《机械设计基础》
实
验
指
导
书
《机械设计基础》课题组 编
景德镇陶瓷学院机电学院机设教研室
2006年5月
目 录
实验一：机构和机械传动的陈列演示
实验二、低碳钢拉伸时力学性能的测定
实验三、平面机构运动简图测绘
实验四、渐开线齿廓的范成实验
实验五、减速器的拆装
实验六、渐开线直齿圆柱齿轮的参数测定
实验七、轴系结构组合设计
实验八、机械传动测试实验
实验九、回转体动平衡实验
实验一：机构和机械传动的陈列演示
一、 实验目的
1、“机械基础”是高校工科有关专业的一门重要的技术基础课，主要研究机械中的常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法，是一门实践性很强的课程。学生在学习这门课程中必须做到理论联系实际。通过本实验学生可以初步了解机构及机械零件的组成，建立一定的工程背景知识。
2、通过本实验使学生更具体的了解本课程的具体内容，初步了解平面机构和机械传动及通用零部件结构特点、组成、运动和传动特点。
3、增加学生的感性认识，培养他们对机械基础课程学习的兴趣，使学生对于学习本科程的
具体内容及学习方法做到心中有数。
二、 实验步骤
1、实验室有两种模型陈列柜：一组为机械原理部分，另一组为机械设计部分。首先让同学观看机械原理部分（平面机构的结构、组成、运动特点），然后观看机械传动部分。实验时让平面机构和机械传动动起来，老师对每一部分进行介绍。
2、观看通用零部件。因每种零部件上都有说明。所以这一部分可以采取教师介绍的方法和同学自己观看的办法，让学生初步了解各种通用零部件的结构特点及用处。
三、 实验设备
模型陈列柜，分机械原理部分和机械设计部分。
机械原理部分有：
第一柜 ：机器的组成及特征 ；第二柜 ：平面连杆机构 ；第三柜 ：平面连杆机构的应用；第四柜：齿轮的基本参数；第五柜：齿轮机构；第六柜：凸轮机构 ；第七柜：组合机构；
第八柜：周转轮系功用；第九柜：停歇和间歇运动机构 ；第十柜：空间机构
机械设计部分有：
第十一柜：机座及箱体；第十二柜：润滑与密封；第十三柜：齿轮传动；第十四柜：滑动轴承；第十五柜：滚动轴承；第十六柜：轴的类型及轴上零件应用；第十七柜：联轴器；第十八柜：轴的典型结构及轴上零件固定方法；第十九柜：铆接、焊接、胶接、过盈配合；第二十柜：离合器；第二十一柜：常用标准件及键联接
第二十二柜：常用标准件及螺纹联接；第二十三柜：键、销及其联接；第二十四柜：
常用标准件及螺旋传动；第二十五柜：典型滚动轴承的组合设计；第二十六柜：齿轮与蜗杆结构；第二十七柜：带传动；第二十八柜：带的张紧装置及初拉力控制；第二十九柜：链传动；第三十柜：弹簧。
四、实验要求
1、记录不少于三个平面机构，填写下表
序 号 | 一 | 二 | 三 |
参观的机构名称景德镇陶瓷学院是几本 | |||
机构示意图 | |||
2、记录不少于三个所参观的零件并以任一标准件为例，谈谈对其认识。
实验二、低碳钢拉伸时力学性能的测定
一、 实验目的
1、观察低碳钢拉伸过程中的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。
2、测定低碳钢的屈服极限（屈服点）σs，强度极限（抗拉强度）σb，断后伸长率δ和断面收缩率ψ。
二、 实验设备及工具
a) WE型液压式万能试验机；
b) SH-350试样分划器；
c) 游标卡尺；
d) 低碳钢长试样（l=100mm，d=10mm）。
拉伸试件按国标GB/T6397—1986制作。如图2－1所示，拉伸试件采用哑铃状，由工作部分、圆弧过渡部分和夹持部分组成。若以L表示试件工作部分标距，d 表示试件直径，则拉伸试件有短试件（L＝5d）和长试件（L＝10d）两种。本试验采用长试件。
