机械设计基础B实验指导书(2012).doc

机械设计基础B实验指导书 徐嘉宁 陶 军 隋连香 编写沈阳理工大学机械工程学院32目 录学生实验守则1实验一 机构认知、运动简图绘制及分析2一、实验性质2二、实验目的2三、实验原理概述2四、实验设备和工具2五、实验步骤3六、实验内容及要求4七、思考题4实验二 渐开线直齿圆柱齿轮参数的测量及齿轮范成加工6（一）渐开线直齿圆柱齿轮参数的测量6一、实验目的6二、实验设备与工具6三、实验内容6四、实验原理7五、实验步骤9六、注意事项10七、思考题10（二）齿轮范成加工11一、实验目的11二、实验设备与工具11三、实验内容11四、实验原理11五、齿轮范成仪构造简介12六、实验步骤13七、注意事项13八、思考题14实验三 创意组合式轴系结构分析实验指导书15一、实验目的15二、实验设备15三、实验内容15四、实验步骤15学生实验守则 1、学生必须遵守实验室各项规章制度，进入实验室，要服从教师的指导和安排，在规定的房间和设备仪器上操作。 2、实验前应根据教学要求做好预习，准备好实验用书及文具、纸张及计算器等自备的实验用具。 3、按时到达实验室，不迟到，不早退，不无故缺课。 4、认真上好实验课，积极思考，仔细观察和测取数据，做到人人动手，互相配合，使实验获得正确可靠的结果。 5、爱护实验设备和器材，了解有关设备仪器的性能和使用方法，严格按照安全操作规程，并在教师的指导下进行操作。 6、设备仪器发生故障时，学生要及时报告指导教师和管理人员，保护现场。因违反实验室制度和操作规范而造成设备仪器损坏的，除按学校有关规定做出书面检查外，还应根据损失大小予以经济赔偿。 7、保持实验室环境卫生，注意安全，学生应衣着整洁，室内严禁打闹、吸烟、吐痰、吃零食及使用与实验无关用具，违者给予批评教育或处罚，拒不接受批评教育者，实验指导教师有权直接将该生本次试验成绩计为不及格。 8、实验完毕，将设备仪器恢复原位，清洁、整理现场，关好电源。 9、认真完成实验报告，并按时上交指导教师以评定实验成绩。实验成绩将占期末总成绩的10%，不交实验报告者或实验成绩不及格者，不允许参加本课程期末考试，本课程总成绩直接以不及格计。 实验一 机构认知、运动简图绘制及分析一、 实验性质本实验为综合性实验。二、 实验目的1、了解机器的组成；了解常见机构的类型、特点，对机构有一个全面感性的认识，培养学生对机械设计基础A1的学习兴趣；2、掌握常用运动副及常用机构运动简图的代表符号和构件的表示方法，掌握根据实际机器或模型进行机构运动简图测绘的基本方法、步骤和注意事项。3、加强理论实际的联系，验算机构自由度，进一步了解掌握机构具有确定运动的条件和有关机构结构分析、机构基本性能的知识。三、 实验原理概述机器是由各种各样的机构组成，机构是机器的运动部分，机械设计基础A1就是研究机构的课程。通过实际机器和各种机构模型认知了解常用机构的组成、运转形式以及在实际机器中的应用情况，对课程的学习具有重要的意义。从分析机构的组成可知，任何机器和机构都是由若干构件和运动副组合而成的。从运动学的观点看，机构的运动仅与构件数目、运动副的数目、种类和相对位置有关。因此，在绘制机构运动简图时可以撇开构件的实际外形和运动副的具体构造，而用统一规定的符号(见附表1.1)来表示构件和运动副，并按一定的比例尺绘出各运动副的相对位置和机构结构，以此表明实际机构的运动特征，从而便于进行机构的运动分析和动力分析。凡不用比例尺绘出的图称为机构示意图，它只能定性地研究机构的某些运动特性（如自由度），凡用比例尺绘出的图称为机构运动简图，根据机构运动简图可定量地分析机构的运动。掌握机构运动简图的绘制方法是工程技术人员进行机构设计、机构分析、方案讨论和交流所必需的。四、 实验设备和工具1. 实际机器（如图1.1所示缝纫机头引线机构、图1.2所示小插齿机等）；2. 机构模型（如图1.3所示各种机构模型等）；3. 