力杠杆臂长=______m
蜗杆减速器传动比i=
磁粉制动器输出扭矩T2=______（N.m）
2、实验数据处理：
蜗杆减速器传动效率：
式中：
1）P1——蜗杆传动输入功率（即电机输出功率）
（kW）
T1——蜗杆转矩（即电机输出扭矩）
（N.m）
L1—电机测力杠杆臂长（m）
G1—电机测力传感器测得力值（N）
n1—蜗杆转速（即电机的转速）（rpm）
2）P2—蜗杆传动输出功率
（kW）
T2—蜗杆传动输出转矩（即磁粉制动器输出扭矩）（N.m）
n2—蜗轮转速
（rpm）
五、思考题
1、蜗杆减速器的传动效率与哪些因素有关？
2、蜗杆头数影响传动效率的原因是什么？
六、实验报告
1、数据记录
a、转速恒定数据
数据编号
转速
输入力矩
输出力矩
效率
1
2
3
4
5
6
7
8
b、输出力矩恒定数据
数据编号
转速
输入力矩
输出力矩
效率
1
2
3
4
5
6
7
8
2、绘制曲线（η-T2、η-n2）
3、数据分析结果：
（1）转速恒定最大效率；
（2）载荷恒定最大效率。
实验五动压轴承实验
实验学时：
2
实验类型：
验证性
实验要求：
必开
一、实验目的
1、观察径向滑动轴承液体动压润滑油膜的形成过程和现象。
2、观察载荷和转速改变时油膜压力的变化情况。
3、观察径向滑动轴承油膜的轴向压力分布情况。
4、测定和绘制径向滑动轴承径向油膜压力曲线，求轴承的承载能力。
5、了解径向滑动轴承的摩擦系数f的测量方法和摩擦特性曲线氲幕嬷品椒ā£
二﹑实验容：
1、液体动压轴承油膜压力周向分布的测试分析：
该实验装置采用压力传感器、采集该轴承周向上七个点位置的油膜压力。
2、输入计算机通过计算作出该轴承油膜压力周向分布图。
3、通过分析其分布规律，了解影响油膜压力分布的因素。
4、液体动压轴承油膜压力周向分布的仿真分析：
该实验装置配置的计算机软件通过数模作出液体动压轴承油膜压力周向分布的仿真曲线。
5、与实测曲线进行比较分析。
6、液体动压轴承摩擦特征曲线的测定：
该实验装置通过压力传感器采集和A/D板转换轴承的摩擦力矩。
7、轴承的工作载荷用输入计算机得出摩擦系数的特征曲线。
使学生了解影响摩擦系数的因素。
8、液体动压轴承位置模拟：
通过建模与仿真显示轴承在不同载荷作用下不同转速下的最小油膜厚度和偏位角。
三、实验台的构造与工作原理
1、实验台的传动装置
由直流电动机1通过三角带2驱动主轴9沿顺时针（面对实验台面板）方向转动，由无级调速器实现无级调速。
本实验台主轴的转速围为3～500rpm，主轴的转速由数码管直接读出。
2、轴与轴瓦间的油膜压力测量装置
轴的材料为45号钢，经表现淬火、磨光，由滚动轴承支承在箱体10上，轴的上半部浸泡在润滑油中，本实验台夏季采用的润滑油的牌号为N68（即旧牌号的40号机械油），该油在20℃时的动力粘度为0.34Pa·S。
主轴瓦8的材料为铸锡铅青铜。
牌号为ZcuSnSbSZn5（即旧牌号ZQSn6-6-3）。
在轴瓦的一个径向平面沿圆周钻有7个小孔，每个小孔沿圆周相隔20°，每个小孔联接一个压力传感器7，用来测量该径向平面相应点的油膜压力，由此可绘制出径向油膜压力分布曲线。
沿轴瓦的一个轴向剖面装有两个压力传感器（即4号和8号压力传感器）。
用来观察有限长滑动轴承沿轴的油膜压力情况。
3、加载装置
油膜的径向压力分布曲线是在一定的载荷和一定的转速下绘制的。
当载荷改变或轴的转速改变时所测出的压力值是不同的，所绘出的压力分布曲线的形状也是不同的。
转速的改变方法如前所述。
本实验台采用螺旋加载，转动螺杆即可改变载荷的大小，所加载荷之值通过传感器数字显示，直接在实验台的操纵板上读出。
4、摩擦系数f测量装置
径向滑动轴承的摩擦系数f随轴承的特性系数λ=μn/p值的改变而改变（μ─油的动力粘度，n─轴的转速，p-压力，p=W/Bd，W─轴上的载荷，W=轴瓦自重+外加载荷。
本机轴瓦自重为40N，B─轴瓦的宽度，d─轴的直径。
本实验台B=125mm，d=70mm）。
在边界摩擦时，f随λ的增大而变化很小，进入混合摩擦后，λ的改变引起f的急剧变化，在刚形成液体摩擦时f达到最小值，此后，随λ的增大油膜厚度亦随之增大，因而f亦有所增大。
摩擦系数f之值可通过
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