机械设计实验大作业

机械原理机械设计

实验指导书

姓名

班级

学号

南京农业大学工学院机械工程系

机械设计教研室编

实验课守则

1．机械设计实验课是学好机械设计课程的重要环节。它可以帮助学生加深理解课堂上学习的理论知识。熟悉实验仪器和设备，掌握操作技能，培养严谨的工作作风，使理论和实践相结合。因此，学生对每个实验都要认真对待。

2．实验前要认真预习实验指导书，了解实验目的和基本原理，准备好需自备的计算器、文具等。实验开始前指导教师根据需要进行检查、提问。

3．实验时要求原理清楚，操作认真，数据准确，查表熟练。

4．严格遵守仪器、设备的操作规程，注意安全。对于仪表、设备、工具的性能有不了解之处，应及时询问指导教师，对于非指定使用的设备、工具不得乱动乱用。

5．实验出现故障时，应立即报告指导教师，以便查明原因，妥善处理。

6．爱护公共财物，不得将实验室工具、仪表等带出实验室，如有损坏、遗失公共财物，视情节应给予赔偿。

7．设备用毕，及时切断电源。整理全部仪器和附件，使之恢复原位。

8．实验结束后认真完成试验报告，按时交给指导教师批阅。

实验一机构运动简图的测绘

一、实验目的

1．掌握根据各种机构实物或模型绘制机构运动简图的方法； 2．验证机构自由度的计算公式； 3．分析某些四杆机构的演化过程。

二、实验设备和工具

1．各类机构的模型和实物； 2．钢板尺、量角器、内外卡钳等；

3．三角尺、铅笔、橡皮、草稿纸等（自备）。

三、实验原理

由于机构的运动仅与机构中构件的数目和构件所组成的运动副数目、类型和相对位置有关。因此，可以撇开构件的实际外形和运动副的具体构造，用简单的线条来表示构件，用规定的或惯用的符号来表示运动副，并按一定的比例画出运动副的相对位置，这种简单的图形即为机构运动简图。

四、实验步骤

1．使被测机构缓慢运动，从原动件开始，循着传动路线观察机构的运动，分清各个运动单元，确定组成机构的构件数目；

2．根据直接相联接两构件的接触情况及相对运动性质，确定运动副的种类； 3．选择能清楚表达各构件相互关系的投影面，从原动件开始，按传动路线用规定的符号，以目测的比例画出机构运动示意图，再仔细测量与机构有关的尺寸，按确定的比例再画出机构运动简图，用数字1、2、3……分别标注各构件，用字母A 、B 、C ……分别标注各运动副；

比例尺）

（构件在图纸上的长度）

（构件实际长度mm AB cm L AB L =

μ

4．分析机构运动的确定性，计算机构运动的自由度。

五、思考题

1．一张正确的机构运动简图应包括哪些内容？

2．绘制机构运动简图时，原动件的位置能否任意选择？是否会影响简图的正确性？

3．机构自由度的计算对测绘机构运动简图有何帮助？

六、实验报告

实验二渐开线齿轮的范成原理

一、实验目的

1．掌握用范成法加工渐开线齿轮齿廓曲线的原理；

2．掌握渐开线齿廓产生根切现象的原因及避免根切的方法； 3．了解刀具径向变位对齿轮的齿形和几何尺寸的影响。

二、实验设备和工具

1．齿轮范成仪； 2．剪刀、绘图仪；

3．圆规、三角尺、两种颜色的铅笔或圆珠笔（自备）。

三、实验原理

范成法是利用齿轮啮合时其共轭齿廓互为包络线的原理来加工齿轮的一种方法。加工时，其中一轮为刀具，另一轮为轮坯。他们之间保持固定的传动比传动，好象一对真正的齿轮啮合传动一样，同时刀具还沿轮坯的轴向作切削运动，这样制得的齿轮齿廓就是刀具的刀刃在各个位置的包络线。为了能清楚地看到包络线的形成，我们用范成仪来模拟实现齿轮轮坯与刀具间的传动“切削”过程。

