机械设计实验指导书

第一章机械设计

第一节机械设计结构展示与分析

一、实验目的

1.了解常用机械传动的类型、工作原理、组成结构及失效形式；

2.了解轴系零部件的类型、组成结构及失效形式；

3.了解常用的润滑剂及密封装置；

4.了解常用紧固联接件的类型；

5.通过对机械零部件及机械结构及装配的展示与分析，增加对其直观认识。

二、实验设备

机构模型；典型机械零件实物；若干不同类型的机器。

三、实验内容、步骤

在实验室要认识的典型机械零件主要有螺纹联接件、齿轮、轴、轴承、弹簧，具体内容如下：

1.各种类型的螺纹联接实物，各种类型的螺栓、螺母及垫圈实物，螺纹联接的失效实物，各种类型的键、销实物，各种类型的键、销失效实物，各种类型的焊接、铆接实物；

2.各种类型及各种材质的齿轮、齿轮加工刀具、蜗轮蜗杆、带、带轮、链条、链轮、螺旋传动的零部件实物，失效零件实物；

3.各种类型的轴、轴承实物，轴上零件的轴向固定和周向固定实物，轴瓦和轴承衬实物，轴承、轴、轴瓦失效实物；

4.各种类型的弹簧和弹簧失效实物，各种联轴器、离合器实物模型。

四、注意事项

注意保护零件陈列柜中的零件。

五、实验作业

1.请回答在实验室所见到的零部件如螺栓、键、销、弹簧、滚动轴承、联轴器、离合器各

有哪些类型？

2.请举出螺栓、键、齿轮、滚动轴承的一种使用情况以及相应的失效形式。

六、问题思考

1.传动带按截面形式分哪几种？带传动有哪几种失效形式？

2.传动链有哪几种？链传动的主要失效形式有哪些？

3.齿轮传动有哪些类型？各有何特点？齿轮的失效形式主要有哪几种？

4.蜗杆传动的主要类型有哪几种？蜗杆传动的主要失效形式有哪几种？

5.轴按承载情况分为哪几种？轴常见的失效形式有哪些？

6.联轴器与离合器各分为哪几类？各满足哪些基本要求？

7.弹簧的主要类型和功用是什么？

8.可拆卸联接和不可拆卸联接的主要类型有哪些？

9.零件和构件的本质区别是什么？

第二节螺栓联接综合实验

一、实验目的

1.了解螺栓联接在拧紧过程中各部分的受力情况。

2.计算螺栓相对刚度，并绘制螺栓联接的受力变形图。

3.验证受轴向工作载荷时，预紧螺栓联接的变形规律，及对螺栓总拉力的影响。

4.通过螺栓的动载实验，改变螺栓联接的相对刚度，观察螺栓动应力幅值的变化，以验证提高螺栓联接强度的各项措施。

二、实验项目

1.空心螺栓联接静动态实验。

2.实心螺栓联接静动态实验。

三、实验设备及原理

1. 实验设备及仪器

该实验需LZS螺栓联接综合实验台一台，静动态测量仪一台，计算机及专用软件等实验设备及仪器。螺栓联接实验台的结构与工作原理。如图1-1所示。

1、电动机

2、蜗杆

3、凸轮

4、蜗轮

5、下板

6、扭力插座

7、锥塞

8、拉力插座

9、弹簧10、空心螺杆 11、千分表 12、螺母 13、刚性垫片(弹性垫片) 14、八角环压力插座 15、八角环16、挺杆压力插座 17、M8螺杆 18、挺杆 19、手轮

图1-1 螺栓连接实验装置结构简图

（1）联接部分包括M16空心螺栓、大螺母、垫片组组成。空心螺栓贴有测拉力和扭矩的两组应变片，分别测量螺栓在拧紧时，所受预紧拉力和扭矩。空心螺栓的内孔中装有M8螺栓，拧紧或松开其上的手柄杆，即可改变空心螺栓的实际受载截面积，以达到改变联接件刚度的目的。垫片组由刚性和弹性两种垫片组成。

