《机械设计基础》实验指导书DOC.docx

1、机械设计基础实验指导书DOC 机械设计基础实验指导书 班级 姓名 指导教师 重庆工商大学机械与包装工程学院机械基础教研室 目 录实验一 平面机构运动简图绘制和分析实验二 齿轮范成原理实验和齿轮参数测定实验三 回转构件的动平衡 实验四 滑动轴承性能实验 实验五 圆柱齿轮误差的测量 实验六 减速器装拆和结构分析实验实验七 创意组合式轴系结构设计 实验一 平面机构运动简图绘制和分析一、 目的要求：1、 掌握绘制真实机器机构运动简图的方法和技能。2、 应用机构自由度方法分析平面机构运动的确定性。二、 设备和工具：1、 牛头刨床一台；2、 锯床一台，机构的模型。3、 同学自备纸、铅笔等文具。三、 步骤：

2、1、 分析机器：（1） 了解机器的用途及工作要求；找出原动件，最终执行构件及工作传动部分。（2） 分析机器工作原理；（3） 观察分析各构件间的相对运动形式及运动副类型；2、 画出机构运动示意图（注意要标注原动件），对各机构件编号（1、2、3、），对各运动副标符号（A、B、C）；3、 计算机构的自由度，并将机构运动示意图与实际机构对照，观察是否相符。4、 测量并标注各运动副间尺寸及滑道定位尺寸（如果只要求画机构示简图可不进行测量，但应凭目测使简图与实物大致成比例）。5、 按比例尺绘制正规机构运动简图。四、 思考题：1、 机构运动简图有什么用途？一个正确的“机构运动简图”应包含哪些内容？2、 绘制

3、机构运动简图时，原动件的位置为什么可以任意选定？会不会影响运动简图的正确性？3、 机构自由度的计算对测绘机构运动简图有何帮助？实验二 齿轮范成原理实验一目的要求：1掌握用范成法切制渐开线齿轮的基本原理。观察渐开线部分及过渡曲线部分的形成过程。2了解渐开线齿轮的根切现象，并分析比较；标准齿轮和变位齿轮的异同点。二设备：1齿轮范成仪齿条刀具的主要参数： m=20mm a=20 ha*=1 C*=0.25被切齿轮的主要参数： m=20mm a=20 Z=10 ha*=1 C*=0.252学生自备(1) 削尖的铅笔一支；（2）胶皮擦一块。三范成仪的构造及工作原理图2-1为齿轮范成仪简图，圆盘1表示被加

4、工齿轮的毛坯；安装在机架4上，并可绕机架上的固定轴O转动；代表切齿刀具的齿条2在溜板上，当移动溜板时轮坯1上的分度圆与溜板3上的齿条节线作纯滚动。松开螺钉5即可调整齿条刀具相对于轮坯中心的距离。因此，齿条可以安装在相对于圆盘1的各个位置上。如果把齿条中线移动到与圆盘1的分度圆相切的位置时，则可以绘出标准齿轮的齿廓，当齿条2的中线与圆盘1的分度圆间有距离时；（其移距量xm可以在溜板3的刻度上，直接读出来）；则可按移距的大小和方向，绘出各种正移距或负移距变位齿轮。 范成法是利用一对齿轮互相啮合时，共轭齿廓互为包络线的原理来加工齿轮的。加工时其中一轮为刀具；另一轮为毛坯。而由机床的传动链迫使它们保持

5、固定的角速比旋转，完全和一对齿数比相同的齿轮互相传动一样。同时刀具还沿轮坯轴线方向作切削运动，这样所切出的齿轮的齿廓，就是刀具刀刃在各个位置的包络线。若把渐开线作为刀具齿廓，则其包络线必亦为渐开线。由于在实际加工时；看不到形成包络线的刀刃的一系列位置。故通过范成仪来实现上述的刀具与轮坯间的范成运动。用铅笔画出刀具刀刃的一系列位置，就能清楚地观察到齿轮的范成过程。四步骤1根据齿条刀具的模数m；和被加工齿轮的齿数Z；计算出被加工齿轮的分度圆直径，基圆直径。以及标准齿轮、正、负变位齿轮的根圆；顶圆直径。将计算结果填在实验报告中。在附图上画出分度圆、基圆；并将附图中心角分为三等分；分别画出标准齿轮、正

