《機械設計實驗指導書》

機械設計

實驗指導書

機械與電子工程學院機械工程實驗室

2022年2月

實驗一機械零件認知與分析實驗

一、實驗目的

1.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.了解各種機械零件的基本構造、創(chuàng)造原理及相關的國家標準。

3.了解各種機械零件的特點及實際使用情況。

4.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“機械零件陳列柜”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，使學生們清晰知道機器的基本組成要素一機械零件。

三、實驗內容

（一）羅紋聯接

羅紋聯接是利用羅紋零件工作的，主要用作緊固零件?；疽笫潜ＷC聯接

強度及聯接可靠性，同學們應了解如下內容：1.羅紋的種類；2.羅紋聯接的基

本類型；3.羅紋聯接的防松；4.提高羅紋聯接強度的措施。

（二）標準聯接零件

標準聯接零件普通是由專業(yè)企業(yè)按國標（GB）成批生產，供應市場的零件。

這種零件的結構形式和尺寸都已標準化，設計時可根據有關標準選用。通過實驗

學生們要能區(qū)分螺栓與螺釘；能了解各種標準化零件的結構特點，使用情況；了

解各類零件有那些標準代號，以提高學生們對標準化意識。

1.螺栓；2.螺釘；3.螺母；4.墊圈；5.擋圈。

（三）鍵、花鍵及銷聯接

1.鍵聯接；2.花鍵聯接；3.銷聯接；

以上幾種聯接，通過展柜的參觀同學們要子細觀察其結構，使用場合，并能

分清和認識以上各類零件。

（四）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

2

有不同的特點和使用范圍，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不下良好基礎。

1.螺旋傳動：螺旋傳動是利用羅紋零件工作的，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。其羅紋種類有矩形羅紋、梯形羅紋、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；按磨擦性質不同可分

為滑動螺旋、滾動螺旋及靜壓螺旋等。

2.帶傳動：是帶被張緊（預緊力）而壓在兩個帶輪上，主動輪帶輪通過磨擦帶

動帶以后，再通過磨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。

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。與屬于磨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。

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(wěn)定等。可做成開式、半

開式及封閉式傳動。

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。齒輪傳動嚙令方式有內嚙合、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織的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機

構，兩軸線交織的夾光可為任意角，常用的為90。。

根據蝸桿形狀不同，分為圓柱蝸桿傳動，環(huán)面蝸桿傳動和錐面蝸桿傳動。通

過實驗同學應了解蝸朽傳動結構及蝸桿減速器種類和形式。

（五）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。軸承根據磨擦性質不同分

為滾動軸承和滑動軸承兩大類。

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。

3

對每一個陳列柜，分別寫出兩個模型的名稱，并說明其對應的實物應用情況。

序號名稱零件模型實物應用舉例

1

1歲紋聯接

2

1

2鑰、花鍵、銷等

2

1

3部傳動

2

1

4銷;傳動

2

1

5甚輪傳動

1

6她肝傳動

9

1

7惜動軸承

2

1

X源:動軸承

2

1

y琳1

2

1

卜u比已XT軸R4器、離尸P介I黑HK

2

六、思量題

1、常用羅紋聯接的方法有哪些？

2、說明無鍵聯接的優(yōu)缺點。

3、在帶傳動中，帶張緊的方法有哪些?

5

實驗二帶傳動實驗

一、實驗目的

1、了解帶傳動試驗機的組成、工作原理和測試方法，觀察帶傳動的彈性滑動及

打滑現象。

2、掌握帶傳動的轉矩、轉速、功率、轉速差、傳動效率等參數的測定方法c

3、實測出一種帶傳動的彈性滑動系數、傳動效率與傳動帶拉力之間關系曲線。

二、主要技術參數

1、直流機電功率：2臺乂350W

2、主動機電調速范圍：0?1000轉/分

3、額定轉矩：T=L68Nm

4、實驗臺尺寸：長x寬x高=740x600x520

5、電源：220V交流

圖1、整體圖

三、結構特點

1、機械結構

本實驗臺機械部份，主要有兩臺直流機電組成，其中一臺作為原動機，另一

臺則作為負載的發(fā)機電。

對原動機，由單片機調速裝置供給電動機電樞以不同的端電壓，實現無級調

速。

對發(fā)機電，每打開一個負載開關，即并上一個負載電阻，使發(fā)機電負載逐步

增加，電樞電流增大，隨之電磁轉矩也增大，即發(fā)機電的負載轉矩增大，實現了

負載的改變。

兩臺機電均為壓支承，當傳遞載荷時，作用于機電定子上的力矩T1（主動

機電力矩）、T2（從動機電力矩）迫使壓桿作用于壓力傳感器，傳感器輸出的電

信號正比于、的原始信號。

口原動機的T幾l座T2設畝揶露動星構，用扳手擰緊羅紋拉桿即可改變帶傳動中心

距，從而改變張緊力。

兩臺機電的轉速傳感器分別安裝在帶輪暗地里，由此可獲得必須的轉速信號。

2、檢測系統(tǒng)