（2）被联接件部分由上板、下板和八角环组成，八角环上贴有应变片，测量被联接件受力的大小，中部有锥形孔，插入或拨出锥塞即可改变八角环的受力，以改变被联接件系统的刚度。

（3）加载部分由蜗杆、蜗轮、挺杆和弹簧组成，挺杆上贴有应变片，用以测量所加工作载荷的大小，蜗杆一端与电机相联，另—端装有手轮，启动电机或转动手轮使挺杆上升或下降，以达到加载、卸载(改变工作载荷)的目的。

2．静动态测量仪的工作原理

实验台各被测件的应变量用LSD-A型静动态测量仪测量，如图1-2所示。通过标定或计算即可换算出各部分的大小。静动态测量仪是利用金属材料的特性，将非电量的变化转换成电量变化的测量仪，应变测量的转换元件——应变片是用极细的金属电阻丝绕成或用金属箔

片印刷腐蚀而成，用粘剂将应变片牢固的贴在被测物件上，当被测件受到外力作用长度发生变化时，粘贴在被测件上的应变片也相应变化，应变片的电阻值也随着发生了△R的变化，这样就把机械量转换成电量(电阻值)的变化。用灵敏的电阻测量仪——电桥，测出电阻值的变化△R／R，就可换算出相应的应变ε，并可直接在测量仪的数码管读出应变值。通过A／D板该仪器可向计算机发送被测点应变值，供计算机处理。

3．计算机专用多媒体软件及其他配套器具

图1-2 LSD-A型静动态测量仪

（1）需要计算机的配置为带RS232主板、128M内存、40G硬盘、Celeronl.3G、光驱48X、17”纯平显示器。

（2）实验台专用多媒体软件，该软件可进行螺栓静态联接实验和动态联接实验的数据结果处理、整理并打印出所需的实测曲线和理论曲线图，待实验结束后进行分析。

（3）专用扭力扳手0-200Nm一把，量程为0-lmm的千分表两个。

四、实验方法及步骤

以实验台八角环上未装两锥塞，松开空心螺栓的 M8小螺杆手柄，组合垫片换成刚性的空心螺栓连接静动态实验为例说明实验方法和步骤。

1.螺栓联接的静态实验

（1）打开测量仪电源开关，启动计算机，进入软件封面，单击“静态螺栓实验”，进入静态螺栓实验主界面。单击“串口测试”菜单，用以检查通讯是否正常，通讯正常可进行以下实验步骤。

（2）进入静态螺栓主界面，单击“实验项目选择”菜单，选“空心螺杆”项。

（3）转动实验台手轮，挺杆下降，使弹簧下座接触下板面，卸掉弹簧施加给空心螺栓的轴向载荷。将用以测量被联接件与联接件（螺栓）变形量的两块千分表分别安装在表架上，使表头分别与上板面(靠外侧)和螺栓顶面少许接触，用以测量联接件(螺栓)与被联接件的变形量。

（4）手拧大螺母至恰好与垫片接触。(预紧初始值)螺栓不应有松动的感觉，分别将两千分表调零。单击“校零”键，软件对上一步骤采集的数据进行清零处理。

（5）用扭力矩扳手预紧被试螺栓，当扳手力矩为30—40N时，取下扳手，完成螺栓预紧。

（6）进入静态螺栓界面，将千分表测量的螺栓拉变形和八角环压变形值输入到相应的“千分表值输入”框中。

①单击“预紧”键，对预紧的数据进行采集和处理。同时生成预紧时的理论曲线。

②如果预紧正确，单击“标定”键进行参数标定，此时标定系数被自动修正。

③用手将实验台上手轮逆时钟(面对手轮)旋转，使挺杆上升至一定高度，对螺栓轴向加载，加载高度≤15mm。高度值可通过塞入φ15mm的测量棒确定，然后将千分表测到的变形值再次输入到相应的“千分表值输入”框中。

