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1、机械设计实验,淮阴工学院机械系,前言,机械设计实验是理论学习基础上的一个极其重要的实践环节。通过实验可以使学生加深对机械设计课程的基本概念、基本理论的理解，从而提高学生分析和解决问题的能力。每个实验基本内容包括：实验目的、实验原理、操作步骤、实验内容等。,实验项目,带传动实验 轴系结构分析与拼装实验 减速机拆装实验机械系统创意组合实验,实验一 带 传 动 实 验,一、实验目的,1.了解带传动的基本原理，并观察、分析有关带的弹性滑动和打滑等重要物理现象；2.了解转速、以及扭矩的测量原理与方法；3.绘制带的滑动曲线及传动效率曲线。,二、实验系统,本实验台机械部分，主要有两台直流电机组成，其中一台作
2、为原动机，另一台则作为负载的发电机。对原动机，由单片机调速装置供给电动机电枢以不同的端电压，实现无级调速。对发电机，每打开一个负载开关，即并上一个负载电阻，使发电机负载逐步增加，电枢电流增大，随之电磁转矩也增大，即发电机的负载转矩增大，实现了负载的改变。两台电机均为压支承，当传递载荷时，作用于电机定子上的力矩T1（主动电机力矩）、T2（从动电机力矩）迫使压杆作用于压力传感器，传感器输出的电信号正比与T1、T2的原始信号。原动机的机座设计成滑动结构，用扳手拧紧螺纹拉杆即可改变带传动中心距，从而改变张紧力。两台电机的转速传感器分别安装在带轮背后，由此可获得必须的转速信号。,1、皮带传动原理,1.1
3、 带传动的分析 预拉力促使带与轮之间具有一定的摩擦力，使得轮子转动时带动皮带传动。两皮带轮静止时，带各处的拉力 都等于预紧力F0。传动时，由于带与轮子表面间摩擦力的作用，带两边出现拉力差异，绕进主动轮和绕出主动轮的一边的拉力从F0增大到F1，绕出主动轮和绕进被动轮的一边的拉力由F0减小到F2，F1作用的边称为紧边，F2作用的边称为松边 设环形带的总长度不变，则紧边的拉力的增量F1-F0应等于松边拉力的减小量F0-F2。即 F1-F0=F0-F2 则 紧边与松边之差称为带传动的有效拉力，即圆周力等于F=F1-F2。,1.2 带传动的弹性滑动与打滑 滑动率由于弹性滑动不可避免，所以从动轮的圆周速度
4、小于主动轮的圆周速度，在带传动时，由带的滑动引起的被动轮速度的降低率称为滑动率。其中，V1、V2为主、被动轮轮缘的线速度；n1、n2为主、被动轮的转速；d1、d2为主、被动轮的直径。若d1=d2，则=(n1-n2)/n1，根据实验研究结果，带的弹性滑动只发生在全部包角的某一段的接触弧上，随着有效圆周力的增加，弹性滑动的区段也逐渐增大，当它扩大至整个包角对应的接触弧时，带传动的有效圆周力也达到最大极限，如果载荷进一步增大，带与带轮间就发生显著的相对滑动，即产生打滑。打滑将使皮带磨损加剧，被动轮转速急剧降低，甚至使传动失效，这种情况应当避免。,2、实验系统的组成,实验台外观如图1所示。,图1,如图
5、2所示，实验系统主要包括如下部分：（1）带传动机构；（2）主、从动轮转矩传感器；（3）主、从动轮转速传感器；（4）控制盒（数据采集箱）；（5）个人电脑；（6）打印机。,图2,3、实验机构结构特点,（1）机械结构 本实验台机械部分，主要由两台直流电机组成，如图3所示。其中一台作为原动机，另一台作为负载的发电机。,图3,（2）检测系统 实验台配数据采集箱一只，承担控制检测、数据处理、自动显示等功能。通过微机接口外接PC机，这时就可自动显示并能打印输出带传动的滑动曲线T2及效率曲线T2以及有关数据。,三、实验操作步骤,1.关闭负载（即将试验台前面的9个按钮全部弹出），打开控制盒后面的电源开关。2.按
