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2.适用专业年级

机械设计制造及其自动化专业2年级

3.实验课时分配

实验项目

实验要求

实验类型

每组人数

实验学时

实验一

预习实验报告

验证

1

2

实验二

综合

设计

实验四

实验五

3

4.实验环境

主要面向机械专业开展机械基础实验与机械系统创新设计及制作的实践教学。

机械原理实验室包括“常用机构陈列柜参观及创新设计盒功用熟悉”、“机构运动简图测绘分析”、“渐开线齿阔范成原理”、“基本机构运动参数测量与分析”、“回转构件的动平衡”等。

5.实验总体要求

首先，学生应认真预习实验教材，明确实验的目的与要求，掌握与实验相关的理论知识，了解要做实验对象的内容；

其次，了解实验所用的设备和仪器，实验时了解使用方法和操作过程，实验后对测试数据进行数据处理。

6.本课程的重点、难点及教学方法建议

1.了解典型的机械加工设备的工作原理，各组成部分及其功用，认知机、电、液在机械设备上的应用，重点认知真实机器上的常见机构及其作用。

2.初步掌握测绘机构运动简图的技能；

验证和巩固机构自由度的计算，并明确自由度数与原动件数的关系。

3.加深对机构组成原理的认识，进一步了解机构组成及其运动特性；

提高工程实践动手能力；

增强创新意识及综合设计的能力。

通过创意方案的组合设计，启发创造性思维和培养动手能力。

4.掌握齿轮范成加工原理和齿轮参数的测量方法。

5.加深对回转构件平衡原理的理解，初步掌握动平衡实验的基本方法和了解动平衡机的原理结构。

实验一机构运动简图的测绘和分析

一、实验目的

了解机器的组成；

了解常见机构的类型、特点、用途、基本原理以及运动特性，对机构有一个全面的感性认识；

培养对机械原理课程学习兴趣。

二、实验主要设备及使用要求

机械原理陈列柜

三、实验原理、方法和手段

机器是由各种各样的机构组成，机构是机器的运动部分，即剔除了与运动无关的因素而抽象出来的运动模型。

机械原理课程就是研究机构的课程，它以高等数学、普通物理、机械制图和理论力学等课程为基础。

通过机构认知了解常用机构的组成、运动转换形式以及在实际机械中的应用情况，为后续课程的学习打下坚实的基础。

四、实验内容与步骤

1、了解机器的组成、机构的组成及机构运动简图的表达

2、了解平面连杆机构的基本知识

（1）铰链四杆机构的类型

（2）单移动副四杆机构的类型

（3）平面连杆机构的应用

3、了解凸轮机构的基本知识

（1）凸轮机构的类型

（2）凸轮机构的应用

4、了解齿轮机构的基本知识

（1）齿轮机构的组成

（2）齿轮机构的分类

（3）渐开线齿轮的参数及齿形

5、了解轮系的而基本知识

6、了解间歇运动机构的基本知识

（1）棘轮机构

（2）槽轮机构

（3）不完全齿轮机构

（4）凸轮式间歇机构

7、了解组合机构的基本知识

（1）机构的串联组合

（2）机构的并联组合

8、了解空间连杆机构的基本知识

五、思考题

1.以一个机器模型为例，说明该机器由哪些机构组成，其基本工作原理是怎样的？

2.铰链四杆机构是如何进行分类的？

就各种类型举出一个应用实例。

3.凸轮机构中按推杆的端部形状不同可分为哪几种类型？

试分析各种类型的主要特性。

4.渐开线齿轮的主要参数有哪些？

简要说明各参数对轮齿产生的影响。

5.轮系是如何进行分类的？

试举出1~2个实例，说明轮系在生产实践中的应用。

六、注意事项及其它说明

1、复习教材有关内容，理解常见机构组成的相关原理。

2、预习实验指导书中关于常见机构的类型、特点及用途。

3、写出预习实验报告。

要求写出目的、实验仪器用具、相应实验原理，详细的实验步骤。

实验二机构运动简图的测绘和分析

1.了解生产中实际使用的机器的用途、工作原理、运动传递过程、机构组成情况和机构的结构分类。