④单击“加载”键进行轴向加载的数据采集和处理,同时生成理论曲线与实际测量大的曲线图。

⑤如果加载正确，单击“标定”键进行参数标定，此时标定系数被自动修正。

⑥单击“实验报告”键，生成实验报告。

2.螺栓联接动态实验

（1）螺栓联接的静态实验结束返回主界面后，单击“动态螺栓”键进入动态螺栓实验界面。

（2）重复静态实验方法与步骤。如果已经做了静态实验，则此处不必重做。

（3）取下实验台右侧手轮，开启实验台电动机开关，单击“动态”键，使电动机运转30秒钟左右。进行动态加载工况的采集和处理。同时生成理论曲线和实际测量曲线。

（4）单击“实验报告”键，生成实验报告。

（5）完成上述操作后，动态螺栓联接实验结束。

五、注意事项

1.电机的接线必须正确，电机的旋转方向为逆时钟(面向手轮正面)

2.进行动态实验，开启电机电源开关时必须注意把手轮卸下来，避免电机转动时发生安全事故并可减少实验台振动和噪声。

六、实验作业

1.实验数据记录与处理

（1）预紧螺栓时：

2.绘制实际螺栓联结的受力变形图；绘制理论螺栓联结的受力变形图；对比理论与实际的变形图，空心和实心螺栓的受力变形图，分析，得出结论。

七、问题思考

1.为什么受轴向载荷紧螺栓连接的总载荷不等于预紧力加外载荷？

2.从实验结果分析受动载荷的紧螺栓连接。为了提高螺栓疲劳强度，连接螺栓的刚度大些好还是小些好，从实验中可以总结出那些提高螺栓联接强度的措施？

第三节带传动的滑动率与效率测定实验

一、实验目的

1.了解带传动实验台的结构和工作原理。

2.掌握转矩T、转速n、转速差 的测量方法.

3.熟悉其操作步骤。

4.观察带传动的弹性滑动及打滑现象。

5.了解改变预紧力对带传动能力的影响。 二、实验设备

PC-B 型皮带传动实验台 三、实验原理

带传动的滑差率计算公式： 121()

100%n n n ε-=

? 带传动的传动效率计算公式： 222

111

100%P T n P T n η?=

=?? 式中：1n 、2n 分别为主动轮、从动轮转速；

1P 、2P 分别为主动轮、从动轮功率； 1T 、2T 分别为主动轮、从动轮转矩。

四、实验内容、步骤

1.启动电脑，启动带传动测试软件，进入皮带传动实验台软件封面。

2.接通实验台电源（单相220V ），打开电源开关。

3.点击进入皮带传动实验台软件封面非文字区，进入皮带传动实验说明界面。

4.单击“实验”按钮，进入皮带传动实验分析界面。

5.单击“运动模拟”按钮，可以清楚观察皮带传动的运动和弹性滑动及打滑现象。

6.顺时针方向缓慢旋转调速旋钮，使电动机转速由低到高，直到电动机的转速显示为1

n ≈1100转／分为止（同时显示出2n ），此时，转矩显示器也同时显示出两电机的工作扭矩1T 、

2T 。

7.待稳定后,单击“稳定测试”按钮，实时稳定记录皮带 传动的实测结果，同时将这一结果记录到实验指导书的数据记录表中。

8.点击“加载”按钮，使发电机增加一定量的负载，并将 转速调到1n ≈1100转／分，待稳定后，单击“稳定测试”按钮，同时将测试结果1n 、2n 和1T 、2T 记录到实验指导书的数据记录表中。重复本步骤,直到ε%≥16%-20%为止,结束本实验。

