机械设计实验.docx
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机械设计实验
7.3带传动实验
7.3.1实验目的
1.通过实验观察弹性滑动现象和过载后的打滑现象；
2.测试带传动过程中的负载变化规律，绘出皮带的滑动曲线和效率曲线；
3.掌握悬架电机测定转矩的方法。
7.3.2实验设备
DCS
型带传动实验台和微型计算机（486以上）
7.3.3实验原理
1.机械结构
1.从动电动机2.从动带轮3.传动带4.主动带轮5.主动电动机6.牵引线
7.滑轮8.砝码9.拉簧10.浮动支座11.固定支座12.底座13.拉力传感器
图7-2带传动实验台机械结构
本实验台机械部分，主要由两台直流电机组成，如图7-2所示。
其中一台作为原动机，另一台则作为负载的发电机。
原动机由可控硅整流装置供给电动机电枢以不同的端电压，实现无级调速。
发电机，每按一下加载按键，即并上了一个负载电阻，使发电机负载逐步增加，电枢电流增大，随之电磁转矩也增大，即发电机的负载转矩增大，实现了负载的改变。
两台电机均为悬挂支撑，当传递载荷时，作用于电机定子上的力矩T1（主动电机力矩）、T2（从动电机力矩）迫使拉钩作用于拉力传感器，传感器输出电信号正比于T1、T2的原始信号。
原电机的机座设计成浮动结构（滚动滑槽），与牵引钢丝绳、定滑轮、砝码一起组成带传动预拉力形成机构，改变砝码大小，即可准确地预定带传动的预拉力F0。
两台电机的转速传感器（红外线光电传感器）分别安装在带轮背后的环形槽中，由此可获得必需的转速信号。
2.电子系统
带传动机构
主、被动轮转矩传感器
主、被动轮转速传感器
输出接口
单片微计算机
主、被动轮转矩显示
主、被动轮转速显示
微机接口
微计算机
图7-3实验台电子系统框图
电子系统的结构框图如图7-3所示。
7.3.4实验步骤：
1.根据要求加一预拉力，加减砝码。
2.打开实验台电源，按一下清零，此时，主被动电机转速显示为0，力矩显示为“.”，当力矩显示为“0”时，调节调速按钮，同时观察实验台面板上主动轮转速显示屏上的转速，使主动轮转速达到预定转速1200～1300r/min时，停止转速调节。
3.启动“带传动实验系统”程序。
首先选择1，执行菜单命令“数据采集”，开始采集实验数据。
4.按“加载”一下，调节主动转速，使其在要求范围内，待转速稳定（一般需2～3个显示周期）后，再按“加载”，如此往复，直至实验机面板上的八个发光管指示灯全亮为止。
此时实验台面板上四组数码管将全部显示“8888”，表明所采数据已全部送至计算机。
5.如果数据采集正常，计算机屏幕将显示所采集的数据，否则需要重新进行数据采集。
将所采集的实验数据记录下来。
6.在计算机上选择菜单中的数据分析功能，将显示本实验的曲线和数据。
可以进行不同的数据拟合。
7.实验结束后，将实验台电机调速电位器关断，关闭实验机构的电源。
图7-4程序界面
7.3.5实验台主要技术参数
1.直流电机功率：
2台×50W
2.主电机调速范围：
0～1800r／min
3.额定转矩：
T＝0.24N.M＝2450g.cm
4.电源：
220V交流
7.3.6实验台操作面板布置
实验台操作面板布置如图7-5所示。
图7-5带传动实验台操作面板
7.4齿轮传动效率的测定实验
7.4.1实验目的：
1.了解封闭功率流式齿轮实验台的结构特点和实验基本原理；
2.掌握齿轮传动效率的测定方法。
7.4.2实验设备
CHT型封闭功率流式齿轮试验台
7.4.3实验原理：
1.封闭功率流式齿轮实验台结构原理及加载方法。
根据功率流的传递和加载方法的不同，齿轮实验装置通常可分为“开放功率流式”和“封闭功率流式”两大类。
