機械設計基礎實驗指導書(開放型實驗適用)鄧禾根編機械設計教研部2010年3月實驗一機構展示與認知實驗一、實驗目的1.通過實驗增強對機構與機器的感性認識；2.通過實驗了解各種常用機構的結構、類型、特點及應用。二、實驗方法及主要內容本陳列室陳列了一套JY-10DB機械原理展示柜，主要展示平面連桿機構、空間連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、輪系、間歇機構以及組合機構等常見機構的基本類型和應用。通過演示機構的傳動原理，增強學生對機構與機器的感性認識。通過實驗指導老師的講解與介紹，學生的觀察、思考和分析，對常用機構的結構、類型、特點有一初步的了解。提高對學習機械原理課程的興趣。三、展示及分析（一）機構的組成通過對蒸氣機、內燃機模型的觀察，我們可以看到，機器的主要組成部分是機構。簡單機器可能只包含一種機構，比較復雜的機器則可能包含多種類型的機構。可以說，機器乃是能夠完成機械功或轉化機械能的機構的組合。機構是機械原理課程研究的主要對象。通過對機構的分析，我們可以發現它由構件和運動副所組成。機器中每一個獨立運動的單元體稱為一個構件，它可以由一個零件組成也可以由幾個零件剛性地聯接而組成；運動副是指兩構件之間的可動聯接，常用的有轉動副、移動副、螺旋副、球面副和曲面副等。凡兩構件通過面的接觸而構成的運動副，通稱為低副；凡兩構件通過點或線的接觸而構成的運動副，稱為高副。（二）平面連桿機構連桿機構是應用廣泛的機構，其中又以四桿機構最為常見。平面連桿機構的主要優點以能夠實現多種運動規律和運動軌跡的要求，而且結構簡單、制造容易、工作可靠。平面連桿機構分成三大類：即鉸鏈四桿機構；單移動副機構；雙移動副機構。1.鉸鏈四桿機構分為：曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構，即根據兩連架桿為曲柄，或搖桿來確定。2.單移動副機構，它是以一個移動副代替鉸鏈四桿機構中的一個轉動副演化而成的。可分為：曲柄滑塊機構，曲柄搖塊機構、轉動導桿機構及擺動導桿機構等。3.雙移動副機構是帶有兩個移動副的四桿機構，把它們倒置也可得到：曲柄移動導桿機構、雙滑塊機構及雙轉塊機構。通過平面連桿機構應用實例，我們可以歸納出平面連桿機構在生產實際中所解決的兩類基本問題：一是實現給定的運動規律，二是實現預期的運動軌跡。（三）凸輪機構實驗二機械零件認知實驗一、實驗目的1．通過實驗初步了解《機械設計》課程所研究的各種常用零件的結構、類型、特點及應用。2．了解各種傳動的特點及應用。3．增強對各種零部的結構及機器的感性認識。二、實驗方法學生們通過對實驗指導書的學習及“JS-18B型機械設計零件陳列柜”中的各種零件的展示，實驗教學人員的介紹，答疑及同學的觀察去認識機器常用的基本零件，使理論與實際對應起來，從而增強同學對機械零件的感性認識。并通過展示的機械設備、機器模型等，使學生們清楚知道機器的基本組成要素—機械零件。三、實驗內容（一）螺紋聯接螺紋聯接是利用螺紋零件工作的，主要用作緊固零件。基本要求是保證聯接強度及聯接可靠性，同學們應了解如下內容：1．螺紋的種類：常用的螺紋主要有普通螺紋、米制錐螺紋、管螺紋、梯形螺紋、矩形螺紋和鋸齒螺紋。前三種主要用于聯接，后三種主要用于傳動。除矩形螺紋外，都已標準化。除管螺紋保留英制外，其余都采用米制螺紋。2．螺紋聯接的基本類型：常用的有普通螺栓聯接，雙頭螺柱聯接、螺釘聯接及緊定螺釘聯接。除此之外，還有一些特殊結構聯接。如專門用于將機座或機架固定在地基上的地腳螺栓聯接，裝在大型零部件的頂蓋或機器外殼上便于起吊用的吊環螺釘聯接及應用在設備中的T型槽螺栓聯接等。3．螺紋聯接的防松：防松的根本問題在于防止螺旋副在受載時發生相對轉動。防松的方法，按其工作原理可分為摩擦防松、機械防松及鉚沖防松等。摩擦防松簡單、方便，但沒有機械防松可靠。對重要聯接，特別是在機器內部的不易檢查的聯接，應采機械防松。