机械设计实验指导书9.docx
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机械设计实验指导书9
《机械设计实验指导书》
徐双满洪建平编
王青温审
机械工程实验教学中心
2011年2月
螺栓联接实验指导书
一．实验目的
1．掌握测试受轴向工作载荷的紧螺栓联接的受力和变形曲线（即变形协调图）。
2．掌握求联接件（螺栓）刚度C1、被联接件刚度C2、相对刚度C1/C1+C2。
3．了解试验预紧力和相对刚度对应力幅的影响，以考察对螺栓疲劳的影响。
二．实验设备
图1—1为螺栓联接实验机结构组成示意图，手轮1相当于螺母，与螺栓杆2相连。
套筒3相当于被联接件，拧紧手轮1就可将联接副预紧，并且联接件受拉力作用，被联接件受压力作用。
在螺栓杆和套筒上均贴有电阻应变片，用电阻应变仪测量它们的应变来求受力和变形量。
测力环4是用来间接的指示轴向工作载荷的。
拧紧加载手轮（螺母）6使拉杆5产生轴向拉力，经过测力环4将轴向力作用到螺杆上。
测力环上的百分表读数正比于轴向载荷的大小。
１．螺栓联接实验机的主要实验参数如下:
1）．螺栓材料为45号钢，弹性模量E1=2.06×105N/mm2，螺栓杆直径d=10mm，有效变形计算长度L1=130mm。
2）．套筒材料为45号钢，弹性模量E2=2.06×105N/mm2，两件套筒外径分别为D=31和32，内径为D1=27.5mm，有效变形计算长度L2=130mm.。
2．仪器
1）YJ-26型数字电阻应变仪。
图1－1螺栓联接实验机结构图。
1-预紧手轮；2-螺栓杆；3-被连接件；4-测力环；5-拉杆；6-加载手轮
654321
D
D1
d
L
2）YJ-26型数字电阻应变仪。
3）PR10-26型预调平衡箱。
图4－２LBX-84型实验机结构图
1-加载手轮2-拉杆3-测力计百分表4-测力环5-套筒
6-电阻应变片7-螺栓8-背紧手轮9-予紧手轮
三．实验原理
1．力与变形协调关系
ΔF
Dn
λb
λm
λ
λm’
θn
λ
F
θ0
D0
Qp
F
Qp
Q
图4－３ 力－变形协调图
在螺栓联接中，当联接副受轴向载荷后，螺栓受拉力，产生拉伸变形；被联接件受压力，产生压缩变形，根据螺栓（联接件）和被联接件预紧力相等，可把二者的力和变形图线画在一个坐标系中，如4－3所示。
当联接副受工作载荷后，螺栓因受轴向工作载荷F作用，其拉力由预紧力Ｑp增加到总拉力Q，被联接件的压紧力Qp减少到剩余预紧力Qˊp，这时，螺栓伸长变形的增量Δλ1，等于被联接件压缩变形的恢复Δλ2，即Δλ1=Δλ2=λ，也就是说变形的关系是协调的。
因此，又称为变形协调图。
知道了力和变形的大小便可计算出连接副的刚度的大小，即力与变形之比Q/λ称为刚度。
C1=Q1/λ为螺栓刚度；C2=Q2/λ2为被联接件刚度。
C1/C1+C2称为螺栓的相对强度。
在力-变形图上，刚度表现为图线的斜率。
为了提高螺栓的疲劳强度，通常采用降低C１或增加C2的方法以降低载荷的变化值ΔF。
2．主要公式
螺栓联接的受力和变形，采用在试件上贴电阻应变片，并配接电阻应变仪加以测量，通常应变仪测量的数值为微应变，
其可以表示为式:
（4-1）
应变片的接线按半桥接到应变仪上。
材料在弹性限度内，应力与应变的关系为：
（４－２）
故螺栓拉力为:
（４－3）
被联接件（套筒）压力为：
（４－4）
螺栓伸长变形为：
（４－5）
套筒压缩变形为：
（４－6）
轴向工作载荷可由测力环中百分表读数测出：
（4－7）
式中：
K—测力环刚度，单位为：
公斤/格；S—百分表读数—指针格数；
3.测试系统说明
