机械设计实验指导书

机械设计实验指导书
第⼀章机械设计
第⼀节机械设计结构展⽰与分析
⼀、实验⽬的
1.了解常⽤机械传动的类型、⼯作原理、组成结构及失效形式；
2.了解轴系零部件的类型、组成结构及失效形式；
3.了解常⽤的润滑剂及密封装置；
4.了解常⽤紧固联接件的类型；
5.通过对机械零部件及机械结构及装配的展⽰与分析，增加对其直观认识。

⼆、实验设备
机构模型；典型机械零件实物；若⼲不同类型的机器。

三、实验内容、步骤
在实验室要认识的典型机械零件主要有螺纹联接件、齿轮、轴、轴承、弹簧，具体内容如下：
1.各种类型的螺纹联接实物，各种类型的螺栓、螺母及垫圈实物，螺纹联接的失效实物，各种类型的键、销实物，各种类型的键、销失效实物，各种类型的焊接、铆接实物；
2.各种类型及各种材质的齿轮、齿轮加⼯⼑具、蜗轮蜗杆、带、带轮、链条、链轮、螺旋传动的零部件实物，失效零件实物；
3.各种类型的轴、轴承实物，轴上零件的轴向固定和周向固定实物，轴⽡和轴承衬实物，轴承、轴、轴⽡失效实物；
4.各种类型的弹簧和弹簧失效实物，各种联轴器、离合器实物模型。

四、注意事项
注意保护零件陈列柜中的零件。

五、实验作业
1.请回答在实验室所见到的零部件如螺栓、键、销、弹簧、滚动轴承、联轴器、离合器各
有哪些类型？
2.请举出螺栓、键、齿轮、滚动轴承的⼀种使⽤情况以及相应的失效形式。

六、问题思考
1.传动带按截⾯形式分哪⼏种？带传动有哪⼏种失效形式？
2.传动链有哪⼏种？链传动的主要失效形式有哪些？
3.齿轮传动有哪些类型？各有何特点？齿轮的失效形式主要有哪⼏种？
4.蜗杆传动的主要类型有哪⼏种？蜗杆传动的主要失效形式有哪⼏种？
5.轴按承载情况分为哪⼏种？轴常见的失效形式有哪些？
6.联轴器与离合器各分为哪⼏类？各满⾜哪些基本要求？
7.弹簧的主要类型和功⽤是什么？
8.可拆卸联接和不可拆卸联接的主要类型有哪些？
9.零件和构件的本质区别是什么？
第⼆节螺栓联接综合实验
⼀、实验⽬的
1.了解螺栓联接在拧紧过程中各部分的受⼒情况。

2.计算螺栓相对刚度，并绘制螺栓联接的受⼒变形图。

3.验证受轴向⼯作载荷时，预紧螺栓联接的变形规律，及对螺栓总拉⼒的影响。

4.通过螺栓的动载实验，改变螺栓联接的相对刚度，观察螺栓动应⼒幅值的变化，以验证提⾼螺栓联接强度的各项措施。

⼆、实验项⽬
1.空⼼螺栓联接静动态实验。

2.实⼼螺栓联接静动态实验。

三、实验设备及原理
1. 实验设备及仪器
该实验需LZS螺栓联接综合实验台⼀台，静动态测量仪⼀台，计算机及专⽤软件等实验设备及仪器。

螺栓联接实验台的结构与⼯作原理。

如图1-1所⽰。

1、电动机
2、蜗杆
3、凸轮
4、蜗轮
5、下板
6、扭⼒插座
7、锥塞
8、拉⼒插座
9、弹簧10、空⼼螺杆 11、千分表 12、螺母 13、刚性垫⽚(弹性垫⽚) 14、⼋⾓环压⼒插座 15、⼋⾓环16、挺杆压⼒插座17、M8螺杆 18、挺杆 19、⼿轮
图1-1 螺栓连接实验装置结构简图
（1）联接部分包括M16空⼼螺栓、⼤螺母、垫⽚组组成。