9.单击“实测曲线”，显示皮带传动滑动曲线和效率曲线。

10.增加皮带预紧力（增加砝码重量），再重复以上实验。经比较实验结果，可发现带传动功率提高，滑差率降低。

11.实验结束后，首先将负载卸去，然后将调速旋钮逆时针方向旋转到底，关掉电源开关，然后切断电源，取下带的预紧砝码；退出测试系统，并关电脑。

12.整理实验数据，写出实验报告。

13.绘制滑差率曲线和效率曲线 (如图1-3所示)

五、注意事项

1.实验前将皮带适当预紧，不要过紧或过松。

2.必须等数据变化比较稳定时记录数据。

六、实验作业

1.实验数据结果

2.绘出带传动的滑动曲线和效率曲线

3.实验结果分析与讨论

七、思考题

1.带传动的弹性滑动和打滑现象有何区别？它们各自产生的原因是什么？

2.带传动张紧力大小对传动能力有什么影响？

第四节轴系结构组合设计实验

一、实验目的

1.综合应用课程有关章节的知识（传动零件、轴承、轴、键、联轴器、润滑与密封等）

2.认知各种轴系零件。

3.掌握和巩固轴系结构设计的基本方法。

二、实验设备

1.组合式轴系结构设计实验箱如图1-4所示

2.测量及绘图工具（绘图工具学生自备）

三、实验内容与要求

1.明确实验内容，理解设计要求。

2.复习有关轴的结构设计与轴承组合设计的内容与方法(参看教材有关章节)。

3.构思轴系结构方案

（1)根据齿轮类型选择滚动轴承型号。

(2)确定支承轴向固定方式(两端固定；一端固定、一端游动)。

（3)根据齿轮圆周速度(高、中、低)确定轴承润滑方式(脂润滑、油润滑)。

（4)选择轴承端盖形式(凸缘式、嵌入式)并考虑透盖处密封方式(毡圈、皮碗、油沟等)。

图1-4 轴系结构设计实验箱

（5)考虑轴上零件的定位与固定，轴承间隙调整等问题。

（6)绘制轴系结构方案示意图。

4.组装轴系部件

根据轴系结构方案，从实验箱中选取合适零件并组装成轴系部件、检查所设计组装的轴系结构是否正确。

5.绘制轴系结构草图。如图1-5所示

图1-5 轴系结构装配图

6.将所有零件放入实验箱内的规定位置。

四、实验注意事项

1.观察不同类型轴承的外形和结构特点，轴承代号的标识；注意轴承的固定、装拆、间隙调整等问题；

2.注意轴的支承方式(如：两端单向固定；一端固定，一端游动)；

3.轴上零件的定位结构或定位零件（如：定位台阶、弹性挡圈、圆螺母、套筒等）；

4.注意轴的密封形式和密封件（毡圈、橡胶圈、皮碗、油沟等）；

5.注意轴承端盖形式（透盖、闷盖、凸缘式、嵌入式）；

6.套杯的结构形式（正装与反装）。

五、实验作业

1.绘制附轴系结构装配图

2.设计说明（说明轴系各零件定位固定、安装调整、润滑密封的方法及设计依据）。

六、问题思考

1.常用的轴系零件的轴向固定方式有哪些？

2.常用的轴系零件的周向固定方式有哪些？

3.传动零件和轴承采用何种润滑方式？轴承采用何种密封装置，有何特点？

第五节减速器拆装实验

一、实验目的

1.了解减速器结构，熟悉各零件的名称、形状、用途及各零件之间的装配关系。

2.观察齿轮的轴向固定方式及安装顺序。

3.了解轴承的安装尺寸和拆装方法。

4.了解减速器各附件的名称、结构、安装位置及作用。

二、实验设备与工具

1.齿轮减速器一台

2.活扳手二把，内外卡钳各一把。

3.600mm钢板尺一把。

4.300mm游标卡尺一把、千分尺一个。

三、实验内容、步骤

1.开盖前先观察减速器外形，判断传动方式、级数、输入、输出轴的位置。

