机械基础实验指导书9.docx

1、机械基础实验指导书9机械基础实验 常熟理工学院机械工程学院 机械设计教研室2012.2实验一 平面机构运动简图的测绘 一目的1 初步掌握实际机构或机构模型的机构运动简图的测绘方法；2 应用机构自由度计算方法及机构运动条件分析平面机构运动的确定性。二设备和工具1 各种机构实物或模型；2 钢板尺、钢卷尺、内卡钳、外卡钳、量角器等；3 铅笔、橡皮、草稿纸（自备）。 三原理从运动学的观点看，机构运动特性与原动件的运动规律、构件的数目、运动副的数目、种类、相对位置有关。因此，可以撇开构件的实际外形和运动副的具体结构，而用简单的线条和规定的符号（见教材）代表构件和运动副。并按比例定出各运动副的相对位置，绘

2、制出机构运动简图，以此来说明实际机构的运动特性。四步骤1 了解被测机构或机构模型，并记录其编号。2 确定构件数目。将被测的机构或机构摸型缓慢地运动，从原动件开始，循着运动传递的路线仔细观察机构运动。分清机构中哪些构件是活动构件、哪些是固定构件，从而确定机构中的原动件、从动件、机架及其数目。3 判定各运动副的类型和数目。仔细观察各构件间的接触情况及相对运动的特点，判定各运动副是低副还是高副，并准确数出其数目。4 绘制机构示意图。选定最能清楚地表达各构件相互运动关系的面为视图平面，选定原动件的位置，按构件联接的顺序，用简单的线条和规定的符号在草稿纸上徒手绘出机构示意图，然后在各构件旁标注数字1、2

3、、3、-，在各运动副旁标注字母A、B、C、-。并确定机构类型。5 绘制机构运动简图。仔细测量与机构运动有关的尺寸（如转动副间的中心距、移动副导路的位置或角度等），按选定的比例尺绘出机构运动简图。 = 构件实际尺寸(m)/ 构件图示尺寸(mm)6 分析机构运动的确定性。计算机构的自由度数，并将结果与实际机构的原动件数相对照，若与实际情况不符，要找出原因及时改正。五思考题1 一张正确的机构运动简图应包括哪些必要的内容？2 绘制机构运动简图时，原动件位置能否任意选定？会不会影响运动简图的正确性？3 机构自由度大于或小于原动件数时会产生什么结果？ 实验二 螺纹连接变形实验一、实验目的1.了解螺栓联接在

4、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，观察螺栓变应力幅值的变化，以验证提高螺栓联接强度的各项措施。二、实验项目1.基本螺栓联接静动态实验。2.增加螺栓刚度的静动态实验。3.增加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一台；LSD-A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1-1所示。1）联接部分包括M16空心螺栓、大螺母、垫片组组成。空心螺栓贴有测拉力和扭矩的

5、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螺栓，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。垫片组由刚性和弹性两种垫片组成。2）被联接件部分由上板、下板和八角环组成，八角环上贴有应变片，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。2.静动态测量仪的工作原理及各测点应

6、变片的组桥方式实验台各被测件的应变量用LSD-A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。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R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R/R，就可换算出相应的应变，并可直接在测量仪的数码管读出应变值。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。图1-1 螺栓联接综合

7、实验台1、 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、刚性垫片(弹性垫片) 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120，灵敏系数k=2.20，各测点均为两片应变片，按测量要求粘贴组成如图3-2所示半桥，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。图1-2仪器电路结构示意图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ISA槽主

8、板、128M内存、40G硬盘、Celeron1.3G、光驱48X、17”纯平显示器。2） 配套A/D板为PC6360转换卡。3） 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。4） 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1.实验台及仪器预调与连接1） 实验台：取出八角环上两锥塞，松开空心螺栓上的M8小螺杆，装上刚性垫片，转动手轮，使挺杆降下，处于卸载位置。将两块千分表分别安装在表架上，使表头分别与上板面（靠外侧）和螺栓顶面接触，用以测量联接件（螺栓）与被联

9、接件的变形量。手拧大螺母至恰好与垫片接触。（预紧初始值）螺栓不应有松动的感觉，分别将两千分表调零。2） 测量仪：配套的4根输出线的插头将各点插座连接好，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。然后再将各测点输出线分别接于测量仪背面1、2、3、4各通道的A、B、C接线端子上，注意黄色线接B端子（中点）。3） 计算机：用配套的串口数据线接仪器背面的9芯插座，另一头连接计算机上的A/D板接口。启动计算机，按软件使用说明书要求的步骤操作进入实验台静态螺栓实验界面后。单击“空载调零”键后，对“应变测量值”框中数据清零，如串口数据线连接