2.初步掌握根据实际使用的机器进行机构运动简图测绘的基本方法、步骤和注意事项。

3.加强理论实际的联系，验算机构自由度、进一步了解机构具有确定运动的条件和有关机构结构分析的知识。

1、各种机构模型。

2、钢板尺、卷尺、卡尺、角度尺。

3、铅笔、橡皮、三角板、圆规及草稿纸（此项自带）。

从运动学观点来看机构的运动仅与组成机构的构件和运动副的数目、种类以及它们之间的相互位置有关，而与构件的复杂外形、断面大小、运动副的构造无关，为了简单明了的表示一个机构的运动情况、可以不考虑那些与运动无关的因素（机构外形，断面尺寸、运动副的结构）。

而用一些简单的线条和所规定的符号表示构件和运动副（规定符号见教材表2-1）并按一定的比例表示各运动副的相对位置，以表明机构的运动特性。

1、缓慢转动被测机构的原动件、找出从原动件到工作部分的机构传动路线。

2、由机构的传动路线找出构件数目、运动副的种类和数目。

3、合理选择投影平面，选择原则：

对平面机构运动平面即为投影平面。

对其它机构选择大多数构件运动的平面作为投影平面。

4、在草稿纸上徒手按规定的符号及构件的联接顺序。

逐步画出机构运动简图的草图，然后用数字标注各构件的序号，用英文字母标注各运动副。

5、仔细测量机构的运动学尺寸、如回转副的中心距和移动副导路间的相对位置、标注在草图上。

6、在图纸上任意确定原动件的位置、选择合适的比例尺把草图画成正规的运动简图。

比例尺的选定如下：

式中：

——比例尺（单位：

米／毫米）

——构件的实际长度（单位：

米）

——图纸上表示构件的长度（单位：

毫米）

7、分析机构运动的确定性。

计算机构的自由度数，并将结果与实际机构的原动件数相对照，若与实际情况不符，要找出原因及时改正。

1．测绘结果及分析

编号

机构名称

比例尺（m/mm）

机构运动简图

机构运动的确定性

F=3n-2PL-PH

=3×

（）-2×

（）-（）

=

原动件数：

运动是否确定：

机

构

运

动

简

图

2．思考题解答

1.一张正确的机构运动简图应包括哪些必要的内容？

2.绘制机构运动简图时，原动件位置能否任意选定？

会不会影响运动简图的正确性？

3.机构自由度大于或小于原动件数时会产生什么结果？

1、复习教材有关内容，理解机构运动简图绘制的相关原理，运动副的类型和特点。

熟悉运动简图绘制的全过程。

2、预习实验指导书关于各运动模型的使用方法及注意事项。

实验三渐开线齿廓的范成实验

1.掌握用范成法加工渐开线齿轮的切齿原理，观察齿轮的渐开线及过渡曲线的形成过程；

2.了解渐开线齿轮产生根切现象和齿顶变尖现象的原因及用变位来避免产生根切的方法；

3.分析、比较渐开线标准齿轮和变位齿轮的异同点。

1.齿轮范成仪。

2.自备：

Ø

320MM圆形绘图纸1张（圆心要标记清楚），圆规、直尺、剪刀、铅笔、橡皮、计算器。

1、压板2、大圆盘（轮坯）3、齿条型插齿刀具

4、滑块5、6固定螺母7、底板

1.齿轮与齿条啮合时，其相对运动可视为是齿轮分度圆沿齿条节线做纯滚动。

如果将齿条换为齿条刀具，图纸换为齿坯使它们保持上述相对运动，再使齿条刀具沿齿坯轴心线方向作切削运动就可加工出齿轮，这种方法称为范成法（滚切法）。

2.加工标准齿轮：

齿条刀具线（模数线）与被加工齿轮分度圆相切。

3.加工变位齿轮：

齿条刀具中线与被加工齿轮分度圆二者分离。

4.刀具中线相对齿坯中心外移为正变位，刀具中线内移为负变位。

一）实验内容

1.已知被加工齿轮的模数m＝8mm，齿数z＝17，变位系数分别为x1＝0，x2＝-0.3125，x3＝+0.3125；

三种齿廓每种都须画出两个完整的齿形，比较这三种齿廓。

2.判断所画齿轮齿廓曲线有无根切并指出。

3.分析标准齿轮与变位齿轮的基本参数和几何形状哪些相同，哪些不同，为什么?

