机械设计基础指导书上

实验一“机构运动简图测绘”实验指导书
一、实验目的
1．对运动副、零件、构件及机构等概念建立实感；
2．培养依照实有机械绘制其机构运动简图的能力；
3．熟悉机构自由度的计算方法。

二、实验设备及用具
1．油泵模型；
2．牛头刨床模型；
3．自动送料冲床模型；
4．其他机构模型。

此外学生自备：圆规、分规、有刻度的三角板（或直尺）、铅笔、橡皮及草稿纸。

三、基本原理
机构的运动与机构中构件的数目、运动副的类型、数目及运动副的相对位置有关，而与构件的外形、组成构件的零件数目及固联方式、运动副的具体结构等无关。

因此，在绘制机构运动简图时，可以撇开构件的复杂外形和运动副的具体构造，而用简单的符号来代替构件和运动副，并按一定的比例尺表示各运动副的相对位置，即可表明机构中运动传递的情况。

四、绘制机构运动简图的方法
1．了解要绘制的机械的名称及功用，认清机械的原动件及工作构件（执行机构）；
2．缓慢转动原动件，细心观察运动在构件间的传递情况，了解活动构件，运动副的数目及其性质。

在了解活动构件及运动副数时，要注意到如下两种情况：
（1）当两构件间的相对运动很小时，易误认作为一个构件；
（2）由于制造的不精确，同一构件各部分之间有稍许松动时，易误认作为两个构件。

碰到这种情况，要仔细分析，正确判断。

3．要选择最能表示机构特征的平面为视图平面；同时，要将原动件放在一适当的位置，以使机构运动简图最为清晰。

4．按GB4460-84中规定的符号绘制机构运动简图，在绘制时，应从原动件开始，先画出运动副，再用线联接属于同一构件的各运动副，即得各相应的构件。

原动件的运动方向用箭头标出。

在绘制时，在不影响机构运动特征的前提下，允许移动部分的相对位置，以求图形清晰。

初步绘制可按大致比例作图（称之为机构示意图）。

图作完后，从原动件开始分别用1、2、3……标明各构件，再用A 、B 、C ……标明各运动副。

5．仔细测量机构的各运动学尺寸（如，转动副间的中心距，移动副导路的位置等），对于高副则应仔细测出高副的轮廓曲线及其位置。

然后以一适当比例尺μ1做出正式的机构运动简图。

五、计算机构的自由度
对于平面机构其自由度可按如下公式计算：
h l P P n F --=23
式中：n ——机构中活动构件的数目； l P ——机构中低副的数目； h P ——机构中高副的数目。

在计算时要注意机构中出现的复合铰链，局部自由度，虚约束等特殊情况。

若计算的机构自由度与实际机构的自由度不一致时，应找出错误原因，加以纠正。

六、思考题
1．为什么说作为一个工程技术人员，必需熟练的掌握机构运动简图的绘制； 2．一个正确的机构运动简图应说明哪些内容？
3．在绘制机构运动简图时，原动件取在不同位置，会不会影响简图的正确性？
4．机构自由度的计算对测绘机构运动简图有何帮助？
“机构运动简图测绘”实验报告
年月日
实验二 “渐开线齿轮范成原理”实验指导书
一、实验目的
1．掌握范成法切制渐开线齿轮的原理，观察齿轮渐开线齿廓及齿根过渡曲线的形成过程；
2．了解齿轮轮齿的根切现象，产生的原因和发生根切后的齿形； 3．了解应用变位法避免根切及变位后所范成的齿形； 4．比较标准齿轮和变位齿轮的异同点； 二、实验设备及用具
1．齿轮范成仪（带两把齿条刀，m=10mm 和20mm 的各一把）、剪刀； 2．图纸A 3一张、铅笔、圆规、三角板。

（学生自备） 三、基本原理
范成法是利用一对齿轮（或齿轮齿条）互相啮合时，其共轭齿廓互为包络的原理来加工轮齿的一种方法。

加工时其中一轮（或齿廓条）为刀具，另一轮为毛坯，它们保持固定的速比关系，完全和一对真正的齿轮（或齿轮齿条）在啮合时传动一样。

同时刀具还沿轮坯轴向作切削运动，这样所切制的齿轮的齿廓就是刀刃齿廓各个位置线的包络线。

若用渐开线作为刀具的齿廓，可以证明其所包络出来的齿廓也为渐开线。

在范成过程中，轮齿的齿根过渡曲线是用刀具的齿顶尖角（齿条轮插刀）或齿顶圆角（齿条插刀）加工出来的。

为了能形成被加工齿轮的径向间隙。

刀具齿
顶高应加高，即 1.25m
)m C (h h *
*a a =+=如图一所示。

四、齿轮范成仪的构造
齿轮范成仪的结构简图如图二所示，所用刀具为渐开线齿条刀具2，刀具用螺母7固定在溜板3上，可随溜板3一道在导轨内左右移动。

圆盘4相当于被加工的毛坯，并绕着固定铰链01回转，为保持齿条刀和被加工齿轮间的固定速比关系（齿条刀的移动速度=被加工齿轮的分度圆线速度），圆盘4和溜板3之间用
钢带6来传动。

