實驗指導(dǎo)書機械設(shè)計1

1、機械設(shè)計實驗指導(dǎo)書蘇志部 張雯娟 編機械設(shè)計制造及其自動化三明學(xué)院物理與機電工程學(xué)院 機械教研室2011年實驗一 動靜態(tài)螺栓聯(lián)接實驗一、實驗?zāi)康?（1）掌握靜態(tài)螺栓的靜態(tài)載荷與變形的測量分析方法。（2）掌握動態(tài)螺栓的靜態(tài)載荷與變形的測量分析方法。（3）掌握螺栓和被聯(lián)接件的受力和應(yīng)變的測試分析和理論分析方法。二、實驗原理本實驗需配置ldj-b螺栓聯(lián)接綜合實驗臺一臺，ldj-b靜動態(tài)測量儀一臺，計算機及專用軟件等實驗設(shè)備及儀器。圖1螺栓聯(lián)接實驗臺的結(jié)構(gòu)螺栓聯(lián)接實驗臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。聯(lián)接部分包括m16空心螺栓、大螺母、墊片組成。空心螺栓貼有測拉力和扭矩的兩組應(yīng)變片，分別測量螺栓在擰緊時，所受預(yù) 拉

2、力和扭矩。空心螺栓的內(nèi)孔中裝有m8螺栓，擰緊或松開其上的手柄桿，即可改變空心螺栓的實際受載截面積，以達(dá)到改變聯(lián)接件剛度的目的。被聯(lián)件部分由上板、下板和圓環(huán)組成，圓環(huán)上貼有應(yīng)變片，測量被聯(lián)接件受力的大小，中部有錐形孔，插入或撥出錐塞即可改變圓環(huán)的受力，以改變被聯(lián)接件系統(tǒng)的剛度。實驗臺采用雙頂桿四導(dǎo)桿加載裝置，加載平穩(wěn)，避免過大偏載的產(chǎn)生，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠。加載部分由蝸桿、蝸輪、挺桿和彈簧組成，挺桿上貼有應(yīng)變片，用以測量所加工作載荷的大小，蝸桿一端有一皮帶輪與電機相聯(lián)，另一端裝有手輪，啟動電機或轉(zhuǎn)動手輪使挺桿上升或下降，以達(dá)到加載、卸載（改變工作載荷）的目的。1. 力與變形協(xié)調(diào)關(guān)系在螺栓聯(lián)接中，螺

3、栓受拉力，產(chǎn)生拉伸變形；被聯(lián)結(jié)件受壓力，產(chǎn)生壓縮變形。根據(jù)螺栓和被聯(lián)接件預(yù)緊力相等，可把二者的力和變形圖線畫在一個坐標(biāo)系中，如圖3所示。當(dāng)螺栓受軸向工作載荷f作用時，其拉力由預(yù)緊力增加到總拉力。被聯(lián)接件的壓緊力減少到剩余預(yù)緊力。這時，螺栓伸長變形的增量，等于被聯(lián)接件壓縮變形的恢復(fù)，即，也就是說變形的關(guān)系是協(xié)調(diào)的。因此圖3又稱變形協(xié)調(diào)圖。 圖3  螺栓聯(lián)接變形協(xié)調(diào)圖力與變形之比稱為剛度。為螺栓剛度；為被聯(lián)接件剛度。稱為螺栓的性對剛度。在力變形圖上，剛度表現(xiàn)為圖線的斜率。為了提高螺栓的疲勞強度，通常采用降低或增加的方法以降低載荷的變化值。2. 主要公式螺栓聯(lián)接的受力和變形，可用

4、貼在試件上的電阻應(yīng)變片，配以電阻應(yīng)變儀加以測量。通常應(yīng)變儀測量的是微應(yīng)變，應(yīng)變片的接線按半橋接到應(yīng)變儀上。材料在彈性限度內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：故螺栓拉力為：被聯(lián)接件（套筒）壓力為：螺栓伸長變形為：套筒壓縮變形為：軸向工作載荷由測力環(huán)中百分表讀數(shù)測出：式中：測力環(huán)剛度，百分表1格；      百分表讀數(shù)，小格數(shù)。三、實驗步驟（一）認(rèn)真閱讀實驗指導(dǎo)書。（二）做好實驗臺及儀器預(yù)調(diào)與連接工作。（1）實驗臺.取出圓環(huán)上兩錐塞，松開空心螺栓上的m8小螺桿，裝上剛性墊片，轉(zhuǎn)動手輪，使挺桿降下，處于卸載位置。將兩塊千分表分別安裝在表架上，使表頭分別與上板面（