齿轮范成仪构造如图2—1所示，半圆盘2绕固定于机架上的轴心转动，在圆盘的周缘刻有凹槽，凹槽内嵌有两条钢丝3，钢丝绕在凹槽内，其中心线形成的圆相当于被加工齿轮的分度圆。两条钢丝的一端固定在圆盘2上的B 、B '点，另一端固定在拖板4的A 、A '点，拖板可水平方向移动，这与被加工齿轮相对齿条刀具的运动方向相同。

在拖板4上还装有带有刀具的小拖板5，转动螺钉7可以调节刀具中线至轮坯中心的距离。

齿轮范成仪中，已知基本参数为：

1．齿条刀具：压力角020=α，模数mm m 25=，

齿顶高系数0.1*

=a

h ，径向间隙系数25.0*=C 2．被加工齿轮：分度圆直径mm d 200=

四、实验步骤

1．根据已知基本参数分别计算被加工齿轮的基圆直径d b 、最小变位系数x min ，标

准齿轮和变位齿轮的齿顶圆直径d a1和d a2、齿根圆直径d f1和d f2，将上述六个圆画在一张绘图纸上，并沿最大的圆周剪下制成被加工齿轮的“毛坯”；

图2—1 齿轮范成仪结构

2．把齿轮“毛坯”安装到范成仪的半圆盘上，注意对准圆心；

3．调整刀具，使其中线与被加工齿轮分度圆相切，此时刀具处于“切制”标准齿轮位置；

4．“切制”齿廓时，把刀具移向范成仪的一端，然后每当刀具向另一端移动一个不大的距离（2~3mm），描下刀刃在图纸上的位置，直到形成两个完整的齿廓为止；

5．调整刀具的位置，使其中线远离轮坯中心。移动距离为避免根切的最小变位量mx，即刀具顶刃与变位齿轮齿根圆相切。重复上述“切制”过程，得到两个完整的变位齿轮齿廓，为便于比较，此齿廓可以用另一种颜色画出。

五、思考题

1．根切现象是怎样产生的？如何避免根切？

2．比较用同一把齿条形刀具加工的标准齿轮和变位齿轮下述几何参数的变化： 、m、d、d a、d f、d b、h a、h f、s、s b、s a、s f、e、p。

3．这两种齿轮的齿廓曲线是否全是渐开线？

六、实验报告

1．已知参数

齿条刀具：模数=m 压力角=α

齿顶高系数=*

a

h 顶隙系数=*C 被加工齿轮：分度圆直径=d

2．计算结果

实验三 渐开线直齿圆柱齿轮参数的测定

一、实验目的

1．掌握用游标卡尺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，熟练掌握齿轮各几何参数之间的相互关系。

二、实验设备和工具

1．被测齿轮一对；

2．游标卡尺（精度0.02mm ）； 3．机械零件手册；

4．渐开线函数表、纸、笔、计算器（自备）。

三、实验原理

本实验是用游标卡尺来测量，通过计算得出一对直齿圆柱齿轮的基本参数。 渐开线直齿圆柱的基本参数有：齿数z 、模数m 、分度圆压力角α、齿顶高系数h a *、径向间隙系数C*、变位系数x 。

一对互相啮合的齿轮的基本参数有：啮合角'α、中心距a 。 以下为各参数的测量原理和方法如下：

1．测定模数m 和压力角α

如图3—1所示，当量具在被测齿轮上跨k 个齿时，其公法线长度应为

b b k s p k w +-=)1(

若所跨齿数为k +1时，则公法线长度为

b b k s kp w +=+1

所以

b k k p w w =-+1 （1）

又因为 απαcos cos m p p b == 所以

α

πcos b

p m =

（2）

p b 为齿轮基圆周节，可以从（1）式中求得，由齿轮标准可知，α可能为150，也可能为200，故分别用150和200代入式（2），算得两个模数，取数值接近于标准模