所用工具：钢板尺、铅笔、橡皮、纸（自备）。注：更多的模型参见沈阳理工大学机械原理网络实验室：/shi007 图1.1 缝纫机头引线机构 图1.2 小插齿机 图1.3 各种机构模型五、 实验步骤1、 机构认知观察实际机器和机构模型的结构组成，分析其运动转换形式，了解其运动特点，并记录其名称。2、 机构运动简图测绘（1） 轻轻地、慢慢地转动被测机构的原动件，开始仔细观察其依次传动的过程，找出从原动件到工作部分的机构传动路线。（2） 由机构的传动路线找出哪些是固定件，哪些是活动件，确定出活动构件的数目，分析各构件相对运动性质，确定运动副的类型和数目。（3） 合理选择投影平面，为了能更清楚地表达机构的相对运动，对平面机构运动平面即为投影平面，对其它机构选择大多数构件运动的平面作为投影平面。（4） 采用徒手目测的方法，在草稿纸上画出机构示意图的草图，然后用数字1、2、3、标注各构件的序号，用英文字母A、B、C、标注各运动副。各构件和运动副面的相对位置要大致成比例，各构件和运动副的画法要符合规定。（5） 由原动件开始依次仔细测量机构的运动学尺寸（如回转副的中心距和移动副导路间的相对位置或角度等），以毫米（mm）为单位，并逐一标注在机构示意图上。角度问题可以转化为长度问题来测量，测量应精确，可取多次测量的平均值。 （6） 选择适当的比例尺（可根据实际尺寸和图纸的大小适当选取），将机构示意图转化为正规的机构运动简图。为了便于对机构进行分析，在机构运动简图上还应标注运动学尺寸。3、 机构分析验算机构自由度，分析机构具有确定运动的条件，进一步可对机构进行有关结构、机构基本性能的分析。六、 实验内容及要求1、 选择常见典型机构进行认知，在实验报告中填写相关机构名称；2、 选择3种实际机器或机构模型进行测量，在实验报告中，绘制出机构运动简图；3、 计算机构自由度，说明机构的活动构件数、低副数、高副数，并注明是否有复合铰链、局部自由度和虚约束，进行处理后代入公式进行计算，并据此分析机构具有确定运动的条件；4、 可进一步分析机构结构组成和机构的基本性能（如机构是否有曲柄、急回特性、机构最小传动角度、死点等）。七、 思考题1、 绘制机构运动简图时，原动件的起始位置会不会影响机构运动简图的正确性？2、 机构运动简图有何用处？一个正确的机构运动简图应能说明哪些内容？3、 机构运动简图为什么一定要计算自由度？附表1.1 常见构件、运动副和机构的简图符号实验二 渐开线直齿圆柱齿轮参数的测量及齿轮范成加工本实验为验证性实验，由渐开线直齿圆柱齿轮参数测量和齿轮范成加工两部分组成。（一）渐开线直齿圆柱齿轮参数的测量一、 实验目的1、 掌握用游标卡尺测定渐开线直齿圆柱齿轮几何参数的基本技能；2、 通过测量和计算，熟练掌握齿轮几何尺寸的计算方法，明确齿轮各几何尺寸间的关系，加深对渐开线的性质的理解和认识；3、 掌握渐开线标准直齿圆柱齿轮与变位齿轮的判别方法；4、 熟练掌握基本测量工具的使用方法。二、 实验设备与工具1、 渐开线齿轮参数测定实验箱，内含被测齿轮和游标卡尺、齿轮卡尺等测量工具（如图2.1所示）；2、 笔、纸、渐开线函数表、计算器（学生自备）。图2.1 渐开线齿轮参数测定实验箱三、 实验内容1、 测量一对渐开线直齿圆柱齿轮参数；2、 计算齿轮各部分尺寸。四、 实验原理决定渐开线齿轮几何尺寸的是其基本参数，它们是齿数、模数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数和变位系数。其中模数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数为国家标准中规定的标准值。在生产中，为修配齿轮，必须对原有齿轮进行测绘，确定基本参数。这些基本参数可以通过游标卡尺、公法线千分尺测量得到的数据根据渐开线直齿圆柱齿轮几何尺寸的公式计算出来。 图2.2 渐开线齿轮齿廓间公法线长度1 齿数的确定直接输出被测齿轮的齿数。