5、靠外側(cè)）和螺栓頂面接觸，用以測量聯(lián)接件(螺栓)與被聯(lián)接件的變形量。手?jǐn)Q大螺母至恰好與墊片接觸。(預(yù)緊初始值)螺栓不應(yīng)有松動的感覺，分別將兩千分表調(diào)零。（2）測量儀。配套的4根輸出線的插頭將各點插座連接好，分別與實驗臺相對應(yīng)接口聯(lián)接好。（3）計算機。用配套的并口數(shù)據(jù)線接儀器背面的5芯插座另一頭連接計算機上的pci-8310采集卡串口。啟動計算機，按軟件使用說明書要求的步驟操作進(jìn)入實驗臺螺栓實驗界面后。單擊“開始實驗”鍵后，對“應(yīng)變測量值”框中數(shù)據(jù)清零，如串口數(shù)據(jù)線連接無誤則該輸人框中，會有數(shù)據(jù)顯示并跳動。（三）靜態(tài)螺栓實驗：1) 標(biāo)定后，自動回復(fù)主界面，點擊“實驗選擇”選擇實驗項目。2) 點擊“

6、開始實驗”，將各儀表復(fù)位。3) 預(yù)緊螺桿為第二次預(yù)緊值。4) 將千分表值填入“變形值輸入”，點擊“預(yù)緊采集”。5) 將凸輪搖至最高點，將千分表讀數(shù)填入“變形值輸入”，點擊“加載采集”。6) 點擊“實測圖”得出實測曲線，點擊“理論圖”，得出理論曲線。7) 點擊“數(shù)據(jù)保存”，完成實驗。（四）整理實驗報告（附表1）測點項目螺栓（拉）螺栓（扭）雙圓環(huán)（壓）挺桿（壓）標(biāo)定系數(shù)應(yīng)變值（）加載前加載后力（n）加載前qpqp加載后qf千分表讀數(shù)（）f實驗二 帶傳動實驗一、實驗?zāi)康?、觀察帶傳動中的彈性滑動和打滑現(xiàn)象以及它們與帶傳遞的載荷之間的關(guān)系。2、測定彈性滑動率與所傳遞的載荷和帶傳效率之間的關(guān)系，繪制帶傳

7、動的彈性滑動曲線和效率曲線。3、了解帶傳動實驗臺的設(shè)計原理與扭矩、轉(zhuǎn)速的測量方法。二、實驗原理由于彈性滑動率之值與打滑現(xiàn)象的出現(xiàn)，以及帶傳動的效率都與帶傳遞的載荷的大小有密切關(guān)系。電動機和發(fā)電機的外殼支承在支座的滾動軸承中，并可繞與轉(zhuǎn)子相重合的軸線擺動，當(dāng)電動機啟動和發(fā)電機負(fù)載后，由于定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，電動機的外殼將向轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的同向傾倒，發(fā)電機的外殼將向轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的反向傾倒，它們的傾倒力矩可分別通過固定在定子外殼上的測力計所測得的力矩來平衡。即：主動輪上的扭矩t1 = q1k1l1（n·mm）從動輪上的扭矩t2 = q2k2l2（n·mm）式中q1、q2 測力計上

8、百分表的讀數(shù) k1、k2 測力計算定值 l1、l2 測力計的力臂 l1 =l2 =120mm從動輪的功率n2 t1n2帶傳動的效率= =主動輪的功率n1 t2n1只要測得不同負(fù)載下主動輪的轉(zhuǎn)速n1和從動輪的轉(zhuǎn)速n2以及主動輪的扭矩下t1和從動輪的扭矩下t2，就可算出在不同的有效拉力下的彈性滑動率以及效率之值。以有效拉力f為橫坐標(biāo)，分別以不同載荷下的和之值為縱坐標(biāo)，就可以畫出帶傳動的彈性滑動曲線和效率曲線。三、實驗步驟1. 設(shè)備安裝。將各設(shè)備安裝好，并注意各個設(shè)備之間的同軸度，以避免產(chǎn)生不必要的彎矩，從而保證測量精度。為改變傳感器的工作條件，降低安裝要求，通常采用柔性聯(lián)軸器。安裝完畢后，正式實驗

