機械設(shè)計基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)書1

機械設(shè)計基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)書(開放型實驗適用)鄧禾根編機械設(shè)計教研部2010年3月實驗一機構(gòu)展示與認(rèn)知實驗一、實驗?zāi)康?.通過實驗增強對機構(gòu)與機器的感性認(rèn)識；2.通過實驗了解各種常用機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、類型、特點及應(yīng)用。二、實驗方法及主要內(nèi)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(gòu)、空間連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、輪系、間歇機構(gòu)以及組合機構(gòu)等常見機構(gòu)的基本類型和應(yīng)用。通過演示機構(gòu)的傳動原理，增強學(xué)生對機構(gòu)與機器的感性認(rèn)識。通過實驗指導(dǎo)老師的講解與介紹，學(xué)生的觀察、思考和分析，對常用機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、類型、特點有一初步的了解。提高對學(xué)習(xí)機械原理課程的興趣。三、展示及分析（一）機構(gòu)的組成通過對蒸氣機、內(nèi)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(gòu)。簡單機器可能只包含一種機構(gòu)，比較復(fù)雜的機器則可能包含多種類型的機構(gòu)?？梢哉f，機器乃是能夠完成機械功或轉(zhuǎn)化機械能的機構(gòu)的組合。機構(gòu)是機械原理課程研究的主要對象。通過對機構(gòu)的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)它由構(gòu)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(gòu)件，它可以由一個零件組成也可以由幾個零件剛性地聯(lián)接而組成；運動副是指兩構(gòu)件之間的可動聯(lián)接，常用的有轉(zhuǎn)動副、移動副、螺旋副、球面副和曲面副等。凡兩構(gòu)件通過面的接觸而構(gòu)成的運動副，通稱為低副；凡兩構(gòu)件通過點或線的接觸而構(gòu)成的運動副，稱為高副。（二）平面連桿機構(gòu)連桿機構(gòu)是應(yīng)用廣泛的機構(gòu)，其中又以四桿機構(gòu)最為常見。平面連桿機構(gòu)的主要優(yōu)點以能夠?qū)崿F(xiàn)多種運動規(guī)律和運動軌跡的要求，而且結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、工作可靠。平面連桿機構(gòu)分成三大類：即鉸鏈四桿機構(gòu)；單移動副機構(gòu)；雙移動副機構(gòu)。1.鉸鏈四桿機構(gòu)分為：曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu)，即根據(jù)兩連架桿為曲柄，或搖桿來確定。2.單移動副機構(gòu)，它是以一個移動副代替鉸鏈四桿機構(gòu)中的一個轉(zhuǎn)動副演化而成的?？煞譃椋呵瑝K機構(gòu)，曲柄搖塊機構(gòu)、轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)及擺動導(dǎo)桿機構(gòu)等。3.雙移動副機構(gòu)是帶有兩個移動副的四桿機構(gòu)，把它們倒置也可得到：曲柄移動導(dǎo)桿機構(gòu)、雙滑塊機構(gòu)及雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)。通過平面連桿機構(gòu)應(yīng)用實例，我們可以歸納出平面連桿機構(gòu)在生產(chǎn)實際中所解決的兩類基本問題：一是實現(xiàn)給定的運動規(guī)律，二是實現(xiàn)預(yù)期的運動軌跡。（三）凸輪機構(gòu)實驗二機械零件認(rèn)知實驗一、實驗?zāi)康?．通過實驗初步了解《機械設(shè)計》課程所研究的各種常用零件的結(jié)構(gòu)、類型、特點及應(yīng)用。2．了解各種傳動的特點及應(yīng)用。3．增強對各種零部的結(jié)構(gòu)及機器的感性認(rèn)識。二、實驗方法學(xué)生們通過對實驗指導(dǎo)書的學(xué)習(xí)及“JS-18B型機械設(shè)計零件陳列柜”中的各種零件的展示，實驗教學(xué)人員的介紹，答疑及同學(xué)的觀察去認(rèn)識機器常用的基本零件，使理論與實際對應(yīng)起來，從而增強同學(xué)對機械零件的感性認(rèn)識。并通過展示的機械設(shè)備、機器模型等，使學(xué)生們清楚知道機器的基本組成要素—機械零件。三、實驗內(nèi)容（一）螺紋聯(lián)接螺紋聯(lián)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(lián)接強度及聯(lián)接可靠性，同學(xué)們應(yīng)了解如下內(nèi)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(lián)接，后三種主要用于傳動。除矩形螺紋外，都已標(biāo)準(zhǔn)化。除管螺紋保留英制外，其余都采用米制螺紋。2．螺紋聯(lián)接的基本類型：常用的有普通螺栓聯(lián)接，雙頭螺柱聯(lián)接、螺釘聯(lián)接及緊定螺釘聯(lián)接。除此之外，還有一些特殊結(jié)構(gòu)聯(lián)接。如專門用于將機座或機架固定在地基上的地腳螺栓聯(lián)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(huán)螺釘聯(lián)接及應(yīng)用在設(shè)備中的T型槽螺栓聯(lián)接等。3．螺紋聯(lián)接的防松：防松的根本問題在于防止螺旋副在受載時發(fā)生相對轉(zhuǎn)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(lián)接，特別是在機器內(nèi)部的不易檢查的聯(lián)接，應(yīng)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(lián)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(lián)接強度的措施1）受軸向變載荷的緊螺栓聯(lián)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(dāng)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(lián)接的結(jié)構(gòu)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(zhì)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(lián)連強度，還應(yīng)減小螺栓頭和螺栓桿的過渡處所產(chǎn)生的應(yīng)力集中。