【精品实用】机械设计基础实验指导书

机械设计基础实验指导书 （含机械原理、机械设计两部分） 主编 黄开有 伍利群 董勇 黄舟倩 二 湖 南 工 学 院 机 械 系 实 验 室 1 目 录 实验须知 1 实验一 机械运动简图绘制实验 3 实验二 渐开线齿轮范成实验 6 实验三 齿轮几何参数测定的实验 9 实验四 轴系结构测绘实验 13 实验五 减速器拆装实验 16 实验六 带传动实验 19 实验七 机械原理与机械零件现场教学实验 22 2 实 验 须 知 为了培养学生严肃认真和一丝不苟的工作作风，保证 教学实验顺利进行，达到实验教学的要求和目的，每个学生应做到如下几点： 一、做好实验前的准备工作： 1、认真预习实验指导书，并复习教材中的有关内容，明确本次实验的目的、方法和步骤。 2、根据实验所要求的内容结合所学有关理论知识，弄清楚与本次实验有关的基本原理。 3、对实验中所用到的仪器、设备和工具有一定的了解，规定学生自备的物品一定要准备齐。 4、除了解实验指导书中规定的实验方案外，亦可多设想其它方案。 二、遵守实验室的规章制度： 1、实验时应严肃认真，保持安静和整洁，不准乱抛纸屑，不准随地吐痰，严禁吸烟 。 2、爱护仪器和设备，严格遵守操作规程，如发现故障应及时报告。 3、凡与本次实验无关的仪器与设备切勿任意动用。 4、实验完毕，应将设备及仪器擦拭干净，并恢复到原来正常状态。 三、认真做好实验： 1、认真听好指导老师对本次实验的讲解，实验时，应有严格科学作风，认真细致地按照实验指导书中所要求的实验方法和步骤进行。 2、对于带电或贵重的仪器及设备，在接电或布置后，应请指导老师检查，检查通过后，才能开始实验。 3、在实验过程中，应密切注意观察实验现象，记录下全部所需测量数据，随时进行分析，若发现异常现象，应及 时总结。 4、实验是培养学生动手操作技能的重要环节，因此每个学生都必须自己动手，完成所有的实验环节。 3 5、实验所测的数据和图表，应以实事求是的科学态度，当场记录清楚，不要拼凑和抄袭，所得结果交指导老师审阅认可后可才能离开实验室，若不符合实验要求应重做。 6、学生在完成规定实验项目后，如果希望观察一些与本实验有关的其它现象，或用另外方案来进行测试，经老师同意可以进行。 四、实验报告的一般内容与要求： 实验报告是实验的总结，通过书写实验报告，可以提高学生的分析能力，因此每个学生必须独立完成实验报告，并要求学生 对每个实验应该做到原理清楚，方法正确，数据准备可靠，会简单处理和分析测试数据。要有自己的观点和见解，并加以讨论，实验报告要求书写工整。 一般实验报告应具有下列基本内容： 1、实验名称、实验日期、实验者及同组人员。 2、实验所用的仪器和设备的名称、型号（及编号），精度及量程等。 3、实验目的、原理、方法及步骤简述。 4、实验数据及其处理：实验数据应包括全部的测量原始数据，并注明测量单位，最好以表格形式，列出数据的运算过程，进行数据处理和误并分析。 5、讨论及实验心得体会：根据实验所得到的结果及实验中观察到的现 象，结合基本原理进地分析讨论。如实验对象有理论解，则希望能与理论结果进行比较，最后写出心得体会。 6、提出建议和期望：通过实验课教学实践，根据自己的收获，客观地进行评价，或提出建议和期望。 五、实验成绩 1、根据学生参加实验的态度和表现，在老师审阅报告的基础上，按优秀、良好、中等、及格、不及格五级评定实验成绩。 2、未完成所规定的实验或实验成绩不及格者，应补做或重做实验，否则不准参加本课程的期终考试。 3、本课程的实验成绩，按比例计入本课程的总评成绩。 4 实验一 机构运动简图绘制 一、实验目的 1、掌 握根据实际机械或模型绘制机构运动简图的技能和正确标注运动尺寸。 2、进一步加深理解机构的组成原理和机构自由度的含义，掌握机构自由度的计算方法及其具有确定运动的条件。 3、了解机械运动简图与实际机械结构的区别。 二、实验设备和工具 1、各种机器（牛头刨床、插齿机、内燃机等）或机构实物，模型。 2、测量工具：钢尺、内外卡规。 3、绘图工具（学生自备）：三角板、直尺、圆规、铅笔、橡皮擦、草稿纸（供测绘、画草图用）。 