10、无误，则该输入框中，会有数据显示并跳动。4） 调节静动态测量仪：通过测量仪上的选择开关，分别切换至各对应点，调节对应的“电阻平衡”电位器，使数码管为“0”，进行测点的电阻平衡。2.实验方法与步骤（1）螺栓联接的静态实验1） 用扭力矩扳手预紧被试螺栓，当扳手力矩为3040N时，取下扳手，完成螺栓预紧。2） 进入静态螺栓界面，将附录表中给定的标定系数由键盘输入到相应的“参数给定”框中。将千分表测量的螺栓拉变形和八角环压变形值输入到相应的“千分表值输入”框中。3） 单击“预紧测试”键，对预紧的数据进行采集和处理。4） 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，对螺栓轴向加载，加

11、载高度16mm。高度值可通过塞入16mm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。5） 单击“加载测试”键进行轴向加载的数据采集和处理。6） 单击“实测曲线”键，做出螺栓联接对受力和变形的实测综合变形图。7） 单击“理论曲线”键，做出螺栓联接的受力和变形的理论曲线图形。8） 单击“打印”键，打印实测曲线图形和理论曲线图形。9） 完成上述操作后，静态螺栓联接实验结束，单击“返回”键，可返回主界面。（2）螺栓联接动态实验1）螺栓联接的静态实验结束返回主界面后，单击“动态螺栓”键进入动态螺栓实验界面。2）重复静态实验方法与步骤中的3-4步。3）取下实验台右侧手轮，开

12、启实验台电动机开关，单击“动态测试”键，使电动机运转30秒钟左右。进行动态加载工况的采集和处理。4）单击“测试曲线”键，做出工作载荷变化时螺栓拉力和八角环压力变化实际波形图。5）单击“理论曲线”键，做出工作载荷变化时螺栓拉力和八角环压力及工作载荷变化的理论波形图。6）单击“打印”键，打印实测波形图和理论波形图。7）完成上述操作后，动态螺栓联接实验结束。五、实验项目的调整和标定系数的输入螺栓联接综合实验台实验时，每个实验项目都需对实验台进行调整和相应标定系数的输入。1.螺栓联接静动态实验：1）实验台要求：取出八角环上两锥塞，松开空心螺杆上的M8小螺杆，装上刚性垫片。2）标定系数：使用附录表中的空

13、心螺栓项的给定数据。2.增加螺栓刚度的静动态实验：1）实验台要求：取出八角环上两锥塞，拧紧空心螺杆上的M8小螺杆，装上刚性垫片。2）标出系数：使用附录表中实心螺栓给定数据。3.增加被连接件刚度的静动态：1）实验台要求：插上八角环上两锥塞，松开空心螺杆上的M8小螺杆，装上刚性垫片。2）标定系数：使用附录表中的锥塞项给定的数据。4.改用弹性垫片的静动态：1）实验台要求：取出八角环上两锥塞，松开空心螺杆上的M8小螺杆，装上弹性垫片。2）标定系数：使用附录表中的弹性垫片项给定的数据。六、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

14、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。七、思考题1.单个紧螺栓受力变形线图的含义是什么？2.分析各种因素对螺栓强度的影响以及提高螺纹连接强度的措施。实验三 带传动效率测定实验一、实验目的1. 了解带传动中的弹性滑动及打滑现象以及与带传动承载能力的关系；2. 掌握带传动的滑动和效率的测试方法，确定带传动最合理的工作状态，探讨改善带传动性能的措施。二、实验原理带传动的设计准则是:保证传动带在工作中不打滑,同时又有足够的疲劳强度和寿命。传动带不出现打滑的临界条件取决于带传动的滑动与承载能力（有效拉力、扭矩或传递功率）之间的关系。在传动条件及初拉力一定的情况下带传动的滑

