機械性能及工作能力測定實驗

1、第七章 機械性能及工作能力測定實驗 7.1 概述機械零部件的性能和工作能力直接影響機械產(chǎn)品的質(zhì)量。機械零部件的性能和工作能力與運動學和動力學特性、承載能力、精確度等密切相關，機械零件加工制造過程的很多問題也難以進行精確的理論分析和定量研究，因此必須通過實驗方法進行機械零部件的性能和工作能力的測試。工程設計中許多系數(shù)和工作能力的確定都是在大量試驗的基礎上得出的。機械性能和工作能力的測試項目和內(nèi)容十分廣泛，需根據(jù)具體情況而定。機械零部件工作能力和性能的試驗方法一般分為臺架試驗和現(xiàn)場實際運行試驗兩大類。試驗項目根據(jù)具體機械類型、要求和結構而定。例如齒輪的檢測包括運動精度、傳動平穩(wěn)性、接觸精度、齒側間

2、隙等等?；瑒虞S承實驗是測量滑動軸承軸套與轉(zhuǎn)軸間隙中的油膜在圓周方向的壓力分布。帶傳動實驗主要是測定彈性滑動和打滑，并求出帶傳動的工作效率。帶傳動效率實驗是在預定帶的圓周速度值、預緊力值的條件下，測量工作載荷F由小到大過程中，效率的變化情況。根據(jù)教學基本要求，本章介紹幾個機械基礎實驗，以便了解機械性能和工作能力測試的實驗原理、裝置、方法和技能。實驗過程還應注意下面幾點：1)實驗原理和方案的正確性、可能性和合理性；2)實驗設備能滿足實驗目的和要求，并具有合適的準確度和足夠的強度和剛度。3)實驗條件應盡量符合實際工況，并盡量節(jié)省人力、物力。4)加載部件是試驗機的關鍵部分，要正確標定，并能實現(xiàn)空載起動

3、、加載準確、可靠、穩(wěn)定，在運轉(zhuǎn)中能改變加載的大小和方向，便于測量。5)合理設計和準備試件。6)注意觀察和采集數(shù)據(jù)，實驗完畢要正確撰寫實驗報告。7.2 齒輪檢測技術齒輪機構是各種機構中應用最為廣泛的一種機構。它可以用來傳遞空間任意兩軸間的運動和動力，并具有傳動平穩(wěn)、準確可靠、傳動效率高、使用壽命長等特點。齒輪機構的應用廣泛，種類繁多，其中直齒圓柱齒輪是齒輪機構中應用最廣、最簡單、最基本的一種類型。齒輪檢測的內(nèi)容包括運動精度、傳動平穩(wěn)性、接觸精度、齒側間隙等等。本節(jié)主要以直齒圓柱齒輪為對象講述有關齒輪的檢測技術，主要包括齒輪基本參數(shù)的測定和齒輪的范成技術。實驗漸開線直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)有：齒數(shù)、

4、模數(shù)、分度圓壓力角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)和變位系數(shù)等。這些參數(shù)可以通過測量而獲得。齒數(shù) 齒輪圓周表面上的輪齒總數(shù)。模數(shù) 當給定齒輪的齒數(shù)及齒距時，分度圓直徑可由下式求出。 但由于為無理數(shù)，給設計、制造等帶來不便。為了便于設計、制造及互換使用，于是將規(guī)定為標準值，此值稱為模數(shù)，即，單位為mm。模數(shù)是決定齒輪尺寸的一個基本參數(shù)，齒數(shù)相同的齒輪，模數(shù)越大，則齒輪尺寸也越大。為了便于制造、檢驗和互換使用，齒輪的模數(shù)已標準化，如表71所示。表71 標準模數(shù)系列第一系列1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50第 二系 列1.75 2.25 2.7

5、5 （3.25） 3.5 （3.75） 4.5 5.5 （6.5） 7 9 （11） 14 18 22 28 （30） 注：選用模數(shù)時，應優(yōu)先選用第一系列，其次是第二系列，括號內(nèi)的模數(shù)盡量不用壓力角 如圖71所示 齒廓接觸點所受的正壓力方向（即齒廓在該點的法線方向）與該齒輪繞軸心轉(zhuǎn)動的線速度方向所夾的銳角稱為漸開線在該處的壓力角，用表示。齒廓上各點的壓力角是不相同的，壓力角的大小影響齒輪的傳力效果及齒輪的抗彎強度，我國規(guī)定分度圓上的壓力角為標準值，即 。在某些場合也可采用、和等的齒輪圖 71齒頂高系數(shù)和頂隙系數(shù)，齒輪的齒頂圓和齒根圓之間的徑向尺寸稱為齒全高，用表示，而分度圓以上的齒高稱為齒頂高

