机械设计基础实验指导书
(开放型实验适用)
邓禾根 编
机械设计教研部
20##年3月
实验一 机构展示与认知实验
一、实验目的
1. 通过实验增强对机构与机器的感性认识；
2. 通过实验了解各种常用机构的结构、类型、特点及应用。
二、实验方法及主要内容
本陈列室陈列了一套JY-10DB机械原理展示柜，主要展示平面连杆机构、空间连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系、间歇机构以及组合机构等常见机构的基本类型和应用。
通过演示机构的传动原理，增强学生对机构与机器的感性认识。通过实验指导老师的讲解与介绍，学生的观察、思考和分析，对常用机构的结构、类型、特点有一初步的了解。提高对学习机械原理课程的兴趣。
三、展示及分析
（一）机构的组成
通过对蒸气机、内燃机模型的观察，我们可以看到，机器的主要组成部分是机构。简单机器可能只包含一种机构，比较复杂的机器则可能包含多种类型的机构。可以说，机器乃是能够完成机械功或转化机械能的机构的组合。
机构是机械原理课程研究的主要对象。通过对机构的分析，我们可以发现它由构件和运动副所组成。机器中每一个独立运动的单元体称为一个构件，它可以由一个零件组成也可以由几个零件刚性地联接而组成；运动副是指两构件之间的可动联接，常用的有转动副、移动副、螺旋副、球面副和曲面副等。凡两构件通过面的接触而构成的运动副，通称为低副；凡两构件通过点或线的接触而构成的运动副，称为高副。
（二）平面连杆机构
连杆机构是应用广泛的机构，其中又以四杆机构最为常见。平面连杆机构的主要优点以能够实现多种运动规律和运动轨迹的要求，而且结构简单、制造容易、工作可靠。
平面连杆机构分成三大类：即铰链四杆机构；单移动副机构；双移动副机构。
1. 铰链四杆机构分为：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构，即根据两连架杆为曲柄，或摇杆来确定。
2. 单移动副机构，它是以一个移动副代替铰链四杆机构中的一个转动副演化而成的。可分为：曲柄滑块机构，曲柄摇块机构、转动导杆机构及摆动导杆机构等。
3. 双移动副机构是带有两个移动副的四杆机构，把它们倒置也可得到：曲柄移动导杆机构、双滑块机构及双转块机构。
通过平面连杆机构应用实例，我们可以归纳出平面连杆机构在生产实际中所解决的两类基本问题：一是实现给定的运动规律，二是实现预期的运动轨迹。
（三）凸轮机构
凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，结构简单紧凑，因此广泛应用于各种机械中。凸轮机构的类型很多，通常按凸轮的形状和推杆（从动件）的形状和运动来分类。凸轮有盘行凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮；推杆按形状分有尖顶、滚子和平底，按运动形式分为直动和摆动推杆；封闭方式分为力封闭、形封闭等。
（四）齿轮机构
齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构。具有传动准确、可靠、运转平稳、承载能力大、体积小、效率高等优点，广泛应用于各种机器中。根据轮齿的形状齿轮分为：直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、圆锥齿轮及蜗轮、蜗杆。根据主、从动轮的两轴线相对位置，齿轮传动分为：平行轴传动、相交轴传动、交错轴传动三大类。
1．平行轴传动的类型有：外、内啮合直齿轮机构、斜齿圆柱齿轮机构、人字齿轮机构、齿轮齿条机构等。
