机械设计基础

 实验指导书

执笔人：丁燕鸿

审核人：  

湖南工业大学机械工程学院

目  录

实验一、机构运动简图的测绘实验

实验二、渐开线齿廓的范成实验

实验一、机构运动简图的测绘实验

一、实验类型

验证性实验

二、实验目的

  1、掌握从实际机构中测绘机构运动简图的基本技能和正确标注运动尺寸。

  2、巩固和熟练机构自由度的计算。

  3、掌握运动链的运动是否确定的判别方法。

三、实验仪器与设备 

 1、插齿机; 2、牛头刨床; 3、台式钻床; 4、修鞋机; 5、缝纫机;  6、摆动导杆机构模型; 7、转动导杆机构模型; 8、其他机构模型。

此外自备三角板、铅笔、橡皮、草稿纸。

四、实验内容

由于机构的运动仅与机构的类型、机构中构件的数目、运动副的数目、种类及其相对位置有关。因此在分析机构运动时，可以撇开构件的复杂外形和运动副的具体构造，而用简单的符号来代表构件和运动副，并按一定的比例尺表示运动副的相对位置，即机构运动简图，并以此分析，说明实际机构的特征。

五、实验方法与步骤

    l、缓慢地使被测绘的机构或模型运动，由原动件开始仔细观察其运动传递过程，按相对运动情况分清各个运动构件，确定组成该机构的构件的数目、运动副的种类和数目。

    2、在草稿纸上，按运动传递顺序，根据规定的符号(见附录)，徒手绘出机构运动简图，用1、2……标注各构件，用A、B……标注各运动副。

    3、仔细测量机构中各运动副之间的相对位置，即转动副间的中心距和移动副导路的位置尺寸或角度等，标在徒手绘制的机构运动简图中。

    4、根据所测绘的机构运动简图，计算该机构自由度，并与实际机构核对是否正确。

六、实验报告要求

    1、写上被测机构的名称及机构的自由度数。

    2、写上被测机构中原动件数目及判断运动是否确定。

    3、任意假定原动构件的位置，并按一定的比例尺寸u₁将草图画成正规的运动简图。

比例尺寸u₁=实际长度(毫米mm)/图上长度(毫米mm)

4. 思考题

   （1）一个正确的"机构运动简图"应能说明哪些内容?

   （2）绘制机构运动简图时，原动构件的位置为什么可以任意选定?会不会影响简图的正确性?

（3）机构自由度的计算对测绘机构运动简图有何帮助?

实验二、渐开线齿廓的范成实验

一、实验类型

验证性实验

二、实验目的

    1、掌握用范成法加工渐开线齿轮的基本原理，观察齿廓渐开线部分及过渡曲线部分的形成过程。

    2、通过观察齿条型刀具范成渐开线齿廓的过程,了解渐开线齿轮的根切现象、齿顶变尖现象以及用变位修正来避免根切的方法。

    3、;建立变位齿轮的基本概念,分析、比较标准齿轮和移距变位齿轮的异同点。

 三、实验仪器与设备

齿轮范成仪,此外自备大园规、大三角板、橡皮、绘图纸,两种不同颜色的铅笔。

 四、实验内容

    范成法是利用齿轮与齿条;(或一对齿轮)互相啮合时其共轭齿廓互为包络线的原理来加工齿轮的。加工时其中一齿条(或一齿轮)为刀具，另一齿轮为齿轮坯，它们仍保持固定的角速比传动，完全和实际啮合时一样，这样所得的齿轮轮廓就是刀具刃在各个位置的包络线。由于在实际加工时，看不到刀刃在各个位置形成包络线的过程，故通过齿轮范成仪来实现轮坯与刀具的传动过程，并用铅笔将刀具刀刃的各个位置记录在图纸上，这样就能清楚地观察到范成法加工齿轮的过程。

