机 械 设 计 实 验 指 导 书 刘泽明 王慧武 编 西安理工大学机械原理及零件实验室 二零零零年六月十五日 前 言 机械设计实验是《机权设计》课程重要的实践教学环节。通过实验，可以使学生获得实验操作的基本训练，了解实验的基本方法和机械参量（如力、力矩、功、速度、效率等）的测定方法，提高学生观察、分析事物和实际动手的能力，并巩固和深化《机械设计》课程的基本理论。 按照我校《机械设计》课程实验教学大纲要求，本指导书以测定机器或机械传动装置的效率、润滑性能以及机械部件的拆装与结构分析等为主要内容。计5个实验，可基本满足机械类专业的教学需要，也适合近机类、非机类专业选开实验的要求。为了帮助学生深入思考，每个实验后面都附有思考题。 本书还编入机械设计实验常用仪器的简介。 本书承蒙王文质老师审阅和指导，在此谨表示衷心的感谢。 由于编者水平所限，书中不妥之处，敬请指正。 编 者 1995年9月 学生实验守则 1．实验室是理论联系实际的基地，任何人都必须爱护实验室内的一切设备。如有损坏，一律照章办理。 2．实验前要根据教学要求做好预习工作，准备好实验用书、文具、纸张及计算用具等。 3．按时到达实验室，不迟到，不无故块课，认真进行实验。 4．进行实验时必须遵守所用实验仪器（设备）的操作规程。注意安全。在实验操作之前需经指导教师检查，学生应服从教师对实验的检查和指导。 5．保持实验室安全卫生，上课时着装整齐。室内严禁打闹、吸烟、吐痰、吃零食等。违者给予批评教育或处罚。 6．实验完毕仪器及物品应恢复原位，并整理场地，关闭电源。 7．认真填写实验报告，按时上交指导教师以评定实验成绩。不交实验报告者，在本课程考试时不给予实验部分的成绩。 目 录 实验一 带传动的滑动与效率测定……………………………………1 实验二 齿轮传动的效率测定………………………………………6 实验三 滑动轴承的摩擦特性曲线与油膜压力分布实验……………13 实验四 轴系结构的结构分析与测绘…………………………………18 实验五 减速器拆装……………………………………………………23 附 录 实验用测量仪器………………………………………………26 实验报告 …………………………………………………………………30 实验一 带传动的滑动与效率曲线 一、实验目的和要求 带传动在工作中，滑动现象是不可避免的，本实验的目的和要求是：观察带传动的打滑现象，绘出滑动曲线和效率曲线，从而加深对带传动工作原理的特点的认识，并初步学会实验技能。 带传动在工作中的滑动程度用滑动系数ε表示，它是随负载的大小而变化的。滑动曲线就是表示：带在不同负载时滑动的程度的曲线，可用带所传递的有效圆周力Fe为横坐标，以滑动系数ε为纵坐标来绘制，如图1-1所示。 当传动比i=1时，有效圆周力Fe和滑动系数ε可用下式求得：  (kgf) (1)  (2) 式中：T1为主动带轮的转矩（kgfmm），D1为主动带轮直径（mm）,n1、n2分别为主动和从动带轮的转速（rpm）。带传动的传动效率：  (3) 带传动效率η也是随负载的大小而变的，传动效率曲线一般也以传递的有效圆周力Fe为横坐标，以效率η为纵坐标来绘制，如图2所示。把效率曲线和滑动曲线共用一个横坐标Fe来绘制，更便于我们观察效率、滑动和传递的有效圆周力间的关系，可以找出一定型号的带在一定的工作条件下，效率既高、滑动也不严重而传动能力却能充分发挥的负载的数值。 要画出以上两条曲线，就需要一个能给试验皮带加上大小可调的负载的试验台，同时，实验时的转速n1、n2、转矩T1、T2要便于测量。 二、实验装置：皮带试验台 图1-3为试验台简图，它有两台直流电机，电机1和电机2。在试验中，我们将用电机1通过进行试验的皮带拖着电机2发电来给皮带加上负载。具体的加载原理和方法，下面一节再详细介绍。 电机1的定子用轴承固定在支架上，并加以平衡，可以自由摆动，称为悬支电机。这样结构是为了便于通过固联在定子上的力臂和放在它旁边的磅秤，测量电机工作时转子上的转矩。因为按电动机工作的电机，定子上由反作用力产生的转矩，大小与转子转矩相等（摩擦力忽略不计），方向与转子产生转矩相反。这台电机试验时按电动机工作，转子顺时针方向旋转，所以磅秤放在它的左侧。转矩T1可由下式计算：  (4) 式中: P1为磅秤的读数(kg) L 为力臂长度，L=400mm 右边的电机2也用相同的方法支承在它的支架上，因为这台电机在试验中按发电机工作，发电机定子上的转矩的大小和方向均与转子转矩相同，现在转子为顺时针方向旋转，所以磅秤放在它的右边。转矩T2的求法和力臂的长度，与电机1相同，即  (5) 为了张紧皮带，支持电机2的支架是可以摆动的。这样结构，皮带的张紧力F0就可以由滑轮下面的砝码的重量W来决定。按试验台一定的结构尺寸（图1-4）。  (6) 一般先定F0然后计算所需W的重量。 三、加载方法 在实验室给机械传动加载的方法有许多种，我们采用的是“电封闭加载”。图1-5时它的电路图。