2 模数m和压力角的确定如图2.2 所示，由渐开线性质可知：齿廓间的公法线长度与所对的基圆上的园弧的长度相等，因此用卡尺卡住个齿的公法线长度为： （2.1）式中：跨齿数，可查表或用下式计算：=0.111 +0.5，注意一定是个正整数，确定后再代入公式计算；如果跨测齿数过多，则卡脚可能与轮齿的顶点形成不相切的接触；如果跨测齿数太少，则卡脚尖点可能与轮齿齿根部非渐开线部分接触，这两种情况测得的数据都是不正确的。轮齿在基园上的齿距，即基节（mm）； 轮齿在基园上的齿厚（mm）；当公法线千分尺卡住（+1）个齿时，公法线长度为： （2.2）式（2.2）减去式（2.1），得到： （2.3）所以齿轮模数的计算公式为： （2.4）式（2.4）中虽然 是未知的，但根据标准只有两种，一种是 ，另一种，故分别将代人上式算出其相应的模数，其数值最接近于标准的一组和即为所求的值。3 变位系数的确定被测齿轮可能是变位齿轮，此时需要确定变位系数。变位系数的确定有两种方法，一为比较公法线测量值和理论值方法，一为由基圆齿厚公式计算，此处以后一种为例进行介绍。由公式（2.2）得到： （2.5）其中，为轮齿在基圆上的齿厚，由任意圆上的齿厚的计算公式可得到：因此： （2.6）4 齿顶高系数和顶隙系数的确定齿轮的齿顶高系数 和顶隙系数可根据齿根高确定，计算公式为： （2.7）上式中为齿根圆直径，可用游标卡尺测定。当被测齿轮为偶数齿时，齿根圆直径可直接用游标卡尺测定，如图2.3所示；当被侧齿轮为奇数齿时，齿根圆直径需间接测量，如图2.4所示，先量出齿轮安装孔直径，再量出孔壁到齿根的距离。则可按式求出。齿轮的齿顶圆直径的测量方法和齿根圆直径的测量方法类似，对于偶数齿的齿轮，可以直接测量，对于奇数齿的齿轮，需要量出孔壁到齿顶的距离，然后用公式进行计算。式（2.7）中，、已算出，仅、未知，且、也为标准值，正常齿系列、，短齿系列、。将上述二组 、代入公式（2.7），符合或接近等式的一组、即为所求之值。 图2.3 偶数齿齿轮的测量 图2.4 奇数齿齿轮的测量5 啮合角和中心距由无齿侧间隙啮合方程 查渐开线函数可得到啮合角由公式可得到安装中心距。6 变位齿轮齿顶高变动系数的确定因为 所以 五、 实验步骤1 测量有关尺寸（1） 数出齿轮齿数z；选定跨齿数；（2） 测量公法线长度Wk、Wk+1；测量公法线长度时必须使公法线千分尺的两个卡脚与轮齿的渐开线齿廓相切，且使切点位于牙齿的中部附近，因为对于标准齿轮是按切点正好位于分度圆上的情况导出跨齿数公式的。（3） 测量齿轮的齿根圆直径如前所述，按偶数齿直接测量或奇数齿间接测量。（4） 测量中心距如图2.4，用游标卡尺测出底座上的两轴的距离A1、A2，则 =（A1+A2）/2图2.4 齿轮中心距测量示意图2 确定基本参数 （1） 由公式（2.4）确定模数和压力角并取标准值。（2） 由公式（2.6）确定变位系数。由 得到： ， 其中，由此可验证。（3） 由公式（2.7）确定齿顶高系数和顶隙系数，并取标准值。3 计算齿轮几何尺寸六、 注意事项1 实验前应调整游标卡尺与公法线卡尺的除读数为零；2 测量齿轮的部位应选择在光整无缺陷之处，以免影响测量效果；3 测量时为减小误差，同一测量尺寸应在不同位置测三次，然后取算术平均值；4 由测量尺寸计算确定的齿轮基本参数、，必须圆整为标准值。七、 思考题1 测量齿轮公法线长度时，为什么对跨测齿数k提出要求？2 通过测量渐开线直齿圆柱齿轮的公法线长度可间接得到齿轮的哪些几何尺寸和基本参数？3 在测量渐开线直齿圆柱齿轮的齿根圆和齿顶圆时，齿数为奇数和偶数时有何不同？（二）齿轮范成加工一、 实验目的1、 观察渐开线齿廓的形成过程，掌握用范成法加工齿轮的基本原理；2、 观察渐开线齿轮产生根切的现象，了解产生根切的原因以及如何避免根切；3、 分析比较标准齿轮和变位齿轮的异同点，理解变位齿轮的概念。