2．相交轴传动的类型有圆锥齿轮机构，轮齿分布在一个截锥体上，两轴线夹角常为90°。
3．交错轴传动的类型有：螺旋齿轮机构、圆柱蜗轮蜗杆机构，弧面蜗轮蜗杆机构等。在参观这部分时，学生应注意了解各种机构的传动特点，运动状况及应用范围等。
4．齿轮机构参数
齿轮基本参数有齿数z、模数m、分度圆压力角α、齿顶高系数h*a、顶隙系数c*等。
（五）轮系的类型
所谓轮系，是指由一系列齿轮所组成的齿轮传动系统。轮系的类型很多，其组成也各种各样，通过根据轮系运转时各个齿轮的轴线相对机架的位置是否都是固定的，而将轮系分为定轴轮系、周转轮系和混合轮系大类。周转轮系按自由度分为行星轮系和差动轮系，还可根据基本构件的不同加以分类，包含一个系杆H，两个中心轮K，称之为2K—H型周转轮系；包含有三个中心轮，叫作3K型周转轮系。在实际机构中采用最多的是2K—H型轮系。复合轮系可能既包含定轴轮系部分，也包含周转轮系部分，或者是由几部分周转轮系组成。计算复合轮系传动比的正确方法，是将其所包含的各部分定轴轮系和各部分周转轮系——加以分开，并分别应用定轴轮系和周转轮系传动比的计算公式求出它们的传动比，然后加以联立求解，从而求出该轮系的传动比。
（六）间歇运动机构
间歇运动机构广泛用于各种需要非连续传动的场合。常见的有棘轮机构；摩擦式棘轮机构；槽轮机构；不完全齿轮机构；凸轮式间歇运动机构；万向节及非圆齿轮机构等。通过各种机构的动态演示学生应知道各种机构的运动特点及应用范围。
（七）组合机构
由于生产上对机构运动形式，运动规律和机构性能等方面要求的多样性和复杂性，以及单一机构性能的局限性，以致仅采用某一种基本机构往往不能满足设计要求，因而常需把几种基本机构联合起来组成一种组合机构。组合机构可以是同类基本机构的组合，也可以是不同类型基本机构的组成，常见的组合方式有串联、并联、反馈以及叠加等。
四、按要求完成实验报告，实验报告应包含以下内容：
(一) 实验目的
(二)实验设备名称及型号
(三) 实验方法及主要内容
(四) 实验结果
1、 完成如下相关的习题
1) 机器是由什么组成？机构是由什么组成？什么叫构件? 什么叫运动副？
2) 铰链四杆机构有哪三种基本类型？铰链四杆机构可演化成哪些其他四杆机构？试列举应用实例。
3) 凸轮机构是如何分类的？可分哪些类型?
4) 齿轮机构根据其齿形可分为哪些类型？根据两轴线的位置又可分为哪些类型？分析各种类型的特点及应用场合。
5) 轮系有哪些类型？轮系有哪些功用并列举应用实例？
6) 常用间歇机构类型及应用实例？
2、 实验的体会与收获
实验二 机械零件认知实验
一、实验目的
1．通过实验初步了解《机械设计》课程所研究的各种常用零件的结构、类型、特点及应用。
2．了解各种传动的特点及应用。
3．增强对各种零部的结构及机器的感性认识。
二、实验方法
学生们通过对实验指导书的学习及“JS-18B型机械设计零件陈列柜”中的各种零件的展示，实验教学人员的介绍，答疑及同学的观察去认识机器常用的基本零件，使理论与实际对应起来，从而增强同学对机械零件的感性认识。并通过展示的机械设备、机器模型等，使学生们清楚知道机器的基本组成要素—机械零件。
三、实验内容
（一）螺纹联接
螺纹联接是利用螺纹零件工作的，主要用作紧固零件。基本要求是保证联接强度及联接可靠性，同学们应了解如下内容：
1．螺纹的种类：常用的螺纹主要有普通螺纹、米制锥螺纹、管螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹和锯齿螺纹。前三种主要用于联接，后三种主要用于传动。除矩形螺纹外，都已标准化。除管螺纹保留英制外，其余都采用米制螺纹。