1）测试系统原理示意图如图4-4所示，图中R1、R1,为贴在螺栓或套筒上的电阻应变片，即受力应变片；R2、R2，为温度补偿片，贴在与螺栓材料相同的零件上；R1、R1，、R2、R，2共同组成外测量半桥，Z3、Z4为应变仪的内半桥电阻，与R1、R2组成一个全桥。
～
放大器
检波（）
A/D
结果显示
R1
R1’
R2
R2’
Z4
U
Z3
R0
A
B
图4－４.测试系统连接原理图
2）测量前应对电桥调平衡，即在电阻应变片未受力的情况下，其阻值未发生改变，电桥的输出信号值为零。
当螺栓和被联接件受力时，则贴在其上的电阻应变片R1、R'1的电阻值将发生变化，即电桥的信号输出与受力件的变形成正比，经放大器将其电压信号放大和检波后，经A/D换成与模拟量对应的数字量，显示器显示出螺栓或套筒的微应变量值，经计算后可得到联接副的联接件与被连接件的力和变形的数值。
四．实验步骤
１．用LB-84实验机步骤
１）．在指导老师的指导下，按上图4－４所示的线路连接原理图，将连线接好。
２）．将LBX-84实验机的螺栓联接处于卸载状态，测力环应处于不受力状态，且把百分表小指针调为零。
３）．打开应变仪电源，后面板开关打到半桥处。
４）．按下“基0”开关，调节“电阻平衡”电位器，使显示为0000。
５）．按下“标定”开关，调节“灵敏度”电位器，使显示为-5000，并反复调平衡（零点）和定标（－５０００με）。
电桥调平衡：
使加载及预紧手轮处于松弛状态，按下应变仪测量铵钮，调节对应的电位器的电阻值，使应变仪的输出值为零。
加预紧力：
参照LBX-84实验机结构原理说明，松开手轮6，松开背紧手轮8，拧紧手轮9，使应变仪指示为500με，背紧1，松开手轮9，则完成预紧。
6）.施加轴向载荷：
顺时针旋转手轮6，通过测力环对螺栓连接副施加轴向工作载荷，最大工作载荷应控制为百分表不超过40小格，在此范围内使百分表分别为10、15、20、25、30、35、40小格进行加载实验。
通过切换开关分别记录螺栓、套筒的微应变量数值并记录。
8）.测试完毕后，卸去轴向工作载荷，卸除预紧力。
2．用LB-87实验机进行实验
1）.将YJ-18应变仪与Pr10-18预调箱联系好。
2）.将被测应变片引线A1BC（螺栓）、A2BC（套筒）分别于预调箱的1路、2路的A、B、C连接好，LB-87实验机的两个手轮松开，即螺栓处于无载状态。
3）.测试系统调零：
按下YJ-18应变仪电源开关，分别按下“Х10”、“Х1”开关，在连接副未受力的情况下，将预调箱切换开关分别打到1路和2路，调节对应的“电阻平衡”电位器，使应变仪显示的数值为零，则仪器调零结束。
4）.加预紧力：
转手轮1，并将电阻箱切换开关到1路，按螺栓的应变值为500με左右进行预紧。
分别将切换开关进行切换到1、2路，记录下应变仪显示的微应变值。
加轴向载荷：
拧动手轮6，依次按百分表10、15、20、25、30、35、40小格进行加载，分别测量螺栓、套筒的微应变值。
5）.卸载：
松开手轮6，测力环百分表读数为零，卸载完毕。
6）.卸预紧力：
松开预紧手轮1。
五．实验注意事项
1．给各油杯及螺母端面加润滑油。
2．螺栓最大应变值με≤800，应避免螺栓过载，最小应变值με1≥400，应避免施加轴向工作载荷后联接开缝，建议预紧力选在螺栓应变值500με左右。
3.特别提醒：
在计算受力和变形数值应将微变值应值处以2。
六．思考题
1．求相对刚度C1/C1+C2，并与教材介绍的数值对比分析。
2.考察联接件刚度不同时，对螺栓应力幅的影响，将两个套筒在预紧力相同的F—λ图线画在同一坐标中进行分析比较。
螺栓联接实验报告
姓名：
学号：
实验日期：
年月日
实验地点：
一、实验目的
二、实验手段及测试线路简图
三、实验记录及计算结果
1.实验数据表
2.