空⼼螺栓贴有测拉⼒和扭矩的两组应变⽚，分别测量螺栓在拧紧时，所受预紧拉⼒和扭矩。

空⼼螺栓的内孔中装有M8螺栓，拧紧或松开其上的⼿柄杆，即可改变空⼼螺栓的实际受载截⾯积，以达到改变联接件刚度的⽬的。

垫⽚组由刚性和弹性两种垫⽚组成。

（2）被联接件部分由上板、下板和⼋⾓环组成，⼋⾓环上贴有应变⽚，测量被联接件受⼒的⼤⼩，中部有锥形孔，插⼊或拨出锥塞即可改变⼋⾓环的受⼒，以改变被联接件系统的刚度。

（3）加载部分由蜗杆、蜗轮、挺杆和弹簧组成，挺杆上贴有应变⽚，⽤以测量所加⼯作载荷的⼤⼩，蜗杆⼀端与电机相联，另—端装有⼿轮，启动电机或转动⼿轮使挺杆上升或下降，以达到加载、卸载(改变⼯作载荷)的⽬的。

2．静动态测量仪的⼯作原理
实验台各被测件的应变量⽤LSD-A型静动态测量仪测量，如图1-2所⽰。

通过标定或计算即可换算出各部分的⼤⼩。

静动态测量仪是利⽤⾦属材料的特性，将⾮电量的变化转换成电量变化的测量仪，应变测量的转换元件——应变⽚是⽤极细的⾦属电阻丝绕成或⽤⾦属箔
⽚印刷腐蚀⽽成，⽤粘剂将应变⽚牢固的贴在被测物件上，当被测件受到外⼒作⽤长度发⽣变化时，粘贴在被测件上的应变⽚也相应变化，应变⽚的电阻值也随着发⽣了△R的变化，这样就把机械量转换成电量(电阻值)的变化。

⽤灵敏的电阻测量仪——电桥，测出电阻值的变化△R／R，就可换算出相应的应变ε，并可直接在测量仪的数码管读出应变值。

通过A／D板该仪器可向计算机发送被测点应变值，供计算机处理。

3．计算机专⽤多媒体软件及其他配套器具
图1-2 LSD-A型静动态测量仪
（1）需要计算机的配置为带RS232主板、128M内存、40G硬盘、Celeronl.3G、光驱48X、17”纯平显⽰器。

