机械设计基础实训指导书.doc

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《机械设计基础》

实验指导书

二零零九年十一月

机械设计基础实训规则及要求

一、作好实训前的准备工作

（1）按各次实训的预习要求，认真阅读实训指导复习有关理论知识，明确实训目的，掌握实训原理，了解实训的步骤和方法。

（2）对实训中所使用的仪器、实训装置等应了解其工作原理，以及操作注意事项。

（3）必须清楚地知道本次实训须记录的数据项目及其数据处理的方法。

二、严格遵守实训室的规章制度

（1）课程规定的时间准时进入实训室。

保持实训室整洁、安静。

（2）未经许可，不得随意动用实训室内的机器、仪器等一切设备。

（3）作实训时，应严格按操作规程操作机器、仪器，如发生故障，应及时报告，不得擅自处理。

（4）实训结束后，应将所用机器、仪器擦拭干净，并恢复到正常状态。

三、认真做好实训

（1）接受教师对预习情况的抽查、质疑，仔细听教师对实训内容的讲解。

（2）实训时，要严肃认真、相互配合，仔细地按实训步骤、方法逐步进行。

（3）实训过程中，要密切注意观察实训现象，记录好全部所需数据，并交指导老师审阅。

四、实训报告的一般要求

实训报告是对所完成的实训结果整理成书面形式的综合资料。

通过实训报告的书写，培养学习者准确有效地用文字来表达实训结果。

因此，要求学习者在自己动手完成实训的基础上，用自己的语言扼要地叙述实训目的、原理、步骤和方法，所使用的设备仪器的名称与型号、数据计算、实训结果、问题讨论等内容，独立地写出实训报告，并做到字迹端正、绘图清晰、表格简明。

目录

实验一平面机构运动简图的测绘和分析实验.........................4

实验二齿轮范成原理实验.........................................8

实验三渐开线直齿圆柱齿轮的参数测量实验..........................13

实验四组合式轴系结构设计与分析实验..............................19

实验五机械传动性能综合测试实验..................................32

实验一平面机构运动简图的测绘和分析

一、实验目的

（1）学会根据实际机械或模型的结构测绘机构运动简图；

（2）验证和巩固机构自由度计算。

二、实验要求

（1）正确判别两种运动副及其数量；

（2）绘制出２～４种平面机构的运动简图；

（3）对照实验机械，理解计算机构自由度的目的。

三、实验设备和工具

（1）各种机械实物；

（2）各种机构模型；

（3）钢板尺；

（4）外卡钳；

（5）铅笔与橡皮（自备）；

（6）草稿纸（自备）。

四、实验原理

在分析和研究机构运动时，为了使问题简化，便于分析，可以不考虑构件的外形、构件的截面尺寸和运动副的实际构造，只用简单的线条和符号来代表构件和运动副，并按一定的比例尺表示运动副的相对位置，以此来说明实际机构的运动特征。

五、测绘步骤和方法

（1）测绘时使被测的机器或模型缓慢地运动，从原动件开始仔细观察机构运动，分清各运动单元，从而确定组成机构的构件数目；

（2）根据相互联接两构件的接触情况和相对运动的性质，确定各个运动副的种类；

（3）选取平行于机构运动的平面为视图平面，使其能表示某一个瞬时的机构位置，且要求在此位置时的各构件不相互重叠；

（4）在草稿纸上徒手按规定的符号和构件联接的次序逐步画出机构运动简图的草图。

然后用数字1、2、3……分别标注各构件，用字母A、B、C……分别标注各运动副；

μ

（5）仔细测量机构的运动学尺寸（如回转副的中心距，移动副导路间的夹角等），任意假设原动件的位置，并按一定的比例尺将草图苏画成规范的机构运动简图，简图比例尺用μ表示，即

（6）计算各机构的自由度数，并将结果与实际相对照，观察是否相符。

六、思考题

1．1一个正确的平面机构运动简图，应能说明哪些内容？

1．2绘制平面机构运动简图时，原动件的位置为什么可以任意假定？

会不会影响简图的正确性？

1．3平面机构自由度的计算，对测绘平面机构运动简图有何帮助？

平面机构运动简图的测绘和分析

姓名

班级

成绩

指导教师

组别

实验日期

实验结果

机构名称

1、

2、

实测尺寸

自由度计算

n=p1=pn=

n=p1=ph=

W=

W=

机构运动简图

机构名称

3、

4、

实测尺寸

自由度计算

n=p1=pn=

n=p1=ph=

W=

W=

机构示意图

实验结果分析和讨论

实验二齿轮范成原理实验

一、实验目的：

1、掌握用范成法加工渐开线齿廓的切齿原理，观察齿廓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发生根切的方法；

