材料力学试验设计指导书

机械设计基础实验指导书目录实验一、平面机构和机械传动的陈列演示实验二、平面机构运动简图实验三、渐开线直齿圆柱齿轮的参数测定实验四、减速器的拆装及其轴系的结构分析实验一、平面机构和机械传动的陈列演示一、实验目的1“机械设计基础”是高校工科有关专业的一门重要的技术基础课，主要研究机械中的常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法。是一门实践性很强的课程。学生在学习这门课程中必须做到理论联系实际。通过本实验把“机械设计基础”这门课程的绪论部分和课程具体内容有机的联系起来。2通过本实验使学生更具体的了解本课程的具体内容，初步了解平面机构和机械传动及通过零部件结构特点、组成、运动和传动特点。使学生对于学习本科程的具体内容及学习方法做到心中有数。二、实验步骤1实验室有两种模型陈列柜：一组为机械原理部分，另一组为机械设计部分。首先让同学观看机械原理部分（平面机构的结构、组成、运动特点），然后观看机械传动部分。实验时让平面机构和机械传动动起来，老师对每一部分进行介绍。2观看通用零部件。因每种零部件上都有说明。所以这一部分可以采取教师介绍的方法和同学自己观看的办法，让学生初步了解各种通用零部件的结构特点及用处。第一柜,机器的组成及特征单缸内燃机、颚式破碎机、缝纫机、运动副（转动副、移动副、平面高副）第二柜,平面连杆机构五杆铰链机构、曲柄滑块机构、大筛机构、铰链机构、铰链四杆机构、搅拌机、惯性筛机构、机车车辆机构、鹤式起重机、转动导杆机构（牛头刨床主运动机构、小型刨床）曲柄摇块机构、曲柄移动导杆机构、双转块机构、双滑块机构、曲柄摇杆机构的极位夹角、有急回特性的机构、夹紧机构第三柜,凸轮机构内燃机配气机构、靠模车削机构、自动送料机构、分度转位机构、力锁合凸轮（靠重力、弹簧力）、形锁合凸轮（沟槽凸轮、等宽凸轮、兴轭凸轮）第四柜,间歇运动机构棘轮机构、双动式棘轮机构（钩头双动式棘爪、直头双动式棘爪）双向棘轮机构、槽轮机构、内啮合槽轮机构、空间槽轮机械、六角车床上的槽轮机构、外啮合不完全齿轮机构、内啮合不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构第五柜,带传动平带传动（张紧轮装置）、V带传动、（带定期张紧紧装置、滑道式）、V带传动（带定期张紧装置，摆架式）、V带传动（带的自动张紧装置）、园型带传动（张紧轮装置）、同步带传动、V带轮的结构4种第六柜,螺纹联接和螺旋传动螺纹的牙型（三角形、矩形、梯形、锯齿形）、螺纹的旋向（右旋、左旋）、螺纹的线数，螺距和导程、螺栓联接、双头螺栓联接、螺钉联接、紧定螺钉联接、常用标准螺纹联接件（六角头螺栓、螺柱、螺钉、紧定螺钉、六角螺母、垫圈）、常用的防松方法（弹簧垫圈、对顶螺母、尼龙圈锁紧螺母、槽形螺母和开口销、圆螺母用带翅垫片、止动垫片、冲点法防松、粘合防松、永久防松、串联钢丝）承受横向载荷的减载装置（用减载销、用减载套筒、用减载键）、螺栓承受偏心载荷、凸台与沉头座的应用、斜面垫圈的应用、受横向载荷的螺栓组联接、改善螺纹牙间载荷分布、柔性螺栓、螺母下装弹性元件、金属垫片和密封环密封、螺旋千斤顶、机床刀架进给机构、插管式外循环滚动螺旋第七柜,螺纹联接和螺旋传动链传动、齿形链、滚子链、双排滚子链、滚子链接头型式（A、B、C）、链轮结构（A、B、C）、链传动的张紧（A、B）第八柜,齿轮传动外啮合直齿圆柱齿轮传动、内啮合直齿圆柱齿轮传动、齿轮齿条传动、外啮合斜齿圆柱齿轮传动、人字齿轮传动、传递相交轴运动（直齿锥齿轮传动、斜齿锥齿轮传动、曲线齿齿轮传动）、传递交错轴运