（2）实验台专⽤多媒体软件，该软件可进⾏螺栓静态联接实验和动态联接实验的数据结果处理、整理并打印出所需的实测曲线和理论曲线图，待实验结束后进⾏分析。

（3）专⽤扭⼒扳⼿0-200Nm⼀把，量程为0-lmm的千分表两个。

四、实验⽅法及步骤
以实验台⼋⾓环上未装两锥塞，松开空⼼螺栓的 M8⼩螺杆⼿柄，组合垫⽚换成刚性的空⼼螺栓连接静动态实验为例说明实验⽅法和步骤。

1.螺栓联接的静态实验
（1）打开测量仪电源开关，启动计算机，进⼊软件封⾯，单击“静态螺栓实验”，进⼊静态螺栓实验主界⾯。

单击“串⼝测试”菜单，⽤以检查通讯是否正常，通讯正常可进⾏以下实验步骤。

（2）进⼊静态螺栓主界⾯，单击“实验项⽬选择”菜单，选“空⼼螺杆”项。

（3）转动实验台⼿轮，挺杆下降，使弹簧下座接触下板⾯，卸掉弹簧施加给空⼼螺栓的轴向载荷。

将⽤以测量被联接件与联接件（螺栓）变形量的两块千分表分别安装在表架上，使表头分别与上板⾯(靠外侧)和螺栓顶⾯少许接触，⽤以测量联接件(螺栓)与被联接件的变形量。

（4）⼿拧⼤螺母⾄恰好与垫⽚接触。

(预紧初始值)螺栓不应有松动的感觉，分别将两千分表调零。

单击“校零”键，软件对上⼀步骤采集的数据进⾏清零处理。

（5）⽤扭⼒矩扳⼿预紧被试螺栓，当扳⼿⼒矩为30—40N时，取下扳⼿，完成螺栓预紧。

（6）进⼊静态螺栓界⾯，将千分表测量的螺栓拉变形和⼋⾓环压变形值输⼊到相应的“千分表值输⼊”框中。

①单击“预紧”键，对预紧的数据进⾏采集和处理。

同时⽣成预紧时的理论曲线。

②如果预紧正确，单击“标定”键进⾏参数标定，此时标定系数被⾃动修正。

③⽤⼿将实验台上⼿轮逆时钟(⾯对⼿轮)旋转，使挺杆上升⾄⼀定⾼度，对螺栓轴向加载，加载⾼度≤15mm。

⾼度值可通过塞⼊φ15mm的测量棒确定，然后将千分表测到的变形值再次输⼊到相应的“千分表值输⼊”框中。

④单击“加载”键进⾏轴向加载的数据采集和处理,同时⽣成理论曲线与实际测量⼤的曲线图。

⑤如果加载正确，单击“标定”键进⾏参数标定，此时标定系数被⾃动修正。

⑥单击“实验报告”键，⽣成实验报告。

2.螺栓联接动态实验
（1）螺栓联接的静态实验结束返回主界⾯后，单击“动态螺栓”键进⼊动态螺栓实验界⾯。

（2）重复静态实验⽅法与步骤。

如果已经做了静态实验，则此处不必重做。

（3）取下实验台右侧⼿轮，开启实验台电动机开关，单击“动态”键，使电动机运转30秒钟左右。

进⾏动态加载⼯况的采集和处理。

同时⽣成理论曲线和实际测量曲线。

（4）单击“实验报告”键，⽣成实验报告。

（5）完成上述操作后，动态螺栓联接实验结束。

五、注意事项
1.电机的接线必须正确，电机的旋转⽅向为逆时钟(⾯向⼿轮正⾯)
2.进⾏动态实验，开启电机电源开关时必须注意把⼿轮卸下来，避免电机转动时发⽣安全事故并可减少实验台振动和噪声。

六、实验作业
1.实验数据记录与处理
（1）预紧螺栓时：
2.绘制实际螺栓联结的受⼒变形图；绘制理论螺栓联结的受⼒变形图；对⽐理论与实际的变形图，空⼼和实⼼螺栓的受⼒变形图，分析，得出结论。

七、问题思考
1.为什么受轴向载荷紧螺栓连接的总载荷不等于预紧⼒加外载荷？
2.从实验结果分析受动载荷的紧螺栓连接。

为了提⾼螺栓疲劳强度，连接螺栓的刚度⼤些好还是⼩些好，从实验中可以总结出那些提⾼螺栓联接强度的措施？
第三节带传动的滑动率与效率测定实验
⼀、实验⽬的
1.了解带传动实验台的结构和⼯作原理。

2.掌握转矩T、转速n、转速差的测量⽅法.
3.熟悉其操作步骤。

4.观察带传动的弹性滑动及打滑现象。

5.了解改变预紧⼒对带传动能⼒的影响。

⼆、实验设备
PC-B 型⽪带传动实验台三、实验原理
带传动的滑差率计算公式： 121()
100%n n n ε-=
带传动的传动效率计算公式： 222
111
100%P T n P T n η?=
=?? 式中：1n 、2n 分别为主动轮、从动轮转速；
1P 、2P 分别为主动轮、从动轮功率； 1T 、2T 分别为主动轮、从动轮转矩。

四、实验内容、步骤
1.启动电脑，启动带传动测试软件，进⼊⽪带传动实验台软件封⾯。

2.接通实验台电源（单相220V ），打开电源开关。

3.点击进⼊⽪带传动实验台软件封⾯⾮⽂字区，进⼊⽪带传动实验说明界⾯。

4.单击“实验”按钮，进⼊⽪带传动实验分析界⾯。

5.单击“运动模拟”按钮，可以清楚观察⽪带传动的运动和弹性滑动及打滑现象。

6.顺时针⽅向缓慢旋转调速旋钮，使电动机转速由低到⾼，直到电动机的转速显⽰为1
n ≈1100转／分为⽌（同时显⽰出2n ），此时，转矩显⽰器也同时显⽰出两电机的⼯作扭矩1T 、
2T 。

7.待稳定后,单击“稳定测试”按钮，实时稳定记录⽪带传动的实测结果，同时将这⼀结果记录到实验指导书的数据记录表中。

8.点击“加载”按钮，使发电机增加⼀定量的负载，并将转速调到1n ≈1100转／分，待稳定后，单击“稳定测试”按钮，同时将测试结果1n 、2n 和1T 、2T 记录到实验指导书的数据记录表中。