两个同型号电机同时并联在同一电源上，两电机轴上，各装有一个皮带轮，它们的直径相同，即传动比i=1，试验皮带就套在这两个带轮上，为了观察一些电参数的变化，电路中接有四个电表，它们和电路中的四个电阻都装在同一个控制台上。它们在控制台上的位置及主要功用参看图1-6。  在这样的电路中，如果去掉皮带，启动两个电机，它们就会各自按电动机运转，这从两电流表A1和A2读数相同可以得到说明。如果两电机转速相同，我们套上皮带，由于两电机本来就在按电动机运转，带轮直径和转速又完全相同，不存在谁拖动谁的问题，故皮带不传递圆周力，只是在空载运转。这可从电表A1和A2读数与未套上皮带完全一样得到说明。在这种情况下，如果转动R1’提高电机1的n1（电动机2保持原状、），则这个高转速的电动机1，就要通过皮带，拖着电动机2超过它的理想空载转速运转而变为发电机，这从电流表A2变为负值就可以得到说明。发电机发电需要的机械转矩，就成了皮带传动的负载，这从两台电机旁边的磅秤读数的变化可以得到说明。实践证明，电机1转速提升愈多，皮带上的负载也愈大，从以上的介绍可知，这种加载方法只需提升电动机1的转速n1就能给皮带传动加上负载。 现在进一步来看两个情况：第一个情况是，在上面的加载状态下，  若电机2的转速也提升，当n2= n1时，又成了空载状态。但这是两个电机转速比前一次高了，这说明这种加载方法，可以在很大的一个转速范围内实现空载，能在一个较大范围内满足试验皮带不同的工作速度的要求。第二情况是，在某一空载状态下，逆时针方向转动R2’降低电机2的转速，也能给带加上负载。这说明给皮带加载的办法，也可以用降低电机2的转速来实现。用这种方式加载、负载增加后对电机1的转速（即对皮带试验过程中的转速）影响较小，与生产实际中的情况极为接近。 上面我们介绍的加载方法，两台电机始终是与电源连接的，发电机发电是，所发的电极性又与电源一致，所以能够回输给电源。这样，从能量的转换和传输的过程来看（图1-7）电源的电能，由电动机变为机械能，经皮带传输，是电机2发电又变为电能，并回输给电源，它们是在一个封闭系统中来回循环的，故称电封闭加载，这种加载方法，电源只需补偿能量转换和传输过程中的损耗。根据实测，能源消耗50%左右。当用于小功率试验台时，电路简单，机械加工量小，操作方便，能用于摩擦传动，也适用于啮合传动。 四、数据测量 使用的仪器的名称和功能简介 光电转速仪（转速数字显示仪） 仪器由磁性传感器和数字显示仪两部分组成。带轮上有两个非金属的销子孔，每转一圈可取两个信号。并把它变为电脉冲信号传给数字显示仪。显示仪实际就是一简单的频率计，能用数字显示一定取样时间内信号的个数。显然，在转动带轮上做出信号区，让它每转一转反射出一次（或若干次信号）实际转速即可测得。实验台的计算参数为：带轮的直径D1= D2=100mm，带速v=9.8m/s下的滑动系数ε是空载的转速为1600（rpm）。于是可直接读转速。 磅秤 五、实验操作顺序 检查设备及仪器（了解使用方法）； 闭合总闸、交流供电； 闭合各仪器开关；（教学实验，一般多批连续进行，故除首批同学外，一般不进行以上三项内容） 检查张紧砝码重量，取用V型带时的F0=5kgf； 顺时针转动“电压给定”旋钮，逐步提升转速n1 、n2，调节空载转速至1600rpm左右；（实验准备工作结束） 用降低n2的方法进行加载，每一次加载重量约150克左右，（一看磅秤1的为准）并记录下该时的n1、n2、P1、P2的数值； 按第一次加载方法逐次加载，直至带完全打滑为止； 结束实验，将所有操作旋钮归零； 关仪器、拉总闸，清理现场；（由于多批同学连续进行试验，出最后一批同学外，这项工作一般不进行） 整理数据，描绘曲线，写实验报告。 六、思考题 带传动的弹性滑动和打滑现象有何区别？它们各自产生的原意是什么？ 带传动的张紧力F0大小对传动能力有何影响？最佳张紧力的确定与哪些因素有关？ 带传动的效率如何测定？试说明传动效率和有效拉力的关系？ 带传动的滑动率如何测定？分析滑动曲线和效率曲线的关系。如何确定有效拉力的最佳值？ 实验二 齿轮传动的效率测定 一、概述: 齿轮是重要的机械传动零件，所以对齿轮传动的理论和实验研究都是很必要的。齿轮传动往往要进行轮齿静强度、齿根弯曲疲劳强度、齿面接触疲劳强度、齿面磨损、齿面胶合和影响齿轮传动性能的因素(如材料、制造工艺、热处理工艺、润滑、轮齿载荷分布等)的试验，以及对齿轮传动性能(如传动效率、动载荷、噪声、工作温度等)的测定。为此，人们采用了许多试验方法和试验设备。 齿轮传动试验台简介 所有类型的齿转传动试验台，根据运转与否分为运转式和非运转式两大类。非运转式试验台指齿轮或齿轮副只能在静止状态下进行试验的试验台，如静态加载的齿轮静强度试验台。非运转式试验台中被测齿轮的试验状态同齿轮的实际工作状态有较大的差别，不大可能获得满意的试验结果。运转式试验台是指齿轮副能在一定转速下进行试验的设备。该类设备一般都由驱动装置、传动装置、加载装置、齿轮试件失效监护装置、润滑装置、测试装置等六部分组成。其试验能获得较接近实际的结果，运转式试验台根据试验台功率的传递原理和加载方法的不同，可分为开放功率流式和封闭功率流式两类。 （1）开放功率流式试验台 所谓开放功率流，就是齿轮传动所传递的功率由原动机传来，经过齿轮传动和试验装且中的全部传动件，最后传到耗能装置中，由耗能装置即加载装置将其全部消耗，并借助耗能装置给被测装置加载。功率传递的流向未形成封闭回路，故称其为开放功率流式试验台，图2-1为开放功率流式试验台构成原理。 它由动力驱动装置、被测装置、加载装置、测试装置和控制台等几都分组成 这种试验台的加载装置为纯耗能元件。此类试验设备的关键部件是耗能加载装置。目前采用的耗能加载装置有机械制动器式、磁粉制动器式、电磁涡流消功器式、水利涡流消功器式和电机消功器式等。 开放功率流式试验台的主要优点是：结构简单，体积小，可在运行中对被测装置加载，制造、安装方便，加载稳定可靠，能方便地进行不同结构尺寸的被测装置的安装测试，但由于功率流开放的缘故，使其动力消耗大，造成能源的极大浪费，试验费用高昂，对于各类齿轮传动装置的寿命试验，这点显得尤其突出。这是开放功率流式试验台固有的缺点，故此类试验台多用于中、小功率非长期运转的试验。 （2）封闭功率流式试验台 鉴于开放功率流式试验台功率消耗大，试验费用高，能源浪费严重等缺点， 近年来又发展了封闭功率流式试验台。所谓封闭功率流就是指能量传输的路线在整个试验台上形成一个闭合回路。封闭功率流式试验台构成原理如图2-2所示。它是用加载装置,即换能器将所消耗能量的一部分转换为其它形式的能量在回输给系统,从而达到即加载又节能的目的。因此，在现代被测装置的性能试验中，愈来愈广泛地采用该类试验台。 根据能量转化的方式不同，封闭功率流失试验台又分为机械功率封闭式试验台和电功率封闭式试验台两种类型。机械功率封闭式试验台种类较多，在此不作介绍，必要时可参阅有关资料。 电功率封闭式试验台由于其组合方便，互用性好，结构简单，加载精度高，节能效果好，操作控制方便等优点，越来越多地应用于齿轮传动装置的检测试验中。图2-3位其结构原理图。  电功率封闭式试验台又可分为交流电封闭和直流电封闭两种。目前，作为产品的交流电封闭试验台是采用电动机----发电机组驱动，驱动效率低，能量传输环节多，环路损失大，且其控制系统复杂，占地面积大，投资高昂，但因其维护、使用方便，故对于大功率传动试验尚多采用此类试验台。 直流电封闭试验台的驱动采用直流电动机，经被测减速器和陪试箱装置，由直流发电机转换为直流电能又回输给直流电动机。系统的功率损耗由整流装置补充，其能量传输环节少，环路效率高，且直流电动机易实现自动控制，故直流电封闭功率试验台应用广泛。 二、实验目的： 了解电功率封闭式齿轮传动试验台的基本原理、结构及特点。掌握功率流分析、效率测定的方法。 三、实验要求： 测量单级圆柱齿轮减速器的传动效率，画出它的效率曲线。 初步了解拟定实验方案、设计实验装置和数据测量等方面的知识。 四、实验设备： Z-45直流电动机2台，ZJ型转矩转速传感器2台，ZD10型减速器2台， JXW-1型机械效率仪1台，TSGC-20调压器1台，加载控制箱1台， CP-80打印机1台。 五、实验装置原理及使用： 试验台的结构（见图2-4） 加载方法 本试验台采用简单电封闭加载。图2-5时电封闭加载的工作原理图。两台同型号直流电机同时并联于电源，一对传动比i=1的齿轮分别装在两电机轴上并相互啮合。通电后两台电机转速相同，转向如图所示。此时齿轮虽然以啮合传动，但轮齿上不受力，相当于空载运转。现在若改变电机1的磁场强度，提高它的转速，而电机2的磁场强度维持原状不变，这时，电机1就要通过轮齿传动迫使电机2超过它原有的转速运转。于是，电机2进入发电状态，变成发电机，转子上产生一个阻力矩。这个阻力矩就成了齿轮的负载。电机1的转速提升愈多，即两电机的转速差愈大，齿轮上的负载也愈大。可以看出，给齿轮加载，只需转动电机的调速旋钮，操作很方便。 由于电机2始终与电源并联，它发出的电的极性又与电源一致，所以能反馈给电源。这样，从加载系统的能量传输过程看，形成一个封闭循环，如图2-6所示，故称这种加载方法为“电封闭加载”。这种加载方法与开式加载相比，可以节约近60%的能耗。 转矩和转速的测量 本试验台采用两台ZJ型转矩转速传感器和与之配套的JXW-1型机械效率仪，分别测量显示主动轴和从动轴的转矩和转速。通过机械效率仪的处理，还可以直接打印出传动功率，传动效率等数据。 转矩转速传感器的结构示意图见图2-7，工作原理见图2-8。 基座上有两个环形磁极A(和B(（好象内齿圈），测扭轴上有两个盘形磁极A(和B(（好象外齿轮）。盘形磁极的外径略小于相对的环形磁极的内径，且A(与A(共面，B(与B(共面，当它们相对转动时，磁极相对，磁路就闭合；磁极错开，磁路就断开，于是就使处于磁路内的线圈感生电压信号。当轴受到扭转后，两线圈产生的电压信号就出现相应的相位差（图2-8）。由于扭转角与转矩成正比，所以，相位差的大小就反映了转矩的大小。经过JXW-1型机械效率仪处理后，就显示出转矩的大小。 转速通过机械效率仪的电子电路，计算出一定时间间隔内电信号的个数，并以“每份转”单位显示出来。 