机械设计基础实验指导书(张冬冬)概论

《机械设计基础》实验指导书

二O一五年五月

目录

目录 (2)

实验一机构认知实验 (3)

一、实验目的 (3)

二、实验方法 (3)

三、实验内容 (3)

四、实验要求 (5)

五、实验报告 (5)

实验二机构运动简图的测绘及分析 (6)

一、实验目的 (6)

二、实验设备和工具 (6)

三、实验原理 (6)

四、实验方法与步骤 (6)

1、观察机构的运动，弄清构件的数目 (6)

2、判别运动副类型 (6)

3、合理选择视图 (6)

4、画出机构运动简图的草图，计算机构的自由度 (7)

5、画正式的机构运动简图 (7)

五、实验报告 (7)

实验三渐开线齿廓的范成实验 (10)

一、实验目的 (10)

二、实验设备和用具 (10)

三、实验原理 (10)

四、实验步骤 (11)

五、实验报告： (12)

实验四机械零件认识实验 (15)

一、实验目的 (15)

二、实验方法 (15)

三、实验内容 (15)

四、实验要求 (17)

五、实验步骤 (17)

六、实验报告 (18)

七、思考题 (18)

实验五标准直齿圆柱齿轮参数的测定 (19)

一、实验目的： (19)

二、实验设备和工具： (19)

三、实验方法： (19)

四、实验步骤： (20)

五、实验报告： (20)

实验一机构认知实验

一、实验目的

1、初步了解《机械原理》课程所研究的各种常用机构的结构、类型、特点及应用实例，以便对所学理论知识产生一定的感性认识。

2、分析常用机构基本构造及原理，了解常用机构的实际使用情况。

二、实验方法

通过观察所展示的各种常用机构的模型，增强学生对机构与机器的感性认识。实验教师只作简单介绍，提出问题，供学生思考；学生通过观察，对常用机构的结构、类型、特点有一定的了解；以便对学习《机械原理》课程产生一定的兴趣。

三、实验内容

观摩陈列机构包括：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、槽轮机构、棘轮机构、齿轮间歇机构、空间机构以及其他教学模型等。陈列了大多数常用的机构，要求对相应的机构进行了结构和基本受力分析，对连接和安装的基本方法的作简要说明，有些常用的机构还给出了简单的应用举例。

通过本实验的观摩，学生可以对照书本所学的基本内容，初步领会机械原理的一些常用机构的基本设计与应用原理，从而达到举一反三的教学目的，对其所学的课本理论知识进一步巩固和深化。

（一）对机器的认识

通过对实物模型和机构的观察，学生可以认识到：机器是由一个机构或几个机构按照一定运动要求组合而成的。所以只要掌握各种机构的运动特性，再去研究任何机器的特性就不困难了。在机械原理中，运动副是以两构件的直接接触形成的可动连接及运动特征来命名的。如：高副、低副、转动副、移动副等。（二）平面四杆机构

平面连杆机构中结构最简单，应用最广泛的是四杆机构，四杆机构分成三大类：即铰链四杆机构，单移动副机构，双移动副机构。

1．铰链四杆机构分为：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构，即根据两连

架杆为曲柄，或摇杆来确定。

2．单移动副机构：它是以一个移动副代替铰链四杆机构中的一个转动副演化而成的。可分为：曲柄滑块机构、曲柄摇块机构、转动导杆机构及摆动导杆机构等。3．双移动副机构：它是带有两个移动副的四杆机构，把它们倒置也可得到：曲柄移动导杆机构、双滑块机构及双转块机构。

（三）凸轮机构

凸轮机构常用于把主动构件的连续运动，转变为从动件严格地按照预定规律的运动。只要适当设计凸轮廓线，便可以使从动件获得任意的运动规律。由于凸轮机构结构简单、紧凑，因此广泛应用于各种机械、仪器及操纵控制装置中。

凸轮机构主要有三部分组成，即：凸轮(它有特定的廓线)、从动件(它由凸轮廓线控制着)及机架。凸轮机构的类型较多，学生在参观这部分时应了解各种凸轮的特点和结构，找出其中的共同特点。

（四）齿轮机构

齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构。具有传动准确、可靠、运转平稳、承载能力大、体积小、效率高等优点，广泛应用于各种机器中。根据轮齿的形状齿轮分为：直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、圆锥齿轮及蜗轮、蜗杆。根据主、从动轮的两轴线相对位置，齿轮传动分为：平行轴传动、相交轴传动、交错轴传动三大类。

1．平行轴传动的类型有：外、内啮合直齿轮机构、斜齿圆柱齿轮机构、人字齿轮机构、齿轮齿条机构等。

2．相交轴传动的类型有圆锥齿轮机构，轮齿分布在一个截锥体上，两轴线夹角常为90°。

3．交错轴传动的类型有：螺旋齿轮机构、圆柱蜗轮蜗杆机构，弧面蜗轮蜗杆机构等。

4．齿轮机构参数

齿轮基本参数有齿数z、模数m、分度圆压力角α、齿顶高系数h*a、顶隙系数c*等。参观这部分时，学生需要掌握：什么是渐开线？渐开线是如何形成的?什么是基圆和渐开线发生线? 并注意观察基圆、发生线、渐开线三者间关系，从而得出渐开线有什么性质?同时还要通过参观总结出：齿数、模数、压力角等参

数变化对齿形有何影响?