数的一组m 和α为被测齿轮的模数和压力角。

为保证量具的卡脚与齿廓的渐开线部分相切，所需的跨齿数可参照表3—1。

表3—1 跨齿数

2．测定变位系数x

与标准齿轮相比，变位齿轮的齿厚发生了变化，故它的公法线长度与标准齿轮的公法线长度不等，两者的公法线长度之差为αsin 2mx 。

设w k '为被测齿轮跨k 个齿的公法线长度，w k 为相同模数m ，齿数z 和压力角α的标准齿轮跨k 个齿的公法线长度，所以有

αsin 2'mx w w k k =-

图3—1 公法线长度测量示意图

即 α

s i n 2'm w w x k

k -=

（3）

式中w k 可以从机械零件手册查出，将w k 的值代入式（3）中即可求出变位系数x 。

3．测定齿顶高系数h a * 和径向间隙系数C *

根据齿顶高计算公式 2

f

f d mz h -=

（4）

式中d f 为被测齿轮齿根圆直径，可用卡尺测得，然后求得齿根高。

另一齿根高计算公式 )(**

x C h m h a f -+= （5）

式中h a *和C *为未知，因为不同齿制齿轮的h a *和C *均为标准值，故分别将正常齿制h a *=1.0、C *=0.25和短齿制h a *=0.8、C *=0.3两组数值代入式（5），取最接近h f 值的一组h a *和C *为所测定值。

4．测定啮合角'α和中心距a '

如所测定的两个齿轮是一对互相啮合的齿轮，则根据所测得的这对齿轮的变位系数x 1和x 2，按公式（6）和（7）计算出它们的啮合角'α和中心距a '。

αααinv tg z z x x inv +++=

2

121)

(2'

（6）

图3—2 实际中心距测定示意图

'

cos cos )

(2'21αα

z z m a +=

（7） 实验时可用游标卡尺直接测定这对齿轮的实际中心距并与计算结果比较，求出中心距误差'a ?，测定方法如图3—2所示。

首先使这对齿轮作无侧隙啮合，然后分别测量齿轮内孔的直径d k1、d k2及尺寸b ，由此得：

)(2

1

'21k k d d b a ++= （8）

四、实验步骤

1．数出齿数，按表3—1查出跨齿数k ；

2．分别在每个齿轮的三个位置测出公法线长度wk+1、wk 及齿根圆直径df ，算出平均值作为测量结果；

3．逐个计算齿轮参数，填写实验报告。

五、思考题

1．两个齿轮参数测定后，怎样判断它们能否啮合及传动类型？

2．测量齿根圆直径d f 时，对于齿数分别为奇数和偶数的齿轮测量方法有什么不同？

六、实验报告

实验四转子动平衡

一、实验目的

1．学习和研究回转构件动平衡的实验方法；

2．掌握工业用软、硬支承动平衡机的基本工作原理和操作方法。

二、实验设备和工具

1．RYQ一30 平衡机，DTZ300通用平衡机指示器；

2．试件（在校正平面上具有校正孔的转子）；

3．平衡质量（与校正孔相应的螺钉、螺母和垫圈以及适量的橡皮泥）；

4．普通天平；

5．钢卷尺；

6．活动螺纹扳手。

三、实验原理

软支撑动平衡机实验原理如图4—1所示，硬支撑动平衡机测试原理与之类似。

图4-1 动平衡机实验原理结构图

动平衡机根据振动原理设计，支架2上方由螺栓与机架固定，转子 1 置于支架 2 的V 形槽内，通过万向联轴器或圈带驱动作回转运动。弹性支撑为薄弹簧钢板制作，在垂直方向上有大的刚度，而在水平方向上刚度很小。当转子 1 回转时，由于不平衡

