机械原理实验

实验一机构运动简图测绘
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.培养依照实物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.牛头刨床模型，抛光机模型等各种机构模型
2.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
纸等。

三、实验要求
实验前必须认真预习实验指导书和阅读教材中的有关章节，熟悉绘制机构运动简图的基本要求，掌握机构自由度的计算方法。

实验时根据给出的机构模型，仔细观察和分析后，正确绘制机构运动简图。

要求每位同学画出3~4个机构运动简图，并计算机构自由度，把计算结果与实际机构进行比较，验证其有无错误。

四、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。

五、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GB138-74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。

初步绘制时可按大致比例作图（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μ-1作出正式的机构运动简图。

六、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。

在计算中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自由度不一致时，应找出错误原因，加以纠正。

七、思考题
1.作为一个工程技术人员，为什么必须熟练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？
实验二 渐开线齿轮范成原理
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，产生和原因和发生根切后齿形；
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（齿条刀:m=10，α=20°）、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）在啮合的传动一样。

同时刀具还一面作径向进给运动(直至全齿高)，另一面沿轮坯的轴线作切削运动，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。

由于在实际加工时看不到刀刃包络出齿轮的过程，故通过齿轮范成实验来表现这一过程。

在实验中所用的齿轮范成仪相当于用齿条型刀具加工齿轮的机床，待加工齿轮的纸坯与刀具模型都安装在范成仪上，由范成仪来保证刀具与轮坯的对滚运动(待加工齿轮的分度圆线速度与刀具的移动速度相等)。

对于在对滚中的刀具与轮坯的各个对应位置，依次用铅笔在纸上描绘出刀具的刀刃廓线，每次所描下的刀刃廓线相当于齿坯在该位置被刀刃所切去的部分。

这样我们就能清楚地观察到刀刃廓线逐渐包络出待加工齿轮的渐开线齿廓，形成轮齿切削加工的全过程。

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。

刀具的齿顶高应加高，即25.1)(**
=+=m C h h a a m 。

四、齿轮范成仪的构造
齿轮范成仪的结构简图如图11所示，所用刀具为渐开线齿条刀2，刀具用
图12
被加工齿轮的主要参数：
m=10 (mm)，α=20°，z =17，.1*=a h =1，25.0*=C
五、实验方法和步骤
1．标准齿形的绘制：
（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φ200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
17*min Z h x a -= 取齿轮的实际变位系数min x x =或稍大于min x （消除根切）
本实验取x=0.5
（2）计算齿轮的齿顶圆（不考虑齿顶削减）)22(*
x h Z m 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φ210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．负变位齿轮的绘制与正变位类同。

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在毛圆φ200的图纸上（如图A 、B 缩小图所示三等分）；
以上二项必须在进实验室以前完成。

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？
实验三机构运动拼接及创新设计实验
一、实验目的
1、培养学生对机械系统运动方案的整体认识，加强学生的工程实践背景的
训练，拓宽学生的知识面，培养学生的创新意识、综合设计及工程实践动手能力。

2、通过机构的拼接，在培养工程实践动手能力的同时，可以发现一些基本
机构及机械设计中的典型问题，通过解决问题，可以对运动方案设计中的一些基本知识点融会贯通，对机构系统的运动特性有一个更全面的理解。

3、加深学生对平面机构的组成原理、结构组成的认识，了解平面机构组成
及运动特性，进一步掌握机构运动方案构型的各种创新设计方法。

培养学生
用实验方法构思、验证、确定机械运动方案的初步能力。

二、实验设备，工具及原理：
机构具有确定运动的条件是其原动件的数目应等于其所具有的自由度的数目。

因此，机构可以拆分成机架、原动件和自由度为零的构件组。

而自由度为零的构件组，还可以拆分成更简单的自由度为零的构件组，我们将最后不能再拆的最简单的自由度为零的构件组称为基本杆组（或阿苏尔杆组），简称为杆组。

任何平面机构都是由若干个基本杆组（阿苏尔杆组）依次联接到原动件和机架上而构成。

因此必须掌握平面机构组成原理、杆组概念、基本杆组的拆分与拼装方法
实验设备及工具：创新组合模型一套，包括组成机构的各种运动副、构件、
动力源及一套实验工具。

设备名称：机构运动创新设计方案实验台。

三、实验方法与步骤
1、使用“机构运动创新设计实验台”的多功能零件，按照自己选择或设计
的方案图，在桌面上进行机构的初步实验组装，这一步的目的是杆件分
层。

一方面为了使各个杆件在相互平行的平面内运动，另一方面为了避
免各个杆件、各个运动副之间发生运动干涉。

2、按照上一步骤实验好的分层方案，使用实验台的多功能零件，从最里层
开始，依次将各个杆件组装连接待机架上。

其中构件杆的选取、转动副
的联接、移动副的联接、移动副的联接、凸轮、齿轮、齿条与杆件用转
动副联接、凸轮、齿轮、齿条与杆件用移动副联接，杆件以转动副的形
式与机架联接，杆件以移动副的形式与机架联接，输入转动和输入移动
的原动件的组装方式详见附图和说明。

3、试用手动方式摇动或推动原动件，观察整个机构各个杆、副的运动，全
都畅通无阻后，安装电机。

4、检查无误后，打开电源试机。

5、通过动态观察机构系统的运动，对机构系统的工作到位情况、运动轨迹
动力学特性作出定性的分析和评价。

一般包括如下几个方面
⑴各个杆、副是否发生干涉；
⑵有无“憋劲”现象；
⑶输入转动原动件是否曲柄；
⑷输出杆件是否具有急回特性；
⑸机构的运动是否连续；
⑹最小传动角（或最大压力角）是否超过其许用值，是否在非工作行程中；对机构运动过程中是否产生刚性或柔性冲击；
⑺机构是否灵活、可靠的按照设计要求运动到位；
⑻自由度大于1的机构，其几个原动件能否使整个机构的各个局部实现良好的协调动作；
⑼控制元件的使用及安装是否合理，是否按预定的要求正常工作。

6、若观察机构系统运动发生问题，则必须按前述步骤进行组装调整，直至
该模型机构灵活、可靠的完全按照设计要求运动。

7、测绘实际尺寸，按比例绘制正规的机构运动简图，计算自由度，简要说
明其机构运动特点和工作原理及适用场合，填写实验报告。

8、拆卸零件，整理实验台。

四，实验报告要求
1、绘制实际拼装的机构的机构运动简图，并在简要说明其结构特点和工作原理及使用场合。

2、简要说明在调试过程中遇到的问题和解决方法。

3、本次实验的心得体会。