9、前一般應(yīng)開機試運轉(zhuǎn)幾分鐘至半小時，考核設(shè)備可靠程度，發(fā)現(xiàn)異常振動和噪聲等應(yīng)立即停機予以排除。2. 按要求接好磁粉制動器和穩(wěn)流電源的電源線。3. 按要求接好傳感器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀之間的信號線，并接好轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀電源。4. 對扭矩測試卡進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)置。5. 開啟轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的背包電動機并進(jìn)行調(diào)零（注意：背包電動機的轉(zhuǎn)向一定要與主軸的轉(zhuǎn)向相同）。6. 啟動主電動機進(jìn)行測量。測量從空載開始，依次調(diào)整磁粉制動器的加載電流增加負(fù)載，直至滿載荷。依次記錄在不同載荷下的輸入、輸出轉(zhuǎn)速，力矩和功率。若輸出軸的轉(zhuǎn)速低于600r/min時應(yīng)開啟背包電動機，背包電動機的轉(zhuǎn)向應(yīng)與輸出軸的轉(zhuǎn)向相反，此時，測得的輸出軸的轉(zhuǎn)速

10、應(yīng)該減去背包電動機的轉(zhuǎn)速。7. 測試完畢，打印實驗結(jié)果，注意逐步卸載，關(guān)閉主電動機和各測試儀器。8. 根據(jù)測試記錄，計算出帶傳動的傳動效率，并繪制出測試對象的效率曲線。9. 整理實驗報告，實驗報告的內(nèi)容主要為：1) 測試數(shù)據(jù)（表）、參數(shù)曲線；2) 對實驗結(jié)果的分析；4、 思考題1. 帶傳動效率和哪些因素有關(guān)？為什么？2. 帶傳動中的彈性滑動和打滑有什么區(qū)別？它們對帶傳動各有什么影響？實驗三 直齒圓柱齒輪減速器傳動實驗一、實驗?zāi)康模?. 了解實驗臺的結(jié)構(gòu)和工作原理2. 了解圓柱齒輪減速機機械效率、輸入輸出功率，掌握測試方法二、實驗原理：機械傳動性能綜合測試實驗臺的工作原理如圖2所示。變頻電機zj

11、扭矩傳感器zj扭矩傳感器負(fù)載工控機扭矩測量卡扭矩測量卡轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機械傳動裝置（試件）負(fù)載調(diào)節(jié)圖2 實驗臺的工作原理機械傳動中,輸入功率應(yīng)等于輸出功率與機械內(nèi)部損耗功率之和。即 （1）式中,為輸入功率；為輸出功率；為機械內(nèi)部損耗功率。則機械效率為 （2）由力學(xué)知識可知，對于機械傳動若設(shè)其傳動力矩為，角速度為，則對應(yīng)的功率為 （3）式中，為傳達(dá)機械的轉(zhuǎn)速（r/min）所以，傳動效率可改寫為 （4）式中，分別為傳動機械輸入、輸出扭矩；分別為傳動機械輸入、輸出轉(zhuǎn)速。因此，我們?nèi)衾脙x器測出被測試對象的輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以及輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，就可以通過式（4）計算出傳動效率。三、實驗步驟： 1. 設(shè)備安裝。按圖

12、將各設(shè)備安裝好，并注意各個設(shè)備之間的同軸度，以避免產(chǎn)生不必要的彎矩，從而保證測量精度。為改變傳感器的工作條件，降低安裝要求，通常采用柔性聯(lián)軸器。安裝完畢后，正式實驗前一般應(yīng)開機試運轉(zhuǎn)幾分鐘至半小時，考核設(shè)備可靠程度，發(fā)現(xiàn)異常振動和噪聲等應(yīng)立即停機予以排除。2. 按要求接好磁粉制動器和穩(wěn)流電源的電源線。3. 按要求接好傳感器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀之間的信號線，并接好轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀電源。4. 對扭矩測試卡進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)置。5. 開啟轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的背包電動機并進(jìn)行調(diào)零（注意：背包電動機的轉(zhuǎn)向一定要與主軸的轉(zhuǎn)向相同）。6. 啟動主電動機進(jìn)行測量。測量從空載開始，依次調(diào)整磁粉制動器的加載電流增加負(fù)載，直至滿載荷。依

