机械《机械设计实验指导书》.docx
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机械《机械设计实验指导书》
机械设计
实验指导书
机械与电子工程学院机械工程实验室
2012年2月
实验一 机械零件认知与分析实验
一、实验目的
1．初步了解《机械设计》课程所研究的各种常用零件的结构、类型、特点及应用。
2．了解各种机械零件的基本构造、制造原理及相关的国家标准。
3．了解各种机械零件的特点及实际使用情况。
4．增强对各种零部的结构及机器的感性认识。
二、实验方法
学生们通过对实验指导书的学习及“机械零件陈列柜”中的各种零件的展示，实验教学人员的介绍，答疑及同学的观察去认识机器常用的基本零件，使理论与实际对应起来，从而增强同学对机械零件的感性认识。
并通过展示的机械设备、机器模型等，使学生们清楚知道机器的基本组成要素——机械零件。
三、实验内容
（一）螺纹联接
螺纹联接是利用螺纹零件工作的，主要用作紧固零件。
基本要求是保证联接强度及联接可靠性，同学们应了解如下内容：
1．螺纹的种类；2．螺纹联接的基本类型；3．螺纹联接的防松；4．提高螺纹联接强度的措施。
（二）标准联接零件
标准联接零件一般是由专业企业按国标（GB）成批生产，供应市场的零件。
这类零件的结构形式和尺寸都已标准化，设计时可根据有关标准选用。
通过实验学生们要能区分螺栓与螺钉；能了解各种标准化零件的结构特点，使用情况；了解各类零件有那些标准代号，以提高学生们对标准化意识。
1．螺栓；2．螺钉；3．螺母；4．垫圈；5．挡圈。
（三）键、花键及销联接
1．键联接；2．花键联接；3．销联接；
以上几种联接，通过展柜的参观同学们要仔细观察其结构，使用场合，并能分清和认识以上各类零件。
（四）机械传动
机械传动有螺旋传动、带传动、链传动、齿传动及蜗杆传动等。
各种传动都有不同的特点和使用范围，在这里主要通过实物观察，增加同学们对各种机械传动知识的感性认识，为今后理论学习及课程设计打下良好基础。
1．螺旋传动：
螺旋传动是利用螺纹零件工作的，作为传动件要求保证螺旋副的传动精度，效率和磨损寿命等。
其螺纹种类有矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹等。
按其用途可分传力螺旋、传导螺旋及调整螺旋三种；按摩擦性质不同可分为滑动螺旋、滚动螺旋及静压螺旋等。
2.带传动：
是带被张紧（预紧力）而压在两个带轮上，主动轮带轮通过摩擦带动带以后，再通过摩擦带动从动带轮转动。
它具有传动中心距大、结构简单、超载打滑（减速）等特点。
常有平带传动、V型带传动，多楔带及同步带传动等。
3.链传动：
是由主动链轮齿带动链以后，又通过链带动从动链轮，属于带有中间挠性件的啮合传动。
与属于摩擦传动的带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，能保持准确的平均传动比，传动效率高。
按用途不同可分为传动链传动、输送链传动和起重链传动。
4.齿轮传动：
齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，型式多、应用广泛。
其主要特点是：
效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定等。
可做成开式、半开式及封闭式传动。
常用的渐开线齿轮有直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、标准锥齿齿轮传动、圆弧齿圆柱齿传动等。
齿轮传动啮合方式有内啮合、外啮合、齿轮与齿条啮合等。
参观时一定要了解各种齿轮特征，主要参数的名称及几种失效形式的主要特征，使实验在真正意义上的与理论教学上产生互补作用。
5.蜗杆传动：
蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意角，常用的为90°。
根据蜗杆形状不同，分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥面蜗杆传动。
通过实验同学应了解蜗杆传动结构及蜗杆减速器种类和形式。