2.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。

3.仔细观察机体内零件的结构，布置位置以及定位方式。具体有：

（1）轴系零件的定位方式。

（2）轴承的类型、安装方式（正、反装，轴承游隙的的调整）。

（3）布置方法以及润滑密封方式。

（4）机体附件的用途、结构和安装位置：

通气器、油标、油塞、起盖螺钉，定位销。除此之外，还需注意轴承旁凸台的设计，工艺上减少加工面所采取的一些措施等。

4.卸下轴承端盖，将轴和轴上零件一起从机体内取出，按合理的顺序拆卸轴上的零件。

5.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.经指导老师检查装配良好、工具齐全后，方能离开现场。

四、注意事项

1.实验前认真阅读实验指导书。

2.拆装过程中不准用锤子或其他工具打击任何零件。

3.拆装过程中同学之间要相互配合与关照，做到轻拿轻放，以防砸伤手脚。

五、实验作业

1.减速器主要零部件的名称与作用

（2）轴承的类型、安装方式（正、反装）。

（3）布置方法以及润滑密封方式。

六、问题思考

1.为什么齿轮减速器的箱体沿轴线平面剖分? 为什么蜗杆减速器的箱体沿蜗杆轴线不剖分？

2.齿轮减速器上箱体为什么均做成圆弧曲线形? 蜗杆减速器上箱体为什么一般做成直线形?

3.一般的圆锥一圆柱齿轮减速器中为什么把圆锥齿轮放在高速级?

4.箱体上的筋板起什么作用? 为什么有的上箱体上没有筋板?

5.上下箱联接的凸缘为什么在轴承两侧要比其它地方高?

6.上箱体上有吊环(或吊钩)，为什么下箱体上还有吊钩?

7.联接螺栓处均做成凸台或沉孔平面，为什么?

8.上下箱体联接螺栓处及地脚螺栓处的凸缘宽度，受何因素影响?

9.你认为该减速器的轴承用何种方式润滑?有的轴承孔内侧设有挡油环，有的没有，为什么?

第六节机械传动性能综合测试实验

一、实验目的

1.了解常用机械传动的基本原理；

2.掌握平行轴间传动方案的设计及各传动方案的特点（带传动、链传动、齿轮传动）；

3.掌握常见传动装置的选择、安装、校准及调整；

4.了解机械装配的过程，掌握校准的重要性，了解机械生产、装配误差对传动系统性能的影响；

5.掌握实验中各个工具的工作原理及使用方法。

二、实验装置

1.机械传动系统综合测试实验台

2.机械系统创新搭接实验台

三、实验内容、步骤

1.根据现有的实验条件确定实验方案：并在实验搭接平台上搭出传动机构（注意掌握机构安装、校准及调整的方法）；

2.在确保所搭接的机构运动不会发生干涉和严重摩擦后，检查所有的连接是否正确、稳固，用手轻轻转动高速轴，传动系统能正常运转（如有问题，重新调整、装配）；

3.在各转动处加入润滑油；

4.连接实验线路：经指导教师检查后方可开机，并进行相关参数测试；

5.按要求对机构进行调整，重新进行测试；

6.确认测试结束后，关闭电源，拆卸机构。将各设备复原，清理实验台。

四、注意事项

开机前必须经过指导教师的检查和许可！

五、实验作业

1.整理实验数据，填写实验报告；

2.总结各传动方案特点，并进行比较；

3.本次实验的收获和体会。

六、问题思考

1.什么是键联结？一般应用于哪些场合？在本次实验中你所用到的键连接采取的是哪种配合方式？为什么？

2.带传动中带的张力是如何确定的？张力的大小对传动性能或传动零件有什么影响？

3.两齿轮啮合传动时为什么要留有一定的齿侧间隙？它的大小与哪些因素有关？

4.电机的电流、转速、传动系统的机械效率随着负载的增加如何变化？