机械基础实验指导书(正稿)

《机械工程基础》

实

验

指

导

书

黄志诚编

景德镇陶瓷学院机电学院机设教研室

2008年9月

目录

实验一、低碳钢拉伸时力学性能的测定 (2)

实验二、渐开线齿廓的范成实验 (6)

实验三、减速器的拆装 (10)

实验四、轴系结构组合设计 (14)

实验一、低碳钢拉伸时力学性能的测定

一、 实验目的

1、观察低碳钢拉伸过程中的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。

2、测定低碳钢的屈服极限（屈服点）σs ，强度极限（抗拉强度）σb ，断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 二、 实验设备及工具

a) WE 型液压式万能试验机； b) SH-350试样分划器； c) 游标卡尺；

d)

低碳钢长试样（l =100mm ，d=10mm ）。

拉伸试件按国标GB/T 6397—1986制作。如图2－1所示，拉伸试件采用哑铃状，由工作部分、圆弧过渡部分和夹持部分组成。若以L 表示试件工作部分标距，d 表示试件直径，则拉伸试件有短试件（L ＝5d ）和长试件（L ＝10d ）两种。本试验采用长试件。

图2-1 圆形拉伸试件 图2-2 低碳钢的拉伸曲线

三、实验原理及方法

将试件安装于试验机的夹头内，之后匀速缓慢加载（加载速度对力学性能是有影响的，速度越快，所测的强度值就越高），直至将试件拉断。低碳钢试件在静拉伸试验中，通常可直接得到拉伸曲线，即F －△L 曲线，如实2-2图所示。用准确的拉伸曲线可直接换算出应力应变σε-曲线。观察拉伸曲线可见试件依次经过弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段等四个阶段，其中前三个阶段是均匀变形的。

①弹性阶段 是指拉伸图上的OA ′段。在弹性阶段，存在一比例极限点A ，对应的应力为比例极限p σ,此部分载荷与变形是成比例的，材料的弹性模量E

应

在此范围内测定。

②屈服阶段 对应拉伸图上的BC 段。在低碳钢的拉伸曲线上，当载荷增加到一定数值时出现的锯齿现象。屈服阶段中一个重要的力学性能就是屈服点。低碳钢材料存在上屈服点和下屈服点，不加说明，一般都是指下屈服点。上屈服点对应拉伸图中的B 点，记为F SU ，即试件发生屈服而力首次下降前的最大力值。下屈服点记为F SL ，是指不计初始瞬时效应的屈服阶段中的最小力值。金属材料的屈服是宏观塑性变形开始的一种标志。

一般通过指针法或图示法来确定屈服点，综合起来具体做法可概括为：当屈服出现一对峰谷时，则对应于谷低点的位置就是屈服点；当屈服阶段出现多个波动峰谷时，则除去第一个谷值后所余最小谷值点就是屈服点。用上述方法测得屈服载荷，然后计算出屈服点、下屈服点和上屈服点：

s σ＝F S /A ，SL σ=F SL /A ，SU σ＝F SU /A （2.1）

③强化阶段 对应于拉伸图中的CD 段。变形强化标志着材料抵抗继续变形的能力在增强。这也表明材料要继续变形，就要不断增加载荷。在强化阶段如果卸载，弹性变形会随之消失，塑性变形将会永久保留下来。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后重新加载时，加载线仍与弹性阶段平行。重新加载后，材料的比例极限明显提高，而塑性性能会相应下降。这种现象称之为形变硬化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料的宝贵性质之一。工程中利用冷作硬化工艺的例子很多，如挤压、冷拔、喷丸等。D 点是拉伸曲线的最高点，载荷为F b ，对应的应力是材料的强度极限或抗拉极限，记为b σ，

b σ＝F b /A （2.2）

④缩颈阶段 对应于拉伸图的DE 段。载荷达到最大值后，由于材料本身存在缺陷，于是均匀变形转化为集中变形，导致形成缩颈。缩颈阶段，承载面积急剧减小，试件承受的载荷也不断下降，直至断裂。断裂后，试件的弹性变形消失，塑性变形则永久保留在破断的试件上。材料的塑性性能通常用试件断后残留的变形来衡量。轴向拉伸的塑性性能通常用伸长率和断面收缩率来表示。