予紧次数
1
加载次数
1
2
3
4
5
6
7
8
测力读数
（格）
0
10
15
20
25
30
35
40
工作载荷F（N）
螺
栓
με1
F总（N）
λ1
C1（N/mm）
平均C1
套
桶
φ31
με2
F总（N）
λ2
C2（N/mm）
平均C2
予紧次数
2
加载次数
1
2
3
4
5
6
7
8
测力读数
（格）
0
10
15
20
25
30
35
40
工作载荷F（N）
螺
栓
με1
F总（N）
λ1
C1（N/mm）
平均C1
套
桶
φ31
με2
F总（N）
λ2
C2（N/mm）
平均C2
2.绘制变形协调图
F为纵坐标，λ为横坐标，用方格坐标纸绘制F---λ图线。
3.思考题
1.求相对刚度C1/C1+C2，与规范数值对比分析。
2.考察联接件刚度不同时，对螺栓应力幅的影响。
机械传动系统综合实验
一、工程应用与实验问题提出
常见的机械传动方式有带传动、链传动、齿轮传动等。
传动部件是机械系统的重要组成部分，是机械设计课程教学的重点内容。
机械传动系统的设计与综合运用，涉及了零件加工、装配等工艺方面的问题较多，实践性较强。
通过实验可以熟悉和掌握传动系统组成结构设计的基本方法，不仅可以加深课堂上所学知识的理解与记忆，还可以培养同学的工程实践技能，为后面的课程设计训练打好基础。
二、实验目的
2．1了解带传动、链传动、齿轮传动的构成及其应用特点，认识其组成元件；
2．2了解不同类型及其在工程实际中的应用；
2．3了解几种常见传动设计、组成、制作、安装与校准方法。
2．4能将几种传动形式组合，并完成安装调试工作。
2．5掌握齿轮传动系统中的多轴、混轴传动系统设计、安装及校准方法。
三、实验设备
主要应用的设备为JCY—C创意组合机械系统综合实验系统，关于实验系统做如下说明；
图1.JCY—C创意组合机械系统综合实验系统
工作面
传动系统
存储面板
存储单元
控制板
3．1系统的主要组成
JCY-C机械驱动系统如图1所示，此系统包括一个活动的工作站，用于装配机械系统的的标准工作台板，存储面板，储存组件的存储单元。
工作台板包含四块金属板，每一个工作台板都设计有用于装配组件的狭槽和孔，工作站还包括一个电动机控制单元。
3．2存储面板组件：
轴面板1、轴面板2、带面板、链面板；齿轮面板1、齿轮面板2、不合格件面板、机构面板；这些面板装配在工作台的头顶上方架子上。
图2.存储零件面板
3．3组件存储单元（抽屉）
抽屉存储单元中含有以下类别的物品：
测量仪器、垫片和按键；带、链；装配器具、紧固标准件。
系统主要安装部件及测量与校正零件：
常转速电机、齿轮电机、电机支座、带式制动器、转速计；支撑座制动器、数字转速表及常用工具
图3.常用安装部件及工具
四、实验选题与要求
4．1单一传动系统类实验题目：
实验题目序号
实验题目名称
内容及要求
实验题目
（一）
V带传动系统实验
设计V带传动组成方案，并进行搭接、校准，计算传动比，调整负载大小并观察传动比的变化，找出V带工作过程中滑差率的影响因素，并填写实验报告。
实验题目
（二）（选作）
链传动系统实验
设计链传动组成方案，了解链传动的构成、认识组成元件；掌握单排滚子链的结构极其安装的、校准方法；调整负载大小并观察运转情况，思考与其它传动形式进行对比，并填写实验报告。
实验题目（三）
直齿圆柱齿轮传动系统
设计直齿圆柱齿轮传动系统传动组成方案，并进行搭接、校准，计算传动比等操作，掌握齿侧间隙的确定及测量方法，并填写实验报告。
4．2传动系统综合运用类实验题目：
实验题目序号
实验题目名称
内容及要求
实验题目（四）
多轴、混合轴齿轮传动系统实验
了解多轴、混合轴齿轮传动系统的功能及其应用；确定传动方案，输出轴转向、转速、力矩、传动比的计算，能正确选择、使用联轴器，填写实验报告。
实验题目（五）
齿轮传动与V带传动组合实验
将两种传动方案分别搭接成：
V带传动（高速）—齿轮（低速）、齿轮传动（高速）—V带（低速）；分析传动方案的合理性，观测传动系统的运转情况，并给出初步的结论。