結構框圖如圖2所示。

6

帶

傳壓力傳感器放大

動

系

統(tǒng)

采集分析打印RS232接口

圖2實驗臺檢測系統(tǒng)框圖

實驗臺配數據采集箱一只，承擔控制檢測、數據處理、自動顯示等功能。通

過微機接口外接PC機，這時就可自動顯示并能打印輸出帶傳動的滑動曲線一

T2及效率曲線n—T2及有關數據。

3、操作部份

操作部少主要集中在采集箱正面的面板，面板的布置如圖3(1-2)所示。3(

1-2)所示。

輸入轉矩輸入轉速輸出轉矩輸出轉速

□白

加速減速停止

圖3」面板圖

圖3-1面板圖

7

4、配套軟件：

軟件界面操作說明如下：點擊該可執(zhí)行文件就會進入測試界面(1)、實測

窗體有“文件(F『、吼驗項目(P)”、，調速(D『、”操作(0)”、“工具(T)”和“匡助(H)”菜

單。①“文件(F)”下有“新建、打開、保存、打印、退出“五

個子菜單，它們分別有“新建一個文件、打開一個已保存文件和退出此測試界面

的功能。②“實驗項目(P)”有“實驗原理”，“效率滑差測試”菜單，點擊可以

進入相應的窗體，通過它們來實現實測窗體和實驗原理窗體之間的轉換。

③'調速(D)'TT'加速”、“減速”、“停機”菜單，分別具有讓機電加速、減速、住手的功

能。④慷作(0)口有，采集”、“住手采集”、情零工“

恢復原始數據'菜單，“采集''和“住手采集”分別有采集信號和住手采集信號的功能；

“清零”菜單是清除機電運轉前壓力傳感器的初始值；“恢復原始數據”是用來測量

壓力傳感器的實際值。⑤“工具(T)”下有“選項”