重复本步骤,直到ε%≥16%-20%为⽌,结束本实验。

9.单击“实测曲线”，显⽰⽪带传动滑动曲线和效率曲线。

10.增加⽪带预紧⼒（增加砝码重量），再重复以上实验。

经⽐较实验结果，可发现带传动功率提⾼，滑差率降低。

11.实验结束后，⾸先将负载卸去，然后将调速旋钮逆时针⽅向旋转到底，关掉电源开关，然后切断电源，取下带的预紧砝码；退出测试系统，并关电脑。

12.整理实验数据，写出实验报告。

13.绘制滑差率曲线和效率曲线 (如图1-3所⽰)
五、注意事项
1.实验前将⽪带适当预紧，不要过紧或过松。

2.必须等数据变化⽐较稳定时记录数据。

六、实验作业
1.实验数据结果
2.绘出带传动的滑动曲线和效率曲线
3.实验结果分析与讨论
七、思考题
1.带传动的弹性滑动和打滑现象有何区别？它们各⾃产⽣的原因是什么？
2.带传动张紧⼒⼤⼩对传动能⼒有什么影响？
第四节轴系结构组合设计实验
⼀、实验⽬的
1.综合应⽤课程有关章节的知识（传动零件、轴承、轴、键、联轴器、润滑与密封等）
2.认知各种轴系零件。

3.掌握和巩固轴系结构设计的基本⽅法。

⼆、实验设备
1.组合式轴系结构设计实验箱如图1-4所⽰
2.测量及绘图⼯具（绘图⼯具学⽣⾃备）
三、实验内容与要求
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(参看教材有关章节)。

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)选择轴承端盖形式(凸缘式、嵌⼊式)并考虑透盖处密封⽅式(毡圈、⽪碗、油沟等)。

图1-4 轴系结构设计实验箱
（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。

如图1-5所⽰
图1-5 轴系结构装配图
6.将所有零件放⼊实验箱内的规定位置。

四、实验注意事项
1.观察不同类型轴承的外形和结构特点，轴承代号的标识；注意轴承的固定、装拆、间隙调整等问题；
2.注意轴的⽀承⽅式(如：两端单向固定；⼀端固定，⼀端游动)；
3.轴上零件的定位结构或定位零件（如：定位台阶、弹性挡圈、圆螺母、套筒等）；
4.注意轴的密封形式和密封件（毡圈、橡胶圈、⽪碗、油沟等）；
5.注意轴承端盖形式（透盖、闷盖、凸缘式、嵌⼊式）；
6.套杯的结构形式（正装与反装）。

五、实验作业
1.绘制附轴系结构装配图
2.设计说明（说明轴系各零件定位固定、安装调整、润滑密封的⽅法及设计依据）。

六、问题思考
1.常⽤的轴系零件的轴向固定⽅式有哪些？
2.常⽤的轴系零件的周向固定⽅式有哪些？
3.传动零件和轴承采⽤何种润滑⽅式？轴承采⽤何种密封装置，有何特点？
第五节减速器拆装实验
⼀、实验⽬的
1.了解减速器结构，熟悉各零件的名称、形状、⽤途及各零件之间的装配关系。