2．螺纹联接的基本类型：常用的有普通螺栓联接，双头螺柱联接、螺钉联接及紧定螺钉联接。除此之外，还有一些特殊结构联接。如专门用于将机座或机架固定在地基上的地脚螺栓联接，装在大型零部件的顶盖或机器外壳上便于起吊用的吊环螺钉联接及应用在设备中的T型槽螺栓联接等。
3．螺纹联接的防松：防松的根本问题在于防止螺旋副在受载时发生相对转动。防松的方法，按其工作原理可分为摩擦防松、机械防松及铆冲防松等。摩擦防松简单、方便，但没有机械防松可靠。对重要联接，特别是在机器内部的不易检查的联接，应采机械防松。常见的摩擦防松方法有对顶螺母，弹簧垫圈及自锁螺母等；机械防松方法有开口销与六角开槽螺母、止动垫圈及串联钢丝等；铆冲防松主要是将螺母拧紧后把螺栓未端伸出部分铆死，或利用冲头在螺栓未端与螺母的旋合处打冲，利用冲点防松。
4．提高螺纹联接强度的措施
1）受轴向变载荷的紧螺栓联接，一般是因疲劳而破坏。为了提高疲劳强度，减小螺栓的刚度，可适当增加螺栓长度，或采用腰状杆螺栓与空心螺栓。
2）不论螺栓联接的结构如何，所受的拉力都是通过螺栓和螺母的螺纹牙相接触来传递的，由于螺栓和螺母的刚度与变形的性质不同，各圈螺纹牙上的受力也是不同的。为了改善螺纹牙上的载荷分布不均程度，常用悬置螺母或采用钢丝螺套来减小螺栓旋合段本来受力较大的几圈螺纹牙的受力面。
3）为了提高螺纹联连强度，还应减小螺栓头和螺栓杆的过渡处所产生的应力集中。为了减小应力集中的程度，可采用较大的过渡圆角和卸载结构。在设计、制造和装配上应力求避免螺纹联接产生附加弯曲应力，以免降低螺栓强度；
4）再就是采用合理的制造工艺方法，来提高螺栓的疲劳强度。如采用冷镦螺栓头部和滚压螺纹的工艺方法或用采用表面氮化、氰化、喷丸等处理工艺都是有效方法。
在掌握上述内容，通过参观螺纹联接展柜，同学应区分出：①什么是普通螺纹、管螺纹、梯形螺纹和锯齿螺纹；②能认识什么是普通螺纹、双头螺纹、螺钉及紧定螺钉联接；③能认识摩擦防松与机械防松的零件；④了解联接螺栓的光杆部分做得比较细的原因是什么等问题。
（二）键、花键及销联接
1．键联接：键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。其主要类型有：平键联接、楔键联接和切向键联接。各类键使用的场合不同，键槽的加工工艺也不同。可根据键联接的结构特点，使用要求和工作条件来选择，键的尺寸则应符合标准规格和强度要求来取定。
2．花键联接：花键联接是由外花键和内花键组成。适用于定心精度要求高、裁荷大或经常滑移的联接。花键联接的齿数、尺寸，配合等均按标准选取，可用于静联接或动联接。按其齿形可分为矩形花键（GB1144）和渐线形花键（GB3478.1），前一种由于多齿工作，承载能力高、对中性好、导向性好、齿根较浅、应力集中较小、轴与毂强度削弱小等优点，广泛应用在飞机、汽车、拖拉机、机床及农业机械传动装置中；渐形线花键联接，受载时齿上有径向力，能起到定心作用，使各齿受力均匀，强度、寿命长等特点，主要用于载荷较大、定心精度要求较高以及尺寸较大的联接。
3．销联接：销主要用来固定零件之间的相对位置时，称为定位销，它是组合加工和装配时的重要辅助零件；用于接接时，称为联接销，可传递不大的载荷；作为安全装置中的过载剪断元件时，称为安全销。销有多种类型，如圆锥销、槽销、销轴和开口销等，这些均已标准化，主要国标代号有：GB119、GB20、GB878、GB879、GB117、GB118、GB881、GB877等。各种销都有各自的特点，如：圆柱销多次拆装会降低定位精度和可靠性；锥销在受横向力时可以自锁，安装方便，定位精度高，多次拆装不影响定位精度等。