二、 实验设备与工具1、 范成仪（见图2.5）；2、 圆规、绘图纸、三角板、剪刀、两支不同颜色的铅笔或者圆珠笔、橡皮等（学生自备）。 图2.5 范成仪实物图 图2.6 齿轮范成仪构造三、 实验内容 1、 熟悉范成仪；2、 使用范成仪描绘标准、正变位、负变位齿轮齿廓，并进行分析比较。四、 实验原理范成法是利用一对齿轮（或齿轮齿条）互相啮合的原理来加工齿轮的。加工时，其中一轮为刀具，另一轮为轮坯。刀具与轮坯在机床链作用下一方面作定传动比传动，完全和一对真正的齿轮互相啮合传动一样，另一方面作径向进给运动并沿轮坯的轴向作切削运动，这样切出的齿廓就是刀具刀刃在各个位置的包络线。若用渐开线作为刀具的齿廓，可以证明其所包络出来的齿廓也是渐开线。现在用齿条渐开线（基圆半径为无限大时渐开线为一倾斜直线）齿廓加工齿轮，那么刀具刀刃在各个位置的包络线就是渐开线，即加工出的齿廓为渐开线齿廓。因为在实际加工时，我们看不清刀刃形成包络轮齿的过程，所以通过齿轮范成仪来表现这一过程，用铅笔将刀具刀刃的各个位置描绘在轮坯纸上，这样我们就能清楚地观察到轮齿范成的过程。 五、 齿轮范成仪构造简介齿轮范成用的仪器虽有多种型式，但其基本原理是相同的。现就某一范成仪（如图2.6所示）简介如下。范成仪由机座、扇形盘、旋纽、齿条刀、溜板、螺钉等组成。机座上有二孔，扇形盘可绕轴心转动，齿条刀安装在溜板上，当移动溜板时借助于齿轮齿条的传动迫使轮坯（扇形盘）上的分度圆与溜板上的齿条中线作纯滚动齿条中线与分度圆上刻有数字，移动溜板时，可以看到它们一一对应，即表示齿轮分度圆在齿条中线上作无滑动滚动松开螺钉可改变齿条刀具相对于轮坯中心的距离，因此齿条刀可固定在相对扇形盘的任一位置，如把齿条中线安装在扇形盘的分度圆相切的位置上，则可绘出标准齿轮的齿廓；当齿条中线安装在扇形盘的分度圆切线有一段距离时，（其移距值xm可在溜板两侧的刻度上直接读出），则可按变位值的大小和方向绘出各种正、负变位齿轮的齿廓。旋钮是用来压紧轮坯纸的。 在范成仪中，齿条插刀的已知参数是：压力角；齿顶高系数；顶隙系数；模数；被加工齿轮的分度圆直径（=mz）。首先用钢板尺测出刀具上的周节的长度，齿轮分度圆直径，用量角器量出压力角。然后用计算出，取标准模数值，确定、。描绘齿条刀具参数： m=20mm，=20，ha* =1，c*=0.25。模数m=20mm 齿数Z=8 分度圆直径d=160mm （毛坯）齿顶圆直径 = d+2 ha*m=200mm被切齿轮毛坯如下图2.7所示：图2.7 被切制齿轮毛坯示意图六、 实验步骤1、轮坯纸的准备 （1）根据所用范成仪的扇形齿轮的分度圆直径d和齿条刀的模数m，求出被切齿轮的齿数Z。 （2）计算出被加工的标准齿轮和正负变位齿轮的齿顶圆直径、齿根圆直径和基圆直径，并在纸上画出和。 （3）接着将图纸剪成比顶圆直径大23mm的圆形，最后剪下安装中心孔。 2、标准齿轮的绘制 （1）松开螺钉及旋下旋钮，安装好轮坯纸，然后旋上旋钮，此时暂不要旋紧。 （2）调节齿条插刀，要求刀具中线与轮坯的分度圆切线重合，此时旋紧旋扭及螺钉。并记下刀具此时在标尺的位置，作为绘制变位齿轮的基准。 （3）开始“切制”齿廓时，先将溜板和刀具推向一端，然后每当向另一端推进一个间隔23mm，就用铅笔描下刀具齿廓（即刀刃）所占据的所有位置。依此进行，直到把刀具推到另一端为止，那么一系列的刀刃齿廓所包络的曲线就是渐开线齿形。 3、正变位齿轮的绘制 （1）松开螺钉及旅钮，将轮坯纸旋转，并要求刀具中线与分度圆切线重合，此时将旅钮旋紧，且将齿条刀平移远离轮坯中心一段距离xm，其数据在标尺上读出，然后将螺钉拧紧。 （2）重复标准齿轮绘制方法的第(3)步骤。 4负变位齿轮的绘制 其绘制方法和步骤与绘制正变位齿形基本相同，其不同的只是齿条刀向轮坯中心移动一段距离xm。5、绘制完毕后取下图纸，并将范成仪恢复到原状态。 七、 注意事项1、 代表轮坯的图纸要有一定的厚度，纸面应平整无明显翘曲，以防止移动过程中，刀具移动不畅；2、 在刀具移