质量的存在，将产生离心惯性力。

设惯性力为F , F = meω2，, Fx =Fcosωt，Fy=sinωt，Fx、Fy分别为 F 在x、y 方向的投影。由于弹性支撑在y 方向刚度很小，在周期性惯性力Fx作用下，支架2 沿x 方向振动。通过左、右传感器（其内有永久磁铁和线圈，使其作切割磁力线运动）对振动位移信号拾取，产生周期变化的感应电动势，不平衡量愈大，感应电动势愈大，由此获得不平衡量大小。不平衡量方向角由光电传感器测量，需在被测工件上设置不反光标记，以此作为方向角定位。上述信号通过电子线路进行放大、滤波等处理，最后通过外设（显示仪器）显示出被测转子的不平衡量大小和方位。根据平衡基本理论，对于质心与转动中心不重合的回转构件，它的不平衡量都可以认为是在两个任选回转面内，由向量半径分别为r1和r2的两个不平衡质量m1和m2所产生。因此，只需针对m1和m2进行平衡就可以达到回转构件动平衡的目的。使用动平衡机，分别测试所选定平衡校正平面内相应的不平衡质径积m1r1、m2r2的大小和相位，并加以校正，最后达到所要求的动平衡。

图4-2 动平衡机电路原理框图

被平衡的工件支承在动平衡机摆架上，经一定方式（圈带、联轴器、气动或自驱）使工件旋转，不平衡质量产生离心力激励摆架振动。左右振动传感器将振动信号转换成电信号输人到电测系统，光电传感器则为系统提供一个频率／相位基准信号。

系统软、硬件分工如下：硬件完成振动信号的处理任务，使系统具备良好的实时性；软件完成运算、控制和其他扩展功能的实现。信号预处理采用了多阶积分电路，用来抑制噪声，改善信噪比。程控放大器在计算机的控制下根据不平衡信号大小而改变增益。窄带跟踪式滤波器完成被测信号的信噪分离。A / D 转换器将经过滤波的信号（不平衡信号）进行采样、量化，输人计算机，它还完成对其他信号（如系统自检、转速信号）的采集。

电测系统软件所完成的基本任务有数据采集和计算、平面分离运算、过程控制（测量、显示、键盘和打印控制）、系统自检和系统定标。

四、实验步骤

1．机器的设置

在第一次使用本机或准备平衡新的工件时，可根据需要进行“工件参数设置”和“系统参数设置”。在这些设置中包括输入工件尺寸、工件形状、最终平衡精度、测量一锁定时间和桥架的种类（硬支承或软支承）等。“工件参数设置”和“系统参数设置”都在“主目录”中选择。在平衡测量状态下按【Esc】键弹出“主菜单”（图4—3 ）。

图4-3 主菜单

在主菜单中用【↑】、【↓】键移动菜单条，当落在“转子参数设置”或“系统状态设置”上时，按【Enter 】键，程序自动切换到所选设置中。如果在“主菜单”中不打算进人任一功能选项，可将菜单条移到最下方的“返回平衡测量”，并按【Enter】键即可返回平衡测量状态。

在主菜单中，“平衡机的校准（定标）”可由厂家或用户来校准整机的测量精度，以便准确进行平衡。具体操作详见“平衡机的校准（定标）”。

“系统自校”帮助用户确认电测部分的主要电路以及两个振动传感器（安装在机械桥架上）是否正常。具体操作详见“自检”。

“打印记录”可从打印机上输出“平衡报告”。“操作指南”可在屏幕上显示出一套完整的本电测系统的操作说明，方使用户随时查阅。

2．转子参数设置

进人“转子参数设置”，屏幕显示如图4-4。

图4-4 转子参数设置

使用【↑】、【↓】、【→】、【←】和【Enter】键，选定栏目输人数据并选择工件的支承方式。当黄色的光标移到最右一列时，用户可在这一列选择符合自己工件的支承方式。例如：工件的两个校正平面均在支承点的右侧，可选择第 4 种支承方式，将光标移到[4] 的位置，按【Enter】键即可看到左侧的图形发生相应的变化。另外，第8 种支承方式适用于单面立式的转子，其尺寸参数与双面转子有所不同，设置时应注意正确给出参数，以免系统错误。