以上几种联接，通过展柜的参观同学们要仔细观察其结构，使用场合，并能分清和认识以上各类零件。
（三）机械传动
机械传动有螺旋传动、带传动、链传动、齿传动及蜗杆传动等。各种传动都有不同的特点和使用范围，这些传动知识同学们在学习“机械设计”课程中都有要详细讲授。在这里主要通过实物观察，增加同学们对各种机械传动知识的感性认识，为今后理论学习及课程设计打下良好基础。
1．螺旋传动：螺旋传动是利用螺纹零件工作的，作为传动件要求保证螺旋副的传动精度，效率和磨损寿命等。其螺纹种类有矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹等。按其用途可分传力螺旋、传导螺旋及调整螺旋三种；按摩擦性质不同可分为滑动螺旋、滚动螺旋及静压螺旋等。
滑动螺旋常为半干摩擦，摩擦阻力大、传动效率低（一般为30～60%）；但其结构简单，加工方便，易于自锁，运转平稳，但在低速时可能出现爬行；其螺纹有侧向间隙，反向时有空行程，定位精度和轴向刚度较差，要提高精度必须采用消隙机构；磨损快。滑动螺旋应用于传力或调整螺旋时，要求自锁，常采用单线螺纹；用于传导时，为了提高传动效率及直线运动速度，常采用多线螺纹（线数n=3～4）。滑动螺旋主要应用于金属切削机床进给；分度机构的传导螺纹，摩擦压力机及千斤顶的传动。
滚动螺旋因螺旋中含有滚珠或滚子，在传动时摩擦阻力小，传动效率高（一般在90%以上）；起动力矩小，传动灵活、工作寿命长等优点，但结构复杂制造较难；滚动螺旋具有传动可逆性（可以把旋转动变为直线运动，也可把直线运动变成转运动），为了避免螺旋副受载时逆转，应设置防止逆转的机构；其运转平稳，起动时无颤动，低速时不爬行；螺母与螺杆经调整预紧后，可得到很高的定位精度（6μm/0.3m）和重复定位精度（可达1～2μm），并可提高轴的刚度；其工作寿命长、不易发生故障，但抗冲击性能较差。主要用在金属切削精密机床和数控机床、测试机械、仪表的传导螺旋和调整螺旋及起重、升降机构和汽车、拖拉机转向机构的传力螺旋；飞机、导弹、船舶、铁路等自控系统的传导和传力螺旋上。
静压螺旋是为了降低螺旋传动的摩擦，提高传动效率，并增强螺旋传动的刚性的抗振性能，将静压原理应用于螺旋传动中，制成静压螺旋。因为静压螺旋是液体摩擦，摩擦阻力小，传动效率高（可达99%），但螺母结构复杂；其具有传动的可逆性，必要时应设置防止逆转的机构；工作稳定，无爬行现象；反向时无空行程，定位精度高，并有较高轴向刚度；磨损小及寿命长等特点。使用时需要一套压力稳定、温度恒定、有精滤装置的供油系统。主要用于精密机床进给，分度机构的传导螺旋。
2.带传动：是带被张紧（预紧力）而压在两个带轮上，主动轮带轮通过摩擦带动带以后，再通过摩擦带动从动带轮转动。它具有传动中心距大、结构简单、超载打滑（减速）等特点。常有平带传动、V型带传动，多楔带及同步带传动等。
平带传动结构最简单，带轮容易制造。在传动中心距较大的情况下应用较多；V型带为一整圈，无接缝，故质量均匀，在同样张紧力下，V型带较平带传动能产生更大的摩擦力，再加上传动比较大、结构紧凑，并标准化生产，因而应用广泛；
多楔带传动兼有平带和V型带传动的优点，柔性好、摩擦力大、能传递的功率大，并能解决多根V型带长短不一使各带受力不均匀的问题。主要用于传递功率较大而结构要求紧凑的场合，传动比可达10，带速可达40m/s。
同步带是沿纵向制有很多齿，带轮轮面也制有相应齿，它是靠齿的啮合进行传动，可使带与轮的速度一致等特点。