6、控制盒前面的“加速”薄膜开关，每按一下电机转速提升一级，将电机转速调到400500rpm之间（450rpm左右），如转速过高可按控制盒前面的“减速”薄膜开关调低转速。3.打开相应程序，点击“工具”菜单，再点击“选项”子菜单，将滤波系数改为恰当值如“12”或其他，在以后采集数据过程中可随时调整滤波系数。4.界面有4个区域，最下面的区域为数据显示及曲线生成区域，点击菜单栏下的“采集”按钮，待数据稳定后点击界面最下面的区域中的“采点”按钮，这时采集到第一组空载数据同时相应的数据点出现在这个区域中。5.按下试验台前面的9个按钮中的任意一个，这时加载一次，用第4步中相同的方法采集相应的数据。6.不断加载
7、（按试验台前面的按钮），不断采集相应的数据，数据与生成的曲线同步产生，当采集到足够多的点时最终曲线生成。7.数据采集过程中，如有采点时机不当等原因造成的异常点则可点击“除异”按钮（在“采点”按钮下方），将刚才异常点抹去后可重新采点。8.采点结束后，点击“停止采集”按钮（在“采集”按钮旁边），将载荷全部卸掉（即将试验台前面的按钮全部弹出），按控制盒前面的“停止”薄膜开关，最后将控制盒后面的电源开关关闭。,三、注意事项1.打开程序界面，在菜单栏下的一排按钮中，“加速”、“减速”以及“停机”按钮与控制盒前面的相应的薄膜开关功能一致。2.若显示数据失常且无法消除，可正常关闭机器后重新开启试验台重做实验
8、即可。3.启动电机之前，应关闭负载（即将试验台前面的9个按钮全部弹出）。4.实验数据可保存为电子档。,带传动实验台加载原理,本实验台由两台直流电机组成，左边一台是直流电动机，产生主动转矩，通过皮带，带动右边的直流发电机。直流发电机的输出电压通过面板的“加载”按键控制电子开关，逐级接通并联的负载电阻。,计算公式为:1.2.3.求所曲线,(%),(%),T2,式中T1，T2分别为主动轮和被动轮上的转矩 n1，n2分别为主动轮和被动轮的转速,式中,为从动轮实际转速,为从动轮理论转速即假定带传动没有滑动时的转速，由于本试验中两轮直径相等,和,测试软件界面,轴系结构分析与拼装实验,实验二,一、实验目的,
9、1、熟悉并掌握轴上零件的结构形状及功用、工艺要求和装配关系 2、熟悉并掌握轴及轴上零件的定位与固定方法3、了解轴承的类型、布置、安装及调整方法，了解润滑和密封方式,二、实验设备,1、组合式轴系结构实验箱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指导教师根据教学要求给每组指定实验内容（圆柱齿轮轴系，小圆锥齿轮轴系或蜗杆轴系分析）。2分析并测绘轴系部件，画出轴系部件。3编写实验报告,四、实验步骤,1明确实验内容，复习轴的结构设计及轴承组合设 计等内容。2观察与分析轴承的结构特点。3绘制轴系装配示意图或结构草图。4测量轴系主要装配尺寸（如支承跨距）和零件主要结构尺寸（支座不用测量
10、）。5拆卸轴系部件，恢复原状，整理工具，实验结束。6根据装配草图和测量数据，绘制轴系部件装配简图。（这一步可简略，酌情）7编写实验报告。,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、园螺母、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、实验中应注意观察与思考的几个问题,注意结构特点，注意装配方法。,每人编写实验报告