测量时，先应注意“调零”，即当轴不受扭时，效率仪所显示的转矩在理论上讲应为零。若显示不为零时，应开动传感器上的电机进行调零。若显示不为零时，应开动传感器上的电机进行调零，使效率仪的转矩显示值为零。 六、数据处理及打印： 利用JXW-1型机械效率仪对检测到的参量处理后，用打印机打印出来。 检测及计算出的八个参量分别是： 主动轴转矩M1,主动轴转速n1，主动功率P1，从动轴转矩M2，从动轴转速n2，从动轴功率P2，转速比（n1/ n2），效率η。 操作规程 闭合电源总开关前，应将机械效率仪、打印机和控制箱的电源开关置于断开位置。 打开机械效率仪的电源开关，预置参数。 打开打印机，先闭合打印机左侧的开关，面板上的红色指示灯亮，再将机械效率仪上的打印选择键置于打印状态即可。 使用注意事项 （1）闭合电源开关时，仪器的开关必须置于断开位置。 （2）打印机两个色带盘上卷存的色带量应保持基本相等，否则不能正常打印。一旦出现打印机头阻塞声或只在某一位置上振动，可能与色带的卷存量不相等有关，应断开打印机电源开关对色带进行检查调整。 （3）打印机有时因随机干扰出现异常时（如打印出较黑的线条），应立即断开打印机电源开关，然后重新启动。 （4）试验完毕应分别将打印机、效率仪和控制箱的电源开关断开。 七、实验操作 检查各仪器的连线以及各开关、手轮位置是否正确。 闭合交流电源开关，并闭合控制箱开关。 闭合机械效率仪电源开关，并送入参数，操作程序见表2-1。 依次按下控制箱面板上的“顺”、“逆”按钮，调节中间手轮，使电压达到230伏。 调解调压器，使主电机转速至其额定转速1440r/min。 加载。建议采用“降低”从动电转速的方式加载。因为这种加载方式对工作转速的影响较小。每次加载以0.3KW左右为宜，最大负载为3.2~3.6KW。 打印数据。在一种负载下，打印2~3次数据。 结束试验，将加载手轮位置还原，将各手轮位置至于初始状态，调节调压器手轮复位后，按下控制箱面板上的红色停止旋钮。 断开打印机电源。 将效率仪上各键复位后，关掉其电源开关。 断开总电源开关。 填写实验报告，描绘效率仪曲线。实验报告要求整洁。试验过程中的数据，请另用草稿纸记录。 八、思考题 影响试验结果的因素有哪些？ 试分析转矩T和转速n对传动效率η的影响，并做出解释。 实验三 滑动轴承的摩擦特性曲线和油膜压力分布 概述： 液体动压润滑径向滑动轴承的工作原理是通过轴颈旋转将润滑油带入轴承摩擦表面，因轴颈与轴承具有径向间隙，从而在轴与轴瓦的配合面之间产生楔形间隙，当轴回转时，会带动附在轴上的油层，由于油中分子之间存在附着力（粘度），这一油层也会带来邻近的油层，于是当轴达到足够的回转速度时油就被挤入楔形间隙里。 由于通过间隙各径向截面的油量不变（流体连续条件），而间隙的界面逐渐减小，因此在油层中必然产生液体动压力，它总是力图楔开配合面，当油层中压力的大小能够平衡外载荷时，轴就好像浮动一样，这时在轴与轴瓦之间形成了稳定的油层，轴的中心相对轴瓦中心有一个偏距。 液体动压滑动油膜的形成过程及油膜压力分布形状如图3-1所示。  摩擦系数f是设计动压滑动轴承的重要参数之一，它的大小与润滑油粘度η（Pa·S）、轴的转速n(r/min)和轴承压力P(MPa)有关，通常令： λ=η·n/P 称λ为轴承特性数。 观察滑动轴承形成液体动压润滑的过程，摩擦系数f随轴承特性数λ的变化如图3-2所示。图中相应于f值最低点的轴承特性数λc称为临界特性数，λc以右为液体摩擦润滑区；λc以左为非液体摩擦润滑区，轴与轴瓦之间为边界润滑并有局部金属接触，因此f值随λ减小而急剧增加。轴颈与轴瓦材料、加工情况、轴承相对间隙等不同，则f—λ曲线不同。 实验目的： 绘出周向和轴向油膜压力分布曲线，以验证其理论分布规律。 绘出轴承摩擦特性曲线，了解在液体润滑状态下摩擦系数与转速、压力之间的关系。 学习测量方法和掌握实验技能。 实验条件 实验装置：HZS-1液体动压轴承试验台 试验对象：轴瓦材料ZQSn6-6-3，轴颈直径d=60mm，轴承有效长度L=60mm 加载范围：~300kgf 调速范围：20~1200r/min无级调速 最大供油压力≤1kgf/cm2(0.1MPa) 润滑油为10#机械油，常温 实验设备及原理： 传动装置 如图3-3所示，被试验的轴承2和轴1支承于滚动轴承3上，由调速电动机6通过V带传动5及变速箱4驱动轴1旋转并可获得不同的转速。 加载装置及润滑方法 试验台分两路对试验轴承箱供油（见图3-4供油系统），一路由溢流阀控制进油压力，供给静压加载油垫进行加载；另一路经减压阀减压后供给试验轴承进行润滑。两路油的压力分别由溢流阀及减压阀手柄调解，其压力由相应的压力表读出。 加载时，开动油泵电机，见图3-5调节溢流阀及减压阀手柄，使两压力表均在1kgf/ cm2以下。开启调速电机，调节速度，当主轴运转到要求的速度后，调节溢流阀手柄，使“加载压力表”读数为P0=4kg/ cm2（0.4MPa），即工作载荷Pmax=60 P0+8=248kg（注：60—轴瓦内径，P0--外载荷，8—轴瓦自重），即加载完毕。 