输人工件型号及工件尺寸。使用数字键和字母键进行输人，最多可输人14 个字符。如果工件型号以前曾被输入过，可直接键入该工件型号，按【Enter 】键即可调出相应的a 、b 、c、r1和r2的尺寸数及工件的支承方式。若忘记型号，按" F10 ”键查询以前的工件型号记录。工件尺寸 a 、b 、c、r 1和r2可根据屏幕上工件图形的要求将工件实际尺寸输人，尺寸单位均为毫米。在“合格范围”一栏内所输人的数据代表工件左右两个支承点允许的振动量大小（以g · mm 为单位）。一般在被平衡工件的技术要求中有此数据，但要注意技术要求中的数据是否为单个支承的要求。

“平衡参数”栏中的“转速”一项可输人实际平衡转速，如800r / min ，则实际平衡时工件到达800r/ min 时，无需按【Enter】键即可自动进行测量。若不想自动测量，可输人任意一个很大的转速值。

“计算器”功能为用户提供一个可随时调出使用的数字计算器。若调出计算器，用户可进行加减乘除的四则运算。用完后可按【Esc】键关闭计算器。

“查阅转子记录”功能帮助用户查询原先输人的工件型号和相应的尺寸。查询后可

按【Esc】键关闭。凡被输人的工件型号及有关参数均在退出改设置后被永久记录。

如需要删除某种型号，可在返回平衡画面后，按【F】键进行操作，具体方法详见“快速更换或删除转子型号”。

3．系统状态设置

进人“系统状态设置”后，屏幕显示如图4-5所示。

图4-5系统状态设置

用【↑】、【↓】键移动亮条，选择所需设置的项目，并按【Enter】键确认。

“测量时间选择”功能用于设置一个时间值（代表从手动松锁测量至自动锁定的这段时间）。当使用时在其右侧出现一个小窗口，输人 3 ~150 之间的数字量，具体数值取决于用户对平衡效率和测量精度的综合考虑。一般测量时间长，测量精度也较高。若对精度要求不高，可减小时间值，以提高平衡效率。

“联轴器（夹具）补偿”功能可用于消除万向联轴器自身不平衡量对工件平衡的影响。进人后，屏幕显示“是否需要补偿？Y / N ”的提示。此时按【Y】键表示需要这种补偿；如果按【N】键为取消联轴器不平衡量补偿。

注意：在使用带驱动方式时，必须在此按【N】键，否则将造成平衡误差。

1）按【Y】键后，屏幕首先提示启动工件，当工件转速稳定后按【Enter】键开始测量。测量时间的长短由“测量时间设置”决定。测量结束其结果自动锁定。如果需要重测，可按下【Enter】键，机器重复前面的测量过程。当多次测量结果变化不大即可停车，至工件转速为零，按【Esc】键进行下一步操作。

2）按屏幕提示松开联轴器，将工件转180○与联轴器联接紧固，再次启动工件。转速稳定后，重复上一步骤中的操作。

3）停车，至工件转速为零，按【Esc】键，屏幕上出现“OK”，表示补偿的各步骤

全部结束，系统自动返回测量状态。在以后的测量中将按这次的补偿值对所用的联轴器自动消除其不平衡量。

机器和工件出下列变化时应重新进行该补偿：转子质量和尺寸发生变化；机械桥架（含联轴器）的位置发生变化。

4．平衡机的校准（定标）

硬支承平衡机的特点是永久性定标，即一次定标后，在平衡机的平衡范围内无需再次定标，如果转子尺寸或校正平面改变，只需给出新的数据系统即可自动校准；而软支承平衡机根据转子规格或平衡转速的改变需重新定标。建议使用校验工件或剩余不平衡量较小的工件，定标前应正确设置支承方式和 a 、b 、c、r1、r2尺寸，正确设置工件合格范围，正确设置平衡机的种类。