五、实验方法和步骤
h=1的齿条刀来加工，轮廓分度圆的直径为A组：用α=20°、m=20mm、*
a
d2=200mm。

1．标准齿形的绘制：
图一
图二
（1）计算被加工齿轮的齿数Z，齿顶圆直径d a，基圆直径d b。

需在图纸上画出齿轮顶圆、分度圆、基圆、齿根圆、并按齿顶毛圆φ266mm剪出；
（2）将图纸装在圆盘4上，注意对准中心，用压板5压紧；
（3）调整齿条刀的位置，使齿条的中线与轮坯的分度圆相切；
（4）将溜板3移至一极端位置，然后向另一端缓慢移动溜板。

（注意只能向一个方向移动，不得来回移动，否则由于间隙将会影响到所绘制齿廓的精确性），每移动一个小距离后，即用削尖的钢笔或圆珠笔紧贴齿条刀的齿廓在图纸上绘出刀刃位置线。

如此继续进行，直至溜板移至另一极端位置为
止。

这时将在图纸上形成2~3个完整的轮齿。

最后按齿顶圆剪去多余的毛边。

在绘制过程中，要注意观察轮齿齿廓和齿根曲线的形成过程，并观察有无根切现象。

2．正变位齿轮的绘制
（1）按下式计算齿轮的最小变位系数
17
17X min
Z
h
*a
-= 取齿轮的实际变位系数X=X min 或稍大于X min （消除根切）。

（2）计算齿轮的齿顶圆（不考虑齿顶削减）2X)2h m(Z d *a a ++=。

图纸上画出齿顶圆、分度圆、基圆、齿根圆，并按齿顶毛圆φ266mm 剪出；
（3）将图纸装在圆盘4上，注意对准中心，用压板5压紧；
（4）调整齿条刀的位置，使齿条的中线从轮坯的分度圆外移动x ·m 距离（即作正变位）；
其余操作步骤同前。

3负变位齿轮的绘制也类同。

B 组：用α=20、m=10mm 、*a
h =1的齿条刀来加工，轮坯分度圆的直径为d=200mm 。

六、要求：
1．认真预习实验指导书；
2．计算好标准、正变位、负变位三种齿形的齿顶圆、齿根圆、分度圆和基圆直径并且把各圆画出毛圆φ266mm 的图纸上（如图A 、B 缩小图所示三等分）；
由于Z=10，标准齿轮产生根切，（黑影部位被切）图示，故负变位齿形产生更严重的根切现象，工程上不生产此种齿形！
A组齿形图（缩小）
B 组齿形图（缩小）
以上两项必须在上实验课以前完成。

（3）同学可以对A 组、B 组任选；完成实验报告一份附图一张。

（见参考图）。

七、思考题
1．什么叫正变位？什么叫负变位？
2．齿条刀具的齿顶和齿根高为什么都等于)m
C (h **a ？ 3．正变位、负变位过大的齿轮会出现哪些不良现象？
4．为什么齿条刀具能切出齿轮的渐开线齿廓？
5．通过实验说明你所观察到的根切现象是怎样的？是由于什么原因？根切现象发生在基圆内还是发生在基圆之外？避免根切的方法有哪些？
“渐开线齿轮范成原理”实验报告
年月日班级姓名指导教师
一、原始数据
二、齿轮几何参数计算
注：在结果比较栏，尺寸比标准齿轮大的填入“+”号，小的填入“－”号，一样的填入“0”
三、附绘制的齿廓图（注上有关的尺寸）
四、思考题讨论
实验三 “回转构件的动平衡”实验指导书
一、实验目的
巩固回转构件平衡的基本概念，熟悉补偿式平衡机的基本工作原理和操作方法。

二、设备和工具
1．框架式动平衡机及其附件 2．试件——转子 3．平衡重量 4．普通天平 5．外卡 6．钢皮尺 三、基本原理
理论上已阐明：任何回转构件的动不平衡，都可以认为是分别处于两个任意
选定的回转平面Ⅰ′和Ⅱ′内的不平衡重量O Q '和O Q ''所产生。

因此进行动平衡试验时，便可以不管被平衡构件的实际不平衡重量所在及其大小如何，只需要根据构件实际外形的许可，选择两回转平衡机作为平衡校正平面，而把不平衡重量看
作处于该两平衡平面之中的O Q '和O Q ''，然后针对O Q '和O Q ''进行平衡就可达到目
的。