（五）周转轮系

通过各种类型周转轮系的动态模型演示，学生应该了解什么是定轴轮系？什么是周转轮系？根据自由度不同，周转轮系又分为行星轮系和差动轮系。它们有什么差异和共同点？差动轮系为什么能将一个运动分解为两个运动或将两个运动合成为一个运动?

周转轮系的功用、形式很多，各种类型都有它自己的缺点和优点。在我们今后的应用中应如何避开缺点，发挥优点等等都是需要学生实验后认真思考和总结的问题。

（六）其他常用机构

其他常用机构常见的有棘轮机构；摩擦式棘轮机构；槽轮机构；不完全齿轮机构；凸轮式间歇运动机构；万向节及非圆齿轮机构等。通过各种机构的动态演示学生应知道各种机构的运动特点及应用范围。

（七）机构的串、并联

通过实际应用的机器设备、仪器仪表的运动机构，可以看出，机器都是由一个或几个机构按照一定的运动要求串、并联组合而成的。所以在学习机械原理课程中一定要掌握好各类基本机构的运动特性，才能更好地去研究任何机构复杂机构特性。

四、实验要求

1、学生必须带上课本，以便于与书本内容进行对照观察。

2、进入实验室必须保持安静，不得大声喧哗，以免影响其他同学。

3、服从实验人员的安排，认真领会机构的构造原理。

五、实验报告

对常用的机构，分别写出4～6个模型的名称，并说明其对应的实物应用情况。

实验二机构运动简图的测绘及分析

一、实验目的

1、掌握机构运动简图测绘的基本方法；

2、巩固机构自由度的计算。并验证机构具有确定运动的条件；

3、通过对机构进行结构分析，了解结构的组成原理

二、实验设备和工具

机器和机构模型、量具、铅笔、橡皮和草稿纸

三、实验原理

机构运动与机构中的构件的数目、构件组成运动副的形式以及各运动副的相对位置有关，而与构件的复杂外形和运动副的具体结构无关，因此，在工程上对机构进行结构分析、运动分析和力分析时可以用机构运动简图来进行。

机构运动简图既简单有能正确地反映一部机器的运动特征，因此，正确地测量和绘制机构运动简图是机械设计的重要组成部分。

四、实验方法与步骤

1、观察机构的运动，弄清构件的数目

缓慢移动被测的及其或机构模型，从原动件开始，根据运动传递路线，仔细观察相连接的两构件是否有相对运动，特别要注意那些运动很微小的构件，从而弄清楚组成机构的构件数目。

2、判别运动副类型

一般，从原动件开始，遵循运动传递的顺序，仔细观察各相邻构件之间的相对运动性质。由此确定机构中运动副的类型、数目

3、合理选择视图

一般选择与机构的多数构件运动平面平行的平面作为投影面。必要时也可以就机构的不同部分选择两个或者两个以上的投影面，然后展开到一张图面上。或者把主运动简图上难于表示清楚的部分，另绘一张局部简图。

对于齿轮机构则可选择与运动平面相垂直的平面作为投影面。总之，以简单

清楚的把机构的运动情况表示出来为原则。

4、画出机构运动简图的草图，计算机构的自由度

将原动件转到某一位置（即可看清多数活动构件和运动副的位置）。在草稿纸上按照规定的符号，目测尺寸使实物与图形大致成比例，徒手画出机构运动简图的草图，然后计算机构的自由度，并将草图与实物对照，观察是否和实物相符合。

5、画正式的机构运动简图

确定尺寸比例尺，认真测量机构各运动副之间的相对位置参数，在实验报告纸上用三角板和圆规，将上述草图按照选定的比例尺μl（构件的真实长度与图示长度的比值，单位为m/mm或mm/mm）画出正式的机构运动简图。