3.链传动：是由主动链轮齿带动链以后，又通过链带动从动链轮，属于带有中间挠性件的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，能保持准确的平均传动比，传动效率高。按用途不同可分为传动链传动、输送链传动和起重链传动。输送链和起重链主要用在运输和起重机械中，而在一般机械传动中，常用的传动链。传动链有短节距精密滚子链（简称滚子链），齿形链等。在滚子链中为使传动平稳，结构紧凑，宜选用小节距单排链，当速度高、功率大时则选用小节距多排链。
齿形链又称无声链，它是由一级带有两个齿的链板左右交错并列铰链而成。齿形链设有导板，以防止链条在工作时发生侧向窜动。与滚子链相比，齿形链传动平稳、无噪声、承受冲击性能好、工作可靠。
4.齿轮传动：齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，型式多、应用广泛。其主要特点是：效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定等。可做成开式、半开式及封闭式传动。失效形式主要有轮齿折断、齿面点锈、齿面磨损、齿面胶合及塑性变形等。
常用的渐开线齿轮有直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、标准锥齿齿轮传动、圆弧齿圆柱齿传动等。齿轮传动啮合方式有内啮合、外啮合、齿轮与齿条啮合等。参观时一定要了解各种齿轮特征，主要参数的名称及几种失效形式的主要特征，使实验在真正意义上的与理论教学上产生互补作用。
5.蜗杆传动：蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意角，常用的为90°。蜗杆传动有下述特点：当使用单头蜗杆（相当于单线螺纹）时，蜗杆旋转一周，蜗轮只转过一个齿距，因此能实现大传动比。在动力传动中，一般传动比i=5～80；在分度机构或手动机构 的传动中，传动比可达300；若只传递运动，传动比可达1000。由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。在传动中，蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，与蜗轮啮合是逐渐进入与逐渐退出，故冲击载荷小，传动平衡，噪声低；但当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁；再就是蜗杆传动与螺旋传动相似，在啮合处的有相对滑动，当速度很大，工作条件不够良好时会产生严重摩擦与磨损，引起发热，摩擦损失较大，效率低。
根据蜗杆形状不同，分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥面蜗杆传动。通过实验同学应了解蜗杆传动结构及蜗杆减速器种类和形式。
(四)轴系零、部件
1.轴承：轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。轴承根据摩擦性质不同分为滚动轴承和滑动轴承两大类。滚动轴承由于摩擦系数小，起动阻力小，而且它已标准化(标准代号有：GB /T281、GB/T276、GB/T288、GB/T292、GB/T285、GB/T5801、GB/T297、GB/T301及GB/T4663、GB/T5859等)，选用，润滑、维护都很方便，因此在一般机器应用较广。滑动轴承按其承受载荷方向的不同分为径向滑动轴承和止推轴承；按润滑表面状态不同又可分为液体润滑轴承、不完全液体润滑轴承及无润滑轴承(指工作时不加润滑剂)；根据液体润滑承载机理不同，又可分为液体动力润滑轴承(简称液体动压轴承)和液体静压润滑轴承(简称液体静压轴承)。