三、实验原理 由于机构的运动仅机械中所有的构件数和构件所组成的运动副的数目、种类、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复杂外形和运动副的具体构造，而用简略的符号来代表构件和运动副，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殊，从而便于进行机构的运动分析和动力分析。 四、测绘方法与步骤 1、使被测绘的机构或模型缓慢地运动，从原动件开始仔细观察机构的运动，分清各个运动构件，从而确定组成机构的数目。对于两个构件的相对运动非常微小而不易察觉到的地方应特别加以注意，切不可误认为刚性联接。 2、根据相联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5 副的类 型。 3、选择恰当的视图，并在草稿纸上徒手按规定的符号及构件的联接次序逐步画出机构运动简图的草图，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，然后用箭头标出原动件。 4、计算机构的自由度并以此检查所绘机构运动简图的草图是否正确。应当注意，在计算自由度时应除去局部自由度及虚约束。 5、自由度检查无误后，仔细测量机构各运动副间相对位置（即运动尺寸），最后按一定比例尺将草图绘成正式的机构运动简图。 实际长度（米） 比例尺 = 图上尺寸（毫米） 计算平面机构自由度公式 F=3n 2中： n 活动构件； 低副数目； 高副数目。 五、实验安排 1、先由指导老师对测绘过程讲解示范，然后分组进行测验。 2、每个同学应测绘四个机构，对指定必须按比例尺做正规的机构运动简图的机构，应认真测量其有关尺寸，其他不按比例绘制的机构结构简图可用目测法使构件大致成比例，以便分析。 六、实验报告及基本要求（ 见附件一 ） 1、实验后，学生应将实验数据，计算结果等直接填入实验报告内 ，绘制好机构结构图和机构运动简图，然后沿裁剪线将其裁下，交老师批阅。 2、思考题 6 （ 1）机构运动简图有什么用途？一个正确的机构运动简图应能说明哪些内容？ （ 2）机构自由度的计算对测绘机构运动简图有何帮助？ （ 3）绘制机构运动简图，原动件的位置是否可以任意确定？若任意确定会不会影响简图的正确性？ （ 4）怎样选择机构运动的平面才是合理的？ 3、收获与建议。 7 实验二 渐开线齿轮范成实验 一、实验目的 1、掌握用范成法切制渐开线齿轮的基本原理。 2、通过观察渐开线齿轮的轮廓曲线具体形成过程，了解齿轮的根切现象及避免根切的方法。 3、分析比较标准齿轮与正负变位齿轮齿形变化的异同点。 二、实验仪器和工具 1、齿轮范成仪。 2、铅笔、圆规、三角板、剪刀等（自备）。 3、 300 300 三、齿轮范成法原理 范成法是利用一对齿轮（或齿轮齿条）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，另一轮为轮坯，刀具和轮坯在机床链作用下保持定传动比传动，完全和一对真正的齿轮相互啮合传动一样；刀具作径向进给运动的同时，还沿轮坯的轴向作切削运动。这样切出的齿廓就是刀刃在各个位置的包络线 。若用渐开线作刀具的齿廓，可以证明其所包廓就是刀刃在各个位置的包络线。若用渐开线作刀具的齿廓，可以证明其所包络出的齿廓必为渐开线，今用齿条渐开线（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，看不到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，用铅笔将刀刃在各个位置描绘在轮坯纸上，这样就能清楚地观察到轮齿范成的过程。 四、齿轮成仪的构造及使用方法简介 齿轮仪所用的刀具模型为齿条插刀，其结构示意图如下。 8 图 1 B 型齿轮范成仪的基本结构如图 1 所示，扇形齿轮 3 装置在固定轴 5 上，且与齿条 2 相啮合，扇形齿轮上的两种不完全齿轮具有相同的模数（ m=2），但分度圆不同（大齿轮分度直径 d=256，小齿轮 d=160）。通过调整固定轴在底座位上的位置，可使大小扇形齿轮分别与齿条啮合，齿条与底座采用燕尾导轨联接。用手推动齿条时，扇形齿轮绕固定轴转动。齿条与扇形齿轮上的刻度对应关系表明二者在啮合传动过程中，齿轮节圆与齿条节线作纯滚动。 