6、，用表示，。分度圓以下的齒高稱為齒根高，用表示，。式中和分別稱為齒頂高系數(shù)和頂隙系數(shù)。這兩個系數(shù)在我國也已經(jīng)標準化，其標準值為，。也有非標準的短齒，其值為，。 1掌握應用游標卡尺測量漸開線齒輪的有關尺寸，從而確定齒輪的基本參數(shù)的簡單方法； 2. 通過測量和計算，掌握齒輪各部分尺寸與基本參數(shù)的關系，理解和鞏固漸開線的性質(zhì)。1. 被測量齒輪；2游標卡尺；2. 學生自備計算器、紙和筆等文具。 齒輪各部分尺寸一般可以用普通量具測量，而各部分尺寸又與齒輪的齒數(shù)z、模數(shù)m、壓力角、齒頂高系數(shù)和變位系數(shù)x等基本參數(shù)之間有確定的關系，所以通過測量齒輪的有關尺寸，可以計算出齒輪的基本參數(shù)。本實驗利用游標卡尺測量

7、齒輪的齒頂圓直徑，齒根圓直徑和公法線長度，從而計算出齒輪基本參數(shù)。如圖7-2所示，用游標卡尺兩量爪的測量平面與漸開線齒廓相切，所測量的跨距稱為齒輪的公法線長度，以w表示。游標卡尺的兩量爪所跨的齒數(shù)n不能太少也不能太多,跨齒數(shù)n由齒輪的齒數(shù)z決定，可查看表7-2. 圖72表72 齒數(shù)z12-1819-2627-3637-4546-5455-6364-7273-81跨齒數(shù)n23456789 由圖7-2可得齒輪公法線長度wn為： (7-1)同理，如果跨齒數(shù)為(n+l)，其公法線長度為； (7-2)由式(2)減式(1)得 (7-3)又因 上兩式聯(lián)立可得齒輪模數(shù): (7-4) (一)、確定齒輪的模數(shù)m和

8、壓力角 1. 記錄被測齒輪的編號和齒數(shù)z，根據(jù)z查表72可得跨齒數(shù)n。 2. 用游標卡尺盡量精確地測量跨n個和(n+l)個齒的公法線長度各三次，每次測量不同的齒廓，而且必須使量爪的測量平面與齒廓相切，然后記下每次的讀數(shù)，并填入實驗報告書的表74中，取其平均值作為公法線長度和。3將和和或代入式(4)，計算出模數(shù)和 ,然后把它們與標準模數(shù)系列表(GB1357-87)比較，選取其中與某標準模數(shù)同值或與其接近的標準模數(shù)作為該齒輪的模數(shù)m(標準化)，而它所對應的壓力角就是齒輪的壓力角。(二）、確定齒輪的變位系數(shù)x 根據(jù)齒輪基圓齒厚公式 (7-5)將公式(3)代入式(2)整理得: (7-6)將上兩式聯(lián)立整

9、理后，得到變位系數(shù) (7-7)（三）、確定齒頂高系數(shù)和頂隙系數(shù) 用游標卡尺盡量精確地測量齒頂圓直徑和齒根圓直徑各三次,并取其平均值，作為和填入表74中。計算分度圓直徑d=zm，并利用齒頂高公式 (7-8)又因： (7-9)由（8）和（9）式得齒頂高系數(shù) (7-10) 由式（10）計算出的齒頂高系數(shù)應符合標準值，然后查表73取其對應的標準頂隙系數(shù)。 表73齒 輪類 別齒頂高系數(shù)頂隙系數(shù)正常齒10.25短 齒0.80.3齒輪參數(shù)測定實驗報告實驗名稱 實驗日期班 級 姓 名 指導老師 成 績 將測量數(shù)據(jù)與計算結果填入下表（精確到小數(shù)點后兩位）。表74齒 輪 編 號齒輪齒數(shù)z跨測齒數(shù)n公法線長度WnW