6、、负变位齿轮的顶圆；（相当于车削的三个齿轮毛坯）。2 固定在圆盘上，注意两者圆心重合；并使标准齿轮部分正对齿条，（相当于将标准齿轮的毛坯固定在滚齿机上）。调节齿条刀具，使齿条分度线与毛坯分度圆相切，固定齿条于溜板上。3 作齿轮，将齿条刀具溜板推到最左边，然后每当把溜板向右移动一个微小的距离（2-3mm）时，在代表轮坯的图纸上用铅笔描下刀具刃口的位置，直到形成2-3个完整的齿形为止。4 图纸转动到正变位齿轮部分，正对着齿条；并固定于圆盘上（相当于将正变位齿轮毛坯固定在滚齿机上），将齿条分度线仍与轮坯分度圆相切后，再调节齿条刀具分度线远离轮坯中心移动xm毫米；使刀具分度线与轮坯分度圆相距xm毫米。

7、然后重复步骤3。5 图纸转动到负变位齿轮部分，正对着齿条；并固定于圆盘1上（相当于将负变位齿轮毛坯固定在滚齿机上）。将齿条分度线仍与轮坯分度圆相切后，再调节齿条刀具分度线靠近轮坯中心移动xm毫米，使刀具分度线与轮坯分度圆相距xm毫米，然后重复步骤3。6 较所得的标准齿轮和变位齿轮在分度上的齿厚、齿间、周节以及齿顶厚、根圆、顶圆、分度圆和基圆的相对变化特点，填写在实验报告表中。五思考题1、 齿条刀具的齿顶高和齿根高为什么都等于（ha*+C*）m？2、 用同一把齿条刀具叫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： 。实验二 齿轮参数的测定 一目的 1、掌握应用游标尺测定渐开线圆柱齿

8、轮基本参数的方法； 2、通过测量和计算，加深理解渐开线性质及齿轮各参数之间的相互关系。WK+1二设备和测量工具WK Pb 1 四种圆柱齿轮；（1）标准直齿圆柱齿轮； a b a b （2）正变位直齿圆柱齿轮； bb Sb R b 图31（3）负变位直齿圆柱齿轮； （4）标准斜齿圆柱齿轮； 2游标卡尺 3渐开线函数表（自备）三测定项目及原理 1.渐开线直齿圆柱齿轮的主要参数； 齿数Z；模数m；齿顶高系数ha* 顶隙系数C*； 分度圆压力角a； 变位系数 X的测定； 因为本实验是用游标卡尺进行测量，因此尚需要通过一定的计算才能确定这些主要参数。 （1）用游标卡尺测定公法线长度，以确定 m；a的值。

9、测定方法如图3-1所示；用游标卡尺跨过K个齿，测得齿廓间的公法线距为Wk毫米。然后；再跨过K+1个齿，测得其距离为Wk+1毫米。为了保证卡尺的两个量足与齿廓在齿高中部附近相切K值，应根据被测齿轮的齿数Z；参考表3-1决定。如相切位置偏于齿顶部位不便于测量时；应适当增加跨测齿数，直至在齿高中部附近相切为止。如果相切位置偏于齿顶部位不便于测量时；应适当地减少跨测齿数。直至在齿高中部附近相切为止。表3-1 Z12-1819-2728-3637-4546-5455-6364-7273-81K 2 3 4 5 6 7 8 9由渐开线的性质可知，齿廓间的公法线ab（图3-1）与所对应的基圆上的圆弧ab；b

10、b 长度相等，因此： WK=（K-1）Pb+Sb (3-1) WK+1=Kpb+Sb (3-2) WK+1-WK=Pb=mcosa (3-3) m=( WK+1-WK)/ cosa （3-4）由于式中a可能是15；也可能是20；故分别代入算出其相应的模数。其数值最接近于标准值的一组m和a，即为所求的值。 （2）确定被测齿轮的变位系数X； 变位直齿圆柱齿轮的公法线长度计算公式为：WK（变）=m(K-0.5)cosa+Zsinacosa+2Xmsina 标准直齿圆柱齿轮的公法线长度计算公式为：WK（标）=m(K-0.5)cosa+Zsinacosa2Xmsin=WK(变)-WK（标） X=（WK(