常見的摩擦防松方法有對頂螺母，彈簧墊圈及自鎖螺母等；機械防松方法有開口銷與六角開槽螺母、止動墊圈及串聯鋼絲等；鉚沖防松主要是將螺母擰緊后把螺栓未端伸出部分鉚死，或利用沖頭在螺栓未端與螺母的旋合處打沖，利用沖點防松。4．提高螺紋聯接強度的措施1）受軸向變載荷的緊螺栓聯接，一般是因疲勞而破壞。為了提高疲勞強度，減小螺栓的剛度，可適當增加螺栓長度，或采用腰狀桿螺栓與空心螺栓。2）不論螺栓聯接的結構如何，所受的拉力都是通過螺栓和螺母的螺紋牙相接觸來傳遞的，由于螺栓和螺母的剛度與變形的性質不同，各圈螺紋牙上的受力也是不同的。為了改善螺紋牙上的載荷分布不均程度，常用懸置螺母或采用鋼絲螺套來減小螺栓旋合段本來受力較大的幾圈螺紋牙的受力面。3）為了提高螺紋聯連強度，還應減小螺栓頭和螺栓桿的過渡處所產生的應力集中。為了減小應力集中的程度，可采用較大的過渡圓角和卸載結構。在設計、制造和裝配上應力求避免螺紋聯接產生附加彎曲應力，以免降低螺栓強度；4）再就是采用合理的制造工藝方法，來提高螺栓的疲勞強度。如采用冷鐓螺栓頭部和滾壓螺紋的工藝方法或用采用表面氮化、氰化、噴丸等處理工藝都是有效方法。在掌握上述內容，通過參觀螺紋聯接展柜，同學應區分出：①什么是普通螺紋、管螺紋、梯形螺紋和鋸齒螺紋；②能認識什么是普通螺紋、雙頭螺紋、螺釘及緊定螺釘聯接；③能認識摩擦防松與機械防松的零件；④了解聯接螺栓的光桿部分做得比較細的原因是什么等問題。（二）鍵、花鍵及銷聯接1．鍵聯接：鍵是一種標準零件，通常用來實現軸與輪轂之間的周向固定以傳遞轉矩，有的還能實現軸上零件的軸向固定或軸向滑動的導向。其主要類型有：平鍵聯接、楔鍵聯接和切向鍵聯接。各類鍵使用的場合不同，鍵槽的加工工藝也不同。可根據鍵聯接的結構特點，使用要求和工作條件來選擇，鍵的尺寸則應符合標準規格和強度要求來取定。2．花鍵聯接：花鍵聯接是由外花鍵和內花鍵組成。適用于定心精度要求高、裁荷大或經常滑移的聯接。花鍵聯接的齒數、尺寸，配合等均按標準選取，可用于靜聯接或動聯接。按其齒形可分為矩形花鍵（GB1144）和漸線形花鍵（GB3478.1），前一種由于多齒工作，承載能力高、對中性好、導向性好、齒根較淺、應力集中較小、軸與轂強度削弱小等優點，廣泛應用在飛機、汽車、拖拉機、機床及農業機械傳動裝置中；漸形線花鍵聯接，受載時齒上有徑向力，能起到定心作用，使各齒受力均勻，強度、壽命長等特點，主要用于載荷較大、定心精度要求較高以及尺寸較大的聯接。3．銷聯接：銷主要用來固定零件之間的相對位置時，稱為定位銷，它是組合加工和裝配時的重要輔助零件；用于接接時，稱為聯接銷，可傳遞不大的載荷；作為安全裝置中的過載剪斷元件時，稱為安全銷。銷有多種類型，如圓錐銷、槽銷、銷軸和開口銷等，這些均已標準化，主要國標代號有：GB119、GB20、GB878、GB879、GB117、GB118、GB881、GB877等。各種銷都有各自的特點，如：圓柱銷多次拆裝會降低定位精度和可靠性；錐銷在受橫向力時可以自鎖，安裝方便，定位精度高，多次拆裝不影響定位精度等。以上幾種聯接，通過展柜的參觀同學們要仔細觀察其結構，使用場合，并能分清和認識以上各類零件。（三）機械傳動機械傳動有螺旋傳動、帶傳動、鏈傳動、齒傳動及蝸桿傳動等。各種傳動都有不同的特點和使用范圍，這些傳動知識同學們在學習“機械設計”課程中都有要詳細講授。在這里主要通過實物觀察，增加同學們對各種機械傳動知識的感性認識，為今后理論學習及課程設計打下良好基礎。1．螺旋傳動：螺旋傳動是利用螺紋零件工作的，作為傳動件要求保證螺旋副的傳動精度，效率和磨損壽命等。其螺紋種類有矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒螺紋等。按其用途可分傳力螺旋、傳導螺旋及調整螺旋三種；按摩擦性質不同可分為滑動螺旋、滾動螺旋及靜壓螺旋等。