齿轮范成仪简单介绍：

    如图1所示的是一种渐开线齿廓范成仪的结构示意图。

图1 齿轮范成仪

图纸托盘l可绕固定轴O转动，钢丝2绕在托盘1背面代表分度园的凹槽的内，钢丝两端固定在滑架3上,滑架3装在水平座4的水平导向槽内。因此,在转动托盘1时,通过钢丝2可带动滑架沿水平方向左右移动，并能保证托盘l上分度园周凹槽的内的钢丝中心线所在圆(代表被切齿轮的分度圆)始终与滑架上的直线E(代表刀具节线)作纯滚动，从而实现对滚运动。代表齿条型刀具的齿条5即通过螺钉7固定在刀架8上；刀架8装在滑架3上的径向导槽内，旋动螺旋6，可使刀架8带动齿条5沿垂直方向相对于托盘l中心0作径向移动。因此，齿条5可以随滑架3作水平移动，与托盘l实现对滚运动；又可以随刀架8一起作径向移动，用以调节齿条中心与托盘中心0之间的距离,以便模拟变位齿轮的范成切削。

已知齿条条模数为m;压力角为20⁰齿顶高与齿根高之和为2.25m，只是牙齿顶

端的0:25m处不是直线而是圆弧，用以切削被切齿轮齿根部分的过渡曲线。

当齿条中线与被切齿轮分度园相切时，齿条中线与刀具布线E重合，此时齿条5上的标尺刻度零点与滑架3上的标尺刻度零点对准，这样便能切制标准齿轮。

若旋动螺旋，改变齿条中线与托盘1中心0的距离(移动的距离XM可由齿条5或滑架3上的标尺读出)，则齿条中线与刀具节线E分离(如图1所示，此时齿条中线与被切齿轮分度园分离，但刀具节线E仍与被切齿轮分度园相切),这便能切制出变位齿轮。

五、实验方法与步骤

1、根据所用范成仪的模数和分度园直径d求出被加土齿轮的齿数Z,并计算其齿顶园直径d_a、齿根圆直径d_f和基圆直径d_b。

    2、将计算结果填在实验报告的表中，并分别以d_a、d、d_f和d_b为直径在图纸上画出四个同心圆。

3、将图纸放在范成仪的托盘l上，使二者圆心重合，然后用压环10和螺钉9将图纸夹紧在托盘1上。

4，将范成仪上的齿条5及滑架3上的标尺刻度零点对准。(此时齿条刀具5的刀顶线应与图纸上所画的齿根圆相切)。

5、将滑架3推至左(或右)极跟位置，用削尖的铅笔在图纸(代表被切齿轮毛坯)

上面画下齿条刀具5的齿廓在该位置上的投影线。然后将滑架3向右(或左)移动一个很小的距离，此时通过钢丝2带动托盘1也相应转过一个小角度，再将齿条刀具5的齿廓在该位置上的投影线画下，这些投影线的包络线即为被切齿轮的渐开线齿廓。

6、按上述方法，给出2一3个完整的标准齿形。

7、观察根切现象(观察刀具的齿顶线是否超过被加工齿轮的极限点)。

8、重新调整刀具,使刀具中线远离轮坯中心,移动距离为避免根切的最小变位量,再“切制”齿廓。此时也就是刀具齿顶线与变位齿轮的根园相切。按照上述方法,中样可以“切制”得到2-3个完整的正变位的齿廓曲线。为便于比较,此齿廓可用另一种颜色的笔画出。

9、分析、比较所得的标准齿轮，正变位齿轮的齿顶厚、基园基厚、根园、顶园、分度园和基园的相对变化特点;

六、实验报告要求           

1、  原始数据

①     齿条型刀具的基本参数

m=      ,     α=20⁰ ,     h^*_a=1 ,      c^*=0.25

②     被加工齿轮的基本参数

m=      ,     d=         

2、  齿轮几何参数计算

3、  思考题

（l）标准齿轮与变位齿轮的基本参数和几何形状有哪些异同?"哪些参变了?哪些没变?为什么?

（2）通过实验，说明你所观察到的根切现象是怎样的?，是由于什么原因引起的?如何避免根切?

