機(jī)械設(shè)計實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書綜述

1、第4章 機(jī)械性能和工作能力的測試與分析4.1概述提高機(jī)械及其零部件的性能和工作能力是提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。機(jī)械及其零部件的性能和工作能 力的測試涉及運(yùn)動學(xué)特性、動力學(xué)特性、精確度、承載能力、可靠性、安全性、人機(jī)工程、節(jié)能環(huán)保等， 項(xiàng)目和內(nèi)容十分廣泛，其基本內(nèi)容包括機(jī)械傳動的效率、振動、噪聲等，這些測試項(xiàng)目常常作為評定機(jī)械 產(chǎn)品性能的基本質(zhì)量指標(biāo)。因此，掌握機(jī)械性能和工作能力的測試方法，對于研究、改進(jìn)和創(chuàng)新機(jī)械以及 對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷具有重要的意義。4.2機(jī)械設(shè)計展示開放實(shí)驗(yàn)4.2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)對各種機(jī)械零部件、各種傳動裝置的結(jié)構(gòu)組成形式以及潤滑與密封、零件的失效形式等有 個比較全面

2、的認(rèn)識與了解。4.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備機(jī)械設(shè)計示教板，由18個陳列柜組成，如圖 4-1所示。圖4-1機(jī)械設(shè)計示教板4.2.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1) 螺紋聯(lián)接1 :螺紋的類型、螺紋聯(lián)接的基本類型、常見的各種螺紋聯(lián)接件；(2) 螺紋聯(lián)接2 :螺紋聯(lián)接的防松、提高螺紋聯(lián)接強(qiáng)度的措施、螺紋聯(lián)接的裝拆；(3) 鍵、銷和花鍵聯(lián)接；(4) 鉚、焊、粘和過盈聯(lián)接；(5) 帶傳動1 : V帶傳動、平帶傳動、同步帶傳動及帶傳動的張緊裝置；(6) 帶傳動2 :平帶的材料與接頭形式、V帶的結(jié)構(gòu)與型號、其它帶傳動、各種帶輪的結(jié)構(gòu);(7) 鏈傳動：滾子鏈的結(jié)構(gòu)與接頭形式、齒形鏈、無級變速鏈、起重鏈、鏈傳動的布置與張緊；(8) 齒輪和蝸

3、桿傳動：齒輪的結(jié)構(gòu)、蝸桿的類型、蝸輪的結(jié)構(gòu)；(9) 滑動軸承：軸瓦與襯的材料、滑動軸承的結(jié)構(gòu)、動壓滑動軸承油膜壓力分布；(10) 滾動軸承1:滾動軸承的結(jié)構(gòu)、常用類型與代號、尺寸系列、滾動軸承的裝拆；(11) 滾動軸承2:內(nèi)圈和外圈的固定方法、軸承的預(yù)緊與調(diào)整、密封、軸承座的形式；(12) 聯(lián)軸器：剛性固定式、剛性可移式、彈性聯(lián)軸器、安全聯(lián)軸器；(13) 離合器：牙嵌離合器、摩擦離合器、安全離合器、離心式離合器、超越離合器；(14) 軸1 :軸的承載類型、軸的結(jié)構(gòu)類型、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計；(15) 軸2 :軸上零件的定位；(16) 彈簧：拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧、組合彈簧以及彈簧的應(yīng)用；(17)

4、 潤滑與密封：潤滑裝置、密封件、潤滑劑；(18) 機(jī)械零件的失效形式：殘余變形、斷裂、磨損、膠合、點(diǎn)蝕、腐蝕。4.3帶傳動實(shí)驗(yàn)4.3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）通過實(shí)驗(yàn)觀察彈性滑動現(xiàn)象和過載后的打滑現(xiàn)象；（2）測試帶傳動過程中的負(fù)載變化規(guī)律，繪出皮帶的滑動曲線和效率曲線;（3）掌握懸架電機(jī)測定轉(zhuǎn)矩的方法。4.3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備DCSII型帶傳動實(shí)驗(yàn)臺和微型計算機(jī)。4.3.3實(shí)驗(yàn)原理4.3.3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)本實(shí)驗(yàn)臺機(jī)械部分，主要由兩臺直流電機(jī)組成，如圖4-2所示。其中一臺作為原動機(jī)，另一臺則作為負(fù)載的發(fā)電機(jī)。圖4-2帶傳動實(shí)驗(yàn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)1.從動電動機(jī) 2.從動帶輪 3.傳動帶 4.主動帶輪 5.主動電動機(jī) 6.