所谓“封闭式”，主要是将实验装置设计成一个封闭的机械系统，它不需要外加的加载设备，而是通过系统中的一个特殊部件来加载，用以获得为平衡此系统中弹性件的变形而产生的内力矩（封闭力矩）。
运转时，这些内力矩相应做功而成为封闭功率，并在此封闭回路中按一定方向流动。
如图7-6所示。
图中1为实验台的动力源——交流平衡电机，此电机通过两个滚动轴承座，将整个电机悬挂起来，定子可以绕转子轴3600回转。
2和4为结构尺寸完全相同的两个齿轮传动箱，分别装入a、b和c、d两对相同的齿轮。
齿数满足Za＝Zc，Zb＝Zd的条件；3为加载用的特殊部件；5为弹性轴。
五个部件通过联轴节组成一个封闭的机械系统。
加载装置为封闭式齿轮实验台的重要组成部分，具体结构形式很多。
本实验台采用“轴移式斜面加载”。
无论怎样改变结构形式，实质就是通过某种手段使齿轮啮合处工作齿面之间相互挤压，产生不同的负载。
图7-7为轴移式斜面加载器的结构原理图。
图中1为套筒，一端开有螺旋槽通孔，另一端开有长方形槽通孔，通过两端带有滚子的拨销轴2和3，将轴4和5联结起来。
若使套筒1在力F的作用下有一轴向位移，则套筒通过螺旋槽面对销轴两端的滚子施加了一个力矩的作用，此力矩通过拨销轴作用在轴4上，使轴4和5产生扭转角位移，从而使弹性轴产生扭转变形，使两对齿轮在啮合处受到了载荷。
引起套筒轴向移动的力F是靠砝码实现的。
改变轴向力F的大小，就可改变弹性轴的扭转变形量的大小，从而也就改变了齿轮上载荷的大小。
图7-6齿轮实验台简图
轴移式斜面加载器最大特点就是可以在运行当中改变载荷的大小，给实验带来了方便，无论是在系统静止时还是系统运转时，都可以根据需要任意改变载荷的大小。
在这种情况下，由于载荷已体现为封闭系统的内力，因此，电动机所提供的动力，主要是用于克服系统中各传动件的摩擦阻力，其能量损耗相应比较小，因而可以大大地减小电动机的容量。
封闭式实验台的这种优点，对于需要大批量、长时间、重载荷的齿轮试验显得尤为重要。
图7-7轴移式斜面加载器结构原理图
根据图7-7所示的加载器结构尺寸，可以计算出加载器作用在系统中的扭矩MB。
式中：
G－砝码重量（kg）
d－拨销轴滚子作用直径（mm），本实验台d＝43mm
－螺旋角（度）
＝11.14°（实验台编号886）
＝15°（实验台编号881）
2.效率的测定和计算
效率
是评定齿轮传动质量的重要指标。
齿轮效率测定一般是指齿轮箱的效率测定，其中包括轴承损耗、搅油损耗等，单纯的齿轮副效率测定是比较困难的。
效率
是输出功率N出和输入功率N入之比
对于封闭式齿轮试验装置，在测定效率时，需要首先判明齿轮的主动和从动关系，以及功率的流动方向。
根据图7-6所示，当加载器在砝码的作用力F的作用下产生向右的位移时，齿轮1受到一力矩载荷MB，其方向为B向逆时针，但由于在系统中b齿轮的啮合阻力，a齿轮的齿面受力为B向顺时针，由于电机的转向也是B向顺时针，所以，a齿轮的受力方向和转动方向是一致的。
根据齿轮的受力分析，从动齿轮切向力方向和转动方向相同，所以a齿轮是从动齿轮。
那么与a齿轮同轴的c齿轮即为主动齿轮，所以功率流的方向就是从c齿轮到d齿轮，再从b齿轮到a齿轮，呈顺时针的流动方向，如箭头所示的流动方向。
在封闭式齿轮传动系统中，电机的输出功率基本上是补充系统中的损耗功率，其中主要是齿轮传动的功率消耗。
如果我们能够知道电机的输出功率，即系统的损耗功率，又知道封闭的输入功率，其效率即可算出。
本实验台中的电机为平衡电机。
当电机运转时，电动机所输出的转矩大小可通过定子（机座）上的反力矩来测定。
固定在机座上的平衡杠杆随定子的翻转而拉动测力计，用测力计读数乘以杠杆臂长即得到电机的输出转矩Mg，这个转矩就是系统中的功耗转矩，它的大小与电动机的输出功率成正比，在此实验台中，测力计的读数是gf，而力臂的杆长是195mm，所以功耗力矩可由下式求得：