10、n+1WnWn+1WnWn+1測量次數(shù)123公法線長度平均值計算基圓周節(jié)pb模數(shù)m（計算值）=20º=15º標準化后取值m變位系數(shù)x分度圓直徑d=zm齒頂圓直徑齒根圓直徑齒頂高系數(shù) 計算值標準值頂隙系數(shù)c* 二、思考題 決定漸開線齒廓形狀的基本參數(shù)主要有那些？測量公法線長度時，卡尺的量爪若在漸開線齒廓的不同位置相切，對所測量的公法線長度有無影響？為什么？在測量齒頂圓直徑和齒根圓直徑時，對偶數(shù)齒和奇數(shù)齒的齒輪在測量方法上有什么不同？l掌握用范成法切制漸開線齒輪齒廓的基本原理；2了解漸開線齒輪產(chǎn)生根切現(xiàn)象的原因及避免根切的方法；3分析和比較標準齒輪和變位齒輪的異同點。1齒輪范成

11、儀；2自備齒輪毛坯一張(如圖75所示)、繪圖圓規(guī)及三角板、計算器和鉛筆等文具。凡是符合齒廓嚙合基本定律的曲線都可作為齒廓曲線，常用的齒廓曲線有擺線、漸開線、圓弧線等，其中使用最廣泛的是漸開線。漸開線齒廓可以通過插齒、滾齒加工形成。其基本原理是運用一對齒輪在嚙合時，其共軛齒廓互為包絡線。不過在加工時不是一對齒輪嚙合，而是齒坯與滾刀或插齒刀相互嚙合，并保持固定的傳動比，與此同時，刀具還沿著輪坯的軸向做往復切削運動。如圖7-3所示。 圖 73這樣加工出來的齒廓就是刀具的刀刃在各個位置的包絡線。如果用漸開線作為刀具的齒廓，根據(jù)共軛原理，其包絡線必定也是漸開線.這種加工漸開線齒廓的方法就是范成法。當然，

12、在機器的實際加工中，我們看不到刀刃在各個位置所形成的包絡線，在實驗中，我們用齒輪范成儀來顯示齒條刀具與齒輪毛坯之間的范成運動，并用鉛筆將刀刃的各個位置畫在紙制毛坯上，這樣我們就可以清楚地觀察 到齒輪范成的全過程。齒輪范成法加工漸開線齒廓，是利用一對齒輪互相嚙合傳動時齒廓互為包絡線的原理。如將其中一個齒輪的齒廓磨成刀刃（即齒輪刀具），另一為齒輪毛坯，當?shù)毒吆妄X輪毛坯的分度圓相切并作純滾動時，齒輪刀具的刀刃就可以在齒輪毛坯上切出齒廓。這與一對相互嚙合的 齒條齒輪傳動的運動完全相同。 圖74圖7-4是齒輪范成儀的示意圖，其中扇形盤2繞固定軸O轉(zhuǎn)動，用壓板1和螺母7將代表齒輪毛坯的圖紙固定在扇形盤2上

13、，擰松螺釘6，可調(diào)整齒條刀具3與齒輪毛坯之間的徑向距離，螺釘6將齒條刀具2固定在滑板4上，滑板沿固定軌道5作住復橫向移動，為了保證扇形盤2與滑板4作相對純滾動，范成儀的扇形盤與滑板采用齒輪齒條嚙合傳動。 1. 根據(jù)下表所給的基本參數(shù)計算出標準齒輪、正變位齒輪和負變位齒輪的分度圓、基圓、齒頂圓和齒根圓的直徑，并將它們記錄下來填入表75中。齒條刀具參數(shù)齒輪參數(shù)mm 2如圖75所示，在圖紙上畫出分度圓，并把它分成三等份(如圖中的OA、OB、OC)，分別作其角平分線（如圖中虛線中的OD、OE、OF），然后過角平分線與分度圓的交點，分別作OD、OE、OF的垂線。 3. 在圖紙上分別畫出標準齒輪，正變位齒

14、輪和負變位齒輪的齒頂圓和齒根圓，它們分別代表1/3個標準齒輪、正變位齒輪和負變位齒輪的毛坯。并沿各齒頂圓將多余的圖紙剪去，又以輪坯的中心為圓心，剪出=16mm的圓孔。 圖751將范成儀的螺母7擰松，拿下壓板1，把毛坯中心的圓孔套在O軸上。然后使毛坯和扇形盤2對心，并調(diào)整齒條刀具3和輪坯之間的徑向距離,使代表標準齒輪毛坯部分的角平分線及其垂線分別與扇形盤 2的中線OO及其垂線DD重合，然后放下壓板1，鎖緊螺母7。松開螺釘6，上下移動刀具3，使其中線EE與毛坯分度圓相切(即EE線與DD線重合)，則調(diào)好了毛坯與刀具間的徑向距離，然后鎖緊螺釘6。 2. 將固連在滑板4上的刀具3推移到右或左端，然后向另