二）实验步骤

1.分别计算其分度圆、基圆、齿顶圆、齿根圆直径（变位齿轮均按等移距变位齿轮传动计算），并填入实验报告表内。

2.将Ø

320MM圆形绘图纸分成三等分，即圆心角各位120度，并轻轻画出各自的角平分线；

再画出分度圆、基圆及各自的齿顶圆和齿根圆，其参数及尺寸应分别标注清楚，将各自的齿顶剪出，并在圆心处（圆心一定要找准）挖出一个Ø

34MM的孔。

以上步骤在实验课前完成。

3.取m＝8mm的齿条刀具模型和Ø

320MM圆形绘图纸，分别将其安装在齿轮范成仪上。

然后将刀具滑板4先移到中间，使X1=0区间进入被切削范围。

为确保轮坯中心与圆盘2中心对准，必须使其角平分线与范成仪上的径向线对准，并使刀具中线与轮坯分度圆相切且垂直于角平分线；

使刀具顶线与轮坯齿根圆相切。

来回移动刀架滑板4，直到满足以上要求，再拧紧蝶形螺母，通过压板1压紧轮坯，固定紧齿条刀具。

移动滑板4，使刀具某一侧刃线通过轮坯中心，画出轮坯上的这条径向线，再将滑板4移到左边位置，准备进行切削。

4.每当把滑板4向右推动一个较小的距离时（3-4mm），在代表轮坯的圆形纸上，将铅笔笔尖始终紧贴着刀具轮廓描下刀刃的位置，表示齿条插刀切削一次的刀刃痕迹。

应控制使其间距匀称，表示等速范成。

重复描绘，直到形成2-3个完整齿形为止。

仔细观察齿廓的形成过程，可清楚的看到被切去的部分成齿槽，留下的部分为由直线刀刃范成包络而成的渐开线轮齿。

到刀具侧刃与事先画好的轮坯径向线共线时，表示轮齿的渐开线齿廓已全部切成，观察这条径向线内的轮齿根部有无被切去的部分。

5.将滑板退回到左边位置，松开压板1，将轮坯转到负变位齿轮区间，按步骤3的要求调整、定位。

但刀具应靠近轮坯中心x2m，刀具顶线与齿根圆相切，这时与轮坯分度圆相切的是与刀具中线平行的另一条刀具节线。

重复上一步骤，绘制出负变位齿轮的轮廓。

6.与步骤5类似，但使齿条刀具远离轮坯中心x3m，绘制正变位齿轮的轮廓。

观察比较标准齿轮、正变位齿轮、负变位齿轮的齿形变化和其齿厚、齿槽宽、周节、齿顶厚、基圆齿厚、齿顶圆直径、齿根圆直径有无变化，相对变化的特点以及根切现象、齿顶变尖现象。

1）刀具参数

m/mm

2）齿轮参数（mm）

模数

项目

z

M=

3）齿轮尺寸计算

名称

计算公式

计算结果/mm

标准齿轮

正变位齿轮

负变位齿轮

分度圆直径

基圆直径

变位系数

齿顶圆直径

齿根圆直径

齿距

齿厚

齿槽宽

齿全高

齿顶高

齿根高

齿形变化特点

1.齿条刀具的齿顶高和齿根高为什么都等于

？

2.通过实验，说明你所观察到的齿廓曲线是怎样形成的根切现象是怎样的？

原因何在？

避免根切的方法有哪些？

3.本实验的标准齿轮和负变位齿轮有无根切现象？

为什么？

1、复习教材有关内容，理解齿轮加工的相关原理。

熟悉范成法加工齿轮的全过程。

2、预习实验指导书关于实验的方法及注意事项。

实验四渐开线齿轮参数的测定实验

1、掌握应用游标卡尺测定渐开线直齿圆柱齿轮基本参数的方法。

2、巩固并熟悉齿轮的各部分尺寸、参数之间的关系和渐开线的性质。

1．待测齿轮两个：

齿数为奇数和偶数的齿轮各一个。

2．量具：

游标卡尺。

.

