机械设计实验指导书

机械设计实验指导书机械设计实验课程教学指导与操作规范章节详细内容一、实验基本要求与安全规范1.课程性质与目标机械设计实验是机械设计课程中极其重要的实践性教学环节，其根本目的在于通过实际操作、观察与测试，帮助学生验证、巩固和深化课堂所学的理论知识。本课程旨在培养学生独立分析机械结构的能力、掌握机械性能测试的基本方法与技能，以及严谨的科学态度和工程素养。学生需通过实验，理解机械零件的失效形式、设计准则及结构工艺性，初步掌握现代测试技术在机械设计中的应用。2.实验前预习要求（1）理论复习：在进行任何实验之前，学生必须认真复习教材中与本次实验相关的理论知识，明确实验所涉及的机械原理、设计公式及参数意义。（2）指导书阅读：仔细阅读本实验指导书，明确实验目的、实验原理、实验内容及操作步骤，对实验中可能用到的仪器设备要提前熟悉其功能与操作规程。（3）数据预估：对实验中可能测得的数据进行理论预估，以便在实验过程中及时发现异常数据并判断实验结果的合理性。3.实验室安全守则（1）人身安全：严禁在实验室内嬉戏打闹、吸烟或饮食。操作旋转设备（如带传动实验台、齿轮实验台）时，必须确保衣物、头发、围巾等远离旋转部件，严禁戴手套操作旋转设备，防止卷入事故。（2）设备安全：严格遵守设备操作规程，严禁超载、超速运行设备。在接通电源前，必须检查电路接线是否正确，经指导教师检查无误后方可通电。实验过程中如发现异响、振动、焦糊味等异常现象，应立即按下急停按钮并切断电源，报告指导教师。（3）仪器保护：精密测试仪器（如扭矩传感器、动态应变仪）应轻拿轻放，防止碰撞或跌落。接线时应先接地线，断电时应先断开测量线再断开地线。4.实验报告撰写规范（1）内容完整：实验报告应包含实验名称、实验日期、班级、姓名、同组人、实验目的、实验原理、实验数据记录与处理、结果分析、思考题回答及结论。（2）数据真实：所有记录数据必须为原始实测数据，不得篡改或抄袭。数据处理过程要清晰，公式引用要正确，有效数字修约要符合工程标准。（3）图表规范：图表应绘制规范，坐标轴应标明物理量名称、单位及比例尺，曲线应光滑均匀，必要时采用最小二乘法进行拟合。二、实验一：机械零件认知与分析实验1.实验目的（1）通过观察典型的机械零件实体和模型，掌握通用零件（如螺栓、键、齿轮、轴承、联轴器等）的结构特点、类型及应用场合。（2）理解零件材料、热处理方式对其承载能力和寿命的影响。（3）分析零件的失效形式，建立“结构-载荷-失效”的工程关联思维。2.实验原理与内容本实验主要基于直观认知法。机械零件是机械制造的基本单元，根据其功能可分为连接件、传动件、轴系零件等。通过对比不同工况下（如低速重载、高速轻载）同类零件的结构差异，理解设计参数对结构形态的决定性作用。3.实验步骤与观察要点（1）连接类零件观察：①螺纹连接：观察粗牙与细牙螺纹的区别；重点分析螺栓头部形状（六角头、内六角头）对扳手空间的要求；观察防松装置（弹簧垫圈、止动垫圈、串联钢丝）的工作原理及应用场景。注意观察承受横向载荷的螺栓连接中，减载销、减载套筒的结构设计。②键与花键连接：对比平键（A型、B型、C型）的端部形状差异及其对轴强度削弱的影响；观察花键（矩形花键、渐开线花键）的齿形及定心方式（外径定心、内径定心、齿侧定心）。（2）传动类零件观察：①齿轮：观察直齿、斜齿、人字齿圆柱齿轮的螺旋角差异；分析锥齿轮用于两相交轴传动的结构特点；观察齿轮轮辐结构（板式、辐条式）与直径大小的关系；重点关注齿面硬度（软齿面、硬齿面）及热处理方式（调质、渗碳淬火）对齿形精度的要求。②带传动：对比平带、V带、同步带的截面形状；观察带轮的结构形式（实心式、腹板式、孔板式、轮辐式）与直径的关系；分析带轮轮槽的角度与带侧面的楔角关系。