15、一端慢慢移動，每移動一小段距離 (約23毫米)，則用削尖的鉛筆描畫出刀具3的刀刃(每畫一筆，相當于刀具切削輪坯的齒槽間一刀)，如此重復，直至刀具移到另一端，則在毛坯紙上描畫出34個完整的標準齒輪齒廓。這樣描繪出的刀具刀刃在各個位置時的軌跡包絡線，就形成了漸開線齒廓。 3. 擰松螺母7，將毛坯轉(zhuǎn)過120°，描繪正變位齒輪毛坯的漸開線齒廓。依據(jù)步驟1，調(diào)整輪坯與扇形盤對心，并保證EE線與DD線重合，然后將刀具3向外移動xm毫米，鎖緊螺釘6，并左右移動刀具，觀察其頂線是否依次切于毛坯根圓，否則，應輕輕擰松螺釘6，進行微調(diào)，直至滿足上述要求。重復步驟2，則在輪坯紙上描畫出3-4個完整的正變位

16、齒輪的齒廓曲線。 4. 同理，再將輪坯轉(zhuǎn)過120°，使負變位齒輪毛坯與扇形盤對心，并使EE線與DD線重合，然后將刀具移向輪坯中心xm毫米，鎖緊螺釘6。同樣，刀具頂線應切于輪坯根圓，重復步驟2，則可以在輪坯紙上描畫出3-4個完整的負變位齒輪的齒廓曲錢。齒輪范成原理實驗報告實驗名稱 實驗日期班 級 姓 名 指導老師 成 績 一、 根據(jù)齒輪參數(shù)計算標準齒輪、正變位齒輪和負變位齒輪各部分的尺寸，并將結果填入下面的表格中。然后以標準齒輪為準，比較正變位和負變位齒輪尺寸變化情況。 表75名稱計 算 結 果結 果 比 較標 準齒 輪正變位齒 輪負變位齒 輪正變位齒 輪負變位齒 輪分度圓直徑d基圓直

17、徑db齒頂圓直徑da齒根圓直徑df分度圓周節(jié)p分度圓齒厚s分度圓齒槽寬e齒頂圓齒厚sa齒頂高ha齒根高hf齒全高h二、附上所描繪的齒廓圖紙，在圖上標出各個圓的半徑,并用彩筆描出齒廓曲線的根切段。三、思考題漸開線齒廓的根切現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的? 如何避免? 在圖形上如何判斷齒廓是否根切?與標準齒輪相比，正變位齒輪哪些參數(shù)發(fā)生了變化？怎樣變化的？推想若采用負變位又將如何？3標準齒輪與變位齒輪相比，其齒廓形狀有什么異同點？7.3 機械傳動性能綜合試驗實驗目的1.通過測試常見機械傳動裝置（如帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動等）在傳遞運動與動力過程中的參數(shù)曲線(速度曲線、轉(zhuǎn)矩曲線、傳動比曲線、功率曲線及效

18、率曲線等),加深對常見機械傳動性能的認識和理解；2. 通過測試由常見機械傳動組成的不同傳動系統(tǒng)的參數(shù)曲線，掌握機械傳動合理布置的基本要求；3. 通過實驗認識智能化機械設計綜合實驗臺的工作原理，掌握計算機輔助實驗的新方法, 培養(yǎng)進行設計性實驗與創(chuàng)新性實驗的能力。實驗設備本實驗在“機械設計綜合實驗臺”上進行。實驗臺采用模塊化結構，由不同種類的機械傳動裝置、聯(lián)軸器、變頻電機、加載裝置和工控機等模塊組成，學生可以根據(jù)選擇或設計的實驗類型、方案和內(nèi)容，自己動手進行傳動連接、安裝調(diào)試和測試，進行設計性實驗、綜合性實驗或創(chuàng)新性實驗。機械設計綜合實驗臺各硬件組成部件的結構布局如圖7.6所示。252262143

19、3978 圖7.6實驗臺的結構布局1-變頻調(diào)速電機 2-聯(lián)軸器 3-轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 4-試件5-加載與制動裝置 6-工控機 7-變頻器 8電器控制柜 9-臺座 實驗臺組成部件的主要技術參數(shù)如表7.6所示。表7.6序號組 成 部 件技 術 參 數(shù)備 注1變頻調(diào)速電機550WYP-50-0.55-4-B32ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器.規(guī)格 5N.m ;輸出訊號幅度不小于100mV.規(guī)格 50N.m;輸出訊號幅度不小于100mV3機械傳動裝置(試件)直齒圓柱齒輪減速器 i=5蝸桿減速器 i=10V型帶傳動齒形帶傳動 Pb=9.525 Zb=80套筒滾子鏈傳動 Z1=17 Z2=25WPA50-1/10O型