3．附表：

标准直齿圆柱齿轮的跨齿数k及公法线长度W’（m=1mm,α=20︒）。

4．计算器和笔（自备）。

1．测定模数m

如图1所示，当卡脚在被测齿轮上跨k个齿时，其公法线长度为

Wk=（k-1）Pb+Sb，

同理，若跨K+1个齿时，其公法线长度应为

Wk+1=kPb+Sb

则：

WK+1-Wk=Pb

又因Pb=πmcosα，若α=20︒，

故：

m=

=

图1

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，两者之差就是公法线长度的增量，它等于2xmsinα。

设Wk为被测齿轮跨k个齿的公法线长度，W’k为同样m、z和α的标准齿轮。

跨k个齿的公法线长度（查附表或教科书），则Wk-W’k=2xmsinα

即：

x=

1．数出齿数z（奇数、偶数齿轮各做一个，并记下编号）。

2．量取齿顶圆直径da，齿根圆直径df（各量三次，取平均值）。

偶数：

直接测量，如图2所示。

奇数：

间接测量，如图3所示。

da=D+2H1

df=D+2H2

图2图3

3．按附表（或教科书）查取跨齿数k，测量公法线长度：

Wk、Wk+1（各量三次，取平均值）。

4．确定模数m并取标准值：

（α=20︒）

5．计算变位系数x（Wk为平均值，W’k为标准值）：

x=

6．判断是否为变位齿轮

当x>

0时，为正变位齿轮；

当x<

0时，为负变位齿轮；

当x=0时，为标准齿轮。

因为考虑测量值的误差，故∣x∣>

0.1时定为是变位齿轮，否着为标准齿轮。

1.测定结果

数据

齿轮编号：

z=

平均值

da

df

跨齿数k

Wk

Wk+1

Pb=Wk+1-Wk

α

m

m=

=

W’k

x

结论

2.思考题解答

1．测量公法线长度时，把卡尺的量足放在渐开线齿廓的不同位置上，对所测得的公法线长度有无影响？

2．齿轮的哪些误差会影响本实验的测量精度？

3．两个齿轮的参数测定后，怎样判断它们能否正确啮合？

如能，又怎样判断它们的传动类型？

1、复习教材有关内容，理解模数和变位系数测定的相应原理，熟悉实验步骤。

2、写出预习实验报告。

要求写出实验目的、实验仪器用具、模数测定和变位系数测定的原理，实验步骤。

实验五刚性转子的动平衡实验

1.了解动平衡实验台的工作原理及操作特点；

2.掌握刚性转子动平衡设计的原理和方法；

3.掌握在动平衡机上对刚性转子进行动平衡测试的原理和方法。

1.动平衡实验台1台

2.平衡用磁钢若干

3.笔、纸等文具

（一）智能型动平衡测试实验台的主要技术参数

1.输入电源：

单相三线AC220V±

10%50Hz

2.工作环境：

温度-10℃～＜+40℃相对湿度＜85%（25℃）海拨＜4000m

3.设有电流型漏电保护，I△n≤30mA，动作时间≤0.1s，容量10A

4.单相交流电机1台：

功率120W，额定电流0.98A，额定转速2800r/min，电容4µ

F/45

5.数显转速表1个：

显示转子的转速

6.压电传感器：

两只，量程500N

7.转子直径：

Φ42mm

8.两支承间距离：

50～400mm

9.支承轴径范围：

Φ3～42mm

10.圆带传动处轴径范围：

Φ25～80mm

11.转子转速：

分1625r/min、2400r/min两档

（二）实验台电源仪表控制部分操作说明

本实验台由电源仪表采集控制部分和机械部分两部分组成。

电源仪表采集控制部分包括电源总开关（即漏电保护器）、电源指示灯、一只数显转速表、电机开关和数据采集部分。

1.实验前先将实验台左后侧的单相电源线插头与实验室内电源AC220V市电接通。

2.实验台面板左侧的漏电保护器是整个实验台的电源总开关，打开后，红色电源指示灯亮，数显转速表可以正常显示。