塑性材料缩颈部分的变形在总变形中占很大比例，研究表明，低碳钢试件缩颈部分的变形占塑性变形的80％左右。测定断后伸长率时，缩颈部分及其影响区的塑性变形都包含在内，这就要求断口位置到最邻近的标距端线的距离不小于L /3，此时可直接测量试件标距两端的距离得到L 1。否则就要用移位法（见⑥）使断口居于标距的中央附近。若断口落在标距之外则试验无效。

⑤试件标距对伸长率δ的影响

把试件断裂后的塑性伸长量△L 分成均匀变形阶段的伸长量△L 1和缩颈阶段的伸长量△L 2两部分。研究表明，△L 1沿试件标距长度均匀分布，△L 2主要集中于缩颈附近。远离缩颈处的变形较小，△L 1要比△L 2小得多，一般△L 1不会超过△L 2的5％。实验与理论研究表明，△L 1成正比，而△L 2

与试样横截面面积的大小A 有关，伸长率为/L L L δα=∆=+，其中α、β

L 值为常数的条件下，其断

后伸长率δ才是常数。若面积A 相同时，L 大，则δ小；反之，则δ大。故有5δ＞

10δ。

⑥延伸率δ和断面收缩率ψ的测定

试件的原始标距为0l ，拉断后将两段试件紧密对接在一起，量出拉断后的标距长1l ，延伸率应为

%1000

1⨯-=

l l l δ （2.3） 式中 0l —试件原始标距，1l —试件拉断后标距长度。

对于塑性材料，断裂前变形集中在紧缩处，该部分变形最大，距离断口位置越远，变形越小，即断裂位置对延伸率是有影响的。为了便于比较，规定断口在标距中央三分之一范围内测出的延伸率为测量标准。如断口不在此范围内，则需进行折算，也称断口移中。具体方法如下：以断口O 为起点，在长度上取基本等于短段格数得到B 点，当长段所剩格数为偶数时（见图2.2a ），则由所剩格数的一半得到C 点，取BC 段长度将其移至短段边，则得断口移中得标距长，其计算式为

-

-

+=BC AB l 21

图2.2断口移中示意图

如果长段取B 点后所剩格数为奇数（见图2.2b ），则取所剩格数加一格之半得C 1点和减一格之半得C 点，移中后标距长为

-

-

-

++=BC BC AB l 11

将计算所得的1l 代入式中，可求得折算后的延伸率δ。

为了测定低碳钢的断面收缩率，试件拉断后，在断口处两端沿互相垂直的方向

各测一次直径，取平均值1d 计算断口处横截面面积，再按下式计算面积收缩率

%1000

1

0⨯-=

A A A ψ （2.4） 式中 A 0—试件原始横截面面积 A 1—试件拉断后断口处最小面积 四、实验步骤

1、测量试样尺寸 将试样在划线器上分成十等份并测量出l 0，在标距l 0 的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，取其均值，再以三者的最小值计算A 0 。

2、加载 将试样安装在试验机上均匀、缓慢加载注意读出F S ，最后直到将试样拉断，计下最大载荷F b 。

3、取下试样，试验机恢复原状。测量断后试样尺寸。 五、实验数据记录及处理

六、实验分析及思考题

a) 材料相同，直径相等的长试样l 0=10d 0和短试样l 0=5d 0其断后伸长率δ是否

相同？

b) 为消除加载偏心的影响应采取什么措施？

c) 实验时如何观察低碳钢的屈服极限？测定σs 时为何要限制加载速度？

实验二、渐开线齿廓的范成实验

一、实验目的

（1）掌握展成法加工渐开线齿廓的原理。

（2）了解齿轮的根切现象及采用变位修正来避免根切的方法。

（3）了解变位后对轮齿尺寸产生的影响。

二、实验设备与工具

（1）齿轮展成仪。

（2）钢直尺、圆规、剪刀。

（3）铅笔、三角板、绘图纸。

三、实验原理

齿轮在实际加工中，看不到轮齿齿廓渐开线的形成过程。本实验通过齿轮展成仪来实现轮坯与刀具之间的相对运动过程，并用铅笔将刀具相对轮坯的各个位置记录在图纸上，这样就能清楚地观察到渐开线齿廓的展成过程。齿轮展成仪所