20、帶3根08A型3根4磁粉制動器額定轉(zhuǎn)矩: 50 N.m激磁電流: 2A允許滑差功率: 1.1Kw5工控機PC-500為了提高實驗設備的精度，實驗臺采用兩個扭矩測量卡進行采樣。測量精度達到±0.2%FS，能滿足教學實驗與科研生產(chǎn)試驗的實際需要。機械設計綜合實驗臺采用自動控制測試技術設計，所有電機程控啟停，轉(zhuǎn)速程控調(diào)節(jié)，負載程控調(diào)節(jié)，用扭矩測量卡替代扭矩測量儀，整臺設備能夠自動進行數(shù)據(jù)采集處理，自動輸出實驗結果，是高度智能化的產(chǎn)品。其控制系統(tǒng)主界面如圖7.7所示。圖7.7 實驗臺控制系統(tǒng)主界面機械設計綜合實驗臺的工作原理如圖7.8所示。負載ZJ扭矩傳感器機械傳動裝置（試件）ZJ扭矩傳感器

21、變頻電機扭矩測量卡扭矩測量卡負載調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)工控機圖7.8 實驗臺的工作原理實驗原理運用“機械設計綜合實驗臺”能完成多類實驗項目（表7.7），教師可根據(jù)專業(yè)特點和實驗教學改革需要指定，也可以讓學生自主選擇或設計實驗類型與實驗內(nèi)容。表7.7類型編號實驗項目名稱被測試件項目適用對象備 注A典型機械傳動裝置性能測試實驗在帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動等傳動中選擇?？票究艬組合傳動系統(tǒng)布置優(yōu)化實驗由典型機械傳動裝置按設計思路組合本科部分被測試件由教師提供,或另購公司的拓展性實驗設備C新型機械傳動性能測試實驗新開發(fā)研制的機械傳動裝置研究生被測試件由教師提供,或另購公司的拓展性實驗設備 無論選擇哪類實

22、驗, 其基本內(nèi)容都是通過對某種機械傳動裝置或傳動方案性能參數(shù)曲線的測試, 來分析機械傳動的性能特點；實驗利用實驗臺的自動控制測試技術，能自動測試出機械傳動的性能參數(shù), 如轉(zhuǎn)速n (r/min)、扭矩M (N.m)、功率N (K.w)。并按照以下關系自動繪制參數(shù)曲線：傳功比 i=n1/n2扭矩 M=9550 N/n (Nm)傳功效率 =N2/N1= M1 n2/ M2 n1根據(jù)參數(shù)曲線（圖7.9所示）可以對被測機械傳動裝置或傳動系統(tǒng)的傳動性能進行分析。圖7.9 參數(shù)曲線（示例）四、實驗步驟參考圖7.10所示實驗步驟，用鼠標和鍵盤進行實驗操作。實驗A實驗B實驗C確定實驗類型與內(nèi)容準備階段安裝被測裝

23、置調(diào)試測試設備轉(zhuǎn)速n 扭矩M功率N 效率傳動比 i測試階段設置實驗參數(shù)采集實驗數(shù)據(jù)參數(shù)曲線實驗結果分析分析階段實驗報告圖7.10 實驗步驟1. 準備階段（1）認真閱讀實驗指導書和實驗臺使用說明書；（2）確定實驗類型與實驗內(nèi)容；選擇實驗A(典型機械傳動裝置性能測試實驗) 時, 可從V帶傳動、同步帶傳動、套筒滾子鏈傳動、圓柱齒輪減速器、蝸桿減速器中，選擇1-2種進行傳動性能測試實驗;選擇實驗B（組合傳動系統(tǒng)布置優(yōu)化實驗）時, 則要確定選用的典型機械傳動裝置及其組合布置方案，并進行方案比較實驗。如表7.8所示。表7.8 編 號組合布置方案a組合布置方案b實驗內(nèi)容B1V帶傳動-齒輪減速器齒輪減速器-V帶傳動實驗內(nèi)容B2同步帶傳動-齒輪減速器齒輪減速器-同步帶傳動 實驗內(nèi)容B3鏈傳動-齒輪減速器齒輪減速器-鏈傳動實驗內(nèi)容B4