                                              

第二篇：机械设计基础实验指导书20xx

哈  尔  滨  理  工  大  学

实   验   报   告

课程名称：精密机械设计基础

班   级

学   号

姓   名

实验一百分表拆装与结构分析

一、实验类型：综合

适用专业：测控技术与仪器

二、实验目的

了解钟表式百分表的结构及工作原理。

熟悉课堂所学的导轨、齿轮、支承、弹性元件和示数装置等零部件在仪器仪表中的应用及基结构特点。

掌握仪表拆装的基本技能及常用工具的使用。

三、实验内容

百分表的拆卸。

百分表的安装及调整。

结构分析。

实验用设备仪器及材料

百分表一块。

小螺丝刀及表起子、镊子。

毛刷、酒精、钟表油。

起针钳、培养皿。

实验原理图

四、实验方法及步骤

注意事项：

1、实验前要认真阅读实验指导书；

2、不要求拆的地方不得随意拆卸；

3、拆下的零件要轻拿轻放在塑料合内，防止丢失和损坏。尤其要注意测力弹簧、游丝和指针。

百分表的拆卸顺序：

用小螺丝刀旋下百分表后盖上的三个固定螺丝钉，取下后盖，观察其内部结构，分析每个零件的作用。

先取下测力弹簧、杠杆、滑轮，以防丢失。

将伸向表盖外圈的铁片的压紧螺丝钉拧松后，将它向机心方向拨动，然后翻转百分表，取下外圈。和下面的弧形弹簧（易丢失）。

取下大小指针（易丢失）、内表盘、圆环弹簧片。

从表的正面旋下三个螺丝钉，将壳体与座板分开。

取下测杆上的测帽及限位螺丝钉、限位块及防转导轨上的螺丝钉，取下导轨和防震弹簧，抽出测杆，取出限位块和齿条。

旋下齿轮Z1的上轴承板固定螺丝钉，取下Z1和轴承板，观察Z1的齿形和齿数。

注意：不要拆卸大轴承板及其相连的齿轮和游丝。

百分表安装：

可按与拆卸步骤相反的顺序安装。

（1）安装下支撑板（底板）时，应使游丝预紧π/2；

（2）安装下支撑板时，应保证齿条与齿轮啮合的齿侧间隙；

（3）装指针时，应保证对指针位置的要求。

装表质量检查：

1、测杆移动需灵活，无卡滞现象；

2、当测杆在自上状态时，指针应位于测量杆轴线上方15-25个分度内。转数指针对刻度盘时，大指针应位于测量杆轴线上方10个分度内。

3、检查游丝是否预紧。

4、齿条与齿轮啮合的齿侧间隙应在0.01-0.06毫米之间。

五、实验结果分析：

１．分表中游丝的作用是什么？游丝应如何安装？  

２．防震弹簧如何起到防震作用？

3、百分表在下述各处采用了什么联接形式？

（1）片齿轮与轴；

（2）导轨与壳体；

（3）防尘帽与壳体；

（4）指针套与齿轮轴；

（5）测头钢球与测头；

4．已知百分表中齿轮Z1=20，Z2=120，中心轮Z3=12，大齿轮Z4=120，根据百分表的传动要求，计算出齿轮的模数。是不是标准模数？为什么选取这样的模数？

   

实验二齿轮范成原理

一、                     实验目的：掌握范成法制造渐开线齿轮的基本方法；

了解渐开线齿轮产生根切想象的原因和避免根切的方法。

二、                     实验内容：

1．描绘切削标准齿轮齿廓

2．描绘切削变位齿轮齿廓

三、实验用设备仪器及材料：

齿轮范成仪，绘图工具等。

四、实验原理图：

五、实验方法及步骤：

1.标准齿轮

在齿轮范成仪上固定齿坯，在上面画好齿顶圆、分度圆、齿根圆；

调解齿条刀具的位置，使齿条刀具的分度线和齿坯的分度圆相切；

将刀具移动到最左边，在齿坯上用铅笔描下齿条的齿廓；

将齿条向右移动一个不大的距离，在用铅笔描下齿条的齿廓，直到在齿坯上出现2—3个完整的齿廓形状为止。

2．正变位齿轮：

根据公式求出移距系数，得到移距量；

将齿坯逆时针转120度按移距值调整刀具；

按前述方法绘制2-3个正变位齿轮齿廓。

六、实验结果分析：

表1 原始数据：

表2 计算数据

表3 实验结果比较

 

实验三 直齿圆柱齿轮参数的测定与分析

一、 实验目的

1．掌握应用普通游标卡尺和公法线千分尺测定渐开线直齿圆柱齿轮基本参数的方法。

2．进一步巩固并熟悉齿轮各部分名称、尺寸与基本参数之间的关系及渐开线的性质。

二、实验内容

测定一对相啮合的渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数，并判别它是否为标准轮。对非标准齿轮，求出其变位系数。