滑動螺旋常為半干摩擦，摩擦阻力大、傳動效率低（一般為30～60%）；但其結構簡單，加工方便，易于自鎖，運轉平穩，但在低速時可能出現爬行；其螺紋有側向間隙，反向時有空行程，定位精度和軸向剛度較差，要提高精度必須采用消隙機構；磨損快。滑動螺旋應用于傳力或調整螺旋時，要求自鎖，常采用單線螺紋；用于傳導時，為了提高傳動效率及直線運動速度，常采用多線螺紋（線數n=3～4）。滑動螺旋主要應用于金屬切削機床進給；分度機構的傳導螺紋，摩擦壓力機及千斤頂的傳動。滾動螺旋因螺旋中含有滾珠或滾子，在傳動時摩擦阻力小，傳動效率高（一般在90%以上）；起動力矩小，傳動靈活、工作壽命長等優點，但結構復雜制造較難；滾動螺旋具有傳動可逆性（可以把旋轉動變為直線運動，也可把直線運動變成轉運動），為了避免螺旋副受載時逆轉，應設置防止逆轉的機構；其運轉平穩，起動時無顫動，低速時不爬行；螺母與螺桿經調整預緊后，可得到很高的定位精度（6μm/0.3m）和重復定位精度（可達1～2μm），并可提高軸的剛度；其工作壽命長、不易發生故障，但抗沖擊性能較差。主要用在金屬切削精密機床和數控機床、測試機械、儀表的傳導螺旋和調整螺旋及起重、升降機構和汽車、拖拉機轉向機構的傳力螺旋；飛機、導彈、船舶、鐵路等自控系統的傳導和傳力螺旋上。靜壓螺旋是為了降低螺旋傳動的摩擦，提高傳動效率，并增強螺旋傳動的剛性的抗振性能，將靜壓原理應用于螺旋傳動中，制成靜壓螺旋。因為靜壓螺旋是液體摩擦，摩擦阻力小，傳動效率高（可達99%），但螺母結構復雜；其具有傳動的可逆性，必要時應設置防止逆轉的機構；工作穩定，無爬行現象；反向時無空行程，定位精度高，并有較高軸向剛度；磨損小及壽命長等特點。使用時需要一套壓力穩定、溫度恒定、有精濾裝置的供油系統。主要用于精密機床進給，分度機構的傳導螺旋。2.帶傳動：是帶被張緊（預緊力）而壓在兩個帶輪上，主動輪帶輪通過摩擦帶動帶以后，再通過摩擦帶動從動帶輪轉動。它具有傳動中心距大、結構簡單、超載打滑（減速）等特點。常有平帶傳動、V型帶傳動，多楔帶及同步帶傳動等。平帶傳動結構最簡單，帶輪容易制造。在傳動中心距較大的情況下應用較多；V型帶為一整圈，無接縫，故質量均勻，在同樣張緊力下，V型帶較平帶傳動能產生更大的摩擦力，再加上傳動比較大、結構緊湊，并標準化生產，因而應用廣泛；多楔帶傳動兼有平帶和V型帶傳動的優點，柔性好、摩擦力大、能傳遞的功率大，并能解決多根V型帶長短不一使各帶受力不均勻的問題。主要用于傳遞功率較大而結構要求緊湊的場合，傳動比可達10，帶速可達40m/s。同步帶是沿縱向制有很多齒，帶輪輪面也制有相應齒，它是靠齒的嚙合進行傳動，可使帶與輪的速度一致等特點。3.鏈傳動：是由主動鏈輪齒帶動鏈以后，又通過鏈帶動從動鏈輪，屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動。與屬于摩擦傳動的帶傳動相比，鏈傳動無彈性滑動和打滑現象，能保持準確的平均傳動比，傳動效率高。按用途不同可分為傳動鏈傳動、輸送鏈傳動和起重鏈傳動。輸送鏈和起重鏈主要用在運輸和起重機械中，而在一般機械傳動中，常用的傳動鏈。傳動鏈有短節距精密滾子鏈（簡稱滾子鏈），齒形鏈等。在滾子鏈中為使傳動平穩，結構緊湊，宜選用小節距單排鏈，當速度高、功率大時則選用小節距多排鏈。齒形鏈又稱無聲鏈，它是由一級帶有兩個齒的鏈板左右交錯并列鉸鏈而成。齒形鏈設有導板，以防止鏈條在工作時發生側向竄動。與滾子鏈相比，齒形鏈傳動平穩、無噪聲、承受沖擊性能好、工作可靠。4.齒輪傳動：齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，型式多、應用廣泛。其主要特點是：效率高、結構緊湊、工作可靠、傳動比穩定等。可做成開式、半開式及封閉式傳動。失效形式主要有輪齒折斷、齒面點銹、齒面磨損、齒面膠合及塑性變形等。常用的漸開線齒輪有直齒圓柱齒輪傳動、斜齒圓柱齒輪傳動、標準錐齒齒輪傳動、圓弧齒圓柱齒傳動等。齒輪傳動嚙合方式有內嚙合、外嚙合、齒輪與齒條嚙合等。