11、变)-WK（标）/2msina式中：WK（变）用游标卡尺跨测K个齿，所测得的实际公法线长度。 WK（标）用标准直齿圆柱齿轮的公法线长度公式计算而得。若所测得的WK（变）=WK（标）；则X=0；该齿轮即为标准齿轮。（3）ha*；C*的测定根据齿根高的计算公式确定ha*；C*：hf=m(ha*；+C*-X)=(mZ-df)/2 （3-6）式中：df可用游标卡尺测得（见图3-2） df=2L1+dm=2L2+图32因此（3-6）式中ha*；C*两参数为未知，可以分别用ha*=1；C*=0.25和ha*=0.8；C*=0.3两组标准值代入，符合等式的一组；即为所求的值。 2.渐开线斜齿圆柱齿轮在法面内

12、的主要参数：mn an Cn*测定。（1） 用游标卡尺测定斜齿轮法面法线长度的方法。确定mn;因为斜齿轮的齿呈螺旋形，故不能在端面内用游标卡尺测端面线长度WKt；只能在法面内测量斜齿轮的法面公法线长度WKn。从图3-3所示可以看出它们之间有如下关系：WKn= WKtsinb Sbt 图33 法面公法线长度的测量方法如图3-3所示：用游标卡尺在斜齿轮的法面内；跨过K个齿，测得齿廓间的公法长度WKn；然后再跨过K+1个齿，测得公法线长度W（K+！）n；为了保证游标尺的两个量足与齿廓在齿高中部位置附近相切，K值应根据当量齿数Zv参考表3-1决定（原则与直齿轮相同）。因为斜齿轮在法面上的基圆周节Pbn

13、=W(K+1)n- WKn；mn=Pbn/cosa n=(W(K+1)n- WKn)/ cosa n （3-7）由于式中an已标准化，在我国规定为15和20两种（一般为20）。故：分别将an=15和an=20代入（3-7）算出相应的mn值，其中必有一值接近于某标准模数值；则此组标准的an；mn即为该齿轮的法面压力角和法面模数。（2） han*；Cn*的测定：根据齿根高的计算公式确定han*；Cn*hf=mn(han*+Cn*)=(mtZ-df)/2 （3-9）式中：mt= mncos-斜齿轮的螺旋角；用角度仪测得。df-可用游标卡尺测定；测定方法见图3-2。分别用han*=1；Cn*=0.25

14、和han*=0.8；Cn*=0.3g两组标准值代入（3-9）式，符合等式的一组值；即为所求的值。 四.实验步骤：1.直接计数齿轮的齿数Z： 2.测WK；WK+1；（或WKn；W（K+！）n）和df对每个尺寸测量二次，取其平均值作为测量数据。3.计算d；m；X；ha*和C*(an；mn；Xn；han*；Cn*)五.思考题：1.决定齿廓形状的参数有哪些？2.测量公法线长度时，卡尺的量足若放在渐开线齿廓的不同位置上，对所测定的WK；WK+1；（或WKn；W（K+！）n）有无影响？为什么？实验三 回转构件的动平衡一目的1巩固动平衡原理；2掌握在共振式动平衡机上进行回转构件平衡的基本技术。二 设备和工具

15、1共振式动平衡机；2试件；3天平；4平衡重量；5量角器、圆规、三角板（学生自备）。三原理和方法 lllll L IIIIII B C O D图41本实验室所用动平衡机是机械共振式平衡。其构造如图4-1所示；其中A为待平衡的转子，B为一个框架；二者组成绕轴线0-0（垂直于纸面）摆动的振子。振子与弹簧C组成一个振动系统，其振幅可用百分表D测得。由动平衡原理可知，任一回转构件上的诸多不平衡重，都可用分别处于两个任选平面I-I；-内（称为平衡基面）回转半径分别为rI与r两个不平衡重Q1与Q来代替。只要能平衡掉这两个等效不平衡重，则该转子即达到动平衡。如何确定此二等效不平衡重径积QIrI和Qr的大小和方