调速方法 试验台采用调速电机，其速度范围为20~1200r/min无及变速，由控制器上的“调速旋钮”控制其转速，变速箱用V带与调速电机相连，变速箱为一密封的箱体，内有两对齿轮，由摩擦离合器控制，当变速手柄位于左方时，其主轴速度为20~200r/min；当变速手柄位于右方时，其主轴速度为120~1200r/min，因此主轴转速可以在20~1200r/min范围内进行无级调速。 调速时将主轴变速手柄放在左方（即低速档），逆时针调节控制器“调速旋钮”到最低速为止，在低压供油（即开启油泵）的条件下，开启主电机开关，然后调节“调速旋钮”，使转速指针读数在100~200r/min之间，使主轴在低速下运转，再将主轴变速手柄放在右方（即高速档），顺时针转动“调速旋钮”逐渐把转速调高，观察转速表指针的变化，使主轴转速达到1000r/min。若欲使速度下降，逆时针转动“调速旋钮”即可。 油膜压力分布的测定： 试验台总体外观如图3-5所示。图中显示了各种控制旋钮及指示仪表。 先用卡板卡住测力杆7（见图3-6），以免测力杆损坏。旋动油泵开关13开启油泵。调解减压阀3使供油压力表2指示值为1kgf/cm2(0.1MPa)以下。将变速箱8的变速手柄放在低速档（左斜位置），将转速调节旋钮11旋至最低速，开启主电机开关14和转速控制开关12，指示红灯亮。转动调速旋钮11，使转速读数在100~200r/min之间，再将变速手柄放在高速档（右斜位置），逐渐升速至1000r/min，调节溢流阀5，使加载油腔压力表值为P0=4kg/ cm2（0.4MPa）（轴承载荷为F=248kgf）运转几分钟，待稳定后，一次字左至右记录7支周向压力表和1支轴向压力表的读数值于实验报告表中。 轴承摩擦特性曲线的测定： 在加载供油拉力调到P0=4kg/ cm2（0.4MPa），转速调到1000r/min的条件下，将拉力计吊钩联接在轴承测力杆顶端的吊环上（如图3-6所示），观察拉力计读数，并记录其读数值，然后依次将主轴转速调至800、600、400、200、100、50、20r/min（临界值附近的转速可根据具提情况选择，转速档次也可自行确定），记录各转速下的拉力计读数，列表计算各转速下的摩擦系数f值。 根据试验台具体结构（即摩擦力矩测量装置）得出摩擦系数计算公式：  式中：d------轴颈表面直径，已知d=60mm L-----测力杆力臂长度，已知L=150mm P-----轴颈表面正压力，即载荷P，已知P=60 P0+8kgf Q------拉力计读数（即反作用力） 根据实验记录，用直角坐标系绘制f—λ曲线，了解摩擦系数f与转速n，正压力P之间的关系。（或可改变载荷大小，重复上述过程，绘出另一条f—n曲线进行比较）。 实验操作步骤： 检查设备及仪器各开关、手柄位置是否正确； 按顺序闭合各仪器开关，即： (1)总闸；(2)电源开关；(3)油泵电机开关；(4)主电机开关；(5)控制器开关。 调整仪器在规定的工作状态下，即： 将主轴变速手柄至于右边高速档； 调节“调速旋钮”，使转速达1000r/min； 调整溢流阀，进行加载，使P0=4kg/ cm2（0.4MPa） 记录数据： 待压力表稳定后，记录7支周向压力表和1至轴向压力表的读数值、拉力计读数Q值。 调节“调速旋钮”依次将主轴转速调至800、600、400、200、100、50、20r/min，记录各转速下的Q值。 结束试验，闭合时的反顺序断开各仪器开关。将手柄复位、使仪器复原。 整理数据，绘制曲线，写出实验报告。 注意事项： 要求实验前必须熟悉实验内容，了解操作过程，得到了指导教师同意后，方能开机做实验。 在实验操作过程中要注意以下几点： 启动前，必须先检查所有的旋钮都要处于初始位置； 启动时，必须先开动油泵。 由低速档向高速档变速时，必须是空载，并且将“调速旋钮”逆时针旋到最低转速。 停车时，必须先卸载，然后停车，以免轴承磨损。 轴承供油压力必须保持在1kg/ cm2以下，以保护硅胶进油管； 实验完毕，将所有开关关闭，使仪器复原。 思考题： 形成液体动压润滑的条件是什么？ 油膜压力分布曲线中最大油压在何处？最小油压在何处？为什么？ 摩擦系数f与油的粘度η、压力P、转速n之间有何关系？ 实验四 轴系结构的结构分析与测绘 概述 轴系主要包括轴、轴承和轴上零件，它是机器的重要组成部分。 轴的主要功用是支持旋转零件和传递扭矩。它与轴承孔配合的轴段称为轴颈，安装传动件轮毂的轴段称为轴头，联接轴颈和轴头的轴段称为轴身。轴颈和轴头表面都是配合表面，须有相应的加工精度和表面粗糙度。 轴的设计一方面要保证具有足够的工作能力，即满足强度、刚度和振动稳定性等要求。另一方面，要根据制造、装拆使用等要求定出轴的合理外形和全都结构尺寸，即进行轴的结构设计。通常轴的结构设计，应使轴的受力合理，有利于提高轴的强度和刚度;有利于节约材料和减轻重量；应使轴上零件定位准确、固定可靠，并便于装拆、调整；应具有良好的加工和装配工艺性等。 轴承是轴的支承，分为滚动轴承和滑动轴承两大类。