轴承理论课程，将详细讲授机理、结构、材料等，并且还有实验与之相配合，这次实验同学们主要要了解各类，各种轴承的结构及特征，扩大自己的眼界。
2．轴：轴是组成机器的主要零件之一。一切作回转运动的传动零件(如齿轮、蜗轮等)，都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。
按承受载荷的不同，可分为转轴、心轴和传动轴三类；按轴线形状不同，可分为曲轴和直轴两大类，直轴又可分为光轴和阶梯轴。光轴形状简单，加工容易，应力集中源少，但轴上的零件不易装配及定位；阶梯轴正好与光轴相反。所以光轴主要用于心轴和传动轴，阶梯轴则常用于转轴；此外，还有一种钢丝软轴(挠性轴)，它可以把回转运动灵活地传到不开敞的空间位置。
轴的失效形式主要是疲劳断裂和磨损。防止失效的措施是：从结构设计上力求降低应力集中(如减小直径差，加大过渡圆半径等，可详看实物)再就是提高轴的表面品质，包括降低轴的表面粗糙度，对轴进行热处理或表面强化处等。
轴上零件的固定，主要是轴向和周向固定。轴向固定可采用轴肩、轴环、套筒、挡圈、圆锥面、圆螺母、轴端挡圈、轴端挡板、弹簧挡圈、紧定螺钉方式；周向固定可采用平键、楔键、切向键，花键、圆柱销、圆锥销及过盈配合等联连方式。轴看似简单，但轴的知识，内容都比较丰富，完全掌握是很不容易。只有通过理论学习及实践知识的积累(多看、多观察)逐步掌握。
(五)润滑剂及密封
1.润滑剂：在摩擦面间加入润滑剂不仅可以降低摩擦，减轻磨损，保护零件不遭锈蚀，而且在采用循环润滑时还能起到散热降温的作用。由于液体的不可压缩性，润滑油膜还具有缓冲、吸振的能力。使用膏状润滑脂，既可防止内部的润滑剂外泄，又可阻止外部杂质 侵入，避免加剧零件的磨损，起到密封作用。
润滑剂可分为气体、液体，半固体和固体四种基本类型。在液体润滑剂中应用最广泛的是润滑油，包括矿物油、动植物油、合成油和各种乳剂。半固体润滑剂主要是指各种润滑脂，它是润滑油和稠化剂的稳定混合物。固体润油剂是任何可以形成固体膜以减少摩擦阻力的物质，如石墨、三硫化钼、聚四氟乙烯等。任何气体都可作为气体润滑剂，其中用的最多的是空气，主要用在气体轴承中。各类润滑剂润滑原理，性能教课中都会讲授。液体、半固体润滑剂，在生产中其成份及各种分类(品种)都是严格按照国家有关标准进行生产。学生们不但要了解展柜展出油剂，脂剂各种实物，润滑方法与润滑装置，还应了解其相关国家标准，如润滑油的粘度等级GB3141标准；石油产品及润滑剂的总分类GB498标准；润滑剂GB7631.1～7631.8标准等。国家标准中油剂共有20大组类、70余个品种，脂剂有14个种类品种等。
2.密封
机器在运转过程中及气动、液压传动中需润滑剂、气、油润滑、冷却、传力保压等，在零件的接合面、轴的伸出端等处容易产生油、脂、水、气等渗漏。为了防止这些渗漏，在这些地方常要采用一些密封的措施。但密封方法和类型很多。如填料密封，机械密封、O形圈密封，迷宫式密封、离心密封、螺旋密封等。这些密封广泛应用在泵、水轮机、阀、压气机、轴承、活塞等部件的密封中。
四、按要求完成实验报告，实验报告应包含以下内容：
(一) 实验目的
(二) 实验设备名称及型号
(三) 实验方法及主要内容
(四) 实验结果
1、 完成相关的机械零件认知习题
1) 螺纹联接的基本类型?
2) 螺纹联接防松的目的是什么?常用的方法有哪些?
3) 带传动的主要类型有哪些?它们各有什么特点?
4)蜗杆传动是如何分类的? 蜗杆传动的主要特点?
5)滚动轴承的组成及特点?
6)轴的分类及特点?
2、实验的体会与收获