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机械设计基础实验指导书2009年6月实验一 机构运动简图测绘与分析实验一、实验目的 1、掌握根据实际机器或模型绘制机构运动简图的基本技能； 2、通过实验进一步加深理解机构的组成原理，熟悉构件和运动副的代表符号、机构自由度的含义及自由度的计算；并判断该机构在何种条件下具有确定的运动； 3、通过实验了解机构运动简图与实际机械结构的区别。 二、实验设备和工具 1、机器（牛头刨床、插齿机、内燃机等），机构模型； 2、测量工具：钢尺、内外卡规、量角器； 3、绘图工具：三角板、园规、铅笔、橡皮擦、草稿纸（学生自备）。 三、实验原理 任何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征。从而便于进行机构的运动分析和动力分析。 凡不按比例绘出的图称机构示意图，它只能定性地研究机构的某些运动特性（如自由度）；凡按比例尺绘出的图称机构运动简图，根据机构运动简图可定量地分析机构的运动特性。 四、方法与步骤 1、使被测绘的机构或模型缓慢地运动，从原动件开始，循着运动的传递路线仔细观察机构的运动，从而确定组成机构的构件数目。 2、根据相互连接的两构件间的接触情况及相对运动的性质，确定各个运动副的类型。 3、适当选择最能清楚表达各构件相互关系的面为投影面，选定原动件的位置，按构件的顺序，用规定的符号画出机构示意图。然后用数字1，2，3分别标出各构件，用字母A，B，C分别标出各运动副。 4、计算机构的自由度并以此检查所绘机构运动简图草图是否正确。应当注意，在计算自由度时应除去虚约束及局部自由度。 5、测量与机构运动有关的尺寸（转动副间的中心距、移动副导路的位置或角度等），按确定的比例尺画出机构运动简图。 6、在草图上自检无误后，将图交指导教师签字。 五、实验安排 1、先由指导教师对测绘过程进行讲解示范，然后分组进行测绘。 2、每个同学应至少测量5个机构。其中齿轮插齿机插刀的主传动和牛头刨床教具刨头的主传动必做，剩下3个机构自选。 六、思考题 1、机构运动简图在工程上有什么作用？2、正确的“机构运动简图”应能说明哪些内容？ 3、机构自由度的计算对测绘机构运动简图有何帮助？ 4、自由度大于或小于原动件数时会产生什么结果？ 附：常用运动副的代表符号机构运动简图测绘实验报告一、实验目的二、实验内容三、机构运动简图绘制1名称：机构运动简图： 自由度计算： n= pL= pH=2名称：机构运动简图：自由度计算： n= pL= pH=3名称：机构运动简图：自由度计算： n= pL= pH= 4名称：机构运动简图：自由度计算： n= pL= pH=5名称：机构运动简图：自由度计算： n= pL= pH=6名称：机构运动简图：自由度计算： n= pL= pH=四、思考题1、机构运动简图在工程上有什么作用？2、正确的“机构运动简图”应能说明哪些内容？ 3、机构自由度的计算对测绘机构运动简图有何帮助？ 4、自由度大于或小于原动件数时会产生什么结果？ 实验二 渐开线齿轮范成原理实验一、实验目的 1、了解范成法加工渐开线齿轮的基本原理，观察渐开线齿轮的轮廓曲线具体形成过程。 2、了解渐开线齿轮产生根切现象的原因及其避免的方法。 3、分析比较标准齿轮和变位齿轮齿形和尺寸的异同点。二、实验仪器及工具 1、齿轮范成仪（每人一台），绘图纸一张，透明纸一张。 2、铅笔、圆规、三角尺等（自备）。 三、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按固定传动比传动，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。 在形成过程中，为了能形成被加工齿轮的径向间隙，刀具的齿顶高应加高。即：，如图3l所示。 图2-1刀具齿形四、齿轮范成仪的构造及使用方法简介 范成仪由机座、圆形盘、螺母、齿条刀、溜板、螺钉等组成。圆形盘可绕轴心转动，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（圆形盘）上的分度圆与溜板上的齿条中线作纯滚动。