切割轮坯用的齿条刀具 8安装在齿条体上，松开蝶形螺母 9可靠刀具相 对轮坏中心作径向移动，以演示变位加工原理，变位移距可以刻度 10上看出。 托盘 4用于支承绘图纸，压坯 7和滚花圆螺母 6可将绘图纸压紧。 轮坏分度圆直径、刀具模楼及加工齿轮齿数的关系如表 1所示： 表 1： I 坯分度圆直径 d 160 256 加工刀具模数 m 8 16 8 16 加工齿轮齿数 z 20 10 32 16 9 五、实验步骤 1、安装好扇形齿轮 2、轮坯的准备与安装 （ 1）根据表 1 中被切的参数计算出加工齿轮的分度圆、齿顶圆、齿根圆和基圆直径，并将“四圆”画在绘图纸上。 （ 2）剪一直径比齿顶圆大 3在中心剪一直径为 35装用） （ 3）将圆形图纸（轮坯）安装在固定轴上，用压环和圆螺母压紧。 3、刀具安装 （ 1）按表 1选择好刀具。 （ 2）按加工标准齿轮或变位齿轮的要求调整好刀具中线位置。 4、绘制齿轮廓 （ 1）将齿轮连同刀具推至范成仪的一端。 （ 2）然后每当向另一端动一个不大距离，即在代表轮坯的图纸上用铅笔描下刀具刀刃位置，直至形成 23个完整的轮齿时为止。 六、实验内容要求 1、根据齿轮范成仪的给定参数（ m、 a、 c #、 Z），绘制齿轮廓。 2、计算数据并对照实验 结果分析。 3、思考题 （ 1）加工标准齿轮与变位齿轮时，啮合线的位置及啮合角的大小是否有变化？为什么？ （ 2）通过实验，说明你所观察到的根切现象是怎样的？是由于什么原因引起的？避免根切的方法有哪些？ 4、收获与建议 10 实验三 齿轮几何参数测定的实验 一、实验目的 1、掌握用普通量具测定齿轮基本参数的基本技能。 2、进一步巩固并熟悉齿轮各部分名称和各部分尺寸与基本能数之间的关系及渐开线齿轮的几何性质。 二、实验工具 本实验使用一套（ 8个） 8级精度 m=5的标准圆柱齿轮作为测量对象，利用精度为 标卡尺和齿厚游标卡尺各一把作为测量工作。 三、实验原理 本实验要求用游标卡尺测量出齿廓公法线长度 ，齿顶圆直径 根圆直径 齿厚游标卡尺测量固定弦齿厚 根据上述测量参数计算并导出齿轮模数 a，齿顶高系数 ，径向间隙系数 c 移距系数 x。 实验原理：如图 1所示 图 1 11 由于渐开线齿廓上任意点的法线必切于基础圆，如同一基圆上生成的任意两条反向的渐开线间的公法线长度处处相等。基于这一性质，只要用卡尺测得跨 K 个齿的公法线 跨 K+1 的公法线齿 ，即可计算推得其它齿轮参数。 四、实验步骤 1、用游标卡尺测公法线长度及齿顶圆直径 跨齿数 当 a=200时 Z 9 18 19 27 28 36 37 45 46 54 55 63 K 2 3 4 5 6 7 测量方法： 先将游标卡尺跨 K 个齿测量，使其两足与齿廓相切，取不同的三组 K 个齿，可得三组不同的 平均值即可。以同样方法测量 。 当齿数为偶数时，齿顶圆直径用卡尺直接量是，当齿数为奇数时，由以下公式修正： 900 ， 实测齿顶圆直径 Z 2、用齿厚游标卡尺测量弦齿厚及齿高，如用齿厚游标卡尺测量时，可松开螺钉 11 并拧紧螺钉 10，再调整微调螺母 8 使高度游标尺的示值为 h；然后固紧螺 11 测量时将支承 5置于被测齿顶，并使齿厚游标卡尺的量爪 2垂直于齿轮的轴线，再用同样的方法调整水平游标卡尺的微调螺母，使可动量爪与固定量爪与齿面对称接触，这时水平游标尺示值即为实际弦齿厚 用它还可测得全齿高 h， 则齿根圆直径为： df=d 2h （ 1） 五、有关齿轮基本参数的计算 1、模数 m，压力角 a 由 图 1知： 12 ( K 1 ) （ 2） 1 = （ 3） 基节 b = （ 4） 而 以 m= （ 5） 将 a=150 ， a=200 分别代入（ 5）式，将 值最接近 标准值的一级 m、 可参照有关手册） 当 a=200 时，还可有照下表： 、变值系数 X 当被测齿轮为变位齿轮时，设其公法线长度 则由公式 =k X = 212）求得： 3、齿顶高降 低系数 y y= 2m 实测值 y 还可由一对已知 m、 a、 x 的啮合齿轮的有关参数来确定齿顶高系数径向间隙系数 C 。本实验用齿轮配对如参数表。 