16、位，然后加上（或减去）相应的平衡重径积使转子达到平衡，就是本实验所要解决的问题。当转子A在框架B上回转时，二等效不平衡重分别产生二等效离心惯性PI与P；在力距PIL的作用下将引起振动系统的受迫振动（P与包含0-0轴的平面-内；故不影响振子绕0-0轴的振动）。当转子的角频率接近系统的自振频率时，即达到共振，振幅最大。由微振原理得知共振振幅与干扰力距的幅值成正比。 即：共振振幅 A1 QI/grI2K L 式中：K为共振时转子的角速度，即振动系统的自振角频率。对于一定的系统，它是一个定值，g和L亦是定值。 故上式可表示为：A1=QIrI (4-1)式中：为比例系数。 重径积QIrI 是一个向量，其

17、方向与重量QI在此位置的向径rI一致；振幅 A1也是一个向量；它滞后于相应的不平衡重径积QIrI一个X角。在（4-1）式中，振幅A1的大小用百分表指针摆动格数表示可读得。 若求得系数的值，则可为算出QIrI的大小。为了求得值并确定QIrI的方位；在I-I平面上任选一方位，其向径为r试之处加上一个已知试重Q试；然后再测系统的振幅A2，显然这个振幅A2是由 QIrI+ Q试r试= Q r重径积所引起的。 A2=Q r=（Q r+ Q试r试）=QIrI+ Q试r试 设：以A试表示相应于试验重径积Q试r试的振幅； 即： A试=Q试r试 A2=A1+A试 （4-2）把同一试重在平面I-I内掉过去时180

18、，所在半径为一r试处；又可测得在QIrI+ Q试(-r试)=Qmrm作用下的相应振幅A3的大小。 A3=Qmrm=（QIrI-Q试r试）=QIrI-Q试r试 A3=A1-A试 （4-3） 将（4-2）式+（4-3）式得： 2A1=A2+A3 （4-4） 因为各振幅A1；A2；A3的大小可测得（三种情况下的百分表指针摆动格数）。再利用它们之间应符合（4-4）式关系；即可作出A1；A2；A3的矢量封闭多边形，作法如下：（见图4-2）取振幅比例尺A（格/mm）；任作一线AB=2A1/A（mm）。以A为圆心，以A3A（mm）为半径作弧；以B为圆心，以A3A（mm）为半径作弧；两弧交点为C（或C）；连A

19、C（AC）和BC（BC）。根据2A1=A2+A3 AB=AC+CB（或AB=AC+BC） 取：AB中点D；则AD=DB=A1/A 由：A2+A1+A试及A3=A1-A试可知DC代表A试；可计算出A试的大小如下： A试=DCA（或A试=DCA） 又A试=Q试r试 = A试/Q试r试 （4-5） r试C A2 A试 A3 A D B rI A1 A1 A试 + A2 A3 C r试 图42 QIrI的大小可求得： QIrI=A1/=ADA/（DC A/Q试r试）=（AD/DC）Q试 r试 由于各个振幅 A1；A2；A3；A试对于其相应的重径积QIrI；Qr1；Qr1；Q试r试滞后同一角度a。所以各

20、振幅之间的相对方位关系与各相应重径积之间的相对方位完全相同。由图4-2可知A1；与A试的夹角为+（或-）；值可在图4-2中用量角器量得。所以QIrI方位与Q试r试方位的夹角也为+（或-）；因r试方位已知，故可知rI方位，在r试方位逆时针（或顺时针）方向转过角的位置，它的对称位置（在回转面内再转180）即为安装平衡重Q平的方位r平。平衡重Q平的大小计算： Q平= QIrI/ r平=（AD/DC）（r试/ r平）Q试本试验机r平= r试 式中： r=50mm Q平=(AD/DC) Q试 (4-6) 取下Q试在r平位置上，安装Q平；则转子在I-I平衡基面的偏重QI（r平的两个可能的位置，用试探法确定