松开螺钉可改变齿条刀具相对于轮坯中心的距离，因此齿条刀与圆盘的位置可以改变，如把齿条中线安装在所作轮胚的分度圆相切的位置上，则可绘制出标准齿轮的齿廓；当齿条中线安装在所作轮胚的分度圆切线有一段距离时，（即变位距离，其值xm可在溜板两侧的刻度上读出），则为按变位距离的大小和方向绘出各种正、负变位齿轮的齿廓。根据给定参数制作出的轮胚纸安装在圆形盘上，旋紧大螺母则可压紧。 齿条插刀的基本参数为： 模数，压力角，齿顶高系数，顶隙系数。切制齿轮齿数，变为系数。五、实验内容 1、分别绘出标准齿轮和变位齿轮的完整齿形23个。2、在绘制过程中，注意观察齿轮产生根切的现象及根切的部位，并分析产生根切的原因然后绘制不产生根切的齿廓。 六、实验步骤；1、轮坯纸的准备 （1）根据给定参数计算分度圆大小，并分别计算出被加工的标准齿轮和正负变位（变位系数）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。 （2）将图纸按正变位齿顶圆直径大小剪下，最后剪下直径为35mm的安装中心孔。 轮胚纸的制作应在实验课前完成。2、标准齿轮的绘制 （1）旋下大螺母，再将轮坯纸装于圆盘上，用螺母固定。 （2）拧开螺钉，调节齿条插刀的位置，要求刀具中线与轮坯的分度圆切线重合，再旋紧螺钉，固定刀具的位置。 （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（23）mm，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。图2-2 标准齿廓3、正变位齿轮的绘制 （1）旋松螺母，将轮胚纸转至空白处重新固定；松开螺钉，将齿轮插刀的中线远离轮胚分度园一段距离，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，不同的只是将齿条刀向靠近轮坯中心移动一段距离。5、绘制完毕后取下图纸，并将范成仪恢复到原状态。 图2-3变位齿廓七、思考题 1 齿条刀具的齿顶高和齿根高各等于多少？ 2 用齿轮刀具加工标准齿轮时，刀具和轮胚之间相对位置和相对运动有何要求？为什么？ 3 通过实验，你所观察到的根切现象是什么样的？是由什么原因引起的？避免根切的方法有哪些？渐开线齿轮范成原理实验报告一、实验目的二、实验仪器三、实验原理四、实验数据及处理， ， ， ，。齿轮尺寸计算和比较表项目计算公式计算结果结果比较标准齿轮正变位齿轮负变位齿轮正变位负变位齿顶圆直径分度圆直径齿根圆直径分度圆周节分度圆齿厚分度圆齿槽齿顶厚基圆齿厚齿根高齿顶高齿全高注：结果在比较栏中：尺寸比标准齿轮大的填入“+”号小的填入“-”号。五、思考题 1、齿条刀具的齿顶高和齿根高各等于多少？ 2、用齿轮刀具加工标准齿轮时，刀具和轮胚之间相对位置和相对运动有何要求？为什么？ 3、通过实验，你所观察到的根切现象是什么样的？是由什么原因引起的？避免根切的方法有哪些？实验三 渐开线齿轮参数测量实验一、实验目的 1、根据所学相关知识解决齿轮参数测定这一工程应用问题。 2、通过实验使学生熟练地掌握使用游标卡尺、齿轮公法线千分卡尺测量渐开线直齿圆柱齿轮几何参数的方法。 3、通过对渐开线直齿圆柱齿轮几何参数的测量和计算，进一步掌握有关齿轮各几何参数之间的相互关系和理解渐开线性质。 4、通过实验使学生掌握对不同测量数据的处理方法，减小测量数据的误差。二、实验预习的内容 1、渐开线的形成及特性。 2、齿轮的各部分名称、基本参数和尺寸计算。三、实验设备和工具 1、被测齿轮； 2、游标卡尺，齿轮公法线千分卡尺； 3、计算器。四、原理和方法本实验要测量和计算的渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数有：齿数、模数、分度圆压力角、齿顶高系数、顶隙系数和变位系数等。 1、确定齿轮的模数和压力角要确定m和，首先应测出基圆齿距pb，因渐开线的法线切于基圆，故由图3-1可知，基圆切线与齿廓垂直。因此，用游标卡尺跨过个齿，测的齿廓间的公法线距离为毫米，再跨过个齿，测的齿廓间的公法线距离为毫米。