三、实验设备和工具

1．齿轮;

2．游标卡尺，公法线千分尺;

3．渐开线函数表(自备);

4．计算器(自备)

四、实验原理及步骤

渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数有：齿数Z、模数m、分度圆压力角α齿顶高系数h^*_a、径向间隙系数C^*等。本实验是用游标卡尺和公法千分尺测量，并通过计算来确定齿轮的基本参数。

1．确定齿数z

齿数z可直接从被测齿轮上数出。

2．确定模数m和分度圆压力角?

在图５－1中，由渐开线性质可知，齿廓间的公法线长度与所对应的基圆弧长相等。根据这一性质，用公法线千分尺跨过n个齿，测得齿廓间公法线长度为W_n′，然后再跨过n+1个齿测得其长度为。

由图5－1可知

式中，P_b为基圆齿距， (mm)，与齿轮变位与否无关。

为实测基圆齿厚，与变位量有关。由此可见，测定公法线长度和后就可求出基圆齿距P_b，实测基圆齿厚S_b，进而可确定出齿轮的压力角?、模数m和变位系数x。因此，准确测定公法线长度是齿轮基本参数测定中的关键环节。

图５－1  公法线长度测量

（1）测定公法线长度和

首先根据被齿轮的齿数Z，按下列公式计算跨齿数。

式中：??—压力角；z —被测齿轮的齿数

我国采用模数制齿轮，其分度圆标准压力角是20°和15°。若压力角为20°可直接参照下表确定跨齿数n。

公法线长度测量按图５—1所示方法进行，首先测出跨n个齿时的公法线长度。测定时应注意使千分尺的卡脚与齿廓工作段中部附近相切，即卡脚与齿轮两个渐开线齿面相切在分度圆附近。为减少测量误差，值应在齿轮一周的三个均分位置各测量一次，取其平均值。

为求出基圆齿距P_b，还应按同样方法量出跨测n+1齿时的公法线长度。

（2）确定基圆齿距P_b，实际基圆齿厚S_b

P_b=－

S_b=W_n-(n-1)P_b

（3）确定模数m和压力角

根据求得的基圆齿距P_b，可按下式计算出模数：

m=P_b/(πcosα)

由于式中α可能是15°也可能是20°，故分别代入计算出两个相应模数，取其最接近于标准值的一组m和α。

3．测定齿顶圆直径d_a′和齿根圆直径d_f′及计算全齿高h′

为减少测量误差，同一数值在不同位置上测量三次，然后取其算术平均值。

当齿数为偶数时，d_a′和d_f′可用游标卡尺直接测量，如图５—2所示。

当齿数为奇数时，直接测量得不到d_a′和d_f′的真实值，而须采用间接测量方法，如图５—3所示，先量出齿轮安装孔值径d_k，再分别量出孔壁到某一齿顶的距离H₁，和孔壁到某一齿根的距离H₂。则d_a′和d_f′可按下式求出；

齿顶圆直径d_a′           d_a′= d_k+ 2H₁     (mm)

齿根圆直径d_f′           d_f′= d_k +2H₂     (mm)

计算全齿高h

奇数齿全齿高h′          h′=H₁-H₂     (mm)

偶数齿全齿高h′          h′=( d_a′- d_f′)   (mm)

 

图５—2偶数齿测量                      图５—3奇数齿测量

6．确定h^*_a、C^*

由于按实侧，计算所得的d_a′，d_f′，h′值中包含有（h^*_a、C^*）、加工误差，而加工允差为负值，所以d_a，d_f，h的设计值大于实测值。

∴ h =+(加工误差)＝（2h^*_a＋C^*）m

由实测h′，m且h^*_a，C^*为标准值

正常齿h_a^*=1，  C^*=0.25

短齿  h_a^* =0.8，  C^*=0.3

将上面两组h_a^*和C^*代入公式，求出的h与最接近的一组就是所求的h_a^*,C^*值。

7．计算核对齿轮的设计几何尺寸

根据确定的Z，m，α，h_a^*，C^*就可算出标准齿轮几何尺寸。

五、思考题

1、测量公法线长度时，游标卡尺卡脚放在渐开线齿廓工作段的不同位置上（但保持与齿廓相切），对测量结果有无影响，为什么？

2、同一模数、齿数、压力角的标准齿轮的公法线长度是否相等？基圆齿距是否相等？为什么？

六、实验报告

表1 测量数据记录表

表2 基本几何参数计算 (理论计算值，按书上公式计算)