為了減小應(yīng)力集中的程度，可采用較大的過渡圓角和卸載結(jié)構(gòu)。在設(shè)計、制造和裝配上應(yīng)力求避免螺紋聯(lián)接產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)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(nèi)容，通過參觀螺紋聯(lián)接展柜，同學(xué)應(yīng)區(qū)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(rèn)識什么是普通螺紋、雙頭螺紋、螺釘及緊定螺釘聯(lián)接；③能認(rèn)識摩擦防松與機械防松的零件；④了解聯(lián)接螺栓的光桿部分做得比較細(xì)的原因是什么等問題。（二）鍵、花鍵及銷聯(lián)接1．鍵聯(lián)接：鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)零件，通常用來實現(xiàn)軸與輪轂之間的周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，有的還能實現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向滑動的導(dǎo)向。其主要類型有：平鍵聯(lián)接、楔鍵聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接。各類鍵使用的場合不同，鍵槽的加工工藝也不同。可根據(jù)鍵聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點，使用要求和工作條件來選擇，鍵的尺寸則應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和強度要求來取定。2．花鍵聯(lián)接：花鍵聯(lián)接是由外花鍵和內(nèi)花鍵組成。適用于定心精度要求高、裁荷大或經(jīng)?；频穆?lián)接?；ㄦI聯(lián)接的齒數(shù)、尺寸，配合等均按標(biāo)準(zhǔn)選取，可用于靜聯(lián)接或動聯(lián)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(dǎo)向性好、齒根較淺、應(yīng)力集中較小、軸與轂強度削弱小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在飛機、汽車、拖拉機、機床及農(nóng)業(yè)機械傳動裝置中；漸形線花鍵聯(lián)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(lián)接。3．銷聯(lián)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(lián)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(biāo)準(zhǔn)化，主要國標(biāo)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(lián)接，通過展柜的參觀同學(xué)們要仔細(xì)觀察其結(jié)構(gòu)，使用場合，并能分清和認(rèn)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(xué)們在學(xué)習(xí)“機械設(shè)計”課程中都有要詳細(xì)講授。在這里主要通過實物觀察，增加同學(xué)們對各種機械傳動知識的感性認(rèn)識，為今后理論學(xué)習(xí)及課程設(shè)計打下良好基礎(chǔ)。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(dǎo)螺旋及調(diào)整螺旋三種；按摩擦性質(zhì)不同可分為滑動螺旋、滾動螺旋及靜壓螺旋等?；瑒勇菪榘敫赡Σ?，摩擦阻力大、傳動效率低（一般為30～60%）；但其結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，易于自鎖，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但在低速時可能出現(xiàn)爬行；其螺紋有側(cè)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(gòu)；磨損快。滑動螺旋應(yīng)用于傳力或調(diào)整螺旋時，要求自鎖，常采用單線螺紋；用于傳導(dǎo)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(shù)n=3～4）?；瑒勇菪饕獞?yīng)用于金屬切削機床進(jìn)給；分度機構(gòu)的傳導(dǎo)螺紋，摩擦壓力機及千斤頂?shù)膫鲃?。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(yōu)點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜制造較難；滾動螺旋具有傳動可逆性（可以把旋轉(zhuǎn)動變?yōu)橹本€運動，也可把直線運動變成轉(zhuǎn)運動），為了避免螺旋副受載時逆轉(zhuǎn)，應(yīng)設(shè)置防止逆轉(zhuǎn)的機構(gòu)；其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，起動時無顫動，低速時不爬行；螺母與螺桿經(jīng)調(diào)整預(yù)緊后，可得到很高的定位精度（6μm/0.3m）和重復(fù)定位精度（可達(dá)1～2μm），并可提高軸的剛度；其工作壽命長、不易發(fā)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(shù)控機床、測試機械、儀表的傳導(dǎo)螺旋和調(diào)整螺旋及起重、升降機構(gòu)和汽車、拖拉機轉(zhuǎn)向機構(gòu)的傳力螺旋；飛機、導(dǎo)彈、船舶、鐵路等自控系統(tǒng)的傳導(dǎo)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(yīng)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(dá)99%），但螺母結(jié)構(gòu)復(fù)雜；其具有傳動的可逆性，必要時應(yīng)設(shè)置防止逆轉(zhuǎn)的機構(gòu)；工作穩(wěn)定，無爬行現(xiàn)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(wěn)定、溫度恒定、有精濾裝置的供油系統(tǒng)。