为保证卡尺的两个卡爪与齿廓的渐开线部分相切，跨齿数可以根据被测齿轮的齿数参考表3-1决定。由渐开线的性质可知，齿廓间的公法线AB与所对应的基圆上圆弧长度相等，因此得： 同理 消去，则基圆齿距为： 根据所测得的基圆齿距，查表34可得出相应的（或）和。因为，且式中和都已标准化，所以可根据附表3-6查出其相应的的模数和压力角。表3-1 齿数与跨齿数的对应关系1218192728363745465455636472738123456789图3-1齿轮参数测定原理 2、确定齿轮的齿顶高系数、齿顶系数和齿全高当被测齿轮的齿数为偶数时，可用卡尺直接测得齿顶圆直径及齿根圆直径。如果被测齿轮齿数为奇数时，则应先测量出齿轮轴孔直径，然后再测量孔到齿顶的距离和轴孔到齿根的距离。如图3-2所示，可得： 又因为 图3-2单齿数测量方法 由此推导出及*得并计算齿全高。 用游标卡尺测量渐开线直齿圆柱齿轮的近似齿全高。 3、确定齿轮的变位系数要确定齿轮是标准齿轮还是变位齿轮，就要确定齿轮的变位系数。可以采用以下两种方法确定齿轮的变位系数。 （1）按测得的数据代入下列公式直接计算 式中，是测量值，是计算值。若0，则0，即被测齿轮是正变位齿轮；若0，则0，即被测齿轮是正变位齿轮；当=0时，被测齿轮是标准齿轮。 （2）按测得的数据代入下列公式计算出基圆齿厚 得到后，则可利用基圆齿厚公式推导出变位系数，因为， 由此 式中 ，为弧度。 五、实验步骤 1、直接数出被测齿轮的齿数z 2、测量、及和，每个尺寸应测量三次，分别填入表3-2和表3-3。 表3-2 公法线测量数据齿轮号数No：齿轮齿数=第一次第二次第三次平均值表3-3齿轮的近似齿全高h“测量数据齿轮号数No：齿轮齿数=第一次第二次第三次平均值 表3-4 偶数齿齿轮齿顶圆直径和齿根圆直径的测量数据偶数齿齿轮=测量序号齿顶圆直径da齿根圆直径df123平均值 续表3-5 奇数齿齿轮齿顶圆直径和齿根圆直径的测量数据奇数齿齿轮Z=齿顶圆直径齿根圆直径测量序号123平均值五、思考题：1、分析齿轮的那些误差会影响到本实验的测量精度？2、分析比较计算的齿全高h与测量的齿全高h“，分析说明两者的不同。3、分析比较确定齿轮的变位系数的两种方法，说明那一种方法更准确、更实用。 4、设计出一种新的方法确定齿轮的模数，并与实验中介绍的方法进行对比分析，说明那一种方法更准确、更实用。附：基圆齿距Pb=mcos的数值 表3-6 基圆齿距的数值模数径节Pb=mcosmDp=22.5o=20o=15o=14.5o125.4002.9022.9523.0533.0411.2520.3203.6823.6903.7933.8171.516.9334.3544.4284.5524.6251.7514.5145.0795.1665.3105.323212.7005.8055.9046.0966.0802.2511.2896.5306.6426.8286.8432.510.1607.2567.3807.5867.6042.759.2367.9828.1188.3458.36338.4678.7078.8569.1049.1253.257.8159.4339.5949.8629.8853.57.25710.15910.33210.62110.6453.756.77310.88411.07111.37911.40646.35011.61011.80812.13812.1664.55.64413.06113.28513.65513.68755.08014.51214.76115.17315.2085.54.61815.96316.23716.69016.72864.23317.41517.73118.20718.2496.53.90718.88619.18919.72419.77073.62920.31720.66521.24221.29183.17523.22023.61724.27624.33292.82226.12226.56927.31127.374102.54029.02429.52130.34530.415112.30