动（蜗杆蜗轮）第九柜,齿轮的基本性质齿轮各部分的名称和符号、渐开线的形式、正确啮合条件、仿开法切制齿轮、展成法切制齿轮、轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合、渐开线曲面形成、斜齿条的压力角、斜齿圆柱齿轮的受力分析、圆锥齿轮的受力分析、齿轮轴、实体式齿轮、腹板式圆柱圆锥齿轮、铸造轮辐式圆柱齿轮第十柜,轮系定轴齿轮系（A、B）、平面行星齿轮第（A、B）、空间行星齿轮系、行星减速器中的齿轮系、可变向的齿轮系、汽车后桥差速器、摆线针轮传动机构、谐波齿轮传动、减速器第十一柜,轴和轴毂联接传动轴、直轴（光轴、阶梯轴、空心轴）、曲轴、挠性钢丝轴、圆螺母定位、弹性档圈固定、紧定螺钉固定、压板轴端固定装置、平键联接、导向平键联接、楔键联接、半圆键联接、花键联接第十二柜,轴承滚动体的种类、调心球轴承、调心滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承、深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、轴承的直径系列、内圈轴向固定的常用方法、外圈轴向锁紧方法、全固式支承、固游式支承、整体式径向滑支轴承、部分式径向滑动轴承、油孔、油沟第十三柜,其它常用零部件套筒联轴器、凸缘联轴器、万向联轴器、齿轮联轴器、弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、牙嵌式离合器、磨擦离合器、牙嵌式安全离合器、滚柱式超越离合器、圆截面压缩弹簧、圆截面拉伸、盘簧、板弹簧、圆截面扭转弹簧实验二、平面机构运动简图一、实验目的由于实际的机械往往都具有很复杂的外形和结构，为了便于对机构进行分析，通常是先从实际的机械中绘出能反映出机构的运动特性和组织情况的机构运动简图再根据它进行机构的结构、运动和动力分析。1掌握从实际机械中绘出机构运动简图的原则、方法和技巧。2进一步巩固机构结构分析的基本原理。3验证和巩固机构活动度的计算。二、实验步骤1测绘时使测绘的机构缓慢地运动，从原动构件开始仔细观察机构运动，分清各运动单位，确定原动件、机架、传动部件和执行部件。从而确定组成机构的构件数目，运动副的数目。2根据联接构件间的接触情况及相对运动的性质，确定各个运动副的种类。3要选择最能表现机构特征的平面作为视图平面。4在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。然后用数字1、2、3分别标出各构件，用A、B、C分别标出各运动副。5仔细测量机构各运动尺寸（如转动副间的中心距、移动副导路的位置），对于高副则应仔细测出高副的轮廓曲线及其位置，然后以适当的比例做出机构运动简图绘制机构运动简图的步骤1、搞清机械的实际构造、动作原理和运动情况，2、沿运动传递路线，逐一分析每两个构件之间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。3、恰当选择运动简图的视图平面，通常选择机械中多数构件的运动平面为视图平面。4、选择恰当的作图比例尺。5、确定各运动副的相对位置，用各运动副的代表符号、常用机构运动简图符号和简单线条，绘制机构运动简图。6、在原动件上标出箭头以表示其运动方向。三、绘制机构运动简图实用技巧1、绘制机构运动简图实例12、绘制机构运动简图实例2四、计算自由度1、机构自由度计算虚约束（PassiveConstraint）（1）用双转动副杆联接两构件上距离保持不变的两点某两点之间的距离始终保持不变，则若用双副杆将这两点相连，将带入一个虚约束。