用的刀具模型为齿条插刀，仪器构造如图4-1所示。

图4-1 齿轮展成仪结构示意图

1—托盘；2—轮坯分度圆；3—滑架；4—支座；5—齿条（刀具）；

6—调节螺旋；7、9—螺钉；8—刀架；10—压环

绘图纸做成圆形轮坯，用压环10固定在托盘1上，托盘可绕固定轴O转动。代表齿条刀具的齿条5通过螺钉7固定在刀架8上，刀架装在滑架3上的径向导槽

内，旋转螺旋6，可使刀架带着齿条刀具相对于托盘中心O作径向移动。因此，齿条刀具5既可以随滑架3作水平左右移动，又可以随刀架一起作径向移动。滑架3与托盘1之间采用齿轮齿条啮合传动，保证轮坯分度圆与滑架基准刻线作纯滚动，当齿条刀具5的分度线与基准刻线对齐时，能展成标准齿轮齿廓。调节齿条刀具相对齿坯中心的径向位置，可以展成变位齿轮齿廓。

四、实验步骤

（1）展成标准齿轮

①根据所用展成仪的模数m和托盘中心至刀具中线的距离（轮坯分度圆半径r），求出被加工标准齿轮的齿数z，齿顶圆直径a d，齿根圆直径f d和基圆直径b d。

②在一张图纸上，分别以a d、f d、b d和分度圆直径d画出4个同心圆，并将图纸剪成直径为a d的圆形轮坯。

③将圆形纸片（轮坯）放在展成仪的托盘1上，使二者圆心重合，然后用压环10和螺钉9将纸片夹紧在托盘上。

④将展成仪上的齿条5的中线与滑架3上的标尺刻度零线对准（此时齿条刀具的分度线应与圆形纸片上所画的分度圆相切）。

⑤将滑架3推至左（或右）极限位置，用削尖的铅笔在圆形纸片（代表被加工轮坯）上画下齿条刀具5的齿廓在该位置上的投影线（代表齿条刀具插齿加工每次切削所形成的痕迹）。然后将滑架向右（或左）移动一个很小的距离，此时通过啮合传动带动托盘1也相应转过一个小角度，再将齿条刀具的齿廓在该位置上的投影线画在圆形纸片上。连续重复上述工作，绘出齿条刀具的齿廓在各个位置上的投影线，这些投影线的包络线即为被加工齿轮的渐开线齿廓。

⑥按上述方法，绘出2~3个完整的齿形，如图4-2所示。

图4-2 标准渐形线齿轮齿廓的展成过程

（2）展成正变位齿轮

①根据所用展成仪的参数，计算出不发生根切现象时的最小变位系数min x 。然后确定变位系数x （min x x ≥），计算变位齿轮的齿顶圆直径a d 和齿根圆直径f d （a d 和f d 由指导教师计算）。

②在另一张图纸上，分别以a d 、f d 、b d 和分度圆直径d 画出四个同心圆，并将图纸剪成直径为a d 的圆形轮坯。

③同展成标准齿轮步骤③。

④将齿条5向离开齿坯中心O 的方向移动一段距离xm 。 ⑤同展成标准齿轮步骤⑤。

⑥同展成标准齿轮步骤⑥，绘出的齿廓如图4-3所示。

图4-3 正变位渐形线齿轮齿廓的展成过程

五、注意事项

（1）本实验最好选用模数较大（15m mm ≥）而分度圆较小的展成仪，使齿数

z ≤10，以便在展成标准齿轮齿廓时能观察到较为明显的根切现象。

（2）代表轮坯的纸片应有一定厚度（用70g 以上纸），纸面应平整无明显翘曲，以防在实验过程中顶在齿条5的齿顶部。为了节约实验时间与纸片，亦可将标准齿轮与变位齿轮的轮坯以直径为界画在同一张纸上使用。