931.92732.47333.38033.457122.11734.82935.42636.41436.498131.95437.73238.37839.44939.540141.81440.63441.33042.48442.518151.69343.53744.28245.51845.632161.58846.43947.23448.55348.665181.41152.24453.13854.62254.748201.27058.04959.04360.69160.831221.15563.85464.94766.76066.914251.01672.56173.80375.86476.038280.90781.27882.66084.96885.162300.84787.07088.56491.04091.250330.77095.78797.419100.140100.371360.651104.487106.278109.242109.494400.635116.098118.086121.380121.660450.564130.610132.850136.550136.870500.508145.120147.610151.73152.080渐开线齿轮参数测量实验报告一、实验目的；二、被测齿轮的已知参数和测量数据；三、齿轮参数及尺寸计算1、基节，并由pb值查表3-6，确定、。2、基圆齿厚 sb= kwk-（k-1）wk+1。 3、变位系数 4、分度圆齿厚 5、齿全高 6、齿顶高系数 分别按正常齿和短齿两种情况的及的值代入上式，确定及。7、实验数据记录及计算结果记录 （1）公法线测量数据齿轮号数No：齿轮齿数=第一次第二次第三次平均值 （2）齿轮的近似齿全高h“测量数据齿轮号数No：齿轮齿数=第一次第二次第三次平均值 （3）偶数齿齿轮齿顶圆直径和齿根圆直径的测量数据偶数齿齿轮=测量序号齿顶圆直径da齿根圆直径df123平均值（4）奇数齿齿轮齿顶圆直径和齿根圆直径的测量数据奇数齿齿轮Z=齿顶圆直径齿根圆直径测量序号123平均值四、试分析影响测量精度的因素。五、思考题：1、分析齿轮的那些误差会影响到本实验的测量精度？2、分析比较计算的齿全高与测量的齿全高，分析说明两者的不同。3、分析比较确定齿轮的变位系数的两种方法，说明那一种方法更准确、更实用。 4、设计出一种新的方法确定齿轮的模数，并与实验中介绍的方法进行对比分析，说明那一种方法更准确、更实用。实验四 带传动性能分析实验一、实验目的 1、了解带传动试验台的结构和工作原理； 2、掌握转矩、转速、转速差的测量方法，熟悉其操作步骤； 3、观察带传动的弹性滑动及打滑现象； 4、了解改变预紧力对带传动能力的影响。二、实验内容与要求 1、测试带传动转速、和扭矩、。 2、计算输入功率、输出功率、滑动率、效率。 3、绘制滑动率曲线和效率曲线。三、带传动实验台的结构及工作原理 传动实验台是由机械部分、负载和测量系统三部分组成。如图4-1所示。 图4-1 带传动实验台结构图1直流电机 2主动带轮 3、7力传感器 4轨道 5砝码 6灯泡8从动轮 9 直流发电机 10皮带 1、机械部分 带传动实验台是一个装有平带的传动装置。主电机1是直流电动机，装在滑座上，可沿滑座滑动，电机轴上装有主动轮2，通过平带10带动从动轮8，从动轮装在直流发电机9的轴上，在直流发电机的输出电路上，并接了八个灯泡，每个40瓦，作为带传动的加载装置，砝码通过钢丝绳，定滑轮拉紧滑座，从而使带张紧，并保证一定的初拉力。开启灯泡，以改变发电机的负载电阻，随着开启灯泡的增多，发电机的负载增大，带的受力增大，两边拉力差也增大，带的弹性滑动逐步增加。当带断传递的载荷刚好达到所能传递的最大有效圆周力时，带开始打滑，当负载继续增加时则完全打滑。 2、负载：由8只40W灯泡组成，改变负载箱上的开关，即可改变负载大小。 3、测量系统 测量系统由转速测定装置和扭矩测量装置两部分组成。 A、转速测定装置转速的测定是通过光电测速实现的。主动轮的扭矩下和从动轮的扭矩均通过在主动轮和从动轮的轴上分别安装一同步转盘，在转盘的同一半径上钻有一个小孔，在小孔一侧固定有光电传感器，并使传感器的测头已对小孔。