图2-1 圆形拉伸试件 图2-2 低碳钢的拉伸曲线
三、实验原理及方法
将试件安装于试验机的夹头内，之后匀速缓慢加载（加载速度对力学性能是有影响的，速度越快，所测的强度值就越高），直至将试件拉断。低碳钢试件在静拉伸试验中，通常可直接得到拉伸曲线，即F－△L曲线，如实2-2图所示。用准确的拉伸曲线可直接换算出应力应变曲线。观察拉伸曲线可见试件依次经过弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段等四个阶段，其中前三个阶段是均匀变形的。
①弹性阶段 是指拉伸图上的OA′段。在弹性阶段，存在一比例极限点A，对应的应力为比例极限,此部分载荷与变形是成比例的，材料的弹性模量E应在此范围内测定。
②屈服阶段 对应拉伸图上的BC段。在低碳钢的拉伸曲线上，当载荷增加到一定数值时出现的锯齿现象。屈服阶段中一个重要的力学性能就是屈服点。低碳钢材料存在上屈服点和下屈服点，不加说明，一般都是指下屈服点。上屈服点对应拉伸图中的B点，记为FSU，即试件发生屈服而力首次下降前的最大力值。下屈服点记为FSL，是指不计初始瞬时效应的屈服阶段中的最小力值。金属材料的屈服是宏观塑性变形开始的一种标志。
一般通过指针法或图示法来确定屈服点，综合起来具体做法可概括为：当屈服出现一对峰谷时，则对应于谷低点的位置就是屈服点；当屈服阶段出现多个波动峰谷时，则除去第一个谷值后所余最小谷值点就是屈服点。用上述方法测得屈服载荷，然后计算出屈服点、下屈服点和上屈服点：
＝FS/A ，=FSL /A ，＝FSU/A （2.1）
③强化阶段 对应于拉伸图中的CD段。变形强化标志着材料抵抗继续变形的能力在增强。这也表明材料要继续变形，就要不断增加载荷。在强化阶段如果卸载，弹性变形会随之消失，塑性变形将会永久保留下来。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后重新加载时，加载线仍与弹性阶段平行。重新加载后，材料的比例极限明显提高，而塑性性能会相应下降。这种现象称之为形变硬化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料的宝贵性质之一。工程中利用冷作硬化工艺的例子很多，如挤压、冷拔、喷丸等。D点是拉伸曲线的最高点，载荷为Fb，对应的应力是材料的强度极限或抗拉极限，记为，
＝Fb/A （2.2）
④缩颈阶段 对应于拉伸图的DE段。载荷达到最大值后，由于材料本身存在缺陷，于是均匀变形转化为集中变形，导致形成缩颈。缩颈阶段，承载面积急剧减小，试件承受的载荷也不断下降，直至断裂。断裂后，试件的弹性变形消失，塑性变形则永久保留在破断的试件上。材料的塑性性能通常用试件断后残留的变形来衡量。轴向拉伸的塑性性能通常用伸长率和断面收缩率来表示。
塑性材料缩颈部分的变形在总变形中占很大比例，研究表明，低碳钢试件缩颈部分的变形占塑性变形的80％左右。测定断后伸长率时，缩颈部分及其影响区的塑性变形都包含在内，这就要求断口位置到最邻近的标距端线的距离不小于L/3，此时可直接测量试件标距两端的距离得到L1。否则就要用移位法（见⑥）使断口居于标距的中央附近。若断口落在标距之外则试验无效。
⑤试件标距对伸长率的影响
把试件断裂后的塑性伸长量△L分成均匀变形阶段的伸长量△L1和缩颈阶段的伸长量△L2两部分。研究表明，△L1沿试件标距长度均匀分布，△L2主要集中于缩颈附近。远离缩颈处的变形较小，△L1要比△L2小得多，一般△L1不会超过△L2的5％。实验与理论研究表明，△L1与试件初始标距长度L成正比，而△L2与试样横截面面积的大小A有关，伸长率为，其中、是材料常数。则对于同一种材料，只有在试件的值为常数的条件下，其断后伸长率才是常数。若面积A相同时，L大，则小；反之，则大。故有＞。
