机械设计综合实验指导书及实验报告

机械设计综合实验指导书

及实验报告

何俊 冯鉴 雷代明

2008年4月

第一章 机械设计结构展示、分析与研究实验

机械设计结构展示、分析与研究实验是分析机械结构的基本实验，它是了解机械发展历史、提高机械结构设计能力以及进行机械结构创新性设计的重要实践基础。

“机械设计结构展示、分析与研究实验”包括机械发展史、机械设计结构展示与分析、2大基本模块，根据实验要求不同又分为感知(认知)型实验、基本型2种类型。

实验一 机械发展史展示实验(感知型)

一、实验目的

(1)了解机械发展历史，加深与扩展理论教学内容。 (2)了解机械发展的一些基本原理和规律，增强创新意识。

二、实验内容

(1)了解我国古代机械发展的历史。

(2)了解中世纪主要工业国家的机械发展历史。 (3)了解现代机械的发展情况。

三、实验装置

实验装置采用西南交通大学机械基础实验教学示范中心机械展示厅陈列的机械发展史陈列柜等装置。

四、实验步骤与方法

(1) 认真观察机械发展史陈列柜的各部分内容，聆听内容解说。

(2) 认真观察TVT-99C立体仓库模型及机械发展史陈列柜等现代机械装置的运动与工作过程。

(3) 根据实验要求，完成实验报告。

思考题

1．简述中华民族在古代机械发展历史中的地位与贡献。 2．简述机械发展的历史。

3．简述机械工业在国民经济中的地位及我国机械工业的现状。 4．总结由学习机械发展历史给你带来的思考。

实验二 机械设计结构展示与分析实验(基本型)

一、实验目的

(1)了解常用联接件、轴系零部件的类型和结构，掌握其特点与应用。 (2)了解常用机械传动的类型、工作原理、组成结构及失效形式。 (3)了解常用润滑剂及密封装置的类型、工作原理和组成结构。 (4)观察了解机械零部件的工作原理，加深与扩展理论教学内容。 (5)观察了解机械零件的失效形式，掌握机械设计的基本准则。

二、实验内容与要求

1．常用联接件、轴系零部件

(1)了解螺纹联接、键联接、花键联接、销联接的常用类型、结构形式、工作原理、受力情况、装配方式、防松原理及方法、失效形式及应用场合等。

(2)了解轴、轴承、联轴器与离合器等轴系零部件的类型、结构特点、工作原理、装配型式、常用材料、失效形式及应用场合等。 2．机械传动

(1)了解各种带传动的类型、结构特点、工作原理、运动特性、张紧方法及失效形式等。 (2)了解齿轮传动的类型、常用材料、加工原理、结构形式、工作原理、受力分析及失效形式等。

(3)了解蜗杆传动的类型、常用材料、结构形式、工作原理、受力分析、自锁现象及失效形式等。

(4)了解链传动的类型、结构形式、工作原理、运动特性及失效形式等。 (5)了解螺旋传动的类型、结构形式、工作原理、运动特性及失效形式等。 (6)了解摩擦轮传动的类型、结构形式、工作原理、运动特性及失效形式等。 3．润滑剂及密封装置

(1)了解润滑剂的类型、功用性能参数及应用场合等。

(2)了解润滑装置的类型、功用及应用场合等。

三、实验装置

实验装置采用西南交通大学峨眉校区机械基础实验教学示范中心机械展示厅陈列的机械设计陈列柜及实验示范中心配备的各种零部件、机械装置、现代机械产品：①联接件；②轴；③滚动轴承；④滑动轴承；⑤润滑与密封；⑥联轴器与离合器；⑦带传动；⑧齿轮传动；⑨蜗杆传动；⑩链传动；⑩螺旋传动；⑥现代机械等。

四、实验原理

1．常用联接件、轴系零部件

(1)联接及联接件。

机械是由各种不同的零件按一定的方式联接而成的。根据使用、结构、制造、装配、维修和运输等方面的要求，组成机器的各零件之间采用了各种不同的联接方式。

机械联接按照机械工作时被联接件间的运动关系，分为动联接和静联接两大类。被联

接件间能按一定运动形式作相对运动的联接称为动联接，如花键、螺旋传动等；被联接件间相互固定、不能作相对运动的联接称为静联接，如螺纹联接、普通平键联接等。 按照联接件拆开的情况不同，联接分为可拆联接和不可拆联接。允许多次装拆无损于使用性能的联接称为可拆联接，如螺纹联接、键联接和销联接等；必须破坏联接中的某一部分才能拆开的联接称为不可拆联接，如焊接、铆接和粘接等。