注：对于某些不便直接测定的机构尺寸，可首先分析其机构的性质，采用间接测量的办法。

五、实验报告

机构运动简图的测绘及分析实验报告

一、实验目的

二、实验设备

三、实验数据记录及结果

四、思考题

1、机构运动简图能反映实际机构的哪些内容？

2、绘制机构运动简图的过程中应注意些什么问题？

五、心得与建议

实验三渐开线齿廓的范成实验

一、实验目的

1、掌握用范成法加工渐开线齿廓的基本原理，观察齿廓的渐开线及过渡曲线的形成过程；

2、了解渐开线齿轮根切现象和齿顶变尖现象的原因及用变位修正来避免发生根切的方法；

3、分析、比较标准齿轮和变位齿轮的异同。

二、实验设备和用具

1、齿轮范成仪；

2、自备：Ф220mm圆形绘图纸一张（圆心要标记清楚），削尖的HB铅笔、橡皮、圆规（带延伸杆）、三角尺、剪刀、计算器、透明胶带纸。

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为加工轮齿的方法。刀具有渐开线齿轮（齿条）的外形，它与被切削齿轮坯的相对运动，完全与一对齿轮（或齿条与齿轮）的啮合过程一样，显然这样切制得到的轮齿齿廓就是刀具的刀刃在各个位置时的包络线。

图3-1 齿轮范成仪示意图

本范成仪所用的两把刀具模型为齿条型插齿刀，其参数为m=____和m=____，α=20°，ha*=1，c*=0.25。仪器构造简图如图2报示。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，安装在滑块4上，移动滑板时，齿轮齿条使圆盘2与滑板4作纯滚动。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上的刻度指标），分度圆则跟与刀具中线相平行的刀具切线相切并作纯滚动，具按移距的大小和方向切制出正变位或负变位齿轮的齿廓。

四、实验步骤

1、被加工齿轮的模数m=___，z=___和m=___，z=___，各变位系数分别为x1=0，x2=+0.53，分别计算其分度圆、基圆、齿顶圆、齿根圆直径，填入实验报告表内。

2、将Ф220mm圆形图纸分成三等分，即圆心角各为120°，并轻轻画出各自的角平分线；再画出分度圆、基圆及各自的齿顶圆和齿根圆，其参数及尺寸应分别标注清楚。

以上步骤应在实验课前完成。

3、取m=___的齿条刀具模型和Ф220mm的圆形图纸，安装在齿轮范成仪上。将刀具滑板4先移支中间，使x1=0区间进入被切削范围。为确保“轮坯”中心与圆盘２中心对准，必须使其角平分线与范成仪上的径向线对准，并使刀具中线与“轮坯”分度圆相切具垂直于角平分线；使刀具顶线与“轮坯”齿要圆相切。来回移动刀架滑板４，直到满足以上要求，再拧紧蝶形螺母，通过压板１压紧“轮坯”，固定紧齿条刀具。

移动滑板４，使刀具某一侧刃线通过“轮坯”中心，画出“轮坯”上的这条径向线。再将滑板４移到左边位置，准备进行“切削”。

4、每当把滑板４向右推动一个较小的距离时，在代表轮坯的圆形图纸上，用铅笔笔尖始终紧贴着刀具轮廓描下刀刃的位置，表示齿条插刀切削一次的刀刃痕迹。应控制使其间距匀称。表示等速范成。重复描绘；直到形成2-3个完整齿形为止。

仔细观察齿廓的形成过程，可清楚地看到被切到的部分成为齿槽，留下的

部分即为直线刀刃范成包络而成的渐开线轮齿。

当刀具侧刃与事先画好的轮坯径向线共线时，表示轮齿的渐开线齿廓已全部切成，观察这条径向线内的轮齿根部有无被切去的部分。

5、将滑板退回到左边位置，松开压板1、将“轮坯”转到正变位齿轮区间，按步骤3的要求的调整、定位。但刀具应靠近“轮坯”中心x2m，刀具顶线与齿根圆相切，这时与“轮坯”分度圆相切的是与刀具中线平行的另一条“刀具节线”。重复上一步骤，绘制出正变位齿轮的轮廓。

6、与上一步骤类似，但使齿条刀具远离“轮坯”中心x3m，绘制负变位齿轮的齿廓。

观察比较标准齿轮、正变位齿轮、负变位齿轮的齿形变化和其齿厚、齿槽宽、周节、齿顶厚、基圆齿厚、齿顶圆直径、齿根圆直径有无变化，相对变化的特点以及根切现象、齿顶变尖现象。

五、实验报告：

渐开线齿轮的范成实验报告

（一）齿条刀的基本参数：

模 数m 压 力 角α

齿顶高系数h *a 径向间隙系数c *

（二）范成齿轮的计算数据：

（三）范成齿廓图一张

齿廓图要求至少有两个以上完整的齿廓曲线。

（四）仔细观察齿轮图，比较标准齿廓与变位齿廓的异同点：