右图机构的自由度是：F=3X3-2X4=1,（2）两构件上运动轨迹重合的点用转动副联接在机构中，如果用转动副联接的时两构件上运动轨迹重合的点，将带入一个虚约束。右图机构的自由度是：F=3X3-2X4=1,（3）机构中对运动不起作用的对称部分转动机构的自由度F=3X3-2X3-2=12、机构自由度计算：虚约束（PassiveConstraint）机构的自由度F=3X7-2X10=13、机构的高副低代-永久替代-组成高副的元素都是圆圆半径分别为r和r机构自由度F=3X2-2X2-1=1,高副低代后机构自由度F=3X3-2X4=14、机构的高副低代-永久替代-组成高副的元素分别为圆和点机构自由度F=3X2-2X2-1=1,高副低代后机构自由度F=3X3-2X4=1,机构运动过程中，如果两构件上高副低代后机构自由度F=3X3-2X4=1,实验三、渐开线直齿圆柱齿轮的参数测定1. 实验目的（1）掌握用常用量具测定渐开线直齿圆柱齿轮基本参数的方法。（2）通过测量和计算，加深理解齿轮各参数之间的相互关系和渐开线的性质。2. 实验设备和工具（1）被测齿轮两个（偶、奇数齿各一个）。（2）游标卡尺和公法线千分尺各一把。（3）计算器。3. 实验原理（1）通过测量齿顶圆直径da与齿根圆直径df计算出全齿高h，再用试算法确定齿轮的m、与c*。如实4-1图a所示，偶数齿齿轮的da与df可直接用游标卡尺测量；如实4-1图b所示,奇数齿齿轮的da与df须间接测量d=D+2Hd=D+2Ha1，f2则h=（da-df）/2=H1-H2式中,d为齿轮内孔直径（mm）；H】为齿轮齿顶圆至内孔壁的径向距离（mm）；H2为齿轮齿根圆至内孔壁的径向距离（mm）。a)偶数齿齿轮b)奇数齿齿轮实4-1图齿轮d与df的测量方af法根据h=(2h*+c*)m,分别将h*=1、c*=0.25(正常齿)或h:二-8、c*=.3(短齿)代入进行试算，所求得的模数m=h/(2h；+c*)接近标准值者即为该齿轮的实际模数(一定要圆整成标准值)。对于变位齿轮，由于h=(2h：+c*一&)m,按上述方法确定m时可能会与标准值差异较大而难以圆整。这时可先假定一个m的标准值，再根据pb二兀mcos与后述确定压力角a值结合起来验证。若试算出来的a接近标准值，即可判断该m值是正确的。叭一一%(2) 通过测量公法线长度求出Pb,进而确定齿轮的压力角a。长度Wk+1。于是则按k=(z/9)+.5，确定被测齿轮的跨齿数k。如实4-2图所示测出跨k个齿的公法线长度Wk，然后再测出跨k+1个齿的公法线实4-2图齿轮公法线长度的测量p=W一W=moabk+1kpW-Wcoa=b=k+1k兀m兀mW-Wa=arccos(-k+ir)兀m所求得的a值应圆整到标准值，如a=20,a=15。等。(3)计算出变位系数x。因为W=mcoak一兀5+zinavkW=mcosa（k一0.5）兀+zinva+2xmsinak若测得的Wk与计算出来的Wk相等，则说明x=，该齿轮为标准齿轮；若叫工Wk，则W一W=2xmsinakkW，Wx=kk2msina即可求出被测齿轮的变位系数x。4. 实验步骤（1）熟悉游标卡尺与公法线千分尺的使用和正确读数方法。（2）数出被测齿轮的齿数并作好记录。（3）测量各齿轮的da、df、Wk和Wk+1。（4）确定各被测齿轮的基本参数：m、a、h、c*及变位系数x。5. 注意事项（1）实验前应检查游标卡尺与公法线千分尺的初读数是否为零，若不为零应设法修正。（2）齿轮被测量的部位应选择在光整无缺陷之处，以免影响测量结果的正确性。