按照传递载荷的工作原理不同，联接又可分为力闭合(摩擦)、形闭合(非摩擦)和材料锁合的联接形式。力闭合(摩擦)联接靠联接中配合面间的作用力(摩擦力)来传递载荷，如受拉螺栓、过盈联接等；形闭合(非摩擦)联接通过联接中零件的几何形状的相互嵌合来传递载荷，如平键联接等；材料锁合联接利用附加材料分子间作用来传递载荷，如粘接、焊接等。 ①螺纹联接。

螺纹联接是利用螺纹零件构成的一种应用极为广泛的可拆联接。 根据螺纹牙的形状，螺纹可分为矩形、梯形、三角形和锯齿形等。

根据螺旋线的绕行方向，螺纹可分为左旋螺纹和右旋螺纹两种。在机械中一般采用右旋螺纹。

根据螺旋线的数目，螺纹又可分为单线螺纹和多线螺纹。单线螺纹常用于联接，多线螺纹常用于传动。

根据螺纹分布的位置，螺纹可分为外螺纹和内螺纹。内、外螺纹旋合组成的运动副称为螺纹(螺旋)副。

螺纹(螺旋)副的效率为：

??tan?tan(???v)

式中，A为螺纹的升角}。』D。为当量摩擦角。

螺纹(螺旋)副的自锁条件为：

???v

螺纹联接件多为标准件，常用的有螺栓、双头螺柱、螺钉和紧定螺钉等。

螺纹联接的防松措施按防松原理分为摩擦防松、机械防松、粘合防松和破坏螺纹副关系防松等方式。

②键联接。

键联接由键、轴与轮毂所组成，主要用来实现轴与轴上零件(如齿轮、联轴器等)之间的周向固定，以传递转矩；其中，有些键联接还能实现轴向固定以传递轴向载荷；有些则能构成轴向动联接。

键联接是标准件，其主要类型有：平键、半圆键、楔键和切向键等几大类。 ③花键联接。

花键联接是由周向均布多个键齿的花键轴和具有相应键齿槽的轮毂孔相配合而组成的可拆联接。花键联接为多齿工作，工作面为齿侧面，其承载能力高，对中性和导向性能好，对轴和毂的强度削弱小，适用于载荷较大、对中性要求较高的静联接和动联接。 花键联接按其齿的形状不同，常用的有矩形花键和渐开线花键两种。两者均已标准化。

④销联接。

销联接主要用作装配定位，也可用作联接(传递不大的载荷)、防松以及安全装置中的 过载剪断元件。

常用的销联接类型有：圆柱销、圆锥销、销轴、带孔销、开口销和安全销等，其均已标准化。

(2)轴系零部件。 ①轴。

轴主要用于支承做回转运动的零件，传递运动和动力，同时又受轴承支承，是机械中必不可少的重要零件。

根据所受的载荷的不同，轴可分为转轴(同时承受弯矩和转矩)、心轴(只承受弯曲，不传递转矩)和传动轴(主要承受转矩；不承受或只承受较小弯矩)3类。

根据轴线形状的不同，轴还可分为直轴、曲轴和软轴。直轴应用最广，它包括外径相同的光轴和各段直径变化的阶梯轴。

②轴承。

轴承是支承轴颈的部件，有时也用来支承轴上的回转零件。根据轴承工作时的摩擦性 质，轴承可分为滑动轴承和滚动轴承两类。 ◆滑动轴承

滑动轴承工作时的摩擦性质为滑动摩擦，组成其摩擦副的运动形式为相对滑动，因此摩擦、磨损就成为滑动轴承中的主要问题。为了减小摩擦、减轻磨损，通常应采用润滑手段。根据润滑情况，滑动轴承分为完全润滑(液体摩擦)轴承和非完全润滑(非液体摩擦)轴承两大类。滑动轴承的结构主要有整体式、剖分式和调位式等。