13、次記錄在不同載荷下的輸入、輸出轉(zhuǎn)速，力矩和功率。若輸出軸的轉(zhuǎn)速低于600r/min時應(yīng)開啟背包電動機，背包電動機的轉(zhuǎn)向應(yīng)與輸出軸的轉(zhuǎn)向相反，此時，測得的輸出軸的轉(zhuǎn)速應(yīng)該減去背包電動機的轉(zhuǎn)速。7. 測試完畢，打印實驗結(jié)果，注意逐步卸載，關(guān)閉主電動機和各測試儀器。8. 根據(jù)測試記錄，計算出齒輪減速器的傳動效率，并繪制出測試對象的效率曲線。9. 整理實驗報告，實驗報告的內(nèi)容主要為：3) 測試數(shù)據(jù)（表）、參數(shù)曲線；4) 對實驗結(jié)果的分析；四、思考題1. 哪些因素影響齒輪的傳動效率？2. 提高齒輪傳動效率的措施有哪些？實驗四 動壓滑動軸承壓力實驗一、 實驗?zāi)康模?1) 觀察徑向滑動軸承液體動壓潤滑的形成

14、過程和摩擦狀態(tài)； (3) 觀察徑向滑動軸承軸向油膜壓力分布情況；(4) 了解徑向滑動軸承的摩擦系數(shù)測量方法和摩擦特性曲線的繪制方法；(5) 觀察載荷和轉(zhuǎn)速改變時油膜壓力的變化情況或油膜厚度。二、 實驗原理：實驗臺傳動裝置結(jié)構(gòu)如下圖所示，直流電動機1上裝有一個小帶輪，主軸4上裝有一個大帶輪，通過v帶2驅(qū)動主軸沿順時針方向轉(zhuǎn)動，由無級調(diào)速器實現(xiàn)直流電機的無級調(diào)速。實驗臺主軸轉(zhuǎn)速范圍為0-350r/min。在主軸大帶輪側(cè)面裝有一個紅外線測速裝置，軸的轉(zhuǎn)速由實驗臺前面板上的轉(zhuǎn)速數(shù)碼管直接讀出。實驗臺傳動裝置結(jié)構(gòu)主軸瓦上裝有測力桿，通過測力壓力傳感器檢測壓力，經(jīng)過單片機數(shù)據(jù)處理可直接得到摩擦力矩值。 摩

15、擦系數(shù)f之值可通過測量軸承的摩擦力矩而得到。軸轉(zhuǎn)動時，軸對軸瓦產(chǎn)生周向摩擦力f，其摩擦力矩為fd/2，它使軸瓦翻轉(zhuǎn)，軸瓦上測力壓頭將力傳遞至壓力傳感器，測力傳感器的檢測值乘以力臂長l，就可以得到摩擦力矩值，經(jīng)計算就可得到摩擦系數(shù)f之值。根據(jù)力矩平衡條件得：fd/2=lq。l測力桿的長度，q作用在a處的反力。設(shè)作用在軸上的外載荷w，則：f=f/w=2lq/wd （1）mf=lq 的值可直接讀到f=2mf/wd （2）在邊界摩擦?xí)r，f隨的增大而變化很小（由于n值很小，建議用手慢慢轉(zhuǎn)動軸），進(jìn)入混合摩擦后，的改變引起f的急劇變化，在剛形成液體摩擦?xí)rf達(dá)到最小值，此后，隨的增大油膜厚度亦隨之增大，因而