參觀時一定要了解各種齒輪特征，主要參數的名稱及幾種失效形式的主要特征，使實驗在真正意義上的與理論教學上產生互補作用。5.蝸桿傳動：蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構，兩軸線交錯的夾角可為任意角，常用的為90°。蝸桿傳動有下述特點：當使用單頭蝸桿（相當于單線螺紋）時，蝸桿旋轉一周，蝸輪只轉過一個齒距，因此能實現大傳動比。在動力傳動中，一般傳動比i=5～80；在分度機構或手動機構的傳動中，傳動比可達300；若只傳遞運動，傳動比可達1000。由于傳動比大，零件數目又少，因而結構很緊湊。在傳動中，蝸桿齒是連續不斷的螺旋齒，與蝸輪嚙合是逐漸進入與逐漸退出，故沖擊載荷小，傳動平衡，噪聲低；但當蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角時，蝸桿傳動便具有自鎖；再就是蝸桿傳動與螺旋傳動相似，在嚙合處的有相對滑動，當速度很大，工作條件不夠良好時會產生嚴重摩擦與磨損，引起發熱，摩擦損失較大，效率低。根據蝸桿形狀不同，分為圓柱蝸桿傳動，環面蝸桿傳動和錐面蝸桿傳動。通過實驗同學應了解蝸桿傳動結構及蝸桿減速器種類和形式。(四)軸系零、部件1.軸承：軸承是現代機器中廣泛應用的部件之一。軸承根據摩擦性質不同分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。滾動軸承由于摩擦系數小，起動阻力小，而且它已標準化(標準代號有：GB/T281、GB/T276、GB/T288、GB/T292、GB/T285、GB/T5801、GB/T297、GB/T301及GB/T4663、GB/T5859等)，選用，潤滑、維護都很方便，因此在一般機器應用較廣。滑動軸承按其承受載荷方向的不同分為徑向滑動軸承和止推軸承；按潤滑表面狀態不同又可分為液體潤滑軸承、不完全液體潤滑軸承及無潤滑軸承(指工作時不加潤滑劑)；根據液體潤滑承載機理不同，又可分為液體動力潤滑軸承(簡稱液體動壓軸承)和液體靜壓潤滑軸承(簡稱液體靜壓軸承)。軸承理論課程，將詳細講授機理、結構、材料等，并且還有實驗與之相配合，這次實驗同學們主要要了解各類，各種軸承的結構及特征，擴大自己的眼界。2．軸：軸是組成機器的主要零件之一。一切作回轉運動的傳動零件(如齒輪、蝸輪等)，都必須安裝在軸上才能進行運動及動力的傳遞。軸的主要功用是支承回轉零件及傳遞運動和動力。按承受載荷的不同，可分為轉軸、心軸和傳動軸三類；按軸線形狀不同，可分為曲軸和直軸兩大類，直軸又可分為光軸和階梯軸。光軸形狀簡單，加工容易，應力集中源少，但軸上的零件不易裝配及定位；階梯軸正好與光軸相反。所以光軸主要用于心軸和傳動軸，階梯軸則常用于轉軸；此外，還有一種鋼絲軟軸(撓性軸)，它可以把回轉運動靈活地傳到不開敞的空間位置。軸的失效形式主要是疲勞斷裂和磨損。防止失效的措施是：從結構設計上力求降低應力集中(如減小直徑差，加大過渡圓半徑等，可詳看實物)再就是提高軸的表面品質，包括降低軸的表面粗糙度，對軸進行熱處理或表面強化處等。軸上零件的固定，主要是軸向和周向固定。軸向固定可采用軸肩、軸環、套筒、擋圈、圓錐面、圓螺母、軸端擋圈、軸端擋板、彈簧擋圈、緊定螺釘方式；周向固定可采用平鍵、楔鍵、切向鍵，花鍵、圓柱銷、圓錐銷及過盈配合等聯連方式。軸看似簡單，但軸的知識，內容都比較豐富，完全掌握是很不容易。只有通過理論學習及實踐知識的積累(多看、多觀察)逐步掌握。(五)潤滑劑及密封1.潤滑劑：在摩擦面間加入潤滑劑不僅可以降低摩擦，減輕磨損，保護零件不遭銹蝕，而且在采用循環潤滑時還能起到散熱降溫的作用。由于液體的不可壓縮性，潤滑油膜還具有緩沖、吸振的能力。使用膏狀潤滑脂，既可防止內部的潤滑劑外泄，又可阻止外部雜質侵入，避免加劇零件的磨損，起到密封作用。潤滑劑可分為氣體、液體，半固體和固體四種基本類型。在液體潤滑劑中應用最廣泛的是潤滑油，