实验题目（六）
链传动、齿轮传动、V带传动综合运用实验
实验者可将三种传动形式自主的通过设计组合，成为传动功能完整的机械系统。
4．3．实验要求：
同学在规定的学时内，从实验题目中选择至少2项以上，同学自主完成设计并塔接；根据实验项目的要求，制定实验初步方案，在实验台所提供的硬件系统中，选择零配件，并完成系统制作与校准等内容要求。
五、实验过程与步骤
5．1V带传动系统实验过程要点
5．1．1主要组成零部件及必要工具：
电机、电机支撑座、水平仪、百分表与磁性表座、直尺、转速表等。
5．1．2选择主动带轮从动带轮并测量带轮直径D1、D2；计算传动比；
5.1.3塔接V带传动系统，进行试运转实验，调整制动力的大小，改变V带张紧力
５.1.4测试弹性滑动与打滑对转速输出的影响。
5.1.5搭接过程要测试轴及带轮的径向跳动，轴的水平度；制动器安装在从动轴上，安装结果示意图如图
5.1.6安装完毕进行检查，经指导老师确认后作好开机准备。
5.1.7开机并做相关的测试，记录数据。
加载
情况
主动带轮直径D1
主动轮转速n1
从动带轮直径D2
从动轮转速n2
理论传动比i
实际传动比i
轻载
重载
过载
图5.链传动
5.2链传动系统实验过程要点
5.2.1选择传动中的链轮，测量主动、从动链轮齿数，计算传动比，系统为减速传动；
5.2.2安装并校准单排滚子链传动硬件系统，检查轴的安装精度，安装简易传动输出制动器；安装结果参考图示
加载
情况
主动轮齿数Z1、节距P1
从动轮齿
数Z2、节距P2
中心距a
轻载
Z1=
P1=
Z2=
P2=
过载
5.3单级齿轮传动过程要点
从实验台硬件系统中确定一种单级齿轮传动方式，可以是单级锥齿轮、斜齿轮、直齿轮传动中的任意一种形式，转速输出结果为减速传动，测量齿轮主要的特征参数，对于齿侧间隙的测量可采用简易方法，即用保险丝放入两齿轮啮合处，用游标卡尺测量其厚度，并做好数据记录。
齿轮特征参数
小齿轮
大齿轮
齿数Z，模数m
Z1=m1=
Z1=m2=
分度圆直径d
标准中心距a
5.4多轴传动系统实验过程要点
根据实验台所提供的硬件条件，设计三轴以上的多轴齿轮传动系统，此系统的传动方式完全由同学自主设计并塔接完成，要求转速输出为减速传动，总传动比不小于10，可包括直齿轮传动（平行轴传动）、斜齿轮传动（相交轴传动），合理分配传动比，画出设计传动方案机构简图，做必要的数据记录。
传动轴数
总传动比
输入轴转速
输出轴转速
输入轴转向
输出轴转向
5.5传动组合实验实验过程要点
V带传动、齿轮传动、链传动都是机械传动系统中经常应用的传动方式，由于有各自应用特点，实际中经常出现两种甚至两种以上的组合传动方式，如：
利用V带传动能够减少传动系统的冲击和振动，以及过载自保护功能；齿轮传动能够传递较大扭矩及高的传动效率；链传动不仅能减少传动冲击而且能够实现大中心距的平行轴传动。
同学可以自主拟订传动组合方案，可以是任意两种传动形式的组合，也可以三种传动形式的组合，总的传动比选择在10---15之间为宜。
搭接制作时选择V带传动为高速级，各级传动安装精度的调整。
画出传动系统组成方案简图，分析传动的平稳性的影响因素。
六.回答问题
6.1．解释V带传动的弹性滑动和打滑概念，如何减轻和避免弹性滑动和过载打滑现象？
6.2．解释一般将V带传动作为高速级传动？
6.3．齿轮传动的齿侧间隙的作用及对齿轮传动性能的影响？
机械传动系统综合实验报告
课程名称：
姓名：
实验日期：
实验地点：
成绩：
一、实验目的
二、实验手段与实验内容（实验题目、设计方案及说明）
2.1．实验仪器与工具：
2.2．所选实验题目：
3．设计方案与说明：
三、实验结果
3.1V带传动主要实验参数记录
加载
情况
主动带轮直径D1
从动带轮直径D2
理论传动比i
轻载
重载
过载
3.2V带传动组成零件功能表
序号
零件名称
数量
功能作用
备注
3.3链传动主要实验参数记录
3.4