滚动轴承已标准化，设计时只需根据工作条件选择合适的类型和尺寸，并进行轴承装置的设计。在分析和设计滚动轴承装置时，主要应考虑：保证支承部分的刚性和同心度；便于调整轴承间隙及轴上零件的位置；便于轴承的安装和拆卸；定位和紧固要可靠；满足润滑、密封可靠和必要的冷却条件；配合选择合理和合适的预紧措施等。 1．滚动轴承式支承的结构型式 为保证滚动轴承和轴系能正常传递轴向力而不发生轴向窜动，需合理地设计轴系轴向固定结构。常用的形式有: (1)两端固定式支承 如图4-1所示，用左右两个轴承端盖各限制轴在一个方向的移动，合起来就限制了轴的双向移动，这种型式适用于工作温度不大的短轴。考虑到工作时，轴总是会因受热而伸长，为补偿轴的受热伸长，在安装轴承时，轴承外圈端面和端盖之间应留出0.2~0.3mm的补偿间隙（此间隙很小，图中一般不画出）。 (2)一端固定，一端游动支承 这种形式应用于轴较长或轴温升较高的情况。如图4-2所示，采用这种结构形式一定要注意：游动端轴承的外圈与轴承孔的配合一定要采用松一些的配合，以保证轴能够游动。 (3)二端游动支承 这种支承形式常用在人字齿轮轴上，由于主动和从动人字齿轮的左右螺旋角很难做成完全一致，若两轴都做成轴向固定式，则齿轮极可能卡死或两侧受力不均，所以，一般是将比较轻便的高速轴做成能够左右游动的形式，如图4-3所示。在双向轴向力的作用下自行定位，达到平衡位置。 2．滚动轴承的定位及紧固 滚动轴承在轴上通常采用轴肩或套筒轴向定位，定位端面应与轴线保持良好的垂直度。 滚动轴承的径向定位靠外圈与轴承座孔的配合来达到。 轴向定位和紧固的方法很多，需要恰当选择。选择的依据是：轴承的类型、转速的大小、是否传递轴向力及轴向力的大小、是固定端还是游动端等。 (1)内圈轴向定位常用的方法有：轴肩定位、圆锥面定位和紧定衬套定位等。紧固的方法很多、参看《机械设计》教材。 (2)滚动轴承外圈在箱体孔内的定位方法有：孔内凸肩定位、螺纹环或轴承端盖定位兼作紧固、孔用弹性挡圈定位兼作紧固等。 滚动轴承的内、外圈的定位面必须精细加工，应有形位精度要求，以保证轴承的正常工作。 3．轴承的润滑和密封 (1)轴承的润滑：润滑的目的在于减少轴承的摩擦和磨损，还有吸振、冷却、防锈、密封等作用。一般根据dn值的大小选用油润滑或脂润滑。（d--轴承内径mm；n--轴的转速r/min）。 (2)轴承的密封 密封的目的在于防止灰尘或水分浸入轴承和防止润滑剂流失。密封的方法可分为两大类：①接触式密封（如毡封油圈、橡胶油封等）一般用于速度不太高的场合；②非接触式密封（如油沟密封、甩油圈密封、迷宫式密封等）一般用于速度较高的场合。 实验目的 了解并正确处理轴、轴承和轴上零件间的相关关系，如轴与铀承及轴上零件的定位、固定、装拆及调整方式等，以建立对抽系结构的感性认识并加深对轴系结构设计理论的理解。 实验要求 1．分析一种典型轴系的结构，包括轴及轴上零件的形状及功用，轴承类型，安装、固定和调整方式，润滑及密封装置类型和结构特点等。 2．测量一种轴系的各部结构尺寸，并绘出轴系结构装配图，标注必要的尺寸及配合，并列出标题栏及明细表。 实验设备 1．设备：圆柱齿轮轴系、圆锥齿轮轴系、蜗杆轴系、蜗轮轴系等实物或模型。每个学生选择一种进行分析和测绘。 2．工具：钢板尺，游标卡尺，内、外卡钳等。 实验步骤及方法 1．分析轴系结构 分析轴的各部结构、形状、尺寸与轴的强度、刚度、加工、装配的关系； 分析轴上零件的定位及固定方式； 分析轴承类型、支承结构型式、轴承的固定、调整方式； 分析润滑及密封装置的类型、结构和特点。 2．轴系测绘 测绘轴的各段直径、长度及主要零件的尺寸（对于拆卸困难或无法测量的某些尺寸，可以根据实物相对大小和结构关系估算）。 查手册确定滚动轴承、螺纹联接件、键、密封件等有关标准件的尺寸。 3．绘轴系结构装配图（参考图4-4） 根据测量出的各主要零件的尺寸，绘出轴系结构装配图。 图幅和比例要求适当（一般按1:1），结构清楚合理，装配关系正确，符合机械制图的规定。 对安装轴承的机座，只要求给出与轴承和端盖相配的局部。 在图上标注必要的尺寸，主要有：两支承之间的跨距，主要零件的配合尺寸等。 对各零件进行编号，并填写标题栏及明细表（标题栏及明细表可参阅配套教材《机械设计课程设计》）。 思考题 1．为什么轴通常要做成中间大两头小的阶梯形状？如何区分轴上轴颈、轴头和轴身各轴段，它们的尺寸是如何确定的？ 2．该轴系固定方式是“两端固定”还是“一端固定，一端游动”？试具体说明理由。轴的受热伸长问题是如何考虑处理的？ 3．轴承和轴上零件在轴上的轴向位置是如何固定的？轴系中是否采用了卡圈、挡圈、锁紧螺母、紧定螺钉、压板或定位套简等零件，它们的作用是什么？ 4．轴承的间隙是如何调整的？调整方式有何特点？ 5．传动零件和轴承采用何种润滑方式？轴承采用何种密封装置，有何特点？ 6．试根据零件的结构特征分析轴系各零件所选用的材料？  实验五 减速器拆装 一、概述： 减速器是指原动机与工作机之间独立的闭式传动装置，用来降低转速和相应地增大转矩。