在测量公法线长度时，必须保证卡尺与齿廓渐开线相切，若卡入k+1齿时不能保证这一点，需调整卡入齿数为k1，而pb=WkW：i。（3）测量齿轮的几何尺寸时，应选择不同位置测量3次，取其平均值作为测量结果。（4）通过实验求出的基本参数m、a、h：、c*必须圆整为标准值。（5）测量的尺寸精确到小数点后第2位。计算x时取小数点后两位数字。6.思考题（1）测量偶数与奇数齿齿轮的da与df时，所用的方法有什么不同？为什么？（2）由实42图可知，齿轮公法线长度的计算公式为Wk=（k1）pb+sb，此公式是依据渐开线的哪条性质推导得到的？（3）影响公法线长度测量精度的因素有哪些？实验报告31.测量数据已知参数测量内容模数制齿轮h*=1a=1（正h*=0.8a常齿）（短齿）c*=-25（正常齿）c*=3（短齿）dadfh的测量齿数为偶数时（z=）被测齿轮编号（）测量次数123平均值d/mmad/mmfh=（dd）/2=af齿数为奇数时（z=）被测齿轮编号（）测量次数123平均值D/mmH/mmiH/mm2d=D+2H=a1d=D+2Hf2h=HH=122.计算结果确定m、a哦m=h/(2h*+c*)=aa=arccos(WW)/兀m=k+1k判定被测齿轮是否为标准齿轮，并计算变位系数WWkkx=(W一W)/2msina=kk结论：实验四、减速器的拆装及其轴系的结构分析1. 实验目的（1）通过对减速器的拆装与观察，了解减速器的整体结构、功能及设计布局。（2）通过减速器的结构分析，了解其如何满足功能要求和强度、刚度要求、工艺（加工与装配）要求及润滑与密封等要求。（3）通过对减速器中某轴系部件的拆装与分析，了解轴上零件的定位方式、轴系与箱体的定位方式、轴承及其间隙调整方法、密封装置等；观察与分析轴的工艺结构。（4）通过对不同类型减速器的分析比较，加深对机械零、部件结构设计的感性认识，为机械零、部件设计打下基础。2. 实验设备和工具（1）拆装用减速器单级直齿圆柱齿轮减速器，两级直齿圆柱齿轮减速器，锥齿轮减速器，蜗杆减速器（下置式）。（2）观察、比较用减速器单级斜齿圆柱齿轮减速器，两级斜齿圆柱齿轮减速器，蜗杆减速器（上置式），摆线针轮行星减速器。（3）活动扳手、手锤、铜棒、钢直尺、铅丝、轴承拆卸器、游标卡尺、百分表及表架（4）煤油若干量、油盘若干只。3. 减速器的类型与结构减速器是一种由封闭在箱体内的齿轮、蜗杆蜗轮等传动零件组成的传动装置，装在原动机和工作机之间用来改变轴的转速和转矩，以适应工作机的需要。由于减速器结构紧凑、传动效率高、使用维护方便，因而在工业中应用广泛。实5-l图a、b、c所示。a）单级圆柱齿轮减速器b）锥齿轮减速器c）下置式蜗杆减速器实5-1图减速器的类型在圆柱齿轮减速器中，按齿轮传动级数可分为单级、两级和多级。蜗杆减速器又可分为蜗杆上置式和蜗杆下置式。两级和两级以上的减速器的传动布置形式有展开式、分流式和同轴式三种形式，分别见实5-2图a、b、c所示。展开式用于载荷平稳的场合，分流式用于变载荷的场合，同轴式用于原动机与工作机同轴的特殊的工作场合。减速器的结构随其类型和要求的不同而异，一般由齿轮、轴、轴承、箱体和附件等组成。实5-3图为单级圆柱齿轮减速器的结构图。箱体为剖分式结构，由箱盖和箱座组成，剖分面通过齿轮轴线平面。箱体应有足够的强度和刚度，除适当的壁厚外，还要在轴承座孔处设加强肋以增加支承刚度。a）展开式b）分流式c）同轴式实5-2图减速器传动布置形式一般先将箱盖与箱座的剖分面加工平整，合拢后用螺栓联接并以定位销定位，找正后加工轴承孔。对支承同一轴的轴承孔应一次镗出。装配时，在剖分面上不允许用垫片，否则将不能保证轴承孔的圆度误差在允许范围内。箱盖与箱座用一组螺栓联接。