11、一份内容包括：实验目的；轴系类型：（两端固定、一端固定一端游走或两端游走等）；附轴系结构装配简图 说明（简要说明所绘制的轴系中轴上零件特别是齿 轮和轴承的定位和固定方式、透盖处的密封方式、滚动轴承的安装调整及润滑等问题）。,六、实验报告,参考图,实验三,减速机拆装实验,一、实验目的,通过对拆装用减速器的拆装和分析，达到了解其中各零件的结构、用途及减速器的装配、调整、润滑方法。,二、实验设备及工具,1拆装用减速器2扳手两把，游标卡尺一把，长直尺一把3铅笔，橡皮，三角尺（自备）,三、实验步骤,1拆卸减速器前，观察其外形，外露零件的相互位置，判断减速器属于 哪种类型。2拆开箱盖，观察齿轮、轴的结构特
12、点及齿轮在轴上如何定位。3确定齿轮副的润滑形式。4通过对轴承结构的分析，了解其结构特点，明确如下问题。轴承的受力情况如何？为什么采用该形式轴承？为什么这样布置？是否要调整轴承的间隙？如何调整？轴承盖的形式，结构。如何保证轴承的润滑？采用哪种润滑剂？采用了何种密封装置？5分析减速器其它部分（螺栓凸台，吊耳或吊环，加强筋，箱体结合面，底座面及螺栓分布，通气螺栓，放油螺栓，油标，观察孔等）的结构特点、用途及优缺点。6分析如何调整齿轮啮合。7分析轴上零件的装配顺序。,四、实验要求,1给出总传动图并在图上标明各齿轮的齿数、旋向 及各级传动比。2给出分析结果 如轴承类型，轴承润滑方法，轴承轴向间隙的调整方
13、法，上下箱体结合的联接螺栓数，箱盖和箱座吊耳（环）及加强筋的数量，上下箱体之间的定位销的布置，观察孔、启盖螺钉、通气螺栓、放油螺栓及油标的布置和作用等。3测绘其中一轴系，并说明轴上零件的定位和固定方式（选做）。,五、注意事项,1拆装时要认真负责，观察要仔细。爱护工具和各构件，拆装用力要适当，以免损坏零件。2拆出的零件不得乱放，要轻拿轻放，各配合面不应接触地面和粗糙面，以免碰损。3拆装结束后，应把减速器按原样装好，点齐工具并交还指导老师后方可离开。,六、实验报告,内容包括1总传动图：2减速器分析：（重点是减速器结构特征的分析）注：可以比较一下两级圆柱齿轮减速器中展开式、分流式及同轴式的各自特点及
14、应用（选做）3所选轴系的测绘及分析结果：（选做）,二级齿轮减速器,单级齿轮减速器,蜗杆减速器,减速器,减速器,减速器的基本构造。,减速器主要由传动零件（齿轮或蜗杆）、轴、轴承、箱体及其附件所组成。下图为单级圆柱齿轮减速器的结构图，其基本结构有三大部分：1）齿轮、轴及轴承组合；2）箱体；3）减速器附件减速器的基本结构 1-箱座2-箱盖3-上下箱联接螺栓 4-通气器5-检查孔盖板6-吊环螺钉 7-定位销8-油标尺9-放油螺塞10-平键11-油封12-齿轮轴13-挡油盘14-轴承15-轴承端盖16-轴17-齿轮18-轴套,减速器的基本构造,齿轮、轴及轴承组合小齿轮与轴制成一体，称齿轮轴，这种结构用于
15、齿轮直径与轴的直径相关不大的情况下，如果轴的直径为d，齿轮齿根圆的直径为df，则当df-d67mn时，应采用这种结构。而当df-d67mn时，采用齿轮与轴分开为两个零件的结构，如低速轴与大齿轮。此时齿轮与轴的周向固定平键联接，轴上零件利用轴肩、轴套和轴承盖作轴向固定。两轴均采用了深沟球轴承。这种组合，用于承受径向载荷和不大的轴向载荷的情况。当轴向载荷较大时，应采用角接触球轴承、圆锥滚子轴承或深沟球轴承与推力轴承的组合结构。图中，轴承是利用齿轮旋转时溅起的稀油，进行润滑。箱座中油池的润滑油，被旋转的齿轮溅起飞溅到箱盖的内壁上，沿内壁流到分箱面坡口后，通过导油槽流入轴承。当浸油齿轮圆周速度2m/s