5、牽引線7.滑輪 8.砝碼 9.拉簧 10.浮動支座 11.固定支座 12.底座13.拉力傳感器原動機(jī)由可控硅整流裝置供給電動機(jī)電樞以不同的端電壓，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。發(fā)電機(jī)，每按一下加載按鍵，即并上了一個負(fù)載電阻，使發(fā)電機(jī)負(fù)載逐步增加，電樞電流增大，隨之 電磁轉(zhuǎn)矩也增大，即發(fā)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的改變。兩臺電機(jī)均為懸掛支撐，當(dāng)傳遞載荷時，作用于電機(jī)定子上的力矩T1 （主動電機(jī)力矩）、T2 （從動電機(jī)力矩）迫使拉鉤作用于拉力傳感器，傳感器輸出電信號正比于、T2的原始信號。原動機(jī)的機(jī)座設(shè)計成浮動結(jié)構(gòu)（滾動滑槽），與牽引鋼絲繩、定滑輪、砝碼一起組成帶傳動預(yù)拉力形成機(jī)構(gòu)，改變砝碼大小，即可準(zhǔn)確地預(yù)

6、定帶傳動的預(yù)拉力F0。兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速傳感器（紅外線光電傳感器）分別安裝在帶輪背后的環(huán)形槽中，由此可獲得所需的轉(zhuǎn)速信號。4.3.3.2電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-3所示。4.3.4實(shí)驗(yàn)步驟：（1）根據(jù)要求加一預(yù)拉力，加減砝碼。（2）打開實(shí)驗(yàn)臺電源，按一下清零，此時，主被動電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示為 0，力矩顯示為“.,”當(dāng)力矩顯示為“0”時，調(diào)節(jié)調(diào)速按鈕，同時觀察實(shí)驗(yàn)臺面板上主動輪轉(zhuǎn)速顯示屏上的轉(zhuǎn)速，使主動輪轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速12001300r/min時，停止轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。（3） 啟動“帶傳動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”程序。首先選擇串口1,執(zhí)行菜單命令 數(shù)據(jù)采集”，開始采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。(4) 按加載”鍵一下，調(diào)節(jié)主動轉(zhuǎn)速，使

7、其在要求范圍內(nèi)，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定(一般需23個顯示周期)后, 再按加載”如此往復(fù)，直至實(shí)驗(yàn)臺面板上的八個發(fā)光管指示燈全亮為止。此時實(shí)驗(yàn)臺面板上四組數(shù)碼管將全部顯示“ 8888；表明所采數(shù)據(jù)已全部送至計算機(jī)。(5) 如果數(shù)據(jù)采集正常，計算機(jī)屏幕將顯示所采集的數(shù)據(jù)，否則需要重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將所采集的 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄下來。(6) 在計算機(jī)上選擇菜單中的數(shù)據(jù)分析功能，將顯示本實(shí)驗(yàn)的曲線和數(shù)據(jù)。 可以進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)擬合。(7) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將實(shí)驗(yàn)臺電機(jī)調(diào)速電位器關(guān)斷，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)的電源。圖4-3實(shí)驗(yàn)臺電子系統(tǒng)框圖圖4-4程序界面4.3.5實(shí)驗(yàn)臺主要技術(shù)參數(shù)(1) 直流電機(jī)功率：2臺X50W（2） 主電機(jī)調(diào)速范

8、圍：01800r/min（3）額定轉(zhuǎn)矩：T = 0.24N m 2450g.cm（4）電源：220V交流4.3.6實(shí)驗(yàn)臺操作面板布置實(shí)驗(yàn)臺操作面板布置如圖4-5所示。藏荷犒示O Oo 0 0 Oo O二1 2345678主動輪轉(zhuǎn)連EESa從動蛇轉(zhuǎn)速嘗OOOO1粗調(diào)主動輪轉(zhuǎn)砸從動輪轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)辿【轉(zhuǎn)矩1轉(zhuǎn)進(jìn)】|轉(zhuǎn)矩【1圖4-5帶傳動實(shí)驗(yàn)臺操作面板4.3.7思考題（1）繪制帶傳動效率一負(fù)載曲線和彈性滑動系數(shù)一負(fù)載曲線。（2）解釋產(chǎn)生彈性滑動現(xiàn)象的原因。（3）改變初拉力對帶傳動有什么影響？4.4齒輪傳動效率的測定實(shí)驗(yàn)4.4.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）了解封閉功率流式齒輪實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)基本原理；（2）掌握齒