（五）轴系零、部件
1.轴承：
轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。
轴承根据摩擦性质不同分为滚动轴承和滑动轴承两大类。
轴承理论课程，将详细讲授机理、结构、材料等，并且还有实验与之相配合，这次实验同学们主要要了解各类，各种轴承的结构及特征，扩大自己的眼界。
2．轴：
轴是组成机器的主要零件之一。
一切作回转运动的传动零件（如齿轮、蜗轮等），都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。
轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。
按承受载荷的不同，可分为转轴、心轴和传动轴三类；按轴线形状不同，可分为曲轴和直轴两大类，直轴又可分为光轴和阶梯轴。
（六）弹簧
弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用产生较大的弹性变形。
在各类机械中应用十分广泛。
主要应用于：
1.控制机构的运动，如制动器、离合器中的控制弹簧，内燃机气缸的阀门弹簧等。
2.减振和缓冲，如汽车、火车车厢下的减振簧，及各种缓冲器用的弹簧等。
3.储存及输出能量，如钟表弹簧，枪内弹簧等。
4.测量力的大小，如测力器和弹簧秤中的弹簧等。
弹簧的种类比较多，按承受的载荷不同可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧及弯曲弹簧四种；按形状不同又可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、板簧和平面涡卷弹簧等，观看时要看清各种弹簧的结构、材料，并能与名称对应起来。
（七）润滑剂及密封
1.润滑剂：
在摩擦面间加入润滑剂不仅可以降低摩擦，减轻磨损，保护零件不遭锈蚀，而且在采用循环润滑时还能起到散热降温的作用。
2.密封：
机器在运转过程中及气动、液压传动中需润滑剂、气、油润滑、冷却、传力保压等，在零件的接合面、轴的伸出端等处容易产生油、脂、水、气等渗漏。
为了防止这些渗漏，在这些地方常要采用一些密封的措施。
但密封方法和类型很多。
（八）联轴器与离合器
四、实验要求
1、学生必须带上课本，以便于与书本内容进行对照观察。
2、进入实验室必须保持安静，不得大声喧哗，以免影响其他同学。
3、不得私自打开陈列柜，不得用手触摸各种机械零件模型。
4、服从实验人员的安排，认真领会机械零件的构造原理。
五、实验报告
对每个陈列柜，分别写出两个模型的名称，并说明其对应的实物应用情况。
序号
名称
零件模型
实物应用举例
1
螺纹联接
1
2
2
键、花键、销等
1
2
3
带传动
1
2
4
链传动
1
2
5
齿轮传动
1
2
6
蜗杆传动
1
2
7
滑动轴承
1
2
8
滚动轴承
1
2
9
轴
1
2
10
联轴器、离合器
1
2
六、思考题
1、常用螺纹联接的方法有哪些？
2、说明无键联接的优缺点。
3、在带传动中，带张紧的方法有哪些？
实验二 带传动实验
一、实验目的
1、了解带传动试验机的组成、工作原理和测试方法，观察带传动的弹性滑动及打滑现象。
2、掌握带传动的转矩、转速、功率、转速差、传动效率等参数的测定方法。
3、实测出一种带传动的弹性滑动系数、传动效率与传动带拉力之间关系曲线。
二、主要技术参数
1、直流电机功率：
2台×350W
2、主动电机调速范围：
0～1000转/分
3、额定转矩：
T=1.68N·m
4、实验台尺寸：
长×宽×高=740×600×520
5、电源：
220V交流
图1、整体图
三、结构特点
1、机械结构
本实验台机械部分，主要有两台直流电机组成，其中一台作为原动机，另一台则作为负载的发电机。
对原动机，由单片机调速装置供给电动机电枢以不同的端电压，实现无级调速。
对发电机，每打开一个负载开关，即并上一个负载电阻，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。
两台电机均为压支承，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）迫使压杆作用于压力传感器，传感器输出的电信号正比于T1、T2的原始信号。