3、分析、比较渐开线标准齿轮和变位齿轮齿形的异同点。

4、（选作）分析、比较分度圆相同、模数不同的两种标准渐开线齿轮齿形的异同点。

二、实验设备和用具：

1、齿轮范成仪；

2、自备：

￠220㎜圆形绘图纸一张（圆心要标记清楚）；

3、HB铅笔、橡皮、圆规（带延伸杆）、三角尺、剪刀、计算器。

三、实验原理：

范成法是利用一对齿轮（或齿条与齿轮）相互啮合时其共轭齿廓互为包络线的原理来加工齿廓的方法。

刀具刃廓为渐开线齿轮（齿条）的齿形，它与被切削齿轮坯的相对运动，完全与相互啮合的一对齿轮（或齿条与齿轮）的啮合传动一样，显然这样切制得到的轮齿齿廓就是刀具的刃廓在各个位置时的包络线。

本范成仪所用的两把刀具模型为齿条型插齿刀，其参数为m1=20mm和m2=8，a=20°，ha*=1，c*=0.25。

仪器构造简图如图1所示。

圆盘2代表齿轮加工机床的工作台；固定在它上面的圆形纸代表被加工齿轮的轮坯，它们可以绕机架5上的轴线O转动。

齿条3代表切齿刀具，安装在滑板4上，移动滑板时，齿轮齿条使圆盘2与滑板4作纯滚动，用铅笔依次描下齿条刃廓各瞬时位置，即可包络出渐开线齿廓。

齿条刀具3可以相对于圆盘作径向移动，当齿条刀具中线与轮坯分度圆之间移距为xm时（由滑板4上的刻度指示），被切齿轮分度圆则和与刀具中线相平行的节线相切并作纯滚动，可切制出标准齿轮（xm=0）或正变位（xm＞0）、负变位（xm＜0＝齿轮的齿廓。

图1

1、压板2、圆盘3、齿条刀4、滑板5、机架

四、实验内容：

本实验可分必做与选做两部分。

必须要求完成切制m=20mm、z=8的标准、正变位（x1=0.5）和负变位（x2=-0.5）渐开线齿廓，三种齿廓每种都须画出两个完整的齿形，比较这三种齿廓。

选做要求完成切制m1=20mm、z1=8和m2=8mm、z2=20的标准渐开线齿廓，两种齿廓每种都须画出两个完整的齿形，比较这两种齿廓。

五、实验步骤：

1、按m=20mm、z=8、=20°、ha*=1、c*=0.25、x1=0.5、x2=-0.5分别计算标准、正复位、负变位三种渐开线齿廓的分度圆直径d、齿顶圆直径da、齿根圆直径df、基圆直径db和标准齿轮的周节P、分度圆齿厚S、齿间距e。