（3）轮坯纸片装在托盘1上时应固定可靠，在实验过程中不得随意松开或重新固定，否则可能导致实验失败。

（4）在做实验步骤⑤时，应自始至终将滑架从一个极限位沿一个方向逐渐推动直到画出所需的全部齿廓，不得来回推动以免展成仪啮合间隙影响实验结果的精确性。 六、思考题

（1）产生根切现象的原因是什么？如何避免？

（2）齿廓曲线是否全是渐开线？

（3）变位后齿轮的哪些尺寸不变？轮齿尺寸将发生什么变化？

实验三、减速器的拆装

一、实验目的

（1）通过对减速器的拆装与观察，了解减速器的整体结构、功能及设计布局。

（2）通过减速器的结构分析，了解其如何满足功能要求和强度、刚度要求、工艺（加工与装配）要求及润滑与密封等要求。

（3）通过对减速器中某轴系部件的拆装与分析，了解轴上零件的定位方式、轴系与箱体的定位方式、轴承及其间隙调整方法、密封装置等；观察与分析轴的工艺结构。

（4）通过对不同类型减速器的分析比较，加深对机械零、部件结构设计的感性认识，为机械零、部件设计打下基础。

二、实验设备和工具

（1）拆装用减速器单级直齿圆柱齿轮减速器，两级直齿圆柱齿轮减速器，锥齿轮减速器，蜗杆减速器（下置式）。

（2）观察、比较用减速器单级斜齿圆柱齿轮减速器，两级斜齿圆柱齿轮减速器，蜗杆减速器（上置式），摆线针轮行星减速器。

（3）活动扳手、手锤、铜棒、钢直尺、铅丝、轴承拆卸器、游标卡尺、百分表及表架。

（4）煤油若干量、油盘若干只。

三、减速器的类型与结构

减速器是一种由封闭在箱体内的齿轮、蜗杆蜗轮等传动零件组成的传动装置，装在原动机和工作机之间用来改变轴的转速和转矩，以适应工作机的需要。由于减速器结构紧凑、传动效率高、使用维护方便，因而在工业中应用广泛。

减速器常见类型有以下三种：圆柱齿轮减速器、锥齿轮减速器和蜗杆减速器，分别见图5-l a、b、c所示。

a）单级圆柱齿轮减速器b）锥齿轮减速器c）下置式蜗杆减速器

图5-1 减速器的类型

在圆柱齿轮减速器中，按齿轮传动级数可分为单级、两级和多级。蜗杆减速器又可分为蜗杆上置式和蜗杆下置式。

两级和两级以上的减速器的传动布置形式有展开式、分流式和同轴式三种形式，分别见实5-2图a 、b 、c 所示。展开式用于载荷平稳的场合，分流式用于变载荷的场合，同轴式用于原动机与工作机同轴的特殊的工作场合。

a ）展开式

b ）分流式

c ）同轴式

图5-2 减速器传动布置形式

减速器的结构随其类型和要求的不同而异，一般由齿轮、轴、轴承、箱体和附件等组成。图5-3为单级圆柱齿轮减速器的结构图。

箱体为剖分式结构，由箱盖和箱座组成，剖分面通过齿轮轴线平面。箱体应有足够的强度和刚度，除适当的壁厚外，还要在轴承座孔处设加强肋以增加支承刚度。

一般先将箱盖与箱座的剖分面加工平整，合拢后用螺栓联接并以定位销定位，找正后加工轴承孔。对支承同一轴的轴承孔应一次镗出。装配时，在剖分面上不允许用垫片，否则将不能保证轴承孔的圆度误差在允许范围内。

箱盖与箱座用一组螺栓联接。为保

证轴承孔的联接刚度，轴承座

图安装螺栓处做出凸台，并使轴承座孔

两侧联接螺栓尽量靠近轴承座 孔。安装螺栓的凸台处应留有扳手空间。

为便于箱盖与箱座加工及安装定位，在剖分面的长度方向两端各有一个定位圆锥销。箱盖上设有窥视孔，以便观察齿轮或蜗杆蜗轮的啮合情况。窥视孔盖上装有通气器，使箱体内外气压平衡，否则易造成漏油。为便于拆卸箱盖，其上装有起盖螺钉。为拆卸方便，箱盖上设有吊耳或吊环螺钉。为搬运整台减速器，在箱座上铸有吊钩。

箱座上设有油标尺用来检查箱内油池的油面高度。最低处有放油油塞，以便排

1－起盖螺钉；2—通气器；3—视孔盖；4—箱盖；5—吊耳；6—吊钩；7—箱座；8—油标尺；9—油塞；10—油沟；11—定位销

图5-3 单级圆柱齿轮减速器结构

净污油和清洗箱体内腔底部。箱座与基座用地脚螺栓联接，地脚螺栓孔端制成沉孔，并留出扳手空间。

四、减速器的润滑与密封

减速器的润滑主要指齿轮与轴承的润滑，其润滑方式及润滑剂的选择见课本相关章节。

减速器需密封的部位很多，可根据不同的工作条件和使用要求选择不同的密封结构。轴伸出端的密封和轴承靠箱体内侧的密封见课本相关章节。箱体接合面的密封通常于装配时在箱体接合面上涂密封胶或水玻璃。