（3）轴系零部件观察：①轴承：区分深沟球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承的承载方向（径向、轴向）；观察轴承的游隙调整装置（垫片、螺纹环）及内外圈的固定方式。②联轴器与离合器：观察刚性联轴器（凸缘联轴器）与挠性联轴器（弹性柱销联轴器、齿式联轴器）在补偿相对位移能力上的差异；分析牙嵌式离合器与摩擦式离合器的接合过程特点。4.思考与分析（1）为什么双头螺柱连接常用于被连接件较厚且需要经常拆卸的场合？（2）斜齿轮与人字齿轮在轴向力传递上有何本质区别？（3）滚动轴承的保持架作用是什么？若保持架断裂会发生什么后果？三、实验二：螺栓连接静、动态特性测试实验1.实验目的（1）实测螺栓连接在预紧状态下的受力和变形规律，验证螺栓受力与变形之间的线性关系。（2）实测螺栓连接在轴向工作载荷作用下的载荷分配规律，验证总拉力$F_2$、预紧力$F_0$、残余预紧力$F_1$及工作载荷$F$之间的关系：$F_2=F_0+\frac{C_b}{C_b+C_m}F$。（3）测量螺栓相对刚度系数$\frac{C_b}{C_b+C_m}$，并分析其影响因素。（4）观察在变载荷作用下螺栓的动应力变化规律。2.实验原理螺栓连接受力变形实验台通常采用空心螺栓和套筒作为被连接件。利用电阻应变片贴在螺栓杆部和套筒上，通过电阻应变仪测量其微应变，从而计算出受力。根据胡克定律$\sigma=E\cdot\varepsilon$，力$F=\sigma\cdotA$。通过测量螺栓和被连接件的变形量，绘制受力-变形图。在预紧阶段，螺栓伸长，被连接件压缩；施加工作载荷后，螺栓继续伸长，被连接件压缩量减小，载荷按刚度比在两者间重新分配。3.实验设备（1）LZS螺栓连接综合实验台（包含加载装置、静态应变仪、动态应变仪）。（2）相关工具：扳手、起子、连接线缆。4.实验步骤（1）仪器校准与接线：检查实验台各部件是否完好。将螺栓和套筒上的应变片引线按半桥或全桥接线法接入应变仪。预热仪器并调零。（2）预紧力测定：①手动旋转螺母，预紧螺栓。建议分多次预紧，避免过载。②记录预紧状态下螺栓的应变值$\varepsilon_{b0}$和被连接件的应变值$\varepsilon_{m0}$。③计算预紧力$F_0=E\cdotA_b\cdot\varepsilon_{b0}$。（3）静态加载测试：①通过实验台上的加载杠杆或螺旋机构，逐级施加轴向工作载荷$F$（如0kN,2kN,4kN,6kN...直至设计最大值）。②在每一级载荷下，待示数稳定后，记录螺栓应变$\varepsilon_b$和被连接件应变$\varepsilon_m$。③计算螺栓总拉力$F_2$和被连接件残余预紧力$F_1$。（4）动态测试（选做）：开启电机，通过偏心轮产生周期性轴向载荷，观察示波器或计算机软件上显示的螺栓动应力波形，记录最大值和最小值。（5）卸载与整理：缓慢卸载，拆除连接，整理仪器。5.数据处理与结果分析（1）绘制螺栓与被连接件的受力-变形图（F-δ图），标出预紧点、工作点及极限点。（2）计算相对刚度系数$\chi=\frac{C_b}{C_b+C_m}$。由于$C_b=\tan\alpha_b$,$C_m=\tan\alpha_m$，可通过F-δ图中斜率计算，或通过公式$\chi=\frac{F_2-F_0}{F}$计算。（3）分析实验误差来源：如应变片粘贴偏差、螺母摩擦系数波动、接触面不平整等。四、实验三：带传动特性参数测定实验1.实验目的（1）观察带传动中的弹性滑动和打滑现象，理解其产生机理及区别。（2）测定带传动的滑动率$\varepsilon$与有效拉力$F_e$之间的关系曲线（$\varepsilon-F_e$曲线）。