9、輪傳動效率的測定方法。4.4.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備CHT型封閉功率流式齒輪試驗(yàn)臺。4.4.3實(shí)驗(yàn)原理：4.4.3.1封閉功率流式齒輪實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)原理及加載方法。根據(jù)功率流的傳遞和加載方法的不同，齒輪實(shí)驗(yàn)裝置通?？煞譃殚_放功率流式”和封閉功率流式大類。所謂 封閉式”主要是將實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計成一個封閉的機(jī)械系統(tǒng)，它不需要外加的加載設(shè)備，而是通 過系統(tǒng)中的一個特殊部件來加載，用以獲得為平衡此系統(tǒng)中彈性件的變形而產(chǎn)生的內(nèi)力矩（封閉力矩） 運(yùn)轉(zhuǎn)時，這些內(nèi)力矩相應(yīng)做功而成為封閉功率，并在此封閉回路中按一定方向流動。如圖4-6所示。圖4-6齒輪實(shí)驗(yàn)臺簡圖1 電動機(jī)；2齒輪傳動箱；3加載器；4 齒輪傳動箱；5彈性軸圖中1為實(shí)

10、驗(yàn)臺的動力源 一一交流平衡電機(jī)，此電機(jī)通過兩個滾動軸承座，將整個電機(jī)懸掛起來， 定子可以繞轉(zhuǎn)子軸 360回轉(zhuǎn)。2和4為結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的兩個齒輪傳動箱，分別裝入a、b和c、d兩對參數(shù)相同的齒輪。齒數(shù)滿足Za= Zc, Zb= Zd的條件；3為加載用的特殊部件；5為彈性軸。五個部件通過聯(lián)軸節(jié)組成一個封閉的機(jī)械系統(tǒng)。加載裝置為封閉式齒輪實(shí)驗(yàn)臺的重要組成部分，具體結(jié)構(gòu)形式很多。本實(shí)驗(yàn)臺采用 軸移式斜面加載”。無論怎樣改變結(jié)構(gòu)形式，實(shí)質(zhì)就是通過某種手段使齒輪嚙合處工作齒面之間相互擠壓，產(chǎn)生不同的負(fù)載。圖4-7為軸移式斜面加載器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中1為套筒，一端開有螺旋槽通孔，另一端開有長方形槽通孔，通過

11、兩端帶有滾子的撥銷軸2和3,將軸4和5聯(lián)結(jié)起來。若使套筒1在力F的作用下有一軸向位移，則套筒通過螺旋槽面對銷軸兩端的滾子施加了一個力矩的作用，此力矩通過撥銷軸作用在軸4上，使軸4和5產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角位移，從而使彈性軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，使兩對齒輪在嚙合處受到了載荷。引起套筒軸向移動 的力F是靠砝碼實(shí)現(xiàn)的。改變軸向力F的大小，就可改變彈性軸的扭轉(zhuǎn)變形量的大小，從而也就改變了齒輪上載荷的大小。軸移式斜面加載器最大特點(diǎn)就是可以在運(yùn)行當(dāng)中改變載荷的大小，給實(shí)驗(yàn)帶來了方便，無論是在系統(tǒng)靜止時還是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時，都可以根據(jù)需要任意改變載荷的大小。在這種情況下，由于載荷已體現(xiàn)為封閉系 統(tǒng)的內(nèi)力，因此，電動機(jī)所提供的動力，主

12、要是用于克服系統(tǒng)中各傳動件的摩擦阻力，其能量損耗相應(yīng)比 較小，因而可以大大地減小電動機(jī)的容量。封閉式實(shí)驗(yàn)臺的這種優(yōu)點(diǎn)，對于需要大批量、長時間、重載荷 的齒輪試驗(yàn)顯得尤為重要。圖4-7軸移式斜面加載器結(jié)構(gòu)原理圖1套筒；2、3銷軸；4、5軸；6滾子根據(jù)圖4-7所示的加載器結(jié)構(gòu)尺寸，可以計算出加載器作用在系統(tǒng)中的扭矩Mb。d 9.81000tg -43 9.81000 tg11.14= 2.14G式中G 砝碼質(zhì)量（kg）d 撥銷軸滾子作用直徑，mm，本實(shí)驗(yàn)臺d= 43mm:螺旋角，度=11.14。（實(shí)驗(yàn)臺編號 886）及=15。（實(shí)驗(yàn)臺編號881 ）。4.4.3.2效率的測定和計算效率是評定齒輪傳動