15、动与有效拉力F之间的关系曲线如图1所示。图中-F曲线称为带传动滑动曲线，-F曲线为带传动效率曲线：图2-1带传动滑动曲线和效率曲线为滑动系数或称滑差率= （1）式中 V1、V2、n1、n2分别为主动轮、从动轮的线速度和转速，m/s和r/min;D1、D2分别为主动轮、从动轮的计算直径，mm。由图可知：滑动曲线在开始一段，滑动系数随有效拉力的增加而成线性增加，这时传动带处于弹性滑动范围内工作，属于弹性滑动区。当拉力增加至超过某一值后，滑动系数增加很快，带处于弹性滑动与打滑同时存在的范围内工作，属于打滑区。当拉力继续增加，带将在带轮上处于完全打滑工作状态，此时滑动系数近于直线上升。为了保证传动带在

16、工作中不打滑，又能发挥带的最大工作能力，临界条件应取在k点，在这一临界条件下，滑动系数=12%，且传动效率处于较高值。三、实验装置1、 主要结构及工作原理带传动实验台主要由两个直流电机组成或其中一个为主动电机，另一个为从动电机，作发电机使用，其电枢绕组两端接上灯泡负载，主动电机固定在一个以水平方向移动的底板上，与发电机由一根平皮带连接。在与滑动底板相连的法码架上加上法码，即可拉紧皮带。电机锭子未固定可转动，其外壳上装有测力杆，支点压在压力传感器上通过计算即可得到电动机和发电机的转矩。两电机后端装有光电测速装置和测速转盘，所测转速在面板上各自的数码管上显示。1）扭矩和效率的测定电动机输出扭矩T1

17、（即主动轮扭矩）和发电机负载扭矩T2（即从动轮扭矩）采用平衡法来测定。电动机或发电机的定子外壳（即机壳）支承在支座的滚动轴承中，并可绕与转子相重合的轴线任意摆动。当主动电机启动和从动电机带负载后，由于定子磁场和电枢转子间的电磁力的相互作用，主动电动机外壳将向与转子旋转的相反方向转动，从动发电机外壳将向与转子旋转的相同方向转动，为了阻止外壳转动，它们的转动力矩分别通过固定在外壳上的压力传感器所产生的力矩来平衡。由于作用于定子上的力矩与转子上的力矩是大小相等方向相反的，因此主动轮转矩从动轮转矩其中，为主从动轮压力传感器测得的数值， 为两个力臂，且主从动轮转速和压力传感器产生的压力可通过面板直接读出

18、。2）有效拉力的计算带的有效拉力其中为主动轮转矩，120mm为主动轮直径所以3）滑动系数和效率的计算因为，可得 式中： 分别为主动、从动轮上的功率， 为主动、从动轮的转速。2、主要技术参数直流电机功率为 355W 调速范围 501500rpm最大负载转速下降率 5% 初拉力最大值为 3kg杠杆测力臂长度 L1=L2=120mm （L1L2电动机中心至测力杆支点的长度）带轮直径 D1=D2=120mm 实验台总重量 45kg工作条件环境温度：-1050相对温度：80%电源：220V10% 50Hz工作场所：无强烈电磁干扰和腐蚀气体。四、实验内容1. 带传动滑动曲线和效率曲线的测量绘制：该实验装置

19、采用压力传感器和A/D采集并转换成主动带轮和从动带轮的驱动力矩和阻力矩数据，采用角位移传感器和A/D板采集并转换成主、从动带轮的转数。最后输入计算机进行处理作出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. 带传动运动模拟：该实验装置配置的计算机软件，在输入实测主、从动带轮的转数后，通过数模计算作出带传动运动模拟，观察带传动的弹性滑动和打滑现象。五、实验步骤1. 打开计算机，单击“带传动”图标，进入带传动的封面。单击左键，进入带传动实验说明界面。2. 按操作规程缓慢启动实验台的电动机，将转速调至n=1000转，待带传动运转平稳后，可进行带传动实验。3. 在带传动实验

20、说明界面下方单击“实验”键，进入带传动实验分析界面。4. 确定带的初拉力2F0值。检查调速旋纽，确保其初始状态为速度最小处。5. 在空载状态下，单击“稳定测试”，记录下带传动初始值。6. 通过测试界面的“加载”按钮逐级改变发电机负载，转速稳定后，依次记录各级负载下的n1 、n2、T1、T2、值，同时单击“稳定测试”，稳定记录带传动的实测结果。7. 依次做到带在带轮上接近打滑时为止（滑动率约为10%即可），单击“实测曲线”键，显示带传动滑动曲线和效率曲线。停止试验，卸去负载。测得的数据应不少于810点。8. 增大初拉力，重复上述步骤，做出另一组试验数据。9. 在带传动实验分析界面下方单击“运动模