2.观察齿轮的轴向固定⽅式及安装顺序。

3.了解轴承的安装尺⼨和拆装⽅法。

4.了解减速器各附件的名称、结构、安装位置及作⽤。

⼆、实验设备与⼯具
1.齿轮减速器⼀台
2.活扳⼿⼆把，内外卡钳各⼀把。

3.600mm钢板尺⼀把。

4.300mm游标卡尺⼀把、千分尺⼀个。

三、实验内容、步骤
1.开盖前先观察减速器外形，判断传动⽅式、级数、输⼊、输出轴的位置。

2.拧下箱盖和箱座联接螺栓，拧下端盖螺钉（嵌⼊式端盖除外），拔出定位销，借助起盖螺钉打开箱盖。

3.仔细观察机体内零件的结构，布置位置以及定位⽅式。

具体有：
（1）轴系零件的定位⽅式。

（2）轴承的类型、安装⽅式（正、反装，轴承游隙的的调整）。

（3）布置⽅法以及润滑密封⽅式。

（4）机体附件的⽤途、结构和安装位置：
通⽓器、油标、油塞、起盖螺钉，定位销。

除此之外，还需注意轴承旁凸台的设计，⼯艺上减少加⼯⾯所采取的⼀些措施等。

4.卸下轴承端盖，将轴和轴上零件⼀起从机体内取出，按合理的顺序拆卸轴上的零件。

5.拆、量、观察分析过程结束后，按拆卸的反顺序装配好减速器。

6.经指导⽼师检查装配良好、⼯具齐全后，⽅能离开现场。

四、注意事项
1.实验前认真阅读实验指导书。

2.拆装过程中不准⽤锤⼦或其他⼯具打击任何零件。

3.拆装过程中同学之间要相互配合与关照，做到轻拿轻放，以防砸伤⼿脚。

五、实验作业
1.减速器主要零部件的名称与作⽤
（2）轴承的类型、安装⽅式（正、反装）。

（3）布置⽅法以及润滑密封⽅式。

六、问题思考
1.为什么齿轮减速器的箱体沿轴线平⾯剖分? 为什么蜗杆减速器的箱体沿蜗杆轴线不剖分？
2.齿轮减速器上箱体为什么均做成圆弧曲线形? 蜗杆减速器上箱体为什么⼀般做成直线形?
3.⼀般的圆锥⼀圆柱齿轮减速器中为什么把圆锥齿轮放在⾼速级?
4.箱体上的筋板起什么作⽤? 为什么有的上箱体上没有筋板?
5.上下箱联接的凸缘为什么在轴承两侧要⽐其它地⽅⾼?
6.上箱体上有吊环(或吊钩)，为什么下箱体上还有吊钩?
7.联接螺栓处均做成凸台或沉孔平⾯，为什么?
8.上下箱体联接螺栓处及地脚螺栓处的凸缘宽度，受何因素影响?
9.你认为该减速器的轴承⽤何种⽅式润滑?有的轴承孔内侧设有挡油环，有的没有，为什么?
第六节机械传动性能综合测试实验
⼀、实验⽬的
1.了解常⽤机械传动的基本原理；
2.掌握平⾏轴间传动⽅案的设计及各传动⽅案的特点（带传动、链传动、齿轮传动）；
3.掌握常见传动装置的选择、安装、校准及调整；
4.了解机械装配的过程，掌握校准的重要性，了解机械⽣产、装配误差对传动系统性能的影响；
5.掌握实验中各个⼯具的⼯作原理及使⽤⽅法。

⼆、实验装置
1.机械传动系统综合测试实验台
2.机械系统创新搭接实验台
三、实验内容、步骤
1.根据现有的实验条件确定实验⽅案：并在实验搭接平台上搭出传动机构（注意掌握机构安装、校准及调整的⽅法）；
2.在确保所搭接的机构运动不会发⽣⼲涉和严重摩擦后，检查所有的连接是否正确、稳固，⽤⼿轻轻转动⾼速轴，传动系统能正常运转（如有问题，重新调整、装配）；
3.在各转动处加⼊润滑油；
4.连接实验线路：经指导教师检查后⽅可开机，并进⾏相关参数测试；
5.按要求对机构进⾏调整，重新进⾏测试；
6.确认测试结束后，关闭电源，拆卸机构。

将各设备复原，清理实验台。

四、注意事项
开机前必须经过指导教师的检查和许可！
五、实验作业
1.整理实验数据，填写实验报告；
2.总结各传动⽅案特点，并进⾏⽐较；
3.本次实验的收获和体会。

六、问题思考
1.什么是键联结？⼀般应⽤于哪些场合？在本次实验中你所⽤到的键连接采取的是哪种配合⽅式？为什么？
2.带传动中带的张⼒是如何确定的？张⼒的⼤⼩对传动性能或传动零件有什么影响？
3.两齿轮啮合传动时为什么要留有⼀定的齿侧间隙？它的⼤⼩与哪些因素有关？
4.电机的电流、转速、传动系统的机械效率随着负载的增加如何变化？。