将作为轮坯的圆形绘图纸均分为三个扇形区，分别在三个扇形区内画出三种齿廓的上述四个圆d、da、df、db。

此步骤应在实验课前完成。

2、绘制标准齿轮齿廓

（1）将轮坯圆纸安装在范成仪上，使标准齿扇形区正对齿条位置，旋紧螺母用压板1压紧圆纸；

（2）调整齿条刀3位置，使其中线与轮坯分度圆相切，并将齿条刀3与滑板4固紧；

（3）将齿条刀推至一边极限位置，依次移动齿条刀（单向移动，每次不超过1mm），并依次用铅笔描出刀具刃廓各瞬时位置，要求绘出两个以上完整齿形。

（4）测量分度圆齿厚S、齿间距e，并观察根切现象。

3、绘制正变位齿轮齿廓。

（1）松动压紧螺母，转动轮坯圆纸，将正变位扇形区正对齿条位置，并压紧圆纸；

（2）将齿条刀3中线调整到远离齿坯分度圆x1m=0.5×20=10mm处，并将齿条刀3与滑板4固紧；

（3）绘制出两个以上完整齿形（重复2（3）步）；

（4）观察此齿形与标准齿形的区别（齿根、齿根及分度圆S、e）。

4、绘制负变位齿轮齿廓。

（1）松动压紧螺母，转动齿坯圆纸，将负变位扇形区正对齿条位置，并压紧圆纸；

（2）将齿条刀3中线调整到靠近齿坯圆中心，距分度圆

处，并将齿条刀3与滑板4固紧；

（3）绘制出两个以上完整齿形（重复2（3）步）；

（4）观察此齿形与标准、正复位齿形的区别及根切现象。

5、选作部分

（1）按m1=20mm、z1=8、=20°、ha*=1、c*=0.25及m2=8mm、

=20°、ha*=1、c*=0.25制作轮坯分别计算并画出上述两种廓标准齿轮的分度圆d、齿顶圆da、齿根圆df、基圆db；

（2）绘制m1=20mm、z1=8、=20°、ha*=1、c*=0.25的标准齿轮齿廓；

（3）绘制m2=8mm、z2=20、=20°、ha*=1、c*=0.25的标准齿轮齿廓；

（4）比较上述两种标准齿轮齿廓的异同点。

六、思考题

1、用范成法加工齿轮时齿廓曲线是如何形成的？

2、试比较标准齿轮、正变位齿轮、负变位齿轮的齿形有什么不同？

并分析其原因。

3、产生根切的原因是什么？

如何避免根切现象？

4、分度圆相同、模数不同的两标准齿轮齿形异同点是什么？

七、渐开线齿廓范成原理实验报告格式（附表）

八、范成齿廓的轮坯图样（见图2）

渐开线齿廓的范成原理实验报告

专业班级姓名日期

同组人指导老师成绩

1、标准齿轮：

第一组m1=20mm、z1=8、=20°、ha*=1、c*=0.25

第二组m2=8mm、z2=20、=20°、ha*=1、c*=0.25

序号

项目

公式

计算结果

第一组

第二组

1

分度圆直径d

2

齿顶圆直径da

3

齿根圆直径df

4

基圆直径db

5

分度圆齿厚s

6

分度圆齿间e

2、变位齿轮：

m=20mm、z=8、=20°、ha*=1、c*=0.25；

正变位：

x1=0.5；负变位：

x2=-0.5。

序号

项目

公式

标准

正变位

负变位

1

分度圆直径d

2

齿顶圆直径da

3

齿根圆直径df

4

基圆直径db

5

齿条刀移距xm

6

分度圆齿厚S

7

齿顶圆齿厚Sa

8

齿根圆齿厚Sf

3、心得体会

实验三渐开线齿轮参数测定及啮合传动实验指导书

一、实验目的

1.测定渐开线直齿圆柱齿轮的几何参数；

（1）通过测量公法线长度确定模数m和压力角：

（2）通过测量齿顶圆直径da和齿根圆直径df，确定齿顶高系数ha*和顶隙系数c*；

（3）通过标准齿轮公法线长度与实测公法线长度的比较，判断齿轮的变位类型，并计算变位系数x，确定齿轮是否根切；

2.观察直齿圆柱齿轮的啮合传动过程，测定重合度。

3.确定变位齿轮的传动类型及啮合参数。

二、实验仪结构及实验原理

1.实验仪结构，如图1所示：

图1实验仪结构图

齿轮轴1、2固定在台板上，其中心距为100±0.027mm，齿轮1的轴颈上可分别安装2#、3#、5#、6#实验齿轮，齿轮2的轴颈上可分别安装1#、4#实验齿轮，1#齿轮可分别与2#、3#齿轮啮合，4#齿轮可分别与5#、6#齿轮啮合，共组成四对不同的齿轮传动。