原动机的机座设计成滑动结构，用扳手拧紧螺纹拉杆即可改变带传动中心距，从而改变张紧力。
两台电机的转速传感器分别安装在带轮背后，由此可获得必须的转速信号。
2、检测系统
结构框图如图2所示。
图2 实验台检测系统框图
实验台配数据采集箱一只，承担控制检测、数据处理、自动显示等功能。
通过微机接口外接PC机，这时就可自动显示并能打印输出带传动的滑动曲线ε—T2及效率曲线η—T2及有关数据。
3、操作部分
操作部分主要集中在采集箱正面的面板，面板的布置如图3（1-2）所示。
3（1-2）所示。
输入转矩输入转速输出转矩输出转速
●●●
●●●
加速减速停止
图3-1面板图
图3-1面板图
开关
输入电源
模拟通道数字通道
串口通讯励磁电源电机电源
图3-2背板图
图3-2背板图
4、配套软件：
软件界面操作说明如下：
点击该可执行文件就会进入测试界面
（1）、实测窗体有“文件（F）”、“实验项目（P）”、“调速（D）”、“操作（O）”、“工具（T）”和“帮助（H）”菜单。
“文件（F）”下有“新建、打开、保存、打印、退出”五个子菜单，它们分别有“新建一个文件、打开一个已保存文件和退出此测试界面的功能。
“实验项目（P）”有“实验原理”，“效率滑差测试”菜单，点击可以进入相应的窗体，通过它们来实现实测窗体和实验原理窗体之间的转换。
“调速（D）”有“加速”、“减速”、“停机”菜单，分别具有让电机加速、减速、停止的功能。
“操作（O）”下有“采集”、“停止采集”、“清零”、“恢复原始数据”菜单，“采集”和“停止采集”分别有采集信号和停止采集信号的功能；“清零”菜单是清除电机运转前压力传感器的初始值；“恢复原始数据”是用来测量压力传感器的实际值。
“工具（T）”下有“选项”子菜单，点击出现选项卡，可以通过选择“纵坐标缩放”、“转矩”、“转速”、“滤波系数”对实测窗体进行相关的设置
还可以选择“帮助”菜单来获得相关的帮助信息
（2）、在菜单栏的下面有工具栏，工具栏上有很多的快捷图标，只要把鼠标停留在快捷图标上，系统会自动提示它相应的功能。
通过快捷图标可以实现菜单栏里的所有功能。
四、实验操作
1、选定试验带（本实验台提供了平带与三角带两种试验带），并将相应的带轮安装至电机上。
2、将试验台主动电机与从动电机的两个光电传感器与两个测力传感器分别接至数据采集箱背板上的数字通道与模拟通道上。
同时将电机的励磁，电枢引线分别与控制箱的相应电源接头相接。
3、调整带轮的距离至适当位置，选择实验张紧力。
打开电源，调节控制箱面板上的调速按钮（增加），使主动机转速到500～600rpm，逐一打开电灯开关，使从动电机承担负载。
当打开全部九个灯泡时，张紧力应保证带传动处于完全打滑或接近于完全打滑的状态。
此时的张紧力即可确定为实验张紧力。
4、将数据采集箱串口与计算机串口相连。
5、张紧力调节好后，进入试验阶段。
（1）接通采集箱电源，调节其面板上的调速按纽（增加、减小），低速运行系统，观察其运行情况，并作适当调整。
此时从数据采集箱面板上可采集到有关参数。
按下采集箱面板上的“停机”按钮，停止电机运行。
（2）在计算机上运行实验台程序，出现测试窗体后，先后点击“采集”、“清零”按钮，此时可启动电机，将转速调至500rpm。
（3）打开一个负载开关，读取参数值并记录。
或打开计算机测试界面，观察相关参数曲线的变化情况。
（4）依次增加负载，直至带传动完全打滑。
6、反复进行测试，对照结果，并打印曲线。
7、若不用计算机绘制曲线，可将n1、n2、M1、M2的记录在提供的实验数据记录表格中计算滑差率ε和效率η，在坐标纸上绘制曲线。
8、关闭灯泡，关闭电源。
松开调节螺栓，将带松卸。
四、注意事项
1、若显示数据失常，可重起一次电源即可。
2、启动电机之前，应关闭负载。
五、思考题
1、带传动的效率与哪些因素有关?
为什么?
2、带传动滑动系数与哪些因素有关?
为什么?
3、带传动的弹性滑动和打滑现象有何区别?
它们产生的原因是什么?
带传动实验报告
姓名：
班级：
学号：
参数
数据
序号
n1
（r/min）
n2
（r/min）
ε
%
M1
（N?
m）
M2
（N?