16、时，应采用润滑脂润滑轴承，为避免可能溅起的稀油冲掉润滑脂，可采用挡油环将其分开。为防止润滑油流失和外界灰尘进入箱内，在轴承端盖和外伸轴之间装有密封元件。,减速器的基本构造,箱体 箱体是减速器的重要组成部件。它是传动零件的基座，应具有足够的强度和刚度。箱体通常用灰铸铁制造，对于重载或有冲击载荷的减速器也可以采用铸钢箱体。单体生产的减速器，为了简化工艺、降低成本，可采用钢板焊接的箱体。上图中的箱体是由灰铸铁制造的。灰铸铁具有很好的铸造性能和减振性能。为了便于轴系部件的安装和拆卸，箱体制成沿轴心线水平剖分式。上箱盖和下箱体用螺栓联接成一体。轴承座的联接螺栓应尽量靠近轴承座孔，而轴承座旁的凸台，应具有
17、足够的承托面，以便放置联接螺栓，并保证旋紧螺栓时需要的扳手空间。为保证箱体具有足够的刚度，在轴承孔附近加支撑肋。为保证减速器安置在基础上的稳定性并尽可能减少箱体底座平面的机械加工面积，箱体底座一般不采用完整的平面。图中减速器下箱座底面是采用两纵向长条形加工基面。,减速器的基本构造,附件 为了保证减速器的正常工作，除了对齿轮、轴、轴承组合和箱体的结构设计给予足够的重视外，还应考虑到为减速器润滑油池注油、排油、检查油面高度、加工及拆装检修时箱盖与箱座的精确定位、吊装等辅助零件和部件的合理选择和设计。1）检查孔 为检查传动零件的啮合情况，并向箱内注入润滑油，应在箱体的适当位置设置检查孔。图中检查孔设
18、在上箱盖顶部能直接观察到齿轮啮合部位处。平时，检查孔的盖板用螺钉固定在箱盖上。2）通气器 减速器工作时，箱体内温度升高，气体膨胀，压力增大，为使箱内热胀空气能自由排出，以保持箱内外压力平衡，不致使润滑油沿分箱面或轴伸密封件等其他缝隙渗漏，通常在箱体顶部装设通气器。3）轴承盖 为固定轴系部件的轴向位置并承受轴向载荷，轴承座孔两端用轴承盖封闭。轴承盖有凸缘式和嵌入式两种。图中采用的是凸缘式轴承盖，利用六角螺栓固定在箱体上，外伸轴处的轴承盖是通孔，其中装有密封装置。凸缘式轴承盖的优点是拆装、调整轴承方便，但和嵌入式轴承盖相比，零件数目较多，尺寸较大，外观不平整。,减速器的基本构造,4）定位销 为保证
19、每次拆装箱盖时，仍保持轴承座孔制造加工时的精度，应在精加工轴承孔前，在箱盖与箱座的联接凸缘上配装定位销。图中采用的两个定位圆锥销，安置在箱体纵向两侧联接凸缘上，对称箱体应呈对称布置，以免错装。5）油面指示器 检查减速器内油池油面的高度，经常保持油池内有适量的油，一般在箱体便于观察、油面较稳定的部位，装设油面指示器，图中采用的油面指示器是油标尺。6）放油螺塞 换油时，排放污油和清洗剂，应在箱座底部，油池的最低位置处开设放油孔，平时用螺塞将放油孔堵住，放油螺塞和箱体接合面间应加防漏用的垫圈。7）启箱螺钉 为加强密封效果，通常在装配时于箱体剖分面上涂以水玻璃或密封胶，因而在拆卸时往往因胶结紧密难于开
20、盖。为此常在箱盖联接凸缘的适当位置，加工出12个螺孔，旋入启箱用的圆柱端或平端的启箱螺钉。旋动启箱螺钉便可将上箱盖顶起。小型减速器也可不设启箱螺钉，启盖时用起子撬开箱盖，启箱螺钉的大小可同于凸缘联接螺栓。8）起吊装置 当减速器重量超过25kg时，为了便于搬运，在箱体设置起吊装置，如在箱体上铸出吊耳或吊钩等。图中上箱盖装有两个吊环螺钉，下箱座铸出四个吊钩。,常用减速器的型式和应用,减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。减速器的种类很多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们互相组合起来的减速