21、其正确位置。方法是：装上Q平之后，检查系统的共振振幅，若明显减小表示Q平的位置正确） 平衡后理想情况是不再振动。但是实际上由于各方面的误差仍会残留较小的残余不平衡重径积（Qr）余该值在一定程度上反应了平衡精度在（Qr）余大于平衡机的灵敏度时，则相应的重径积可按下式决定： （Qr）余=（A余/A试）Q试 / r试 （4-7） 式中：A余为加上Q平后测得的残余振幅。四实验步骤1 转动转子，直到其转速达到K以上，然后让其自由回转。2 观察百分表，记下最大振幅A1。3 重复1、2、两步骤两次，并计算三次测得的A1的平均值。4 在转子的平衡面上任选一个方便的位置加上Q4；并重复步骤1、2、三次，计算出A

22、2的平均值。5 Q试掉过180安装，并重复1、2步骤三次计算A3的平均值。6 取振幅比例尺A（格/mm），作出振幅封闭多边形（图4-2）；按（4-5）算出及按（4-6）算出Q平；量出角大小。7 在第二次试重安装位置（- r试 位置）起沿逆（顺）时针方向转过角加上Q平；重复步骤1、记下A余。8 按公式（4-7）计算（Qr）余五、思考题1当转子的I-I平面已平衡后，在平面-平面时；是否仍一定要使I-I平面通过摆动轴线？为什么？掉头后可否不在-平面上（原通过摆动轴线的平面）；而在另外任一平面上进行平衡？2试验法适用于哪些类型的转子，转子经动平衡后是否满足静平衡要求？为什么？实验四 滑动轴承性能实验一

23、 目的及要求：1 观察滑动轴承工作中的摩擦状态。2 测定油膜压力；绘制径向油膜压力分布曲线；考察影响油压分布的因素。二 测定轴承特性系数,n/p与摩擦系数f的关系曲线。三 实验台的基本构造及工作原理：1实验台的基本构造如图1所示87654321910111213放大倍数40 支反力Q L 图11 它由底座1、箱体2、测力杠杆3、测力计4、轴5、轴瓦6、轴承座7、加载杆8、加载杠杆系统9、砝码10、压力计11、V带传动12、直流电动机13、以及电路部分等构成2实验台工作原理：轴瓦6与测力杠杆3固联成一体压在轴5上；直流电动机13通过V带传动12驱动轴5旋转；直流电机用可控硅无级调速，轴可在015

24、00 rpm之间变化，轴转速的变化由转速表显示出来。箱体内装有足够的润滑油，轴将润滑油带到轴与轴瓦之间；当轴不转动时，轴与轴瓦之间是直接接触的。由观察启动过程摩擦现象和润滑状态的电路图2可知；将开关K接通时，有较大的电流通过灯泡，灯泡是很亮的；开始启动时，由于转速很低，轴与轴瓦之间处于半干摩擦状态；所以灯泡仍然很亮，而且摩擦力矩很大。随着轴的转速增加，把润滑油带到轴和轴瓦之间；使金属接触部分大大减少，电阻增大；因此灯泡的发亮程度大大减弱。当轴的转速达到足够高时；在轴与轴瓦之间形成的动压油膜，将它们完全隔开；此时电路断路，灯泡熄灭。 K 图12 当轴旋转时，由于摩擦力矩的作用；在测力杠杆3的触点

25、处作用一支反力Q；其大小可由测力计4测出。Q=K （N）式中：K-测力计刚度系数（N/格）-测力计中百分表读数（格；1格=0.01mm） 设轴与轴瓦之间的摩擦力F；根据力矩平衡条件可得： Fd/2=QL=KL （Nmm） F=2LK/d （N） 式中：d-轴的直径=69(mm)L-测力杠杆的力臂长=210（mm）而作用于轴瓦上的载荷W是轴砝码通过加载杠杆系统9和加载支杆3加上去的，它包括加载系统和轴瓦的自重。故： W=40G+350（N）式中：G-砝码的重力（N）因此：轴与轴瓦之间的摩擦系数f可用下式计算 f=F/W而单位压力P可用下计算： P=W/（dB） (Mpa)式中：B为轴瓦宽度=72