在某些场合，也有用来增速的，则称为减速机。 减速器类型很多，单级和二级的齿轮、蜗杆减速器的主要型式及分类见表5-1。  二、实验目的： 1．熟悉减速器的结构，分析减速器中各零件的作用、配置关系及润滑、密封方法。 2．通过对轴系部件、箱体等结构的分析，提高设计机械结构的能力。 三、实验要求： 1．按正确顺序拆装减速器，分折减速器的结构特点及零部件功用。 2．测定减速器传动副的齿侧间隙及接触精度。 3．学习减速器性能指标的测定方法。 四、实验设备及工具： 1．二级圆拄斜齿轮减速器、圆锥--圆柱齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器等。 2．拆装工具：扳手、木手锤、紫铜棒、游标卡尺、钢板尺、铅丝、涂料等。 五、实验步骤： 1．观察减速器外部形状，判断传动方式、级数、输入输出轴等。 2．拧下箱盖与箱座间的联接螺栓，拔出定位销，借助起盖螺钉打开箱盖。 3．边拆卸边观察，并就箱体形状、轴上零件的定位固定方式及装配关系、润滑密封方式、箱体附件（如通气器、油标、油塞、起盖螺钉、定位销等）的结构特点和作用、位置要求、加工方法和零件材料等进行分析。 ．观察箱体的有关尺寸：壁厚、地脚凸缘厚、轴承旁螺栓尺寸及扳手空间，上、下箱体凸缘宽度和高度、筋板厚度、箱体圆角，齿转端面与箱体内壁的距离，大齿轮顶圆与箱体内底的距离，中心高，箱体的铸造斜度与拔模斜度等。了解箱体加工工艺对结构的要求。 5．将减速器复原装好。 6．测量齿侧间隙jn的大小。打开减速器视孔盖在齿侧间插入一铅丝（其直径应稍大于所估计的侧隙），转动齿轮辗压轮齿之间的铅丝，铅丝变形部分的厚度即相当于侧隙的大小。用千分尺或游标卡尺测出其厚度，并检验是否符合设计中规定的侧隙要求。（见减速器设计图纸或说明书） 7．检验接触精度。仔细擦净每个轮齿表面，在主动轮的3~4个轮齿表面均匀地涂上一薄层涂料（如红铅油等），然后用手转动主动轮数周，测量从动轮轮齿表面上分布的接触痕迹。接触痕迹的大小在齿面展开图上用百分比计算。（如图5-1所示） 沿齿长方向：接触痕迹的长度（即接触痕迹极点间的距离）b"（扣除超过模数值的断开部分c）与工作长度b'之比，即  沿齿长方向，接触痕迹的平均高度h"与工作高度h'之比，即  检查计算结果是否符合设计要求。  六、思考题： 1．旋转零件与箱体内壁之间、轴承端面与箱体内壁之间的距离应如何考虑？ 2．通孔的轴承端盖处和箱体的剖分面各采用什么方法密封？ 3．为什么要规定润滑油面的最高和最低位置；而且大齿轮顶距箱底的距离比齿轮端面距箱壁的距离大？ 4．轴系各零件（包括轴承）如何定位和固定、轴承本身在箱体中如何定位和固定？比较各种固定方式和固定元件的优缺点。 5．油标、放油螺塞、启盖螺钉和定位销的作用是什么？它们的结构及位置有何特点？ 6．如何保证减速器的密封性能？如何使剖分面上的油流回到箱体内？剖分面间为什么不能加垫片？ 7．齿轮或蜗杆、蜗轮是如何润滑的？轴承是如何润滑的？润滑方式各有什么特点？ 8．分析箱体的结构特征，说明箱体应满足的基本要求。 附录： 实验用测量仪器 在机械设计实验中，常需要用仪器测量应力与变形、力与转矩、位移和速度等物理量，下面介绍一些常用测量仪器的基本结构和工作原理。 一、转矩的测量： 在带传动和齿轮传动的实验中，为了确定传动效率和进行机构的动力分析，必 须测量主动轮的输入转矩和从动轮的输出转矩。下面介绍测量转矩的仪器和其基本 原理。 1．平衡电机  平衡电机的结构和测功原理如图l所示。所谓平衡电机就是将电机（包括电动机或发电机）外壳（定子2）用两个滚动轴承3支承在轴承座4上，定子外壳可以绕电机轴线自由摆动。在电机定子外壳上装有测力杆5，其一端与测力计或台秤相连。当转子l转动时，在磁场力的作用下，定子将受到一个与转子转矩大小相等而方向相反的转矩作用。当定子平衡时，可测得电机的输出转矩T为 T = Q × L 式中Q--测力计的读数，kg；L--测力计力臂长，mm。 在输出转矩T中忽略了滚动轴承摩擦阻力矩的影响。如果需要提高平衡电机的测量精度，则应力求减小定子外壳支承滚动轴承的摩擦阻力矩，所以有的试验机上是将支承滚动轴承直接装在转子轴上，使滚动轴承直径较小而可以使摩擦阻力矩减小。另外，定子外壳上所装零件不应破坏外壳的平衡。电源引入或引出线应在最低位置，且保持一定柔性，则对测力读数影响最小。 2．转矩转速传感器: ZJ型转矩转速传感器的结构及外形简图如图2所示。该传感器为磁电式相位差传感器，它的内外齿轮是多极的磁性组合。当扭力杆与套筒相对转动时，在每一个检测线圈内感应出近似的正弦波信号。当扭力杆上没有负载时，两端检测线圈所输出的信号有一固定的相位差。当扭力杆负载后，杆被扭转，从检测线圈输出的信号发生相位差的变动，其变化的大小与传递的转矩成正比。所以，相位差的变化值反映了所要测量的转矩大小。  ZJ型转矩转速传感器是非接触式的，能长时间地稳定工作，精确地测量0~600Or/min范围内的转矩。 该传感器可与JXW-l型机械效率仪配合使用，传动零件的输出转矩和转速可分别由转矩显示窗口和转速显示窗口直接读出。