标准齿轮： 1 da = ( Z ) （ 8） 2 m 13 = 2 （ 9） 2m 变位齿轮： 1 da = ( Z ) X + y （ 10） 2 m C = 2 + y （ 11） 2m 六、本实验使用的被测齿轮的有关参数表 齿轮编号 模数 齿数 变位系数 齿顶降低系数 1# 5 12 2# 5 18 3# 5 18 +4# 5 30 5# 5 12 +# 5 25 +# 5 25 # 5 31 、思考题 1. 决定齿廓形状的基本参数有哪些？ 2. 测量公法线长度时，卡尺的卡脚若放在渐开线齿廓的不同位置上，对所测定的公法线长度1什么？ 1. 在测量顶圆直径 偶数齿和奇数齿的齿数的齿轮在测量方法上有什么不同？ 八、 实验报告 14 实验四 轴系结构测绘实验 一、实验目的 通过对实际轴系结构（或模型）的观察测绘，熟悉并掌握轴系零件结构形状与功用，工艺要求，尺寸装配关系，安装调整以及轴、轴上零件的定位固定方式等，为轴系结构设计学习提供感情认识。 二、测绘步骤及要求 1、轴系结构分析 对所选测绘的轴系实物（或模型）进行观察分析，明确轴系结构设计需要满足的要求，轴上各零件结构特点、作用。例如某个零件是如何从结构形状上、装配尺寸上和材料上满足该零件受力、安装、调整 、周向和轴向定位，以及润滑、密封等要求，可结合回签实验报告中的思考题进行观察分析。 2、测量轴系零件尺寸 （ 1）测量精度，一般准确到小数点后两位，并要测取零件全部尺寸，否则给后面绘图带来困难。 （ 2）对于因拆卸困难或别的原因而难以直接测量的尺寸，允许根据实物相对大小和结构关系估算出来，或利用有并标准查出尺寸。 （ 3）轴系零件主要配合关系见附录 1。 （ 4）一些特殊零件如斜齿轮，基法向模数 旋角的测定参考实验五的有关内容测定和计算。 （ 5）因为轴系内圈与轴按工作要求二者需周向固定，采用的是过盈配合或紧过 配合的方法。所以，在测量时，轴承取不下来，可记下轴承代号，再由手册查出宽度，内外径主要参数，如果在实验中轴承可以从轴上取下，那是因为实验中拆装，测绘方便，已有意识将轴磨小了，已不再是原来的配合状态。同学们在测绘时还应在图纸上标明原来的配合关系。 （ 6）对于支承轴系部件的箱体部分，只要求用双点划线画出与轴承，端盖等配合的局部，而不必过多测量尺寸。 15 3、绘制轴系结构装配图 利用测量所得各零件尺寸，对照轴系实物，画出轴系结构装配图一张。图副及比例自定，一般以 3号图纸大小为宜。要求所绘图结构合理，装配关系清楚，按装 配图要求注明必要的尺寸，如轴孔之间的配合尺寸等。最后填写标题栏和零件明细表，其格式见附录 示。明细表中材料栏的填写，若系测绘的模型，则要求学生自己选定材料再填入。 4、测绘完毕后，将轴系部件复原，放回原处。 三、测绘设备及量具 实验设备有轴系结构模型、减速器等。 量具有游标卡尺，其它量具自备。 四、附录 1、轴上零件用配合关系表： 配合零件 常 用 配 合 轴承内圈与轴 J6 k6 m6 了外圈与机座位 7 齿轮、蜗轮孔与轴（带键） H7 7 7 7 套、挡油环与轴 H7 8 8 9 入、输出轴（带键） 16 1、标题栏、明细表格式 8 箱体 1 40 7 滚动轴承 2 208 64 6 端盖 2 40 5 轴套 1 4 齿轮轴 1 45 M=2=22 3 密封圈 1 毛毡 2 调整垫片 1 1 挡油环 2 序号 名称 数量 材料 备 注 班级 比例 制图 审批 图号 五、实验报告 17 实验四 减速器拆装实验 一、实验目的 1、了解减速器的功能、分类和传动路线。 2、了解减速器中各零件作用、结构形态及装配关系。 3、了解减速器的润滑和密封。 4、了解减速器的基本要求。 二、实验要求 1. 按正确程序拆开减速器，分析减速器结构及各零件功用。 2. 测定减速器的主要参数，绘出传动示意图。画轴系结构装配图一张。 3. 测量减速器传动副的齿侧间隙及接触斑点。 三、实验设备及工具 齿轮减速器、蜗杆减速器、钢尺、游标卡尺、内、外卡尺、铅丝、涂料等。 四、实验步骤 1. 开箱盖前先观察减速器外部形状，判断传动方式、级数、输入和输出轴。并观察有哪些箱体附件。 2. 拧下箱盖与底座联接螺栓及端盖螺钉，拔出定位销，借助起盖螺钉顶起减速器箱盖。 3. 边拆卸边观察，并就箱体形状，轴系零件的定位的固定，润滑密封方式，箱体附件（如通气器、油标、油塞、起盖螺钉、定位销等）结构和作用，位置要求和零件材料等进行分析。 