为保证轴承孔的联接刚度，轴承座安装螺栓处做出凸台，并使轴承座孔两侧联接螺栓尽量靠近轴承座孔。安装螺栓的凸台处应留有扳手空间。为便于箱盖与箱座加工及安装定位，在剖分面的长度方向两端各有一个定位圆锥销。箱盖上设有窥视孔，以便观察齿轮或蜗杆蜗轮的啮合情况。窥视孔盖上装有通气实5-3图单级圆柱齿轮减速器结构图器，使箱体内外气压平衡，否则易造成漏油。1起盖螺钉；2通气器；3视孔盖；4箱盖；为便于拆卸箱盖，其上装有起盖螺钉。5吊耳；6吊钩；7箱座；8油标尺；为拆卸方便，箱盖上设有吊耳或吊环螺9油塞；10油沟；11定位销钉。为搬运整台减速器，在箱座上铸有吊钩。箱座上设有油标尺用来检查箱内油池的油面高度。最低处有放油油塞，以便排净污油和清洗箱体内腔底部。箱座与基座用地脚螺栓联接，地脚螺栓孔端制成沉孔，并留出扳手空间。4. 减速器的润滑与密封减速器的润滑主要指齿轮与轴承的润滑，其润滑方式及润滑剂的选择见第17章。减速器需密封的部位很多，可根据不同的工作条件和使用要求选择不同的密封结构。轴伸出端的密封和轴承靠箱体内侧的密封见第17章。箱体接合面的密封通常于装配时在箱体接合面上涂密封胶或水玻璃。5. 实验步骤（1）观察减速器外部结构，判断传动级数、输入轴、输出轴及安装方式。（2）观察减速器的外形与箱体附件，了解附件的功能、结构特点和位置，测出外廓尺寸、中心距、中心高。（3）测定轴承的轴向间隙。固定好百分表，用手推动轴至一端，然后再推动轴至另一端，百分表所指示出的量值差即是轴承轴向间隙的大小。（4）拧下箱盖和箱座联接螺栓，拧下端盖螺钉（嵌入式端盖除外），拔出定位销，借助起盖螺钉打开箱盖。（5）测定齿轮副的侧隙。将一段铅丝插入齿轮间，转动齿轮碾压铅丝，铅丝变形后的厚度即是齿轮副侧隙的大小，用游标卡尺测量其值。（6）仔细观察箱体剖分面及内部结构、箱体内轴系零部件间相互位置关系，确定传动方式。数出齿轮齿数并计算传动比，判定斜齿轮或蜗杆的旋向及轴向力、轴承型号及安装方式。绘制机构传动示意图。（7）取出轴系部件，拆零件并观察分析各零件的作用、结构、周向定位、轴向定位、间隙调整、润滑、密封等问题。把各零件编号并分类放置。（8）分析轴承内圈与轴的配合，轴承外圈与机座的配合情况。（9）在煤油里清洗各零件。（10）拆、量、观察分析过程结束后，按拆卸的反顺序装配好减速器。6. 注意事项（1）减速器拆装过程中，若需搬动，必须按规则用箱座上的吊钩缓吊轻放，并注意人身安全。（2）拆卸箱盖时应先拆开联接螺钉与定位销，再用起盖螺钉将盖、座分离，然后利用盖上的吊耳或环首螺钉起吊。拆开的箱盖与箱座应注意保护其结合面，防止碰坏或擦伤。（3）拆装轴承时须用专用工具，不得用锤子乱敲。无论是拆卸还是装配，均不得将力施加于外圈上通过滚动体带动内圈，否则将损坏轴承滚道。7.思考题（1）箱体结合面用什么方法密封？（2）减速器箱体上有哪些附件？各起什么作用？分别安排在什么位置？（3）测得的轴承轴向间隙如不符合要求，应如何调整？（4）轴上安装齿轮的一端总要设计成轴肩（或轴环）结构，为什么此处不用轴套？（5）扳手空间如何考虑？正确的扳手空间位置如何确定？实验报告8实验名称日期班级姓名学号成绩1.拆装减速器的主要参数减速器名称齿数及旋向z1中心距aia2z2中心高Hz3外廓尺寸长X宽X高z4地脚螺栓孔距长X宽传动比i1轴承代号及数量12i润滑方式齿轮（蜗杆、蜗轮）轴承齿轮副侧隙密封方式有相对运动的部位无相对运动的部位模数mn高速级低速级锥齿轮的分锥角5=15=2蜗杆参数q=z=iP=Y=2. 绘制减速器传动示意图（图中应标出中心距、输入轴、输出轴、齿轮代号及旋向、轴承代号等）3. 列出减速器外观附件名称