写出模数和压力角确定过程：

写出齿顶高系数和径向间隙系数确定过程：

实验四  机构运动简图测绘实验

一、实验目的

1.初步掌握根据实际机器或机构模型绘制机构运动简图的技能。

2.验证和巩固机构自由度的计算方法。

3.通过实验机构的比较，巩固对机构结构分析的了解。

二、实验设备和工具

1.若干个机器和机构模型；

2.自备三角尺、圆规、铅笔、稿纸等。

三、实验原理

机构的运动简图是工程上常用的一种图形，是用符号和线条来清晰、简明的表达出机构的运动情况，使人看了对机器的动作一目了然。在机器中各种机构尽管它们的外形和功用各不相同，但只要是同种机构 其运动简图都是相同的。

机构的运动仅与机构所具有的构件数目和构件所组成的运动副的数目、类型、相对位置有关。因此在绘制机构运动简图时，可以不考虑构件的复杂外形，运动副的具体构造，而用简单的线条和规定的符号(参看附表GB4460)来代表构件和运动副，并按一定的比例尺寸表示各运动副的相对位置，画出能准确表达机构运动特性的机构运动简图。

四、实验方法和步骤

1.选择5～8种机构模型和机器，(根据不同专业要求，规定必画模型，选画模型)。

2.选好模型后缓慢地转动被测的机器或模型，从原动件开始观察机构的运动，认清机架，原动件和从动件。

3.根据运动传递的顺序，仔细分析相互连接两构件间的接触方式及相对运动形式，确定组成机构的构件数目及运动副类型和数目。

4.合理选择投影面，一般选择能够表达机构中多数构件的运动平面为投影面。

5.绘制机构的运动简图的草图。首先将原动件固定在适当的位置，（避开构件之间重合）大致定出各运动副之间的相对位置，用规定的符号画出运动副，并用线条连接起来，然后用数字1、2、3……及字母A、B、C……分别标注相应的构件和运动副，并用箭头表示原动件的运动方向和运动形式，量出机构对应运动副间的尺寸，再将草图按比例画入实验报告中。。

6.计算自由度，并与实际机构对照，观察原动件数与自由度是否相等；计算公式：

7．对机构进行结构分析，并判断机械的级别。

8．举例绘制如图3－1(a)所示的小型压力机的机构运动简图。

 

【解】该小型压力机的工作原理是电机带动偏心轮1′作顺时针转动，通过构件2、3将主运动传给构件4；同时另一路运动自与偏心轮1′固联的齿轮1输出，经齿轮8及与其固联的槽型凸轮8′，传递给构件4；两路运动经构件4合成，由滑块6带动压头7作上下移动，实现冲压工艺动作。显然该压力机的机架是构件0，原动件为组件1-1′，其他为从动件。

仔细观察各连接构件之间的相对运动特点后可知，构件0和1(1′)、1′和2、2和3、3和4、4和5、6和7及0和8(8′)之间构成转动副；而构件0和3、4和6及0和7之间构成移动副；高副为1和8、8′和5之间形成。

选定视图投影面及比例尺=0.001m/mm,顺序确定转动副A、H和移动副导路D、M的位置，根据原动件1′的位置及各杆长等绘出转动副B、C、E、F、J的位置按规定符号绘出各运动副(包括高副G、N)及各构件等，最后得到该压力机的机构运动简图，如图3－１(b)所示。

由上述分析可知，该机构活动杆件数为8，转动副数为7，移动副数为3，高副为2。但构件4与凸轮8′之间以滚子5实现滚动接触，故此处引进了一个局部自由度，应排除(即设想将滚子与构件4焊成一体)。这样n=7；P_L=9；P_H=2；计算自由度得

一、实验报告（下页）

机 构 运 动 简 图 实 验 报 告

常用运动副、构件的表示法（选自GB4460）