3.5
加载
情况
主动轮齿数Z1、节距P1
从动轮齿
数Z2、节距P2
中心距a
轻载
Z1=
P1=
Z2=
P2=
过载
3.4链传动组成零件功能表
序号
零件名称
数量
功能作用
备注
3.5齿轮传动主要实验参数记录
齿轮特征参数
小齿轮
大齿轮
齿数Z，模数m
Z1=m1=
Z1=m2=
分度圆直径d
标准中心距a
齿测间隙
3.6齿轮传动组成零件功能表
序号
零件名称
数量
功能作用
备注
3.7多轴齿轮传动主要实验参数记录
传动轴数
总传动比
输入轴转速
输出轴转速
输入轴转向
输出轴转向
3.8多轴齿轮传动组成零件功能表
序号
零件名称
数量
功能作用
备注
3.9．混合传动主要实验结果
根据自主拟订的传动组合方案，在完成搭接制作后，给出总的传动比，以表格的形式列出零件功能表。
画出传动系统组成方案机构简图，分析传动的平稳性的影响因素。
四、回答问题
1．解释V带传动的弹性滑动和打滑概念，如何减轻和避免弹性滑动和过载打滑现象？
2．解释一般将V带传动作为高速级传动？
3．齿轮传动的齿侧间隙的作用及对齿轮传动性能的影响？
轴系结构设计与分析实验指导书
一、工程应用与问题的提出
二、
轴系结构是机械系统的重要组成部分，也是机械设计课程教学的重点内容。
由于轴系结构设计涉及的加工工艺、装配工艺方面的问题较多，实践性较强。
为提高教学质量，强化轴系结构设计能力的训练，开展轴系结构设计实验是很有必要的。
任何回转机械大多都有轴系结构，轴系结构设计在机械设计中很重要，如何根据轴的回转要求、决定轴系组成及支撑解决方案;根据功能要求决定轴系的总体组成结构；轴上零件的轴向定位、周向定位设计，是机械设计的重要环节。
为了设计出合理的的轴系，有必要熟悉常见的轴系结构。
图1轴的结构设计示意图
通过实验可以熟悉和掌握轴的结构和轴承组合结构设计的基本要求，不仅加深对课堂上所学知识的理解与记忆，还可以对同学进行技法训练，培养工程实践技能，为后面的综合课程设计训练打好基础，还可以培养同学的创新意识。
上图1所示为一典型的轴系组成结构示意图例。
二．实验目的
1．深入了解及认识轴系部件的结构形式，熟悉零件的结构形状、工艺、作用；
2．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；
3．对所设计的组成方案，进行组装与测绘等操作的动手技能的训练。
三．实验设备与工具
1．组合式轴系结构设计分析实验箱
实验箱所提供的零件，能进行圆柱齿轮轴系，小圆锥齿轮轴系及蜗杆轴系结构设计，实验箱内有齿轮类、轴类、套筒类、端盖类、支座类、轴承类及连接件等8类100多个零件，见表1、表2。
表1：
轴系轴上主要零件
零件编号
零件名称
件数
零件编号
零件名称
件数
1
直齿抡轴用支座（油用）
2件
2
直齿抡轴用支座（脂用）
2件
3
蜗杆轴用支座
1件
4
锥轮轴用支座
1件
5
锥齿轮轴用套环
2件
6
蜗杆用套环
1件
7
组装底座
2件
8
大直齿轮
1件
9
大斜齿轮
1件
10
小直齿轮
1件
11
小斜齿轮
1件
12
小锥齿轮
1件
13
大直齿轮用轴
1件
14
小直齿轮用轴
1件
15
两端固定式蜗杆
1件
16
固游式用蜗杆
1件
17
锥齿轮用轴
1件
18
锥齿轮轴
1件
19
大凸缘式透盖
1件
20
大凸缘式闷盖
1件
21
凸缘式透盖（脂用）
1件
22
凸缘式闷盖（脂用）
1件
23
凸缘式透盖（油用）
4件
24
凸缘式闷盖（油用）
1件
25
凸缘式透盖（迷宫）
1件
26
迷宫式轴套
1件
27
嵌入式透盖
2件
28
嵌入式闷盖
1件
29
联轴器A
1件
30
联轴器B
1件
31
无骨架油封压盖
1件
32
套筒
24件
33
调整垫片
16件
34
档油环
4件
35
调整环
2件
轴端压板
6件
37
甩油环
6件
表1：
轴系轴上主要国标件
零件编号
零件名称
件数
零件编号
零件名称
件数
1
轴承30206
2件
2
轴承6
升级会员 