21、器；按照传动的级数可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥一圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。常用的减速器型式及其特点和应用见下表。常用减速器的型式和应用,实验四,机械系统创意组合实验,一、实验目的,1、认识组成机械系统常用的零部件及安装方式。2、根据负载的形式设计不同传动比、不同传动路径的传动系统方案，并对系统方案进行评价。3、组合装配机械系统。4、利用检测系统检测实际系统的传动比效率。5、对系统输入、输出的传动速度变化及系统效率变化进行分析。,二、实验原理,机械系统的组成：机械系统主要由动力机、传动装置和工作机三部
22、分组成。现代机器常把上述三部分合成一个整体而自成一个机械系统。这时工作机就是机器中的执行机构，动力机则是机器中的驱动部分。现代机械系统除了包括上述三部分外，常带有控制-操纵单元和辅助单元。实验台提供了电机转速控制、负载控制部分及系统参数检测部分。同时本实验台提供了驱动静态负载（模拟负载）与动态负载。,三、装配说明,实验台的机械结构：,直流电机 装配平台 立式装配平台 传动部件 负载装置 数据采集箱 联机计算机,从图片上可知，该实验台主要由底座(安装平台)、驱动源、模拟负载、离合器部件、变载荷以及减速器、联轴器、带、链、三角带轮、链轮库等组成。可根据需要按一定的形式组合成不同的机械传动系统。其布
23、置形式可呈平面和空间两种形式。其中底座(安装平台)、驱动源、模拟负载、离合器部件、变载荷为整体结构。底座(安装平台)的滑槽可根据安装需要布置。减速器有蜗轮减速器、园柱齿轮减速器、摆线针轮减速器等三种。联轴器有弹性柱销联轴器、挠性爪型联轴器、滚子链联轴器、双叉铰链联轴器、单叉铰链联轴器等五种。其布置形式可呈平面和空间两种形式。,四、检测分析系统,实验台利用测力传感器，与光电测速传感器检测机械系统的输入及输出的转速和转矩，并通过数据采集箱进行采集处理，数据通过串口通讯输入至计算机，形成可视化的适时变化曲线。调速系统：该系统配有手动调速（面板控件：按动“加速”键一次，转速将提高一个档次，按动“减速”
24、键一次转速将减小一个档次，按动“停止”键电机将停止），和计算机软件调速（软件控件：利用调节滚动条来对单片机发出调速命令，使电机转速改变）两种方式，任选一种即可。,电子离合器控制系统：机罩侧面有2根引线，一根220V电源线和一个自锁按纽开关。它提供了24V直流电源，可控制电子离合器开合。,五、实验步骤,1、根据设备提供的零部件清单，认识了解不同的零部件。2、根据实物了解实验台的结构和装配方式。3、利用产品提供的装配简图和装配图或自己设计机械系统方案，找到装配系统所需的零部件。4、安装系统 首先安装动力部件，将垫条固定在所需的位置上，再将动力装置安装在其上，位置和中心高均可调节。试安装负载，以与上
25、述同样的方式安装。安装中间传动部件。根据需要调整各部件位置及中心高（用垫片调整）。确认系统安装正确后（可手动试运转）。将电机引线与数据采集箱电机连线相连，同时将电机的测速、测力传感器分别接至数据采集箱背板上的数字通道1及模拟通道1，而将负载的测速、测力传感器分别接至数据采集箱背板上的数字通道2及模拟通道2。接通采集箱电源，调节其面板上的调速按纽（加速、减速），试运行系统，观察其运行情况，并作适当调整。此时从数据采集箱面板上可采集到有关参数。（如果装有电磁离合器，可将引线分别接于离合器接线端和机座，用按扭控制开合）。5、数据采集箱与计算机相连，进行输入实验台相关软件，即可观察n1、n2、T1、T2的适时变化曲线。6、打印相关曲线，编写实验报告。,六、实验结果分析,1、绘制传动路线图2、记录系统动力参数及负载3、打印n1、n2、T1、T2、的变化曲线（最大负载）4、分析上述曲线变化的原因5、评价系统,