21、拟”键，可观察带传动的运动和弹性滑动及打滑现象。 10. 要打印带传动滑动曲线和效率曲线。在该界面下方单击“打印”键，打印机自动打印出带传动滑动曲线和效率曲线。11.如果实验结束，单击“退出”，返回Windows界面。六、思考题1. 传动的弹性滑动和打滑现象有何区别？它们产生的原因是什么？2. 当D1D2时，打滑发生在哪个轮上？3. 带传动的初拉力大小对传动能力有何影响？最优初拉力的确定与什么因素有关？影响带传动能力还有哪些因素？4. 带传动的效率如何测得？有哪些因素会产生实验误差？试解释传动效率为什么随有效拉力的增加而增加，到达最大值后又下降？ 实验四 齿轮范成实验 一. 目的1 掌握用范成

22、法加工渐开线齿轮的原理；2 通过用齿条刀具范成渐开线齿廓的过程，了解齿轮的根切现象及避免根切的方法；3 分析比较标准齿轮和变位齿轮的异同点。 二. 设备和工具1 渐开线齿廓范成仪，图1所示；2 A4绘图纸一张、圆规、三角板、剪刀、铅笔、橡皮、计算器等（自备）。图 1 1.图纸托盘；2.滑架； 3.机架； 4.齿条刀具； 5.调节螺钉；6.定位螺钉； 7.刀架；8.锁紧螺钉；9.压环 三. 原理范成法（又称包络法或称展成法）的基本原理是一对齿轮或一个齿轮与齿条啮合时，一个齿轮的齿廓是另一个齿轮齿廓的包络线。因此，若将其中一个齿轮或齿条制成刀具，使刀具与轮坯的运动关系与一对齿轮（或齿轮与齿条）啮合

23、一样（由齿轮加工机床保证），并加上必要的切削运动与进给运动，就可以在轮坯上连续切出所有的轮齿。当齿条刀具中线与轮坯分度圆相切（即刀具调节到刻度“0”位置）时，便能切制出标准齿轮。当齿条刀具离开轮坯中心移动时，切制出正变位齿轮。当齿条刀具靠近轮坯中心移动时，切制出负变位齿轮。四步骤1测量图纸托盘直径（即为轮坯分度圆直径d）。2在齿条刀具上量取齿距p（相邻两齿同侧齿廓对应点之间的距离）。3计算模数m和齿数z m= p / （取标准模数） ；z = d / m （取整数）4在纸坯上画出四个圆：分度圆d、齿顶圆da、齿根圆df、基圆db（其公式参见教科书）。5 将纸坯装在范成仪上，调整刀具对准刻度上的

24、“0”位置，范成标准齿轮12个齿（如图2所示），注意观察有否根切。 图2 6 为避免根切，范成正变位齿轮。1） 计算变位量minm ，其中 min =。2） 计算并在轮坯上画出分度圆d、齿顶圆da、齿根圆df 、基圆db（公式参见教科书或实验报告），其中分度圆d、基圆db与标准齿轮相同。3） 将纸坯装在范成仪上，移动刀具离开轮坯中心，移动量（变位量）为minm。4） 范成正变位齿轮12个齿（如图3），注意观察此时有否根切。 图3 五思考题 1用齿条刀具加工标准齿轮和变位齿轮时，刀具相对轮坯的位置及运动有何不同？2 用同一把齿条刀具加工标准齿轮和变位齿轮时，定性比较下述几何参数和尺寸的变化：m

25、、 、da、d 、df 、 db 、s 、e 和p 。3 根切现象是如何产生的？避免根切可采取哪些措施？4本实验1 齿条刀具的基本参数m = 10 ， ，ha* 1 ，c*2 被加工齿轮基本参数m = ，d = ，z =3 实验结果比较项 目标准齿轮（mm）正变位齿轮（mm）分度圆直径d齿顶圆直径da齿根圆直径df基圆直径db齿距p分度圆齿厚s分度圆齿槽宽e变位系数min 实验五机构运动创新设计一、实验目的1. 加深学生对平面机构的组成原理、结构组成的认识，了解平面机构组成及运动特点。2. 培养学生的机构综合设计能力、创新能力和实践动手能力。二、实验设备及工具1. CQJPD机构运动创新设计方