式中：
f－测力计读数
由于实验中两个齿轮传动箱的结构参数完全相同，如果忽略其它方面的损耗（轴承、搅油、空气阻力等），可以认为两齿轮箱的传动效率相同，
。
根据功率流的方向以及加载方向可列出如下方程：
式中：
MB－加载封闭力矩
Mg－电机输出功耗力矩
－两齿轮箱传动效率
进而推导出齿轮箱的平均传动效率
的计算公式：
如果电机的转向改变，或者加载方向改变都会影响齿轮箱中齿轮的主、从动关系，进而影响封闭功率的流动方向，因此效率
的计算公式也会发生变化。
7.4.4实验方法和步骤
1.了解实验台封闭系统中各部件的名称和作用。
2.开机前必须使测力计钩子与杠杆脱开，并事先判断好电机的转向（即要使杠杆向下翻转的电机转向），并在开机时用手按住测力杆在槽口上，以免启动时打坏测力计和测力杆。
3.确认在未加砝码时，加载器的滚子应在螺旋槽轴向移动的起始点并离开一段距离（2mm），此时各处的间隙基本消除，然后在加载器部分加少许润滑油。
4.开启电动机运转一段时间，大约2分钟左右，然后钩上测力计的钩子。
这时测力计的读数值为空载时功耗力矩的力，这部分功耗应是一个定量损失，且与载荷无关。
5.按一定的砝码重量差逐渐加载，每加一次砝码，维持一段时间，然后记录砝码重量和测力计读数。
6.停机前应缓慢地逐个卸下砝码，然后脱开测力计钩子。
7.根据记录表格画出载荷－功耗曲线和载荷－效率曲线于同一坐标系中。
13.4减速器的拆装实验
13.4.1预习准备
熟悉内外卡钳、游标卡尺的使用方法
13.4.2实验目的
1.了解减速器结构，熟悉装配和拆卸方法；
2.通过拆装，掌握轴和轴承部件的结构；
3.了解减速器各个附件的名称、结构、安装位置和作用。
13.4.3实验设备
单级圆柱齿轮减速器、两级三轴圆柱齿轮减速器、两级圆锥圆柱齿轮减速器、单级蜗杆减速器
13.4.4拆装工具和测量工具
活扳手、套筒扳手、榔头、内外卡钳、游标卡尺、钢板尺
13.4.5实验原理
减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动或齿轮—蜗杆传动所组成的独立部件，常用在动力机与工作机之间作为减速的传动装置；在少数场合下也用作增速的传动装置，这时就称为增速器。
减速器由于结构紧凑、效率较高、传递运动准确可靠、使用维护简单，并可成批生产，故在现代机械中应用很广。
减速器类型很多，按传动级数主要分为：
单级、二级、多级；按传动件类型又可分为：
齿轮、蜗杆、齿轮-蜗杆、蜗杆-齿轮等。
减速器构造：
无论何种类型的减速器，其基本结构由轴系部件、箱体及附件三大部分组成。
1.轴系部件：
轴系部件包括传动件、轴和轴承组合。
（1）传动件
减速器箱体外部传动件有链轮、带轮等；箱体内部传动件有圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗杆蜗轮等。
传动件决定减速器的技术特性，通常根据传动件种类确定减速器类型，其基本类型有圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、蜗杆蜗轮减速器等。
（2）轴
传动件装在轴上以实现回转运动和传递功率。
通常采用阶梯轴，传动件和轴以平键联接。
（3）轴承组合
轴承组合包括轴承、轴承端盖、密封装置以及调整垫片等。
轴承：
一般都采用滚动轴承。
轴承端盖：
用来固定轴承，承受轴向力，调整轴承间隙。
轴承端盖有嵌入式和凸缘式两种。
凸缘式调整轴承间隙方便，密封性能好，用得较多。
密封装置：
为防止灰尘等杂质侵入轴承以及防止润滑剂外漏，需在轴承盖孔中设置密封装置。
调整垫片：
用来调整轴承间隙及调整传动件的轴向位置。