轴瓦是滑动轴承中直接与轴颈接触的零件，其工作表面既是承载面又是摩擦面，是滑动轴承的核心零件。轴承衬是为改善轴瓦表面的摩擦性质和节省贵金属而在其内表面上浇注的减摩材料。

轴瓦的主要失效形式是磨损和胶合，此外还有疲劳破坏、腐蚀等。

轴瓦和轴承衬的材料统称为轴承材料。常用的轴承材料为：轴承合金(巴氏合金)、青 铜、多孔质金属、铸铁、塑料等。 ◆滚动轴承

滚动轴承工作时的摩擦性质为滚动摩擦，具有摩擦阻力较小、启动灵活、效率高、组合简单、运转精度较高、润滑和密封方便、易于互换、使用及维护方便等优点，在中速、中载和在一般工作条件下运转的机械中应用广泛。

滚动轴承是标准件，其通常由外圈、内圈、滚动体和保持架构成。滚动体是滚动轴承的核心元件，其主要类型有球、圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子和滚针等。

滚动轴承的主要失效形式是点蚀、塑性变形和磨损，此外还有电腐蚀、锈蚀、元件破裂等。

③联轴器与离合器。 ◆联轴器

联轴器是联接两轴使之一起回转并传递转矩的部件，其特点是只有在机器停机后用拆卸的方法才能实现两轴分离。

实验四 单级机械传动装置性能参数测试实验(验证型) 一、实验目的

(1)掌握转速、转矩、传动功率、传动效率等机械传动性能参数测试的基本原理和万法。 (2)通过实验，了解各种单级机械传动装置的特点，对各种单级机械传动装置的传动功率大小范围有定量的认识。

(3)通过实验，了解带传动中的弹性滑动现象、打滑现象及其与带传动工作能力之间的天糸。

(4)通过实验，了解链传动的动态特性(多边形效应)及其对链传动的影响。

(5)了解ZJS50系列综合设计型机械设计实验装置的基本构造及其工作原理。、实验内容

二、实验内容

1．摩擦传动性能参数测试实验 (1)观察带传动的弹性滑动及打滑现象。 (2)绘制带传动效率曲线及滑动率曲线。 2．啮合传动性能参数测试实验 (1)绘制齿轮传动的效率曲线。 (2)绘制蜗杆传动的效率曲线。

(3)观察链传动的动态特性(多边形效应)，绘制链传动效率曲线。

三、实验装置与工作原理

实验装置采用西南交通大学研制的zJS50系列综合设计型机械设计实验装置。该实验装置是一种模块化、多功能、开放式的，具有工程背景的教学与科研兼用的新型机械设计综合实验装置，其主要由动力模块(库)、传动模块(库)、支承联接及调节模块(库)、加载模块(库)、测试模块(库)、工具模块(库)及控制与数据处理模块(库)等组成，通过对各模块(库)的选择及装配搭接，实现“带传动”、“链传动”、“齿轮传动”、“蜗杆传动”、等典型的单级机械传动装置性能测试，以及其他新型传动装置性能测试等的基本型实验，更可进行多级组合机械传动装置性能测试等的基本实验，形成如“带一齿轮传动”、“齿轮一链传动”、“带一链传动”、“带一齿轮一链传动”等多种组合传动系统的性能比较、布置优化等综合设计型实验及分析、研究相关参数变化对机械传动系统基本特性的影响、机械传动系统方案评价等研究创新型实验。 实验装置的基本组成如下： 1．动力模块(库)

(1)Y90I。一4电动机：额定功率1。5 kW；同步转速1 500 r／'min；额定电压下，最大转矩与额定转矩之比为2.3。

(2)MM420—15073变频器：用于控制三相交流电动机的速度；输入电压(380～480)v±10％；功率范围1．5 kW；输入频率47～63 Hz；输出频率0～650 Hz；功率因数0．98；

控制方法：线性．V∥控制，带磁通电流控制(FCC)的线性V／f控制，平方V／f控制，多点V／f控制。 。

2．传动模块(库)