1）安装定标质量

分别在平面1 、平面2 校正半径上的已知角度（建议O o) ，安装已知重量的定标质量。定标质量m 的选取参考：3～10m0,m0为转子初始不平衡量值（m0应尽可能通过粗平衡控制在较小的数值）。

2）输入数据

将数据（定标质量、角度）填人表格，按【Esc】键退出数据输人，启动工件。当工件转速稳定后按【Enter】键开始测量。测量时间的长短由“测量时间设置”决定。测量结束其结果自动锁定。如果需要重测，可按下【Enter】键，机器重复前面的测量过程。当多次测量结果变化不大、停车至工件转速为零后，按【Esc】键进行下一步操作。

定标过程的具体步骤如图5所示。当定标结果栏内出现“ OK ”字样时，定标完毕，系统自动进人测量状态。

3）注意事项

（1）平衡某一型号的土件只需要定标一次。系统也允许在临时平衡某种转子时，随时进行定标。

（2）为保证定标精度，定标操作应在外界干扰、转动部分噪声尽可能小的条件下进行。

（3）若系统设置为“软支承模式”，在更换工件型号或者改变平衡转速的情况下，必须重新进行定标。

（4）若实际测量时光电传感器安放位置与定标时安放位置不一致，会产生不平衡角度的指示误差，可通过移动光电传感器位置的方法来消除角度误差，也可以通过再次定标消除角度误差。

（5）定标过程中，可按【Ctrl】＋【Q】组合键，中断定标操作。

（6）定标过程中，需注意各校正面在加重量和不加重量的情况下，指示值的大小

应有明显变化。

（7）定标过程中，每次测量显示的质量值与实际定标质量不完全一致，待定标结束后，返回平衡显示的质量应与实际质量一致。

图4-6 平衡机的校准（定标）操作步骤

5．测量

在正确完成机器的设置和校准后，可以开始某个工件的不平衡量的测量。屏幕所示功能如下：

1）在线帮助

对于测量画面所显示的内容或功能有疑惑的时候，可按下“ Fl " 键请求帮助。

2）合格圈

矢量图中的绿环代表合格圈，表示在“转子参数设置”中设定的工件合格范围（最大允许动载荷）。

3）测量

启动工件，转速稳定过程中，屏幕左下方的“信号稳定指示”灯亮，即可按【Enter】键开始测量。此时幅值、角度显示为黄色，自动锁定后变为红色，表明一次测量完毕。测量时间长短可在“系统状态设置”项选择。若在锁定状态下按【Enter 】键，可手动松锁光点，进行再一次测量。一次测量完后，停车校正工件，再启动可进行新的平衡测量。

4）结果保存

一次测量完毕后，若需要保留这次结果，可按【Delete】键，屏幕上部瞬时显示“正在存档… ”。

5）多次测量平均功能

在平衡活动叶片型工件时，由于工件本身结构的变化，每次测量的结果可能不相同，这时可使用平均功能。每一次测量完毕（锁定后），工件未停车时按【空格】键，可以将结果存人计算机，同时数据区中显示的不平衡量将重新计算，得出这几次测量的平均结果。屏幕中部显示已平均的次数。最多可将32 次测量值进行平均计算。要结束平均功能，可在停车时按【空格】键。

6）选择不平衡量校正方式

使用【＋】、【一】键选择加重或去重平衡方式。按【十】键需同时按下【Shift】键。

7）快速检查系统设置情况

按下【F2】键，在屏幕的左上角会弹出一个蓝色的窗口，上面列出诸如工件的有关尺寸、支承方式、测量时间、合格范围等内容，如图7所示。其中“系统参数”所指示的四个数值为机器内部参数，仅供调试用。“当前状态”显示的内容仅供查看．需要修改请参考“设置”一节。查看完毕按【Esc】键退出。

图4-7 快速检查系统设置情况