五、实验步骤

（1）观察减速器外部结构，判断传动级数、输入轴、输出轴及安装方式。

（2）观察减速器的外形与箱体附件，了解附件的功能、结构特点和位置，测出外廓尺寸、中心距、中心高。

（3）测定轴承的轴向间隙。固定好百分表，用手推动轴至一端，然后再推动轴至另一端，百分表所指示出的量值差即是轴承轴向间隙的大小。

（4）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。

（5）测定齿轮副的侧隙。将一段铅丝插入齿轮间，转动齿轮碾压铅丝，铅丝变形后的厚度即是齿轮副侧隙的大小，用游标卡尺测量其值。

（6）仔细观察箱体剖分面及内部结构、箱体内轴系零部件间相互位置关系，确定传动方式。数出齿轮齿数并计算传动比，判定斜齿轮或蜗杆的旋向及轴向力、轴承型号及安装方式。绘制机构传动示意图。

（7）取出轴系部件，拆零件并观察分析各零件的作用、结构、周向定位、轴向定位、间隙调整、润滑、密封等问题。把各零件编号并分类放置。

（8）分析轴承内圈与轴的配合，轴承外圈与机座的配合情况。

（9）在煤油里清洗各零件。

（10）拆、量、观察分析过程结束后，按拆卸的反顺序装配好减速器。

六、注意事项

（1）减速器拆装过程中，若需搬动，必须按规则用箱座上的吊钩缓吊轻放，并注意人身安全。

（2）拆卸箱盖时应先拆开联接螺钉与定位销，再用起盖螺钉将盖、座分离，然后利用盖上的吊耳或环首螺钉起吊。拆开的箱盖与箱座应注意保护其结合面，防止碰坏或擦伤。

（3）拆装轴承时须用专用工具，不得用锤子乱敲。无论是拆卸还是装配，均不得将力施加于外圈上通过滚动体带动内圈，否则将损坏轴承滚道。

七、思考题

（1）箱体结合面用什么方法密封？

（2）减速器箱体上有哪些附件？各起什么作用？分别安排在什么位置？

（3）测得的轴承轴向间隙如不符合要求，应如何调整？

（4）轴上安装齿轮的一端总要设计成轴肩（或轴环）结构，为什么此处不用轴套？

（5）扳手空间如何考虑？正确的扳手空间位置如何确定？

实验四轴系结构组合设计

一、实验目的

熟悉并掌握轴系结构设计中有关轴的结构设计、滚动轴承组合设计的基本方法。

二、实验设备

1）组合式轴系结构设计实验箱

2）测量及绘图工具（绘图工具学生自备）

三、实验内容

2、每组学生根据各实验题号要求，进行轴的结构设计，选择轴承类型，解决轴上零件的定位与固定、轴承的安装与调整、润滑与密封等问题。

3、绘制轴系结构装配图。

4、编写实验报告一份。

四、实验步骤

1、复习教材上有关轴的结构设计与轴承组合设计的内容。

2、构思轴系结构设计方案：

（1）根据齿轮类型和载荷情况选择滚动轴承类型及型号；

（2）确定轴的支承的轴向固定方式（如：两端单向固定；一端固定，一端游动；

两端游动等）；

（3）根据轴承内径和轴的转速确定轴承的润滑方式（脂润滑或油润滑）；

（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、橡胶圈、皮碗、油沟等）；

（5）考虑轴上零件的定位与固定；轴承的固定、装拆、间隙调整等问题；

（6）绘制轴系结构设计方案示意图。

3、根据轴系结构设计方案，从实验箱中选取合适的零件组装轴系部件。

4、根据所组装的轴系部件绘制轴系结构草图。

5、测量轴系各零部件及结构尺寸，并作好记录。

6、将所有零件放入实验箱内（要求能够盖好箱盖），交还所借工具。

7、根据结构草图及测量数据，在3# 图纸上按1:1比例绘制轴系结构装配图，标注主要的结构尺寸和配合尺寸，填写标题栏和零件明细表。