子菜單，點由浮現選項卡，可以通過選擇“縱坐標縮放“、“轉矩”、“轉速”、，徒波系

數對實測窗體進行相關的設置

還可以選擇“匡助”菜單來獲得相關的匡助信息(2)、在菜單欄

的下面有工具欄，工具欄上有不少的快捷圖標，只要把鼠標停留在快捷圖標上，

系統(tǒng)會自動提示它相應的功能。通過快捷圖標可以實現菜單欄里的所有功能。

四、實驗操作

1、選定試驗帶(本實驗臺提供了平帶與三角帶兩種試驗帶)，井將相應的帶輪女

裝至機電上。

2、將試驗臺主動機電與從動機電的兩個光電傳感器與兩個測力傳感器分別接至

數據采集箱背板上的數字通道與摹擬通道上。同時將機電的勵磁，電樞引線分別

與控制箱的相應電源接頭相接。

3、調整帶輪的距離至適當位置，選擇實驗張緊力。打開電源，調節(jié)控制箱面板

上的調速按鈕(增加)，使主動機轉速到500?600rpm,逐一打開電燈開關，使

從動機電承擔負載。當打開全部九個燈泡時，張緊力應保證帶傳動處于徹底打滑

或者接近于徹底打滑的狀態(tài)。此時的張緊力即可確定為實驗張緊力。

8

4、將數據采集箱串口與計算機串口相連。

5、張緊力調節(jié)好后，進入試驗階段。

（1）接通采集箱電源，調節(jié)其面板上的調速按紐（增加、減?。?，低速運行系統(tǒng)，觀察

其運行情況，并作適當調整。此時從數據采集箱面板上可采集到有關參數。按下

采集箱面板上的“停機”按鈕，住手機電運行。（2）在計算機上運行實

驗臺程序，浮現測試窗體后，先后點擊“采集''、"清零''按鈕，此時可啟動機電，將

轉速調至500rpm。（3）打開一個負載開關，讀取參數值并記錄。

或者打開計算機測試界面，觀察相關參數曲線的變化情況。

（4）挨次增加負載，直至帶傳動徹底打滑。

6、反復進行測試，對照結果，并打印曲線。

7、若不用計算機繪制曲線，可將n、n、M、M的記錄在提供的實驗數據記錄表

1212

格中計算滑差率￡和效率n，在坐標紙上繪制曲線。

8、關閉燈泡，關閉電源。松開調節(jié)螺栓，將帶松卸。

四、注意事項

1、若顯示數據失常，可重起一次電源即可。

2、啟動機電之前，應關閉負載。

五、思量題

1、帶傳動的效率與哪些因素有關?為什么？

2、帶傳動滑動系數與哪些因素有關?為什么？

3、帶傳動的彈性滑動和打滑現象有何區(qū)別?它們產生的原因是什么？

9

帶傳動實驗報告

姓名：班級：學號：

nn8MM

i2i2n

序久(r/min)(r/min)%(Nm)(Nm)(%)