（3）测定带传动的效率$\eta$与有效拉力$F_e$之间的关系曲线（$\eta-F_e$曲线）。（4）比较不同预紧力对带传动承载能力的影响。2.实验原理（1）弹性滑动与打滑：带是弹性体，由于紧边和松边拉力不同，导致带在主动轮和从动轮上的单位伸长量不同，从而引起带与轮面间的微量相对滑动，称为弹性滑动。当外载荷超过带传动的最大有效圆周力时，带将在轮面上发生全面滑动，即打滑。（2）参数计算：①滑动率：$\varepsilon=\frac{n_1-n_2}{n_1}\times100\%$（理论传动比$i=\frac{D_2}{D_1}$，从动轮理论转速$n_2'=\frac{n_1}{i}$）。②有效拉力：$F_e=F_1-F_2=\frac{2T_1}{D_1}$。③传动效率：$\eta=\frac{P_{out}}{P_{in}}=\frac{T_2\cdotn_2}{T_1\cdotn_1}$。其中，$T_1,T_2$为主、从动轮转矩；$n_1,n_2$为主、从动轮转速。3.实验设备PC-A型带传动实验台。主要由直流电机（主动轮）、发电机（从动轮）、转矩转速传感器、加载装置（灯泡箱或电阻负载）及控制仪表组成。4.实验步骤（1）设备准备：检查带张紧程度是否适中，接通电源，打开控制仪电源开关。（2）空载运行：启动电机，调整转速至额定值（如1500r/min），在空载状态下记录$n_{10},n_{20},T_{10},T_{20}$。（3）分级加载测试：①通过调节负载旋钮，逐级增加发电机负载（即增加带传动的工作拉力）。②每增加一次负载，待转速稳定后，记录主、从动轮的转速$n_1,n_2$和转矩$T_1,T_2$。③密切观察从动轮转速的变化。当发现转速急剧下降或听到带发出尖锐的摩擦声（打滑迹象）时，再记录1-2组数据，然后停止加载。（4）改变预紧力重复实验：调节张紧螺母，改变带的初拉力，重复上述步骤，对比不同预紧力下的数据。（5）关机整理：卸载完全后，先停电机，再关闭电源。5.数据处理（1）计算各工况下的滑动率$\varepsilon$和效率$\eta$。（2）绘制$\varepsilon-F_e$曲线：通常曲线分为弹性滑动区（近似线性）和打滑区（急剧上升）。（3）绘制$\eta-F_e$曲线：效率先随载荷增加而上升，达到最大值后略有下降，打滑时效率迅速降低。（4）分析预紧力对临界打滑点的影响：预紧力越大，发生打滑对应的有效拉力越大，但过大的预紧力会降低带的寿命。五、实验四：齿轮传动效率及疲劳强度分析实验1.实验目的（1）掌握封闭功率流式齿轮实验台的工作原理。（2）测定齿轮传动的传动效率，并分析效率随载荷变化的规律。（3）观察齿轮齿面疲劳点蚀或胶合失效现象，分析其形成原因。（4）了解齿轮传动润滑方式对性能的影响。2.实验原理（1）封闭功率流原理：为了节省能源，齿轮实验常采用封闭式布置。两个齿轮箱串联，通过特殊加载器在系统内部施加扭矩，形成封闭的功率回路。电机提供的功率仅用于克服系统内部的摩擦损耗，因此电机功率很小，但齿轮内部承受的载荷可以很大。（2）效率计算：设封闭扭矩为$T_c$，电机输出扭矩为$T_m$。若忽略联轴器等传动件效率，齿轮箱总效率$\eta_{total}=\sqrt{1-\frac{T_m}{T_c}}$（具体公式视实验台结构而定，通常单级效率$\eta=\frac{T_{out}}{T_{in}}$）。3.实验设备CLQ-II型齿轮封闭实验台。主要由两个齿轮箱、加载联轴器（扭力轴）、交流电机、转矩转速传感器及控制柜组成。4.实验步骤（1）系统检查：检查润滑油油位是否正常，各紧固件是否松动。（2）“零”位标定：松开加载器，启动电机，在空载下运转几分钟，使油温均匀。