本实验用框架式动平衡机，它利用补偿重径积法测定两平衡平面中的不平衡
重量O Q '和O Q ''的大小和相位。

框架式动平衡机的结构如图所示。

框架1经弹簧2与固定的底座3相联，它只能绕OX 轴线摆动，构成一个振动系统。

框架上装有主轴4，由固定在底座上的电动机14通过皮带和皮带轮12驱动。

主轴4上装有螺旋齿轮6与齿轮5齿数相等互相啮合，齿轮6还可以沿主轴4移动，移动的距离和齿轮的轴向宽度相等，比齿轮5的节圆圆周要大，因此调节手轮18，使齿轮6从左端位置移到右端位置时，齿轮5及和它固定的轴9可以回转一周以上，籍此调节K ϕ和K ϕ\的大小由
指针15指示，圆盘7固定在轴9上，通过调节手轮17可以使圆盘8沿轴9上下移动，以调节两圆盘间的距离I K 和I K 由指针16指示。

将要平衡的试件10架于两个滚动支承13上，通过挠性联轴器11由轴4带动，此时试件不平衡重量可以看成在两平衡平面Ⅰ和Ⅱ上的两个不平衡重量O
Q '和O Q ''产生，平衡时先令平衡平面Ⅱ通过振摆轴线OX ，当回转动后，Ⅱ面上不
平衡重量的离心力O
P ''所产生的力矩为零，不引起框架的振动，而平衡平面Ⅰ上的不平衡重量O Q '的离心力O p '对振摆轴线的力矩为
o O
O I P M ϕcos '= 这力矩使整个框架产生振动。

为了测出Ⅰ面上的不平衡重量大小和相位，我们加上一个补偿重径积Q K R K 使产生一个补偿力矩即在圆盘7和8上各装一个平衡重量Q K ，其重心都与轴线相矩rK ，但相位差180°。

当马达旋转后，由主轴4带动齿轮6、5，因而圆盘7、8也旋转，这时Q K 的重心力P K 就构成一个力偶矩M K 它也影响到框架绕OX 轴的振摆，其大小为
K K K
K I P M ϕcos '= 框架振动的合力矩为
K K K o O
K O I P I P M M M ϕϕcos cos -'=+= 如果合力为零，则框架静止不动，此时
0cos cos =-'=K K K o O
I P I P M ϕϕ 或 0c o s c o s =-''K K K K o O O I r Q I r Q ϕϕ
满足上式的条件为：
I
I r Q r Q K
K K O O
='' （1） K o ϕϕ= （2）
在平衡机的补偿装置中，Q K 、r K 是已知的，试件的两平衡平面是预先选定的，因而两平衡面的距离也是已知的，因此（1）式可写成
K O O
I A r Q ⋅='' （3） 其中
I
r Q A K
K ⋅=
为了便于观察和提高测量精度，在框架1上装有重块19。

移动19，既改变整个振动系统的自振频带使框架接近共振状态，既振幅放大。

通过调节手轮17与18，使框架静止不动，读出I K 和ϕK 的数值。

由公式（3）
即可计算不平衡重径积的大小，当选定加平衡重量的回转半径p r '后，平衡重量p
Q '的大小为
p
O O
P
r r Q Q '''=' 其相位可以这样来确定，停车后，使指针15转到图中与OX 轴垂直的虚线位置，
此时P
G '的位置就在平面Ⅰ内回转中心的铅直上方。

测量另一个平衡平面Ⅱ上的不平衡重径积，只需将试件调头，使平衡Ⅰ通过OX 轴，测量方法与上述相同。

四、实验步骤
1．记录I K 的零点及本实验台的系数A （A 数值标注在马达上）。

2．起动电动机使试件回转，注意试件一端的联轴节应与皮带轮顺转方向靠好，避免起动时冲击。

3．移动重块19，使框架振幅最大。

4．加补偿力矩，先调节手轮17，使I K 有一些读数，这时框架振动，然后调节手轮18，观察指针15，由于试件与圆盘转速相等，故M O 与M K 变化频率相等，当调节ϕK =ϕO +180°时，M K 与M O 同向，两力矩正向叠加，框架振幅最小，这时不平衡重量的相位已经基本找到，再继续调节手轮17，既改变I K 如此反复调整数次直到指针15不动，此时框架振动消除。

5．停车，读出I K 、ϕK 的数值，计算不平衡重径积的大小，并确定它相位。

6．在根据所确定的不平衡重量校正试件后再开车，观察平衡效果。

五、思考题
1．动平衡试验半的基本特点是什么？适用于那些类型的试件？试件平衡后是否满足平衡要求，为什么？
2．为什么在试验时要使一个平衡平面通过摆动轴线OX 当已平衡好了一个平面，再平衡第二个平衡面时，是否也一定要这样做？
3．加补偿力矩和调相位角使框架振动消除的有效操作程序应该怎样？
4．调共振的具体作用是什么？如果振动系统的自然频率不能改变，还有什么办法可以调共振？
5．I K的零点位置如何确定？
6．在执行实验步骤6时，所加的补偿重径积应如何处理？。