2.箱体
减速器箱体用来支持和固定轴系零件，保证传动件的啮合精度、良好润滑及密封。
一般采用铸造箱体，也可以采用焊接箱体，多用于单件、小批生产。
箱体从结构形式上可分为剖分式箱体和整体式箱体。
剖分式箱体的剖分面多为水平面，与传动件轴心线平面重合。
一般减速器只有一个剖分面。
3.附件
为了完善减速器的性能及便于搬运、拆装等，需要在减速器箱体上设置某些装置或零件，统称为附件。
包括视孔与视孔盖、通气器、油标、放油螺塞、定位销、启盖螺钉、调运装置、油杯等。
13.4.6实验内容
1.了解铸造箱体的结构；
2.观察了解轴承部件的安装、拆卸、固定、调整对结构的要求；
3.观察了解减速器附件的作用、结构和安装位置。
4.了解轴承的润滑方式和密封装置，包括外密封的形式。
轴承内侧挡油环、封油环的工作原理及其结构和安装位置；
5.了解轴承的组合结构以及轴承的拆、装、固定和轴向游隙的调整；测绘高速轴及轴承部件的结构草图。
13.4.7实验步骤
1.卸下轴承端盖的螺钉，取下轴承端盖和调整垫片；
2.卸下上、下箱体联接螺栓及轴承旁联接螺栓，拔出定位销，利用启盖螺钉打开箱体上盖；
3.观察分析轴系部件的结构，并思考如下问题：
对轴向游隙可调的轴承应如何进行调整？
轴承是如何进行润滑的？
如箱盖的结合面上有油沟，则箱盖应采取怎样的结构才能使飞溅在箱壁上的油流回到箱座上的回油槽中？
油槽有几种加工方法？
为了使润滑油经油槽进入轴承，轴承盖端面的结构应如何设计？
在何种条件下滚动轴承的内侧要用挡油环或封油环？
其工作原理、构造和安装位置如何？
4.测量相关尺寸，填入指定的表格中；
5.测绘高速轴及其支撑部件的结构草图。
13.4.8注意事项：
1.拆装过程中把零件放到适当的位置，不乱丢；
2.做完实验后要向老师汇报，老师检查完后才可以离开；
3.实验完毕将仪器放回原处，把桌椅板凳摆放整齐。
13.4.9实验数据记录表格：
名称
符号
尺寸
中心高
H
箱盖凸缘的厚度
b1
箱座上凸缘的厚度
b2
箱座底凸缘的厚度
b3
箱座底凸缘的宽度
b4
凸台高度
h
上筋板厚度
m1
下筋板厚度
m2
大齿轮端面与箱体内壁的距离
Δ1
大齿轮顶圆与箱体内壁之间的距离
Δ2
轴承端面至箱内壁之间的距离
C1
轴承端面至箱内壁之间的距离
C2
轴承端盖外直径
D
传动比
i
13.4.9思考题：
1.如何保证箱体支撑具有足够的刚度？
2.轴承座两侧的上下箱体连接螺栓应如何布置？
3.如何减轻箱体的重量和减少箱体加工面积？
4.各辅助零件有何用途？
安装位置有何要求？
14.5轴系结构创新设计实验
预习：
1、画表14-3轴系结构实验设计方案及指定设计条件中的装配草图3个；
2、列举各种轴上零件的轴向和周向定位方法有哪些。
1．实验目的：
1、熟悉和掌握轴的结构设计和轴承组合设计的基本要求和设计方法；
2、了解滚动轴承轴系固定的结构和应用场合；
3、培养创新意识，提高工程实践能力。
2．实验设备、工具和设计题目
实验设备：
（1）模块化轴段（可组装成不同结构形状的阶梯轴）；
（2）轴上零件：
齿轮、蜗杆、带轮、联轴器、轴承、轴承座、端盖、套杯、套筒、圆螺母、轴端挡板、止动垫圈、轴用弹性挡圈、孔用弹性挡圈、螺钉、螺母等。
实验工具：
活搬手、游标卡尺、胀钳等。
实验设计题目：
该实验能用较少的模块实现多种结构形式的阶梯轴和轴承组合结构设计方案，可设计出单级圆柱齿轮减速器输入轴、二级圆柱齿轮减速器输入轴、蜗杆减速器输入轴、二级圆柱齿轮减速器中间轴、圆锥齿轮减速器输入轴五种基本类型，如图14—2所示。
每种基本类型又可以采用不同的轴系支点轴向固定结构型式、轴承代号、轴端传动件等。
图14—2待设计组装的五种基本类型的轴