实验仪还配有4块有机玻璃制的透明面板，面板相当于齿轮箱体的一部分，面板上刻有齿顶圆、基圆、啮合线等，两孔同时安装在齿轮轴1、2的轴颈上。

面板I和面板II分别用于齿轮1～2和齿轮1～3两对啮合传动，面板III和面板IV分别用于齿轮4～5和齿轮4～6两对啮合传动。

2.渐开线直齿圆柱齿轮参数测定原理

渐开线齿轮的基本参数有五个：

z、m、、ha*、c*，其中m、、ha*、c*均应取标准值，z为正整数。

对于变位齿轮，还有一个重要参数，即变位系数x，变位齿轮及变位齿轮传动的诸多尺寸均与x有关。

（1）通过测量公法线长度确定模数m和压力角α，见图2。

①确定跨齿数k：

②测量公法线长度和。

③确定模数m、压力角：

图2用游标卡尺测公法线长度

根据渐开线性质：

发生线沿基圆滚过的长度，等于基圆上被滚过的弧长。

所以

式中因一般只为20。

或15。

，m应符合标准模数系列，由此可试算确定齿轮的模数m和压力角。

（2）通过测量齿顶圆直径da与齿根圆直径df，确定齿顶高系数ha*和顶隙系数c*：

a）偶数齿齿轮b）奇数齿齿轮

图3齿轮da与df的测量

偶数齿齿轮的da、df可直接用游标卡尺测得，如图3（a）示。

奇数齿齿轮的da、df须间接测量，如图3（b）示。

da=D+2H1df=D+2H2

则：

h=（da－df）/2=H1－H2

对于标准齿轮h=（2ha*+c*）m，分别将ha*=1、c*=0.25（正常齿制）或ha*=0.8、c*=0.3（短齿制）代入，若等式成立，即可确定齿轮是正常齿或是短齿，进而确定ha*、c*。

若等式都不成立，则齿轮是变位齿轮，根据等式接近成立的原则，可确定齿轮是正常齿还是短齿，进而确定ha*、c*。

（3）计算变位系数x：

标准齿轮的公法线长度=mcos[（k－0.5）π+zinv]

变位齿轮的公法线长度=mcos[（k－0.5）π+zinv]+2xmsin

若测得与计算值相等，则x=0，该齿轮为标准齿轮；

若≠，则齿轮为变位齿轮，变位系数x：

（4）计算不根切的最小变位系数xmin：

要保证变位齿轮不产生根切，应满足：

sin2α

标准齿轮不根切的最小齿数为：

所以：

3.渐开线齿轮啮合传动过程

图4渐开线齿轮的啮合过程

一对渐开线出轮啮合传动，其理论啮合线是两基圆的内公切线N1N2，其实际啮合线是两齿顶圆与理论啮合线交点之间的线段（见图4），两轮轮齿在B2点开始进入啮合，接触点为从动轮的齿顶圆齿廓与主动轮齿根部位齿廓。

随着传动的进行，两齿廓的啮合点将沿着主动轮的齿廓，由齿根逐渐移向齿顶；沿着从动轮的齿廓，由齿顶逐渐移向齿根。

当啮合进行到B1点时，两轮齿廓即将脱离啮合。

为使两轮能够连续啮合传动，实际啮合线长度应大于（至少等于）齿轮的法向齿距Pn（亦即基节Pb），重合度εa：

5.变位齿轮传动类型及啮合参数的确定原理。

按照相互啮合的两齿轮变位系数和（x1+x2）值的不同，可将变位齿轮传动分为三种基本类型：

（1）x1+x2=0，且x1=x2=0即标准齿轮传动。

（2）x1+x2=0，且x1=-x2≠0称等变位齿轮传动，又称高度变位齿轮传动，亦称零传动。

（3）x1+x2≠0，称不等变位齿轮传动，又称角度变位齿轮传动。

其中：

①x1+x2＞0，称正传动；

②x1+x2＜0，称负传动。

三、实验步骤

1.数出各轮齿数，确定测量公法线长度的跨齿k。

确定跨齿数是为了保证在测量时，跨k及k+1个齿时卡尺的量爪均能与齿廓渐开线相切，并且最好能切于分度圆附近。

因式中，各轮的变位系数x和压力角尚未知，k无法算出。

现推荐各齿轮的跨齿数为：

k1=4；k2=2；k3=3；k4=3；k5=2；k6=4。

2.分别测出各齿轮的公法线长度、+1；

3.通过Pb=+1－=πmcosα确定各齿轮m、；

4.测量各偶数齿齿轮的da、df；

5.测量各奇数齿齿轮的D、H1、H2，算出da、df；

6.计算齿高，通过h=（2ha*+c*）m确定ha*、c*；

7.计算标准齿轮公法线长度=mcos[（k－0.5）π+zinvα]；

与比较：

若=，齿轮为标准齿轮x=0；

若≠，齿轮为变位齿轮，x=（－）/（2mcos）

8.通过判断各齿轮有无根切；

9.分别将齿轮1、2，齿轮1、3，齿轮4、5，齿轮4、6装在实验仪台板的齿轮轴上，再装上相应的面板（将其刻画面朝下），转动各对中的小齿轮，观察齿轮传动的啮合过程，注意啮合点位置的变化及其与啮合线的位置关系；