13、質(zhì)量的重要指標(biāo)。齒輪效率測定一般是指齒輪箱的效率測定，其中包括軸承損 耗、攪油損耗等，單純的齒輪副效率測定是比較困難的。效率是輸出功率N出和輸入功率N入之比n N出N入-N耗=N 入對于封閉式齒輪試驗(yàn)裝置，在測定效率時，需要首先判明齒輪的主動和從動關(guān)系，以及功率的流動方 向。根據(jù)圖4-6所示，當(dāng)加載器在砝碼的作用力F的作用下產(chǎn)生向右的位移時，齒輪1受到一力矩載荷Mb,其方向?yàn)锽向逆時針，但由于在系統(tǒng)中 b齒輪的嚙合阻力，a齒輪的齒面受力為 B向順時針，由于電 機(jī)的轉(zhuǎn)向也是B向順時針，所以，a齒輪的受力方向和轉(zhuǎn)動方向是一致的。根據(jù)齒輪的受力分析，從動齒 輪切向力方向和轉(zhuǎn)動方向相同，所以a齒輪是從

14、動齒輪。那么與 a齒輪同軸的c齒輪即為主動齒輪，所以功率流的方向就是從 c齒輪到d齒輪，再從b齒輪到a齒輪，呈順時針的流動方向，如箭頭所示的流動方 向。在封閉式齒輪傳動系統(tǒng)中，電機(jī)的輸出功率基本上是補(bǔ)充系統(tǒng)中的損耗功率，其中主要是齒輪傳動的 功率消耗。如果我們能夠知道電機(jī)的輸出功率，即系統(tǒng)的損耗功率，又知道封閉的輸入功率，其效率即可 算出。本實(shí)驗(yàn)臺中的電機(jī)為平衡電機(jī)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，電動機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)矩大小可通過定子（機(jī)座）上的反 力矩來測定。固定在機(jī)座上的平衡杠桿隨定子的翻轉(zhuǎn)而拉動測力計，用測力計讀數(shù)乘以杠桿臂長即得到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 Mg，這個轉(zhuǎn)矩就是系統(tǒng)中的功耗轉(zhuǎn)矩，它的大小與電動機(jī)的輸出功率

15、成正比，在此實(shí)驗(yàn)臺 中，測力計的讀數(shù)是 gf,而力臂的桿長是195mm，所以功耗力矩可由下式求得：Mg195f 9.81000= 1.91f式中f測力計讀數(shù)。等），可以認(rèn)為兩齒輪箱的傳動效率相同,由于實(shí)驗(yàn)中兩個齒輪傳動箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，如果忽略其它方面的損耗（軸承、攪油、空氣阻力1。根據(jù)功率流的方向以及加載方向可列出如下方程:Mb 21=Mb-Mg式中 Mb 加載封閉力矩；Mg電機(jī)輸出功耗力矩；的計算公式：_ MB-Mg V Mb2、1兩齒輪箱傳動效率。進(jìn)而推導(dǎo)出齒輪箱的平均傳動效率如果電機(jī)的轉(zhuǎn)向改變，或者加載方向改變都會影響齒輪箱中齒輪的主、從動關(guān)系，進(jìn)而影響封閉功率 的流動方向，因此效

16、率的計算公式也會發(fā)生變化。4.4.4實(shí)驗(yàn)方法和步驟（1）了解實(shí)驗(yàn)臺封閉系統(tǒng)中各部件的名稱和作用；（2）開機(jī)前必須使測力計鉤子與杠桿脫開，并事先判斷好電機(jī)的轉(zhuǎn)向（即要使杠桿向下翻轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn) 向），并在開機(jī)時用手按住測力桿在槽口上，以免啟動時打壞測力計和測力桿；（3）確認(rèn)在未加砝碼時，加載器的滾子應(yīng)在螺旋槽軸向移動的起始點(diǎn)并離開一段距離（2mm）,此時各處的間隙基本消除，然后在加載器部分加少許潤滑油；（ 4）開啟電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間，大約2 分鐘左右，然后鉤上測力計的鉤子。這時測力計的讀數(shù)值為空載時功耗力矩的力，這部分功耗應(yīng)是一個定量損失，且與載荷無關(guān)；（ 5）按一定的砝碼重量差逐漸加載， 每加一次