m）
η
（%）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
实验三液体动压轴承特性实验
一、概 述
本项实验是径向加载的液体动压滑动轴承实验，其目的是测量轴承与转轴间隙中的油膜在圆周方向的压力分布值，并验证径向油膜压力最大值Pmax不在外载荷Fr的垂线位置，而是在最小油膜厚度附近处。
该实验还可以测试下列几项内容。
（1）测量轴承与转轴间隙中的油膜在轴线方向的压力分布值，并验证轴向压力分布曲线呈抛物线分布，即轴向油膜最大压力值在轴承宽度的中间位置。
（2）测量径向液体动压滑动轴承在不同转速、不同载荷、不同黏度润滑油情况下的摩擦系数f值，根据取得的一系列f值，可以做出滑动轴承的摩擦特性曲线，进而分析液体动压的形成过程，并找出非液体摩擦到液体摩擦的临界点，以便确定一定载荷、一定黏度润滑油情况下形成液体动压的最低转速，或一定转速、一定黏度润滑油情况下保证液体动压状态的最大载荷。
（3）观察液体动压的形成过程。
在启动主轴时，一定要慢慢加速。
因为此时轴承与主轴之间没有油膜，如果加速太快，容易烧坏轴瓦。
为此，该实验台人为地设计了轴承保护电路，当没有油膜时，油膜指示灯亮，在形成油膜后，正常工作时油膜指示灯灭。
根据油膜指示灯装置，也可以观察液体动压润滑的形成过程和摩擦状态。
二、实验目的
（1）观察径向滑动轴承液体动压润滑的形成过程和摩擦状态。
（2）测定和绘制径向滑动轴承周向油膜压力分布曲线。
（3）观察径向滑动轴承轴向油膜压力分布情况。
（4）了解径向滑动轴承的摩擦系数f的测量方法和摩擦特性曲线的绘制方法。
（5）观察载荷和转速改变时油膜压力的变化情况或油膜厚度。
三、实验台结构及工作原理
1．实验台的传动装置
实验台传动装置结构如图1所示，直流电动机1上装有一个小带轮，主轴4上装有一个大带轮，通过V带2驱动主轴沿顺时针方向转动，由无级调速器实现直流电机的无级调速。
实验台主轴转速范围为0-300r/min。
在主轴大带轮侧面装有一个红外线测速装置，轴的转速由实验台前面板上转速数码管直接读出。
2．轴承与轴间隙中油膜压力测量装置
实验台测量装置结构如图2所示，主轴的两端分别装有一个滚动轴承，滚动轴承安装在箱体两端的轴承座孔内，支承主轴转动。
主轴的下半部浸泡在润滑油中，当主轴转动时可以把油带入主轴与轴承的间隙中而形成油膜。
滑动轴承的轴瓦包角180°，在轴承圆周120°范围内均匀分布看7个小通孔，与轴和轴承之间的间隙相通，在7个小孔中装有空心管，当轴与轴承间隙中的润滑油形成一定压力后，油可以在空心管中流动，在空心管的端部分别装有7块压力表。
油压推动压力表针转动，从而测量出圆周方向7个位置的油压分布值。
装在轴承宽度
B／4处的第8块压力表，与前7块结构相同，表示轴向压力分布值。
滑动轴承连同轴承上装的8块压力表以及测力杆一起安装在主轴的上半部（悬浮式安装，见图2）。
随着主轴转速的提高，轴与轴承间隙中的油膜压力越来越大，这时，通过装在轴承上的8块压力表，可以直接观测滑动轴承在圆周方向和轴线方向的油膜压力分布值，以及油膜压力随主轴变化的情况。
图1实验台传动装置结构
图2实验台测量装置结构
3．加载装置
油膜的径向压力分布曲线是在一定的载荷和一定的转速下绘制的。
当载荷改变或主轴转速改变时所测量出的压力值是不同的，所绘出的压力分布曲线的形状也是不同的。
转速的改变方法是由无级调速器实现，载荷的改变方法是由螺旋装置实现（见图2）。
在实验台的箱体上装有一套螺旋装置和一个压力传感器，转动螺旋杆，压紧传感器，力通过传感器作用在滑动轴承上。
改变螺旋杆的转动方向，即可改变载荷的大小，所加载荷之值通过传感器数字显示，直接在实验台前面板上读出。
这种加载方式的主要优点是结构简单、可靠，使用方便，载荷的大小可任意调节。
但在起动电动机之前，一定要使滑动轴承处在零载荷状态，以免烧坏轴瓦。
4．摩擦系数f的测量装置
径向滑动轴承的摩擦系数f随轴承的特性系数ηn／p值的改变而改变（η为润滑油的动力黏度，n为主轴转速，p为压强，p=Fr／BD，Fr为轴承上所受载荷，B为轴瓦宽度，D为轴承直径）。
在边界摩擦时，f随ηn／p的增大而增大，进入混合摩擦后，随ηn／p的增大，f值急剧下降，在刚形成液体摩擦时f达到最小值，此后，随ηn／p的增大油膜厚度也随之增大，f值也有所回升。
摩擦系数f值可通过测量轴承的摩擦力矩而得到。
当主轴转动时，轴对轴承产生周向摩擦力F，其摩擦力矩为F×d／2（d为轴的直径）。
由于轴承是悬浮式安装，该力矩可使轴承随轴翻转。
因此，在轴承径向方向装有一个测力杆，在实验台机架上装有一块弹簧挡板，在弹簧挡板的另一侧装有一个测力计（百分表）。
当轴承欲随轴翻转时，测力杆被弹簧挡板顶住，使轴承不能随轴翻转，保持径向平衡位置。
这时，在测力杆作用下，弹簧挡板产生变形，其变形量△值由测力计测量。
变形量△值在测力计上显示的是转动的格数，已知测力计每转动一格，需0．098N的作用力（测力计的标定刚度系数K=0．098N／格），设测力杆上A点为测力点，则该点的作用力Q=K△。
摩擦系数f值求解过程如下：
已知测力杆上测力点A点距轴承中心线距离L=98mm，作用给轴承的平衡力矩为
M=LQ=LK△
根据力矩平衡条件得 F×d/2=LK△
又根据摩擦力F=fFr，（Fr为轴承所受外载荷）。
把力矩平衡条件公式代入摩擦力计算公式得
f=2LK△/Fr?