4. 画传动示意图，测定减速器的主要参数 a、 m、 等，测得的参数或计算得出的参数记录于表中。传动示意图也应注明必要的参数。 5. 轴系结构测绘 轴系结构分析：分析和测绘轴系结构，明确轴系结构设计需要满足的要求。应了解轴的各部分结构作用，形状尺寸，它与强度、刚度、加工装配的关系，轴上各零件的用途、轴承类型、布置、安装调整方式、轴和轴上零件的定位及固定方法、润滑和密封等。 18 画轴系结构装配图一张：将测得各零件的定位及固定方法、润滑和密封等。 6. 测量齿侧间隙：在两轮齿之间插入一铅丝，其厚度稍大于所假设的侧隙，转动齿轮，使两齿面间的铅丝被辗压，然后取出铅丝，用游标卡尺测出被辗压后铅丝的厚度，以检验该对齿轮的齿侧间隙是否符合 83标准的要求。 7. 检查接触斑点。仔细擦净每一个轮齿在主动轮 3 4个轮齿上均匀地涂上一薄层涂料（如红丹油），在从动轮被轻轻制动下，用手转动主动轮，然后确定从动轮轮齿上接触斑点的分布情况和尺寸。接触斑点的大小在齿面展开图上用百分比计算（下图一）。 图一 齿面接触痕迹斑点 沿齿长方向：接触斑点的长度 b （除去超过模数值的的断开的部分 C）与工作长度 b之比，即 %100b 沿齿高方向，接触斑 点的平均高度 h 和工作高度 h 之比，即 %100检查是否符合 五、思考题 1. 试说明减速器各零件的名称及其作用？ 2. 试述减速器的拆装步骤？ 3. 试以中间轴或低速轴为例，说明轴上零件的周向固定和轴向固定？ 4. 减速器的齿轮和轴承采用什么方法润滑？ 六、实验报告 19 实验六 带传动实验 一、实验目的 1、观察带传动中的弹性滑动和打滑现象以及它们与 带传递的载荷之间的关系。 2、测定弹性滑动率与所传递的载荷和带传效率之间的关系，绘制带传动的弹性滑动曲线和效率曲线。 3、了解带传动实验台的设计原理与扭矩、转速的测量方法。 二、实验台的构造和工作原理 由于弹性滑动率之值与打滑现象的出现，以及带传动的效率都与带传递的载荷的大小有密切关系，本实验台用灯泡作负荷。本实验台由主机和测量系统两大部分组成。 1、主机 主机是一个装有平带的传动装置。 主电机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，通过平带带动从动轮，从动轮装在直流发电机的轴上，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安全打滑。 2、测量系统 测量系统由电转速测定装置和电机的测扭矩装置两部分组成。 A、光电测转速装置 主动轮的扭矩下 2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20 出带轮的转迹。 B、扭矩测量装置 主动轮的矩 2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 N 从动轮上的扭矩 N 式中 测力计上百分表的读数 测力计算定值 测力计的力臂 120从动轮的功率 传动的效率 = = 主动轮的功率 学们只要测得不同负载下主动轮的转速 2以及主动轮的扭矩下 2，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 F 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。 三、实验步骤 1、接通电源，实验台的指示灯亮，检查一下测力计的测力杆是否处于平衡状态，若不平衡则调整到平衡。 2、加砝码 3带具有初拉力。 3、慢慢地洞顺时针方向旋转调速按钮，使电机从开始运转逐渐加速到000转 /分左右，记录 4、打开一个灯泡（即加载），记录一组 据，注意此时 2之间的差值 ，即观察带的弹性滑动现象。 5、逐渐增加负载（即每次打开一个 40瓦的灯泡）重复第 4步，直到21 3%左右，即圆 2 上的 A 点，带传动开始进入打滑区，若再打开灯泡，则 2之差值迅速增大。 四、实验时注意事项 1、调速时应缓慢旋转调速按钮，若使电机突然旋转很快，容易使设备中保险烧断。 2、设备连续使用不得超过 3个小时。 3、本实验主要参数： 带轮直径 2020力