带轮转动时，就可在数码管上直接读出带轮的转速、。滑动系数 B、扭矩测量装置 主动轮的矩和从动轮的扭矩下均通过电动机外壳来测定。电动机和发电机的外壳支承在支座的滚动轴承中，并可绕与转子相重合的轴线摆动，当电动机启动和发电机负载后，由于定子磁场和转子磁场的相互作用，电动机的外壳将向转子旋转的同向倾倒，发电机的外壳将向转子旋转的反向倾倒，它们的倾倒力矩可分别通过固定在定子外壳上的测力计所测得的力矩来平衡。即： 主动轮上的扭矩 从动轮上的扭矩式中、 翻转力的大小测力计上百分表的读数 、 力臂 传动效率 只要测得不同负载下主动轮的转速和从动轮的转速以及主动轮的扭矩下和从动轮的扭矩下，就可算出在不同的有效拉力下的弹性滑动率以及效率之值。以有效拉力为横坐标，分别以不同载荷下的和之值为纵坐标，就可以画出带传动的弹性滑动曲线和效率曲线。 4、电器箱：实验台所有的控制、测试均由电器控制箱（其原理参见图4-2），旋转面板上的调速旋纽，可改变主动轮的转速，并由面板上的显示装置上直接显示。直流电动机和直流发电机的转动力矩也分别由设在面板上的显示装置显示。 图4-2电器箱电路原理图 5、实验台的工作原理传动带装在主动轮和从动轮上，带传动是依靠带与带轮接触表面产生的摩擦力来传递运动和动力的。由于工作时带两边的拉力不相等（），这样就使得带在沿带轮接触弧上各个位置所产生的弹性变形也各不相同，从而使带（弹性元件）在运转过程中相对于带轮表面必然产生一定的微量滑动。其滑动量的大小通常用滑动率来表示。 实验台直流电动机和发电机均由一对滚动轴承支撑，而电机的定子可绕轴线摆动，从而通过测矩系统，直接测出主动轮和从动轮的工作转矩和。主动轮和从动轮的转速调速旋纽来调控，和通过测速装置直接显示出来。这样，就可以得到在相应工况下的一组实验结果： 带传动的滑动系数： 式中为传动比，由于实验台的带轮直径D1=D2120mm，=1，所以 带传动的传动效率： 式中： 、一主动轮、从动轮的功率随着发电机负载的改变，、和、值也将随之改变。这样，可以获得几个工况下的和值，由此可以给出这组带传动的滑动率曲线和效率曲线。改变带的预紧力，又可以得到在不同预紧力下的一组测试数据。显然，实验条件相同且预紧力一定时，滑动率的大小取决于负载的大小，与之间的差值越大，则产生弹性滑动的范围也随之过大。当带在整个接触弧上都产生滑动时，就会沿带轮表面出现打滑现象，这时，带传动已不能正常工作。显然，打滑现象是应该避免的。滑动曲线上临界点（A和B）所对应的有效拉力，在不产生打滑现象时带所能传递的最大有效拉力。通常，我们以临界点为界，将降曲线分为两个区，即弹性滑动区和打滑区（见图4-3和4-4所示） 图4-3 带传动滑动曲线 图4-4 带传动效率曲线实验证明，不同的预拉力具有不同的滑动曲线。其临界点对应的有效拉力也有所不同。从图4-3和4-4可以看出，预紧力增大，其滑动曲线上的临界点所对应的功率也随之增加，因此带传递负载的能力有所提高，但预紧力过大势必对带的疲劳寿命产生不利的影响。五、带传动实验台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 皮带轮直径 六、实验步骤1、接通电源前，先将实验台的电源开关置于“关”的位置，检查控制面板上的调速旋钮，应将其逆时针旋转到底，即置于电动机转速为零的位置。2、将传动带套到主动带轮和从动带轮上，轻轻向左拉移电动机，并在预紧装置的砝码盘上加2Kg重量的砝码（要考虑摩擦力的影响）。3、打开电源开关，顺时针方向缓慢旋转调速旋钮，使电动机转速由低到直到动机的转速显示为转分为止（同时显示出），此时，转矩显示器也同时显示出两电机的工作扭矩、。 4、待稳定后,实时稳定记录皮带传动的实测结果，同时将这一结果记录到实验指导书的数据记录表中。 5、点击“加载”按钮，使发电机增加一定量的负载，待稳定后，记录测试结果、和、到数据记录表中。重复本步骤,直到为止,结束本实验。 6、增加皮带预紧力到3Kg（增加砝码重量），再重复以上实验。经比较实验结果，可发现带传动功率提高，滑动率系数降低。 7、实验结束后，首先将负载