d
由整理后的摩擦系数计算公式，可求出不同载荷、不同转速下的摩擦系数f值，可绘出摩擦特性曲线。
5．摩擦状态指示装置
在摩擦状态指示装置中，当主轴不转时，可看到灯泡很亮。
当主轴在很低的转速下运转时，轴将润滑油带入轴与轴瓦之间收敛形间隙内，但由于此时的油膜很薄，轴与轴瓦之间部分微观不平度的凸峰处仍有接触，故灯忽亮忽暗。
当轴的转速达到一定值时，轴与轴瓦之间形成的油膜厚度完全遮盖了两表面之间微观不平度的凸峰高度，油膜完全将轴与轴瓦隔开，灯泡熄灭。
四、实验设备主要技术参数
实验台型号
试验轴承 轴承内径D=65mm，有效宽度B=167mm，粗糙度Ra=1.6；材料ZCnSn5P65Zn5（ZQSn6-6-3）
主轴 直径d=65mm，材料,40Cr，淬火，磨光，HRC48-50
加载范围0-800N
测力杆上测力点距轴承中心距离 L=98mm
测力计（百分表）刚度标定值 K=0．098N／格
百分表精度0．01mm，量程0-5mm
油压表量程0-0.6MPa
润滑油动力黏度0.0612Pa.S（68号机油，20°C）
电机功率355W
调速范围0-300r／min
五、实验方法与步骤
1．开机前的准备工作
（1）检查百分表（测力计），使其触头压在弹簧挡板上，并具有少量的压力值，确保触头不脱离弹簧挡板；
（2）检查螺旋加载装置，使其处于零加载位置；
（3）检查调速旋钮，逆时针旋转到底。
2．实验步骤
（1）开启电源，此时摩擦状态指示灯泡很亮。
慢慢顺时针旋转调速旋钮，逐渐提高轴的转速（随轴转速的提高，指示灯忽明忽暗，当轴的转速在10r／min左右时，灯泡完全熄灭，此时已处于完全液体润滑状态），使轴的转速达到300r／min（转速显示窗读数）；
（2）顺时针旋转加载杆，将载荷加到800N（前面板压力显示窗读数）；
（3）运转几分钟，待各表稳定后，记录所加载荷Fr值、主轴转速、进口油温、测力计（百分表）的转动格数△值及1—8块压力表的指示值；
（4）载荷800N保持不变的情况下，逐级降低转速（300r／min、200r／min、150r／min、100r／min、50r／min、30r／min、20r／min、10r／min）每改变一级转速，记录一次主轴转速、百分表转动格数△值。
当转速降至轴与轴瓦接触也就是非液体摩擦时，将此时的△值采集下来，第一次测量结束；
（5）调整螺旋加载杆，将压力显示窗的数值降至400N（改变载荷进行第二次测量），慢慢将主轴转速调至300r／min，重复做步骤（3）（4）；
（6）二次测量结束后，卸载、降速，当转速、压力显示窗显示数值为零后，关掉电源开关；
（7）如果想多做几种不同载荷情况下的油膜压力和摩擦特性曲线可按以上步骤重复做；
（8）整理上述二组实验数据并绘制成油膜压力分布曲线和轴承摩擦特性曲线。
3、整理实验报告
六、思考题
1、哪些因素影响液体动压轴承的承载能力及其油膜的形成?
2、当转速增加或载荷增大时，油压分布曲线的变化如何?
3、f—λ（ηn／p）曲线说明什么问题?
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