表14-3给出了轴系结构实验设计方案及每个方案的指定设计条件，每人从中选择一种设计方案进行设计、组装。
表14-3轴系结构实验设计方案及指定设计条件
方案
类型
序号
方案号
设计条件
轴系布置简图
轴承固定方式
轴承
代号
l（mm）
传动件
单
级
齿
轮
减
速
器
输
入
轴
01
1-1
两端固定
6206
95
齿轮A
带轮A
02
1-2
两端固定
7206C
95
齿轮A
带轮B
03
1-3
两端固定
30206
95
齿轮A
带轮B
二
级
齿
轮
减
速
器
输
入
轴
04
2-1
两端固定
6206
145
齿轮B
联轴器A
05
2-2
两端固定
7206C
145
齿轮B
联轴器B
06
2-3
两端固定
30206
145
齿轮B
联轴器C
蜗
杆
减
速
器
输
入
轴
07
3-1
一端固定
一端游动
固定端7206C游动端6306
168
蜗杆
联轴器A
08
3-2
一端固定
一端游动
固定端7206C游动端N306
168
蜗杆
联轴器A
09
3-3
一端固定
一端游动
固定端30206游动端6306
168
蜗杆
联轴器C
10
3-4
一端固定
一端游动
固定端30206游动端N306
168
蜗杆
联轴器B
11
3-5
一端固定
一端游动
固定端6206
游动端6206
157
蜗杆
联轴器A
12
3-6
一端固定
一端游动
固定端6206游动端N206
157
蜗杆
联轴器C
二
级
齿
轮
减
速
器
中
间
轴
13
4-1
两端固定
6206
135
齿轮B
齿轮C
14
4-2
两端固定
30206
135
齿轮B
齿轮C
锥
齿
轮
减
速
器
输
入
轴
15
5-1
两端固定
6306
120
锥齿轮
联轴器A
16
5-2
两端固定
30206正装
120
锥齿轮
联轴器A
17
5-3
两端固定
30206反装
130
锥齿轮
联轴器A
表14-4传动件结构及相关尺寸
圆柱齿轮
带轮
联轴器
A
B
C
A
B
A
B
C
蜗杆
锥齿轮
3．实验准备
实验前需做好下列准备工作：
（1）按选定的设计方案号，根据实验方案规定的设计条件确定需要哪些轴上零件；
（2）参考教材，绘出轴系结构设计装配草图，标出各段轴的直径和长度。
注意，设计时应满足轴的结构设计、轴承组合设计的基本要求：
轴上零件在轴向和周向应可靠固定；
轴上零件应便于装拆，尤其是轴承的装拆问题；
轴的加工工艺性良好；
锥齿轮的轴向位置应能够调整，圆锥滚子轴承和角接触球轴承的间隙应能够调整。
4．实验步骤
（1）利用模块化轴段组装阶梯轴，该轴应与装配草图中轴的结构尺寸一致或尽可能相近；
（2）根据轴系结构设计草图，选择相应的零件实物，按装配工艺要求依次装到轴上，完成轴系的结构设计；
（3）详细检查轴系结构设计是否合理，并对不合理的结构进行修改。
因实验条件的限制，本实验忽略过盈配合的松紧程度、轴肩过渡圆角及润滑问题；
（4）测绘各零件的实际结构尺寸（底板不测绘，轴承座只测量轴向宽度）；
（5）组装方案经实验指导教师认可后，将零件放回原箱内，一定要排列整齐，工具放回原处；
（6）在实验报告上按1：
1比例完成轴系结构设计装配图（只标出各轴段的直径和长度即可，公差配合及其余尺寸可不注，零件序号、标题栏可省略）。
5．思考题
（1）轴系支点轴向固定结构型式有几种？
各适应什么场合？
（2）怎样调整锥齿轮的轴向位置？
怎样调整圆锥滚子轴承和角接触球轴承的轴承间隙？
（3）该实验的阶梯轴和主要零件按模块化原理设计，有什么好处？
对你有何启发？
6．实验报告的内容
（1）实验方案号；
（2）轴系结构创新设计装配图。
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