当转矩、转速超载。超速时，量纲符号管闪报警。 该传感器也可配合打印机实现打印，其结果以8421编码串行输出，亦可与SC16型光线记录示波器配合使用，画出瞬时转矩和转速的变化图形，绘制动态曲线，供过渡过程动态分析用。 二、转速的测量 在许多实验中需要测量零件的转速（角速度）。转速计的种类很多，有机械式、电气式、光电式等。下面介绍光电式转速计。 光电式转速计是将转速的变化转化成光通量的变化，再通过光电传感器转化成电量的变化。其工作原理基于物质的光电效应。 图3所示为光电式转速计的原理图。在被测量的轴7上，用金属箔（或反射纸）和黑色纸沿圆周方向按均匀间隔贴成黑白相隔的反射面和非反射面。测量时，将传感器对准反射面，来自光源1的光线经透镜2形成平行光线照到半透明膜片3上，部分被反射并经过聚焦透镜4聚焦后，照射到被测轴上。当轴转动时，贴有金属箔的间隔将光线反射回来，而非反射面的间隔则把光线吸收，这样就获得了一个 与转速成正比的光脉冲。反射回来的光脉冲经透镜4变为平行光，透过胶片3，经聚焦透镜5变为集中光点而照射到光电元件6上，再变为电脉冲，送到数字测量电路，即可计数和显示，从而获得转速数值。 这种光电式转速计能无接触地测量转速，而且不影响传动系统的转矩传递，结构简单、体积小，质量轻，使用方便，测量精度高。 三、JXW-l型机械效率仪 JXW-l型机械效率仪仅是采用微电脑技术设计的、具有初步智能的测定机械传动系统机械效率的高精度电子仪器。它可以和两台JC型扭矩传感器（一台接到机械传输系统的输入端，另一台接在机械传动系统的输出端）配套使用，测定系统的输入转矩、转速和功率，输出转矩、转速和功率，传输速比和效旅。 JXW-l型机械效率仪也可以作为两台单独的转矩、转速功率仪使用，这时其中间窗口显示的数字将无意义。JXW-1型机械效率仪转矩、转速、功率的输入、输出显示，及其接线、开关的布置等参见前面板图（图4） 、后面板图（图5）。   实验一 带传动的滑动与效率测定实验报告 班级： 姓名： 日期： 一、实验装置： 电封闭加载带传动试验台 额定功率3.5KW 转速1240~1840 r/min 二、测试仪器： 光电转速仪 XJD—10 磅秤 三、试验对象： ( )型普通V带 四、试验条件： V = m / s F0 = kgf D1 = D2 = 120 mm ( i = 1 ) 五、测试数据： 加载次数 参数 空载 1 2 3 4 5 6 7 8  带轮转速 (r/min) n1            n2           磅秤读数 (kgf) P1            P2           转 矩 (kgf·mm) T1            T2           有效拉力F0 (kgf)           滑动系数ε(103)           传动效率η(%)             实验二 齿轮传动的效率测定实验报告 班级： 姓名： 日期： 一、试验对象： 单级圆柱齿轮减速器，型号 ZD10 a = i = mn = Z1 = Z2 = β= 二、测试仪器： JXW—1型机械效率仪；ZJ型转矩转速传感器 三、试验装置： DF型机械传动试验台 四、测试数据： 测试次数 测试项目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10  主动轴转速 n1 (r/min)            从动轴转速 n2 (r/min)            主动轴功率 P1 (KW)            从动轴功率 P2 (KW)            传动效率 η= P2 /P1             五、效率曲线：  六、思考题解答： 实验三 滑动轴承的摩擦特性曲线和油膜压力分布实验报告 班级： 姓名： 日期： 实验装置： 试验对象： 试验条件： 测量数据： P0 = kg/ cm2（ MPa） n = 1000r/min 压 力 表 号 1 2 3 4 5 6 7 8  压 强 (Mpa)           P0 = kg/ cm2（ MPa） 1 2 3 4 5 6 7 8  转速n(r/min)          力Q（克力）          摩擦系数f           五、周向及轴向油膜压力分布曲线： 六、f-λ曲线 七、思考题解答 实验四 轴系结构的结构分析与测绘实验报告 班级： 姓名： 日期： 一、实验目的： 二、实验内容： 1．轴系结构示意图： 2．轴系结构装配图：（3号图纸1:1绘出） 三、思考题解答： 实验五 减速器拆装实验报告 班级： 姓名： 日期： 实验目的： 实验内容： 测定减速器齿轮副的齿侧间隙及接触精度 减速器名称  减速器编号   测 试 内 容 测量值(mm) GB标准规定值(mm) 是否符合规定  侧隙大小 高 速 级      低 速 级     接触斑点 沿齿长方向(%)      沿齿高方向(%)     接触斑点的分布及尺寸图      思考题解答：