26、(mm)在轴瓦宽度的中间，沿圆周均布钻有7 个直径为1mm的小孔（图3）每个小孔联接一个压力计。当轴的转速达到一定数值，在杠杆系统加上适当砝码重量；轴与轴瓦之间就会形成动压油膜，呈液体摩擦状态；此时从压力计上就会看到滑动轴承沿圆周各点的径向油膜压力。记录下压力计上显示的压力值，选取一定比例尺，便可绘制出径向油膜沿周向的压力分布曲线。通过本实验台可以观察分析滑动轴承在启动过程中的摩擦现象及润滑状态，可以测试单位压力P；滑动速度与摩擦系数f之间的关系，并绘制出 =n/P与f=F/W曲线。可以观察滑动轴承内油压沿周向的分布情况，绘出滑动轴承径向油压分布曲线。四 实验程序1 读实验指导书。2 由指导教

27、师讲解实验目的和要求，以及实验原理操作方法、注意事项等。3 测定实验参数并记录在实验报告上。五 实验步骤（1） 准备工作1） 检查试验台，使各个部件处于完好状态；2） 在油池中放入足够量的经过过滤的润滑油；3） 去掉加载系统的砝码，并将各仪表指针调零。（2） 接通电源，用手缓缓转动带轮，当轴开始转动的瞬间，读出百分表读数，求出启动力矩和相应的摩擦系数。（3） 启动电机，逐渐增大电机的转速；观察启动过程中摩擦现象，分析轴与轴瓦间的润滑状态。（4） 增加转速，在载荷不变的条件下，测出各种转速下轴与轴瓦之间的摩擦力，求出摩擦系数f；单位压力P；绘制=n/P与f=F/W曲线。（5） 改变载荷，重复（4

28、）的实验内容。（6） 在轴的转速达到一定数值后，在杠杆系统加上适当载荷，使轴与轴瓦之间形成稳定的动压油膜。此时观察各压力表，并记录下各压力计显示出的油膜压力值，然后根据测出的油膜压力大小，以一定比例尺绘制出滑动轴承径向油膜压力分布曲线。实验五 齿轮效率测定实验一实验目的和要求：1了解封闭功率式齿轮试验台的基本原理及特点；2了解齿轮传动效率的测试方法；二实验台的基本构造及工作原理：1试验台的结构实验设备：CLSII型试验台（小型台式封闭功率流式齿轮试验台）试验台的结构如图1（a）所示：由定轴齿轮副、悬挂齿轮箱、扭力轴、双万向联轴器等组成一个封闭机械系统。电机采用外壳悬挂结构，通过浮动联轴器和齿轮

29、轴相联，与电机悬臂相连的转矩传感器把电机转矩信号送入实验台电测箱，在数码显示器上直接读出。电机转速由测速传感器测出，同时送往电测箱中显示。功率流 () ()1）悬挂电机 2）转矩传感器 3）浮动联轴器 4）转速传感器 5）定轴齿轮副 6）刚性联轴器7）悬挂齿轮箱 8）砝码 9）悬挂齿轮副 10）万向联轴器 11）脉冲发生器图1 齿轮实验台结构简图1 主要技术参数1）试验齿轮模数 m=22）齿数 Z4=Z3=Z2=Z1=383）中心距 A=76mm4）速比 i =15）直流电机额定功率 P电=300W6）直流电机转速 N电=01100r/m7）最大封闭扭矩 TB=15NM8）最大封闭功率 PB=1.5KW2效率计算 （1）封闭功率流方向的确定由图1（b）可知，试验台空载时，悬臂齿轮箱的杠杆通常处于水平位置，当加上一定载荷之后（通常加载法码是0.5以上），悬臂齿轮箱会产生一定角度的翻转，这时扭力轴将有一力矩T9作用于齿轮9（其方向为顺时针），万向节轴也有一力矩T9作用于齿轮9，（其方向也为顺时针，如忽略磨擦，T9= T9