26、案实验台1）齿轮：模数2，压力角20，齿数为28、35、42、56，中心距组合为：63、70、77、84、91、98；2）凸轮：基圆半径20，升回型，从动件行程为30；3）齿条：模数2，压力角20，单根齿条全长为400；4）槽轮：4槽槽轮；5）拨盘：可形成两销拨盘或单销拨盘；6）主动轴：轴端带有一平键，有圆头和扁头两种结构型式（可构成回转或移动副）；7）从动轴：轴端无平键，有圆头和扁头两种结构型式（可构成回转副或移动副）；8）移动副：轴端带扁头结构形式（可构成移动副）；9）转动副轴（或滑块）：用于两构件形成转动副或移动副；10）复合铰链（或滑块）：用于三构件形成复合转动副或形成转动副+移动副；

27、11）复合铰链：用于四构件形成复合转动副；12）主动滑块插件：插入主动滑块座孔中，使主动运动为往复直线运动；13）主动滑块座：装入直线电机齿条轴上形成往复直线运动；14）活动铰链座：用于在滑块导向杆(或连杆)以及连杆的任意位置形成转动移动副；15）活动铰链座：用于在滑块导向杆(或连杆)以及连杆的任意位置形成转动副或移动副；16）滑块导向杆（或连杆）；17）连杆：有六种长度不等的连杆；18）连杆：可形成三个回转副的连杆；19）压紧螺栓：规格M5，使连杆与转动副轴固紧，无相对转动且无轴向窜动；20）带垫片螺栓：规格M5，防止连杆与转动副轴的轴向分离，连杆与转动副轴能相对转动；21）层面限位套：限定

28、不同层面间的平面运动构件距离，防止运动构件之间的干涉；22）紧固垫片：限制轴的回转；23）高副锁紧弹簧：保证凸轮与从动件间的高副接触；24）齿条护板：保证齿轮与齿条间的正确啮合；25）T型螺母26）行程开关碰块27）V带轮：用于机构主动件为转动时的运动传递；28）张紧轮：用于皮带的张紧；29）张紧轮支承杆：调整张紧轮位置，使其张紧或放松皮带；30）张紧轮轴销：安紧张紧轮；31、32、33）螺栓：特制，用于在连杆任意位置固紧活动铰链座；34）直线电机：10/s，配直线电机控制器，根据主动滑块移动的距离，调节两行程开关的相对位置来调节齿条或滑块往复运动距离，但调节距离不得大于400；注意：机构拼接

29、未运动前，应先检查行程开关与装在主动滑块座上的行程开关碰块的相对位置，以保证换向运动能正确实施，防止机件损坏；35）旋转电机：10r/min，沿机架上的长形孔可改变电机的安装位置；36）实验台机架37）标准件、紧固件若干（A型平键、螺栓、螺母、紧定螺钉等）；2. 组装、拆卸工具：一字起子、十字起子、固定扳手、内六角扳手、钢板尺、卷尺。三、实验原理、方法与步骤1. 实验原理任何平面机构都是由若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上而构成的。2. 实验方法与步骤1） 掌握平面机构组成原理；2） 熟悉本实验中的实验设备，各零、部件功用和安装、拆卸工具；3） 自拟平面机构运动方案，形成拼接实验内容；4）

30、 将自拟的平面机构运动方案正确拆分成基本杆组；5） 正确拼接各基本杆组；6） 将基本杆组按运动传递规律顺序联接到原动件和机架上。四、基本杆组的拆分与拼装机构运动创新设计方案实验台提供的运动副拼接方法参见以下各图所示。1）实验台机架：图1 实验台机架图实验台机架中有5根铅垂立柱，均可沿X方向移动。移动前应旋松在电机侧安装在上、下横梁上的立柱紧固螺钉，并用双手移动立柱到需要的位置后，将立柱与上（或下）横梁靠紧再旋紧立柱紧固螺钉（立柱与横梁不靠紧旋紧螺钉时会使立柱在X方向发生偏移）。注：立柱紧固螺钉只需旋松即可，不允许将其旋下。立柱上的滑块可在立柱上沿Y方向移动，要移动立柱上的滑块，只需将滑块上的内六角平头紧定螺钉旋松即可（该紧定pu螺钉在靠近电机侧）。按上述方法移动立柱和滑块，就可在机架的X、Y平面内确定固定铰链的位置。2）主、从动轴与机架的连接（下图各零件编号与“机构运动创新设计方案实验台组件清单”序号相同，后述各图均相同）图2 主、从动轴与机架的连接 按上图方法将轴联接好后，主（或从）动轴相对机架不能转动，与机架