10.初测这四对齿轮的实际啮合线长度（当齿项顶圆与理论啮合线交点B2超出N1点位置时，实际啮合线长度为），并计算重合度εa；

11.判断这四对齿轮传动的类型，比较其特点，计算其啮合传动的几何参数。

四、注意事项

1.实验仪台板、被测齿轮及卡尺等应轻拿轻放，不要掉下，以免砸脚及损坏实验器材。

2.有机玻璃面板应将刻度面朝下（贴近齿轮端面）安装，板面应避免划痕。

3.实验时应携带渐开线函数表、计算器、刻度尺等。

4.实验步骤1～8为单个齿轮进行，9～11为装在实验台板上进行。

渐开线齿轮参数测定及啮合传动实验

实验报告

专业班级姓名日期

同组人指导教师成绩

实验仪器：

一、渐开线齿轮参数测定

被测齿轮

1#

2#

3#

4#

5#

6#

z

跨齿数k

m（mm）

da（mm）

df（mm）

ha*

c*

Wk

x

xmin

二、外啮合直齿圆柱齿轮传动的几何参数计算值

参数名称

符号

齿轮1—2

齿轮1—3

齿轮4—5

齿轮4—6

变位系数

传动类型

分度圆直径

基圆直径

啮合角

中心距

节圆直径

中心距变动系数

齿顶高变动系数

齿顶高

齿根高

全齿高

齿顶圆直径

齿根圆直径

分度圆齿厚

实际啮合线长

（测试）

重合度

三、思考题

1.齿轮的模数m和压力角是如何确定的？

测量齿轮的公法线长度应注意什么？

2.奇数齿齿轮的齿顶圆直径da、齿根圆直径df是如何测出的？

3.齿轮的齿顶高系数ha*、顶隙系数c*是如何确定的？

4.如何确定所测齿轮是否变位，变位系数如何确定？

5.如何判断所测齿轮是否根切？

这六个齿轮中有根切的是哪个（些）齿轮？

6.直齿圆柱齿轮传动的类型有哪些？

实际中心距a'与标准中心距a有何不同？

啮合角与压力角有何不同？

7.变位齿轮无侧隙啮合方程是什么？

如何实现一对变位齿轮传动既满足无侧隙啮合，又能满足具有标准顶隙c*？

8.变位齿轮传动的中心距变动系数y和齿顶高变动系数△y的含义是什么？

9.何为齿轮传动的理论啮合线、实际啮合线？

它们是如何画出来的？

10.1齿轮在分别与2、3齿轮啮合时，计算出的齿顶圆直径da为何不一样？

其实际的齿顶圆直径应如何选取？

12.简述直齿圆柱齿轮传动的啮合过程，一对齿廓的啮合点位置在主、从动齿廓及啮合线上是如何变化的？

13.何为齿轮传动的重合度εa？

它是如何计算的？

14.试比较当其它参数相同时=20°与=15°齿轮、正常制与短齿制齿轮在渐开线齿形、主要几何参数及啮合传动性能方面各有何不同？

实验四组合式轴系结构设计与分析实验

实验Ⅰ轴系结构设计实验

一、实验目的

熟悉并掌握轴系结构设计中有关轴的结构设计、滚动轴承组合设计的基本方法。

二、实验设备

1、组合式轴系结构设计分析实验箱。

实验箱提供能进行减速器圆柱齿轮轴系，小圆锥齿轮轴系及蜗杆轴系结构设计实验的全套零件。

2、测量及绘图工具

300mm钢板尺、游标卡尺、内外卡钳、铅笔、三角板等。

三、实验内容与要求

1、指导教师根据下表选择性安排每组的实验内容（实验题号）

实验题号

已知条件

齿轮类型

载荷

转速

其他条件

示意图

1

小直齿轮

轻

低

2

中

高

3

大直齿轮

中

低

4

重

中

5

小斜齿轮

轻

中

6

中

高

7

大斜齿轮

中

中

8

重

低

9

小锥齿轮

轻

低

锥齿轮轴

10

中

高

锥齿轮与轴分开

11

蜗杆

轻

低

发热量小

12

重

中

发热量大

2、进行轴的结构设计与滚动轴承组合设计

每组学生根据实验题号的要求，进行轴系结构设计，解决轴承类型选择，轴上零件定位固定轴承安装与调节、润滑及密封等问题。

3、绘制轴系结构装配图

4、每人编写实验报告一份

四、实验步骤

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（参看数材有关章节）;

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）;

（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。

6、测量零件结构尺寸（支座不用测量），并作好记录。

7、将所有零件放入实验