(1)v带传动：带及带轮，z型带，带轮基准直径ddl=da2=106 mm。

(2)链传动：链及链轮，链号：08B，链节距户=12．70 1Ttrfl，链轮齿数：z1=z2=21。 (3)JSQ—XC—120齿轮减速器(斜齿)：减速比1：1．5，齿数Z1=38、z2=57，螺旋角β=8o16'38”，中心距a=120 mm，法面模数mn=2．5。 (4)NRV063蜗杆减速器：蜗杆类型ZA，_，轴向模数优=3．250，蜗杆头数z1=4，蜗轮齿数Z2=30，减速比1：7．5，中心距口=63 nUTI；松开弹簧卡圈可改变输出轴的方向。 3．支承联接及调节模块(库)

基础工作平台、标准导轨、专用导轨、电机一小传感器垫块一01、电机一小传感器垫块一02、小传感器垫块、大传感器垫块一01、大传感器垫块一02、蜗杆垫块一01、蜗杆垫块一02、磁粉制动器垫块、专用轴承座、新型联轴器(F'lexible Jaw Couplings)、带轮及链轮快速张紧装置(S；tock’raper’Bushings)，以及各种规格的联接件(键、螺钉、螺栓、垫片、螺母等)等。

4．加载模块(库)

(1)CZ一5型磁粉制动(加载)器：额定转矩50N·m，激磁电流0．8A，允许滑差功率4 kW。

(2)WI-一1A稳流电源：输入电压：AC220 V±10％，50／60 Hz；输出电流：0～1 A；稳流精度：1％。

5．测试模块(库)

(1)实验数据测试及处理软件：实验教学专用软件。

(2)ZJ0D型转矩转速传感器：额定转矩20 N·m；转速范围：O_10 000 r／min；转矩测量精度：0．1～0．2级；转速测量精度：±1 r／vain。

(3)NJlD型转矩转速传感器：额定转矩50 N·m；转速范围：O～6 000 r／min；转矩测量精度：0．1～0．2级；转速测量精度：±1 r／min。

(4)JX一1A机械效率仪：转矩测量范围0～99 999 N·m；转速测量范围：0～30 000 r／min。

6．工具模块(库)

配套齐全的装拆调节工具。 7．控制与数据处理模块(库)

实验装置的控制模块、数据采集、处理模块(除传感器外)及加载模块等集中配置于一个分置式实验控制柜内。通过对被测实验传动装置的动力、数据采集、处理及加载等控制，将传感器采集的实验测试数据通过A／D转换器以RS232的方式传送到测试模块，再由测控模块计算机系统的专用实验教学软件进行实验数据分析与处理，实验结果可直接在计算机屏幕上显示，或由打印机打印输出实验结果，完成实验。

实验装置的基本构造框图如图1—1所示、实验装置的控制原理框图如图1—2所示、实验装置的数据采集及加载原理框图如图1—3所示。

四、实验原理和方法

1．传动效率叩及其测定方法

效率叩表示能量的利用程度。在机械传动中，输入功率Pi应等于输出功率P。与损耗 功率Pf之和，即

Pi?P0?Pf (1—1)

式中，Pi为输入功率，kW；P。为输出功率，kW；Pf为损耗功率，kW。则传动效率η定义为

??P0Pi (1-2)

由力学知识知，轴传递的功率可按轴的角速度和作用于轴上的力矩由下式求得： P?M??2?nP060?1000M??n30000M (1—3)

式中，P为轴传递的功率，kW?；M为作用于轴上的力矩，N·m；ω为轴的角速度，rad；n为轴的转速，r／min。 则传动效率η可改写为

??Mon0Mini (1—4)

由此可见，若能利用仪器测出机械传动装置的输入转矩和转速以及输出转矩和转速，就可以通过式(1—4)计算出传动装置的传动效率刁。

在本实验中，采用转矩转速传感器来测量输入转矩和转速以及输出转矩和转速。 2．带传动的滑动率测定及预紧力控制与测定

带传动是以带作为挠性拉曳元件并借助带与带轮间的摩擦力来传递运动或动力的一种摩擦传动。其主要特点是能缓和冲击、吸收振动、运转平稳、噪声小、结构简单，过载

时将引起带在带轮上打滑，因而具有过载保护作用，适用于中心距较大的工作条件。但由于带传动工作时存在弹性滑动，导致其传动效率降低，并造成速度损失，而不能保持准确的传动比，而且带传动的外廓尺寸较大，工作前需要张紧，故其轴上受力较大。 (1)带传动的弹性滑动、打滑现象及其滑动率的测定。