17、砝碼， 維持一段時間， 然后記錄砝碼重量和測力計讀數(shù)； （ 6）停機(jī)前應(yīng)緩慢地逐個卸下砝碼，然后脫開測力計鉤子；（ 7）根據(jù)記錄表格畫出載荷功耗曲線和載荷效率曲線于同一坐標(biāo)系中。4.4.5 思考題（ 1）繪制齒輪傳動的效率曲線及功耗曲線。（ 2）試分析封閉式齒輪實(shí)驗(yàn)臺加載方法的特點(diǎn)。（ 3）為什么要判明齒輪的主、從動關(guān)系？（ 4）試推導(dǎo)加載方向與電機(jī)轉(zhuǎn)動方向相同時的效率計算公式。11.4 減速器拆裝實(shí)驗(yàn)11.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1）了解減速器結(jié)構(gòu)，熟悉裝配和拆卸方法；（ 2）通過拆裝，掌握軸和軸承部件的結(jié)構(gòu)；（ 3）了解減速器各個附件的名稱、結(jié)構(gòu)、安裝位置和作用。11.4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 單級圓

18、柱齒輪減速器、兩級三軸圓柱齒輪減速器、兩級圓錐圓柱齒輪減速器、單級蝸桿減速器。11.4.3 拆裝工具和測量工具 活扳手、套筒扳手、榔頭、內(nèi)外卡鉗、游標(biāo)卡尺、鋼板尺。11.4.4 減速器的構(gòu)造和類型 減速器是一種由封閉在剛性殼體內(nèi)的齒輪傳動、蝸桿傳動或齒輪 蝸桿傳動所組成的獨(dú)立部件，常用 在動力機(jī)與工作機(jī)之間作為減速的傳動裝置；在少數(shù)場合下也用作增速的傳動裝置，這時就稱為增速器。 減速器由于結(jié)構(gòu)緊湊、效率較高、傳遞運(yùn)動準(zhǔn)確可靠、使用維護(hù)簡單，并可成批生產(chǎn)，故在現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng) 用很廣。11.4.4.1 減速器的類型減速器的種類很多，按照傳動和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星齒輪減速器、擺線

19、針 輪減速器和諧波齒輪減速器；按照傳動級數(shù)不同可分為單級和多級減速器；按照傳動的布置形式又可分為 展開式、分流式和同軸式減速器。11.4.4.2 減速器構(gòu)造減速器的基本結(jié)構(gòu)由軸系部件、箱體及附件三大部分組成。（ 1）軸系部件 軸系部件包括傳動件、軸和軸承組合。1）傳動件。減速器箱體外部傳動件有鏈輪、帶輪等；箱體內(nèi)部傳動件有圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸桿 蝸輪等。傳動件決定減速器的技術(shù)特性，通常根據(jù)傳動件種類確定減速器類型，其基本類型有圓柱齒輪減 速器、圓錐齒輪減速器、蝸桿蝸輪減速器等。2）軸。傳動件裝在軸上以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動和傳遞功率。通常采用階梯軸，傳動件和軸以平鍵聯(lián)接。3）軸承組合。軸承組合包括軸承

20、、軸承端蓋、密封裝置以及調(diào)整墊片等。 軸承一般都采用滾動軸承。軸承端蓋用來固定軸承，承受軸向力，調(diào)整軸承間隙。軸承端蓋有嵌入式和凸緣式兩種。凸緣式調(diào)整 軸承間隙方便，密封性能好，用得較多。密封裝置用來防止灰塵等雜質(zhì)侵入軸承以及防止?jié)櫥瑒┩饴Ｕ麎|片用來調(diào)整軸承間隙及調(diào)整傳動件的軸向位置。（2）箱體減速器箱體用來支持和固定軸系零件，保證傳動件的嚙合精度、良好潤滑及密封。一般采用鑄造箱體,也可以采用焊接箱體，多用于單件、小批生產(chǎn)。箱體從結(jié)構(gòu)形式上可分為剖分式箱體和整體式箱體。剖分式箱體的剖分面多為水平面，與傳動件軸心 線平面重合。一般減速器只有一個剖分面。（3）附件：為了完善減速器的性能及便于搬運(yùn)、拆裝等，需要在減速器箱體上設(shè)置某些裝置或零件， 統(tǒng)稱為附件。包括視孔與視孔蓋、通氣器、油標(biāo)、放油螺塞、定位銷、啟蓋螺釘、調(diào)運(yùn)裝置、油杯等。11.4.5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）了解鑄造箱體的結(jié)構(gòu)；（2）觀察了解軸承部件的安裝、拆卸、固定、調(diào)整對結(jié)構(gòu)的要求；（3）觀察了解減速器附件的作用、結(jié)構(gòu)和安裝位置；（4）了解軸承的潤滑方式和密封裝置，包括外密封的形式。軸承內(nèi)側(cè)擋油環(huán)、封油環(huán)的工作原理及其 結(jié)構(gòu)和安裝位置；（