⑥延伸率和断面收缩率的测定
试件的原始标距为，拉断后将两段试件紧密对接在一起，量出拉断后的标距长，延伸率应为
（2.3）
式中 —试件原始标距，—试件拉断后标距长度。
对于塑性材料，断裂前变形集中在紧缩处，该部分变形最大，距离断口位置越远，变形越小，即断裂位置对延伸率是有影响的。为了便于比较，规定断口在标距中央三分之一范围内测出的延伸率为测量标准。如断口不在此范围内，则需进行折算，也称断口移中。具体方法如下：以断口O为起点，在长度上取基本等于短段格数得到B点，当长段所剩格数为偶数时（见图2.2a），则由所剩格数的一半得到C点，取BC段长度将其移至短段边，则得断口移中得标距长，其计算式为
图2.2断口移中示意图
如果长段取B点后所剩格数为奇数（见图2.2b），则取所剩格数加一格之半得C1点和减一格之半得C点，移中后标距长为
将计算所得的代入式中，可求得折算后的延伸率。
为了测定低碳钢的断面收缩率，试件拉断后，在断口处两端沿互相垂直的方向各测一次直径，取平均值计算断口处横截面面积，再按下式计算面积收缩率
（2.4）
式中 A0—试件原始横截面面积 A1—试件拉断后断口处最小面积
四、 实验步骤
1、测量试样尺寸 将试样在划线器上分成十等份并测量出l0，在标距l0 的两端及中部三个
位置上，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，取其均值，再以三者的最小值计算A 0 。
2、加载 将试样安装在试验机上均匀、缓慢加载注意读出FS，最后直到将试样拉断，计下最大载荷Fb。
3、取下试样，试验机恢复原状。测量断后试样尺寸。
五、 实验数据记录及处理
试样尺寸
实验前 | 实验后 | ||||
原标距l0 （mm） | 断后标距l1（mm） | ||||
最小直径 d0（mm） | 上 | 断裂处最小直径d1（mm） | 1 | ||
中 | 2 | ||||
下 | 平均 | ||||
原始截面积 A 0（mm2） | 最小 | 断裂处截面积 A1（mm2） | |||
材料的强度指标σs、σb
屈服载荷Fs（KN） | 屈服极限σs（MPa） | 最大载荷Fb（KN） | 强度极限σb（MPa） |
材料的塑性指标δ、ψ
δ=×100% | |
ψ=×100% | |
六、 实验分析及思考题
a) 材料相同，直径相等的长试样l0=10d0和短试样l0=5d0其断后伸长率δ是否相同？
b) 为消除加载偏心的影响应采取什么措施？
c) 实验时如何观察低碳钢的屈服极限？测定σs时为何要限制加载速度？
实验三、 平面机构运动简图测绘
一 、实验目的
1、学会根据各种机械实物或模型，绘制机构简图。
2、分析和验证机构自由度；掌握正确的自由度计算方法。
二 、设备和工具
1、各类典型机械的模型。
2、钢皮尺、卡尺、量角器等(根据需要选用)。
3、三角板、铅笔、橡皮、草稿纸等(自备)。
三 、原理和方法
1、原理
机构的运动仅与机构中所有构件的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，可以撇开机构的形状和运动副的具体结构，而用一些简单的、规定的符号来代替构件和运动副。并按一定比例作出机构简图。以此表示机构的运动特性。表3-1 为常用符号示例。
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