由于带是弹性体，它在受力不同时的变形(伸长)量不等；而带在工作时，紧边和松边

的拉力不同，这就形成了拉力差及相应的变形差，进而造成带在绕过带轮时，在摩擦力的作用下，其在主动轮部位出现带轮的线速度大于带的线速度，而在从动轮部位出现带轮的线速度小于带的线速度的现象，这种现象称为带的弹性滑动。由于带传动是摩擦传动，摩擦力是这类传动所必需的，所以弹性滑动是不可避免的，是带传动的固有特性。 带的弹性滑动通常以滑动率￡来衡量，其定义为 ??v1?v2v1?n1D1?n2D2n1D1 (1—5)

式中，vl、v2为主、从动轮的圆周速度，m/s；n1、n2为主、从动轮的抟速，r/min,；D1、 D2为主、从动轮的直径，m。

因此，只要能测得带传动主、从动轮的转速以及带轮直径，就可以通过式(1一5)计算出带传动的滑动率ε。

带传动的滑动率ε一般为1％～2％；当￡>3％时，带传动将开始打滑。

带传动工作过程中，当载荷大到使弹性滑动扩展到整个带与带轮的接触弧时，带在带轮上开始全面滑动，这种现象就称为打滑。打滑时带的磨损急速加剧，传动效率急剧下降，从动轮转速急剧降低甚至停止转动，致使传动失效。打滑现象对于正常工作的带传动来说是不希望发生的，应予以避免(用作过载保护时除外)。

带传动的主要失效形式是带的磨损、疲劳破坏和打滑。带的磨损是由于带与带轮间的弹性滑动引起的，是不可避免的；带的疲劳破坏是由于带在工作中所受的交变应力引起的，与带传动的载荷大小、工作状况、运行时间、带轮直径等因素有关，也是不可避免的；而带的打滑是由于载荷超过带的极限工作能力而产生的，是可以避免的。 (2)带的预紧力控制与测定。

带传动在工作前需进行张紧，而预紧力的大小是保证带传动能否正常工作的重要条件。预紧力不足，则带与带轮间的极限摩擦力小、传动能力低、容易发生打滑；预紧力过大，又会使带的寿命降低、轴和轴承上的压力增大。 单根V带最合适的预紧力Fn可按下式计算：

?2.5?Pd2??1?mv F0?500? （1-6） ?K?zv???式中，Kα为小带轮包角修正系数；Pd为设计功率，kW；z为V带的根数；m为V带每

米长的质量，kg／m；可为带速，m／s。 在带传动中，为了测定预紧力F0，通常是在带与带轮的切边中点处加一垂直于带边的 载荷G，使其产生规定的挠度厂(使切边长每100 mrn产生1．6 mn的挠度f)来控制，如 图l一4所示。

机械发展史展示实验报告

设备名称 班级 日期

同组实验者姓名

1、 实验目的 2、 实验装置 3、 实验展示内容清单

现代设计结构展示与分析实验报告

设备名称 班级 日期

同组实验者姓名

1、 实验目的 2、实验装置 2、 实验展示内容清单

单级机械传动装置性能参数测试实验报告

设备名称 班级 日期

同组实验者姓名

一、摩擦传动性能参数测试实验 1、 实验目的 2、 实验原理 3、 实验装置结构简图 4、 实验装置原始数据 V带：规格型号 带轮直径：D1= mm；D2= mm； 电动机：型号 ；额定转矩： Nm；同步转速 r/min 转矩转速传感器： 输入端：型号 ；额定转矩 Nm；转速范围 r/min 输出端：型号 ；额定转矩 Nm；转速范围 r/min 磁粉制动（加载）器：型号 ；额定转矩 Nm；允许滑差功率 kW; ５、测定Ｖ带传动效率及滑动率时选择的工况参数 电动机转速n1= r/min 加载（负载）范围： ～ kW 实验数据采集方式： 采样 ６、实验步骤 ７、结果分析 （１）Ｖ带传动实验结果分析（将试验曲线打印结果附于实验报告后） （２）通过实验，观察、描述带传动的弹性滑动及打滑现象。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/q20t.html