16、f亦有所增大。徑向滑動軸承的摩擦系數(shù)f隨軸承的特性系數(shù)=n/p值的改變而改變（油的動力粘度，n軸的轉(zhuǎn)速，p壓力，p=w/bd，w軸上的載荷，b軸瓦的寬度，d軸的直徑）如圖3所示。，可繪出摩擦特性曲線。摩擦特性曲線三、 實驗步驟：1. 認(rèn)真閱讀實驗指導(dǎo)書。2. 做好開機前的準(zhǔn)備工作:檢查百分表(測力計)，使其觸頭壓在軸瓦上，且有調(diào)節(jié)的余量。檢查螺旋加載裝置，使其處于零加載位置；檢查調(diào)速旋鈕，逆時針旋轉(zhuǎn)到底。3. 打開電源開關(guān)，開啟計算機，進(jìn)入實驗臺的封面。4. 在封面上單擊“進(jìn)入”文字區(qū)，進(jìn)入滑動軸承實驗簡介界面。5. 在滑動軸承實驗簡介界面上單擊摩擦狀態(tài)，進(jìn)入滑動軸承運動與摩擦實驗界面。6.

17、打開實驗臺電源，面板數(shù)碼管顯示后，在滑動軸承運動與摩擦實驗界面上單擊開始測試，開始采集各測試量，同時，按鍵文字變?yōu)橥Ｖ箿y試；再次單擊此鍵停止各測試量的采集。7. 在未啟動實驗臺的電動機之前和螺旋彈簧加載裝置卸載后，單擊空載調(diào)零，對各測試量進(jìn)行清零，同時，按鍵文字變?yōu)橹刈鰧嶒?；再次單擊此鍵重新清零。四、 思考題1. 哪些因素影響液體動壓滑動軸承的承載能力及其油膜的形成？2. 為什么要在開機后加載和停機前卸載？實驗五 綜合性傳動裝置實驗一、實驗?zāi)康模?、通過機械傳動系統(tǒng)的搭接創(chuàng)意組合實驗，有利學(xué)生進(jìn)一步了解機械傳動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與設(shè)計要求；同時也了解通過搭接組合進(jìn)行機械傳動系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計的基本方式，

18、提高機械創(chuàng)新意識；2、通過對驅(qū)動源和傳動輸出端利用計算機數(shù)模和人工對扭矩以及各參數(shù)的分析，有利學(xué)生進(jìn)一步了解機械傳動系統(tǒng)的性能特點，提高機械設(shè)計能力；3、通過實驗認(rèn)識機械傳動性能測試與數(shù)字化分析的基本原理，培養(yǎng)工程實踐能力；4、在實驗過程中掌握轉(zhuǎn)速、力矩、傳動功率和傳動效率等機械傳動性能參數(shù)測試的基本原理和方法；5、驗證在傳動中的摩擦損耗,所引起的輸出功率總是小于輸入功率,效率總是小于100。二、實驗原理本實驗在jzc機械傳動創(chuàng)意組合與性能分析實驗臺上進(jìn)行。該實驗臺采用模塊化結(jié)構(gòu)，由種類齊全的機械傳動裝置、聯(lián)軸器、變頻電機、加載裝置和工控機等模塊組成，學(xué)生可以根據(jù)選擇或設(shè)計的實驗類型、方案和內(nèi)

19、容，自己動手進(jìn)行傳動連接、安裝調(diào)試和測試，進(jìn)行設(shè)計性實驗、綜合性實驗或創(chuàng)新性實驗。機械傳動性能綜合測試實驗臺的工作原理如下圖所示。變頻電機zj扭矩傳感器zj扭矩傳感器負(fù)載工控機扭矩測量卡扭矩測量卡轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機械傳動裝置（試件）負(fù)載調(diào)節(jié)圖2 實驗臺的工作原理機械傳動中,輸入功率應(yīng)等于輸出功率與機械內(nèi)部損耗功率之和。即 （1）式中,為輸入功率；為輸出功率；為機械內(nèi)部損耗功率。則機械效率為 （2）由力學(xué)知識可知，對于機械傳動若設(shè)其傳動力矩為，角速度為，則對應(yīng)的功率為 （3）式中，為傳達(dá)機械的轉(zhuǎn)速（r/min） 所以，傳動效率可改寫為 （4）式中，分別為傳動機械輸入、輸出扭矩；分別為傳動機械輸入、輸出轉(zhuǎn)速。因此，我們?nèi)衾脙x器測出被測試對象的輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以及輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，就可以通過式（4）計算出傳動效率。3、 實驗步驟1）設(shè)備安裝。按圖將各設(shè)備安裝好，