此时系统内部扭矩理论上为零，对传感器进行调零。（3）加载实验：①停机，通过加载器施加一定的封闭扭矩$T_c$（通过旋转加载螺母或液压加载器）。②启动电机，运转至稳定状态（通常需要一定时间跑合）。③记录电机扭矩$T_m$、转速$n$、油温$t$。④逐级增加封闭扭矩$T_c$，重复测量，直至达到实验台允许的最大扭矩或齿面出现明显点蚀。（4）失效观察：在运行过程中，通过观察窗或停机检查，观察齿面是否有点蚀（微小凹坑）、胶合（金属粘着）或塑性变形。5.结果分析（1）绘制效率$\eta$随载荷$T$的变化曲线。通常随载荷增加，效率先升后趋于稳定，这是因为轻载时搅油损失占比较大。（2）分析失效形式：若在节线附近出现点蚀，说明是齿面接触疲劳失效；若在齿顶或齿根出现胶合，可能是润滑不良或载荷过大导致温升过高。（3）讨论润滑油粘度对效率的影响：粘度过大增加搅油阻力，过小则不能形成足够油膜，导致金属直接接触，降低效率并加速磨损。六、实验五：轴系结构设计与分析实验1.实验目的（1）深入理解轴系零部件的固定、定位及调整方法。（2）掌握轴系结构设计的基本原则，如强度、刚度、工艺性及装拆要求。（3）通过拼装和测绘，提高空间想象力和结构设计能力。2.实验原理轴系主要由轴、轴承、传动件（齿轮、带轮）、固定件（套筒、圆螺母、挡圈）及密封件组成。设计核心在于解决零件的轴向固定和周向固定，以及轴的轴向位置调整（如锥齿轮啮合调整）。3.实验设备模块化轴系结构设计实验箱。包含不同类型的轴、轴承（深沟球、角接触球、圆锥滚子）、齿轮、联轴器、套筒、端盖、密封圈等大量标准件和模型，以及绘图工具。4.实验内容与步骤（1）方案设计：根据指导书给定的设计任务书（如：设计一级直齿圆柱齿轮减速器输出轴系），在草稿纸上绘制轴系结构方案草图。需确定：轴承类型及组合方式；齿轮的轴向固定方式（套筒+轴肩vs挡圈）；轴的伸出端密封形式。（2）实物拼装：①选择合适的轴段长度和直径模型。②依次安装轴承、齿轮、套筒、端盖等。③检查定位是否可靠：例如，轴肩高度是否低于轴承内圈厚度以便拆卸？套筒长度是否等于轮毂长度减去轴肩定位长度？④检查调整环节：角接触轴承是否预留了游隙调整垫片空间？（3）结构分析与纠错：①轴向固定：检查轴系是否双向固定。对于两端固定结构，是否有热膨胀补偿间隙？对于一端固定一端游动结构，游动端轴承是否可自由伸缩？②工艺性：轴上磨削处是否有砂轮越程槽？螺纹处是否有退刀槽？配合面轴端是否有倒角以便装入零件？③密封：是否根据工作环境选择了合适的密封（毡圈、迷宫、油封）？5.常见错误分析（1）定位不足：轴上零件未固定到位，受轴向力时会发生窜动。（2）过定位：同一零件沿轴向有两个以上的刚性约束，导致安装困难或轴受热伸长卡死。（3）无法装拆：轴承内圈与轴配合过紧，但轴肩过高，拆卸器无法钩住内圈；或者套筒过长，顶住了轴承，无法压紧齿轮。（4）加工困难：轴上配合面过长且精度要求高，未设计成阶梯轴以减少加工面积。七、实验六：减速器拆装与结构分析实验1.实验目的（1）熟悉单级圆柱齿轮减速器、二级圆柱齿轮减速器或圆锥-圆柱齿轮减速器的内部结构。（2）了解减速器箱体结构特点、轴承润滑方式及油槽设计。（3）掌握减速器附件（视孔盖、通气器、油标、放油螺塞、定位销）的作用。（4）测定减速器主要参数（中心距、模数、齿数、传动比），并进行测绘。2.实验设备单级圆柱齿轮减速器模型、二级展开式或同轴式减速器、拆装工具（扳手、起子、拉马铜棒）、游标卡尺、钢板尺。3.实验步骤（1）观察外观：观察减速器外部形状，数清螺栓数量及位置。找出视孔盖、通气器、油标尺、放油孔、起盖螺钉。（2）拆卸：①拔出减速器箱盖上的定位销（注意：定位销必须在拆盖前取出，防止损坏）。②旋下轴承端盖连接螺