主要用于精密機床進(jìn)給，分度機構(gòu)的傳導(dǎo)螺旋。2.帶傳動：是帶被張緊（預(yù)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(zhuǎn)動。它具有傳動中心距大、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最簡單，帶輪容易制造。在傳動中心距較大的情況下應(yīng)用較多；V型帶為一整圈，無接縫，故質(zhì)量均勻，在同樣張緊力下，V型帶較平帶傳動能產(chǎn)生更大的摩擦力，再加上傳動比較大、結(jié)構(gòu)緊湊，并標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，因而應(yīng)用廣泛；多楔帶傳動兼有平帶和V型帶傳動的優(yōu)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(jié)構(gòu)要求緊湊的場合，傳動比可達(dá)10，帶速可達(dá)40m/s。同步帶是沿縱向制有很多齒，帶輪輪面也制有相應(yīng)齒，它是靠齒的嚙合進(jìn)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(xiàn)象，能保持準(zhǔn)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(jié)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(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，宜選用小節(jié)距單排鏈，當(dāng)速度高、功率大時則選用小節(jié)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(shè)有導(dǎo)板，以防止鏈條在工作時發(fā)生側(cè)向竄動。與滾子鏈相比，齒形鏈傳動平穩(wěn)、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(yīng)用廣泛。其主要特點是：效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(shù)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(xué)上產(chǎn)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(gòu)，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(dāng)使用單頭蝸桿（相當(dāng)于單線螺紋）時，蝸桿旋轉(zhuǎn)一周，蝸輪只轉(zhuǎn)過一個齒距，因此能實現(xiàn)大傳動比。在動力傳動中，一般傳動比i=5～80；在分度機構(gòu)或手動機構(gòu)的傳動中，傳動比可達(dá)300；若只傳遞運動，傳動比可達(dá)1000。由于傳動比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。在傳動中，蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，與蝸輪嚙合是逐漸進(jìn)入與逐漸退出，故沖擊載荷小，傳動平衡，噪聲低；但當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當(dāng)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(dāng)速度很大，工作條件不夠良好時會產(chǎn)生嚴(yán)重摩擦與磨損，引起發(fā)熱，摩擦損失較大，效率低。根據(jù)蝸桿形狀不同，分為圓柱蝸桿傳動，環(huán)面蝸桿傳動和錐面蝸桿傳動。通過實驗同學(xué)應(yīng)了解蝸桿傳動結(jié)構(gòu)及蝸桿減速器種類和形式。(四)軸系零、部件1.軸承：軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應(yīng)用的部件之一。軸承根據(jù)摩擦性質(zhì)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(shù)小，起動阻力小，而且它已標(biāo)準(zhǔn)化(標(biāo)準(zhǔn)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(hù)都很方便，因此在一般機器應(yīng)用較廣?；瑒虞S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(tài)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(jù)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(xì)講授機理、結(jié)構(gòu)、材料等，并且還有實驗與之相配合，這次實驗同學(xué)們主要要了解各類，各種軸承的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)運動的傳動零件(如齒輪、蝸輪等)，都必須安裝在軸上才能進(jìn)行運動及動力的傳遞。軸的主要功用是支承回轉(zhuǎn)零件及傳遞運動和動力。按承受載荷的不同，可分為轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)軸；此外，還有一種鋼絲軟軸(撓性軸)，它可以把回轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計上力求降低應(yīng)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(zhì)，包括降低軸的表面粗糙度，對軸進(jìn)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(huán)、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(lián)連方式。軸看似簡單，但軸的知識，內(nèi)容都比較豐富，完全掌握是很不容易。只有通過理論學(xué)習(xí)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(hù)零件不遭銹蝕，而且在采用循環(huán)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(nèi)部的潤滑劑外泄，又可阻止外部雜質(zhì)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(yīng)用最廣泛的是潤滑油，