3.实验台面板上红色的“电机开关”按钮，控制交流电机的转动。

按下红色“电机开关”按钮，指示灯亮，电机顺时针旋转。

（三）实验用磁钢参数

1.动平衡设计原理

在转子的设计阶段，尤其在设计高速转子及精密转子结构时，必须进行平衡计算，以检查惯性力和惯性力矩是否平衡。

若不平衡则需要在结构上采取措施，以消除不平衡惯性力的影响，这一过程称为转子的平衡设计。

转子的平衡设计分为静平衡设计和动平衡设计，静平衡设计指对于径宽比D/b≥5的盘状转子，近似认为其不平衡质量分布在同一回转平面内，忽略惯性力矩的影响；

动平衡设计指径宽比D/b＜5的转子（如多缸发动机的曲轴、汽轮机转子等），其特点是轴向宽度较大，偏心质量可能分布在几个不同的回转平面内，因此不能忽略惯性力矩的影响。

此时，即使不平衡质量的惯性力达到平衡，惯性力矩仍会使转子处于不平衡状态。

由于这种不平衡只有在转子运动的情况下才能显示出来，因此称为动不平衡。

为了避免动不平衡现象，在转子设计阶段，根据转子功能要求设计了转子后，需要确定出各个不同回转平面内偏心质量的大小和位置，然后运用理论力学中平行力合成与分解的原理将每一个离心惯性力分解为分别作用于选定的两平衡基面内的一对平行力，并在每个平衡基面内按平面汇交力系求解，从而得出两个平衡基面分别所需的平衡配重的质径积大小和位置，然后在转子设计图纸上加上这些平衡质量，使设计出来的转子在理论上达到平衡。

2.动平衡实验台工作原理

把被平衡的转子置于支承系统左右摆架上，电机通过带传动方式驱动转子旋转，其不平衡质量将产生离心惯性力，支承系统摆架在该力的作用下产生振动，左右压力传感器通过转换装置将振动信号转换成电信号输入到电测系统，光电传感器则为系统提供一个频率/相位基准信号。

电测系统硬件完成振动信号处理任务，使系统具有良好的实时性，其软件完成数据采集和计算、平面分离运算、过程控制等任务，最后通过计算机屏幕显示或打印机输出左右不平衡质量大小和相位以及数据分析曲线。

3.动平衡机的构造

动平衡机主要是由计算机、数据采集器、高灵敏度有源压力传感器和光相位传感器等组成。

现以THMPH-2型智能型动平衡机为例，介绍其主要结构（压力传感器在3后面），如图1所示。

1.光电传感器；

2.转子；

3.硬支承摆架组件；

4.减振底座；

5.传动带；

6.电机；

7.零位标志；

经过平衡设计的转子在理论上是完全平衡的，但是由于制造和装配上的误差及材质不均匀等原因，实际生产出来的转子在运转时还会出现不平衡现象，由于这种不平衡现象在设计阶段是无法确定和消除的，因此需要用试验的方法对其做进一步平衡。

这种平衡通常都是在动平衡机上进行的，通过动平衡机测量出平衡基面上不平衡质量的大小和相位，然后进行配重或去重最终达到所要求的平衡精度。

下面介绍实验用THMPH-2型智能型动平衡实验台进行测量的实验步骤：

1.系统标定

（1）点击软件窗口中的“系统标定”功能键，屏幕上出现“设置标定”窗口。

将两块1.87g重的磁铁分别放置在标准转子左右两侧的零度位置上，在标定数据输入窗口框内，将相应的数值分别输入“左不平衡量”、“左方位”、“右不平衡量”及“右方位”的数据框内（按以上操作，左、右不平衡量均为1.87g，左右方位均是零度），启动动平衡试验机，待转子转速平稳运转后，点击“开始标定”，下方的蓝色进度条会作相应变化，上方显示框显示当前转速及正在标定的次数，标定值是多次测试的平均值。

如下图所示：

（2）标定次数可以在“设置标定次数”框内手工输入（该值不宜设置的太小，标定次数越多，则标定数据越准确，同时需要的标定时间也越长），一般默认的次数为20次。

标定完成后应按“保存标定结果”键完成标定操作，完成标定后，按“返回系统”键，即可进入转子的动平衡实际检测界面。

标定测试时，在仪器标定窗口“测试原始数据”框内显示的四组数据，是左右两个支撑输出的原始数据。

如在转子左右两侧，同一角度，加入相同重量的不平衡块，而显示的两组