1\

2

3

4

5

0

7

9

10

11

12

13

10

實驗三液體動壓軸承特性實驗

一、概述

本項實驗是徑向加載的液體動壓滑動軸承實驗，其目的是測量軸承與轉軸間

隙中的油膜在圓周方向的壓力分布值，并驗證徑向油膜壓力最大值P不在外載

max

荷F的垂線位置，而是在最小油膜厚度附近處。該實驗還可以測試下列幾項內

r

容。

(1)測量軸承與轉軸間隙中的油膜在軸線方向的壓力分布值，并驗證軸向壓

力分布曲線呈拋物線分布，即軸向油膜最大壓力值在軸承寬度的中間位置。

(2)測量徑向液體動壓滑動軸承在不同轉速、不同載荷、不同黏度潤滑油情

況下的磨擦系數f值，根據取得的一系列f值，可以做出滑動軸承的磨擦特性曲線,

進而分析液體動壓的形成過程，并找出非液體磨擦到液體磨擦的臨界點，以便確定

一定載荷、一定黏度潤滑油情況下形成液體動壓的最低轉速，或者一定轉速、一定

黏度潤滑油情況下保證液體動壓狀態(tài)的最大載荷。

(3)觀察液體動壓的形成過程。在啟動主軸時，一定要慢慢加速。因為此時

軸承與主軸之間沒有油膜，如果加速太快，容易燒壞軸瓦。為此，該實驗臺人為

地設計了軸承保護電路，當沒有油膜時，油膜指示燈亮，在形成油膜后，正常工

作時油膜指示燈滅。根據油膜指示燈裝置，也可以觀察液體動壓潤滑的形成過程

和磨擦狀態(tài)。

二、實驗目的

(1)觀察徑向滑動軸承液體動壓潤滑的形成過程加磨擦狀態(tài)。

(2)測定和繪制徑向滑動軸承周向油膜壓力分布由線。

(3)觀察徑向滑動軸承軸向油膜壓力分布情況。

(4)了解徑向滑動軸承的磨擦系數f的測量方法和磨擦特性曲線的繪制方法，

(5)觀察載荷和轉速改變時油膜壓力的變化情況或者油膜厚度。

三、實驗臺結構及工作原理

1.實驗臺的傳動裝置

實驗臺傳動裝置結構如圖1所示，直流電動機1上裝有一個小帶輪，主軸4

11

上裝有一個大帶輪，通過V帶2驅動主軸沿順時針方向轉動，由無級調速器實現

直流機電的無級調速。實驗臺主軸轉速范圍為0-30()r/min。在主軸大帶輪側面

裝有一個紅外線測速裝置，軸的轉速由實驗臺前面板上轉速數碼管直接讀出。

2.軸承與軸間隙中油膜壓力測量裝置

實驗臺測量裝置結構如圖2所示，主軸的兩端分別裝有一個滾動軸承，滾

動軸承安裝在箱體兩端的軸承座孔內，支承主軸轉動。主軸的下半部浸泡在潤滑

油中，當主軸轉動時可以把油帶入主軸與軸承的間隙中而形成油膜?；瑒虞S承的

軸瓦包角180。，在軸承圓周120。范圍內均勻分布看7個小通孔，與軸和軸承

之間的間隙相通，在7個小孔中裝有空心管，當軸與軸承間隙中的潤滑油形成一

定壓力后，油可以在空心管中流動，在空心管的端部份別裝有7塊壓力表。油壓

推動壓力表針轉動，從而測量出圓周方向7個位置的油壓分布值。裝在軸承寬度

B/4處的第8塊壓力表，與前7塊結構相同，表示軸向壓力分布侑。

滑動軸承連同軸承上裝的8塊壓力表以及測力桿一起安裝在主軸的上半部

(懸浮式安裝，見圖2)。隨著主軸轉速的提高，軸與軸承間隙中的油膜壓力越來

越大，這時，通過裝在軸承上的8塊壓力表，可以直接觀測滑動軸承在圓周方向

和軸線方向的油膜壓力分布值，以及油膜壓力隨主軸變化的情況。

1-Rit電機:2-v書傳動;3一粒體;4—主■;5-“瓦彳

一仄力表;*?8一彈H片;AdB力計

圖1實驗臺傳動裝置結構

12

圖2實驗臺測量裝置結構

3.加載裝置

油膜的徑向壓力分布曲線是在一定的載荷和一定的轉速下繪制的。當載荷

改變或者主軸轉速改變時所測量出的壓力值是不同的，所繪出的壓力分布曲線的

形狀也是不同的。轉速的改變方法是由無級調速器實現，載荷的改變方法是±1螺

旋裝置實現（見圖2）。在實驗臺的箱體上裝有一套螺旋裝置和一個壓力傳感器，

轉動螺旋桿，壓緊傳感器，力通過傳感器作用在滑動軸承上。改變螺旋桿的轉動

方向，即可改變載荷的大小，所加載荷之值通過傳感器數字顯示，直接在實驗臺

前面板上讀出。這種加載方式的主要優(yōu)點是結構簡單、可靠，使用方便，載荷

的大

小可任意調節(jié)。但在起動電動機之前，一定要使滑動軸承處在零載荷狀態(tài)，以免

燒壞軸瓦。

4.磨擦系數f的測量裝置

徑向滑動軸承的磨擦系數f隨軸承的特性系數叩/p值的改變而改變（n為

潤滑油的動力黏度，n為主軸轉速，p為壓強，p=F/BD,F為軸承上所受載荷，

rr

B為軸瓦寬度，D為軸承直徑）。在邊界磨擦時，f隨叩/p的增大而增大，進入混

合磨擦后，隨叩/P的增大，f值急劇下降，在剛形成液體磨擦時f達到最小值，

此后，隨叩/p的增大油膜厚度也隨之增大，f值也有所回升。

磨擦系數f值可通過測量軸承的磨擦力矩而得到。當主軸轉動時，軸走軸

承產生周向磨擦力F,其磨擦力矩為Fxd/2（d為軸的直徑）。由于軸承是懸浮

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式安裝，該力矩可使軸承隨軸翻轉。因此，在軸承徑向方向裝有一個測力桿，在

實驗臺機架上裝有一塊彈簧擋板，在彈簧擋板的另一側裝有一個測力計（百分

表）。當軸承欲隨軸翻轉時，測力桿被彈簧擋板頂住，使軸承不能隨軸翻轉，保

持徑向平衡位置。這時，在測力桿作用下，彈簧擋板產生變形，其變形量△值由

測力計測量。變形量△值在測力計上顯示的是轉動的格數，己知測力計每轉動一

格，需0.098N的作用力（測力計的標定剛度系數K=0.098N/格）,設測力桿上

A點為測力點，則該點的作用力Q=K4。磨擦系數f值求解過程如下：

己知測力桿上測力點A點距軸承中心線距離L=98mm,作用給軸承的平衡

力矩為

M=LQ=LK△

根據力矩平衡條件得Fxd/2=LKA

又根據磨擦力F=fF,（F為軸承所受外載荷）。把力矩平衡條件公式代入摩

rr

擦力計算公式得

f=2LKA/Fd

r

由整理后的磨擦系數計算公式，可求出不同載荷、不同轉速下的磨擦系數f

值，可繪出磨擦特性曲線。

5.磨擦狀態(tài)指示裝置

在磨擦狀態(tài)指示裝置中,當主軸不轉時，可看到燈泡很亮C當主軸在很低的

轉速下運轉時，軸將澗滑油帶入軸與軸瓦之間收斂形間隙內，但由于此時的油膜

很薄，軸與軸瓦之間部份微觀不平度的凸峰處仍有接觸，故燈忽亮忽暗。當軸的

轉速達到一定值時，軸與軸瓦之間形成的油膜厚度徹底遮蓋了兩表面之間微觀不

平度的凸峰高度，油膜徹底將軸與軸瓦隔開，燈泡熄滅。

四、實險設備主要技術參數

實驗臺型號

試驗軸承軸承內徑D=65mm,有效寬度B=167mm,粗糙度Ra=1.6；材

料ZCnSn5P65Zn5（ZQSn6-6-3）

主軸直徑d=65mm,材料,40Cr,淬火，磨光,HRC48-50

加載范圍0-800N

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測力桿上測力點距軸承中心距離L