机械设计基础实验指导书（修订版）实验一机构测绘实验（2学时）一、实验目的（1）进行机构和简单机械的认知能力的培养。

（2）通过对实际机械或机构模型的直接测绘掌握绘制机构运动简图的方法。

（3）验证机构自由度的计算。

（4）加深对机构组成原理的了解。

二、实验设备与工具（1）各种机器实物和机构模型。

（2）钢板尺、内外卡钳等测量工具（根据需要选用）。

（3）铅笔、三角板、圆规、橡皮、草稿纸（学生自备）。

三、实验步骤（1）找出机构主动件和从动件，驱动主动件使机构缓慢运动，观察机构的组成情况和运动情况。

（2）从主动件开始，确认活动构件及其数目，以及固定件（机架）。

（3）从主动件开始，按照运动的传递顺序，仔细观察两连接构件之间的接触性质及相对运动，以确认运动副的类型。

最后找出各运动副的数目。

（4）合理选择视图平面，在草纸上徒手画出机构示意图。

并从主动件开始，依次用数字表示各构件，用字母表示各运动副。

（5）计算机构自由度，并检验与机构主动件数目是否一致。

（6）仔细测量机构的运动学尺寸，以确定机构位置。

（7）选取适当的比例尺：长度比例尺μl = 实际长度（mm）/ 图示（mm）（8）绘制机构运动简图，按一定比例尺，用制图仪器画出机构运动简图。

实验二齿轮范成原理实验（1学时）一、实验目的：1．掌握用范成法切制渐开线齿轮的基本原理，观察轮齿渐开线部分和过渡曲线的形成过程；2．了解渐开线齿轮产生根切现象的原因和避免根切的方法；3．分析比较渐开线标准齿轮和变化齿轮的异同点。

二、设备和工具：1．齿轮范成仪（参数见表2-1）2．圆规、三角板、铅笔等自备；3．充作毛坯的绘图纸（ 260）。

三、原理和方法：1．原理：范成法是利用一对齿轮传动时其共轭齿廓互为包络线的原理来加工齿轮轮齿的方法。

加工时其中一轮为刀具，另一轮为毛坯，它们之间仍保持固定的角速比的传动（强制的），完全和一对真正的齿轮互相啮合传动一样；同时刀具还沿轮坯的轴向作切削运动。

这样所制得齿轮的齿廓就是刀具刀刃在各个位置的包络线。

今若用渐开线作刀具齿廓，则其包络线亦必为渐开线。

刀具可以是轮形插刀，也可以半径为无穷大的齿条刀具。

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间的传动过程，并用铅笔将刀具刀刃的各个位置记录在绘图纸上，这样我们就能清楚地观察到齿轮范成的过程。

2．范成仪的构造：（图2-1）范成仪构造如图2-1所示：圆盘1绕其固定轴心O转动。

在圆盘的周缘上刻有凹槽，槽内绕有钢丝2，钢丝绕在凹槽内以后，其中心线所形成的圆应等于被加工齿轮的分度圆（d=Zm）。

钢丝的一端固定在横拖板3上的a处，另一端固定b处。

横拖板3可在机架4上沿水平方向移动，通过钢丝的作用使圆盘相对于横拖板的运动和被加工齿轮相对于齿条的运动一样，即齿轮的节圆和齿条的节线作纯滚，运动学的关系V=rω。

齿条5装在横拖板上，齿条上有两个槽孔借螺钉6加以固定，齿条刀具中线相对于轮坯中心的位置可借齿条上的槽孔相对于横拖板沿垂直方向移动。

）1．根据已知的刀具参数（m、α、h*a、c*）和被加工齿轮的分度圆直径d，计算被加工齿轮（标准齿轮、正变位齿轮、负变位齿轮）的齿数和基圆、根圆、顶圆直径，并将上述四个圆画在绘图纸上，然后将纸剪成比顶圆直径图大12（mm）的圆形作为轮坯。

2．把代表轮坯的图纸放在圆盘1上，对准中心后用螺钉8将压板7固定好。

3．调整刀具中心线相对被加工齿轮的位置，加工标准齿轮时刀具中线和机床节线重合，与齿轮分度圆作纯滚动。

由于中线和节线难于对准，因此实际实验操作时可以用刀具齿顶线对被加工齿轮的根圆相切来调整；正（负）变位齿轮加工时，应使刀具变位移距，移距量X=xm，刀具远离轮坯中心为正变位，反之为负变位。

实验做三次，变位系数取值，①χ=0标准齿轮、②χ=+0.5正变位齿轮、③χ=-0.5负变位齿轮。

4．开始“切制”齿廓时，先移动横拖板，将刀具推至范成仪的一端，然后每当向另一端移动一个不大的距离（10mm左右）时，即在代表轮坯的图纸上用铅笔描下刀具刀刃位置，直到形成2-3个完整的轮齿时为止。

此时应注意轮坯上齿廓的形成过程。

5．对标准齿轮和负变位齿轮，注意观察有无根切现象。

如有根切，则分析χ。

其原因，并计算不根切最小变位系数min6．标准齿轮、正变位齿轮、负变位齿轮依次实验时，完成一个后，再依次进行。

7．比较所得标准齿轮和变位齿轮的齿厚、齿间距、周节、齿顶厚、基圆齿厚、根圆、顶圆、分度圆和基圆的相对变化特点。

五、思考题：1．齿条刀具的齿顶高和齿根高为什么都等于（h*+c*）m？a2．为什么齿条刀具能切出渐开线齿廓？3．节圆和分度圆定义概念有何不同？齿轮与齿条啮合时，齿轮的节圆有何特点？齿条刀具加工标准齿轮和变位齿轮时，刀具和轮坯（被切齿轮）之间的相对运动有何要求？4．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？避免根切的方法有哪些？根切的齿轮对齿轮传动有何影响？5．加工花键轴的花键（渐开线花键、矩形花键、三角形花键）能否用范成法加工？实验三 渐开线齿轮参数的测定（1学时）一、实验目的：1．掌握应用普通量具游标卡尺测定渐开线直齿圆柱齿轮基本参数的方法； 2．通过测量和计算，巩固熟悉渐开线齿轮的各部分尺寸、参数关系和渐开线的几何特性。

二、设备和工具：1．被测齿轮两个（齿数为奇数和偶数各一个）； 2．游标卡尺（游标读数值不大于0.05mm ）； 3．渐开线函数表和计算器（自备）。

三、原理和方法：渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数有：①齿数z 、②模数m 、③分度圆压力角α、④齿顶高系数h *a 、⑤顶隙系数c *、⑥变位系数χ。

实验用普通游标卡尺来测量，并通过计算确定齿轮的这些基本参数。

本实验的方法和技能对测绘修配机器上的齿轮零件具有现实意义。

原理和方法如下：1．齿数z ：直接数；2．模数m 和压力角α的确定：利用渐开线齿轮的基节p b 和分度圆周节的关系：∵cos cos b p p m απα== （3-1）∴cos bp m πα=（3-2）由图3-1可以看出，根据渐开线的几何特性，基节p b 可用游标卡尺测量公法线长度的方法来测得，如图所示。

跨n 个齿的公法线长度（见图3-1）见下页。

()1b b Wn n p S =-+ （3-3） 跨n+1个齿的公法线长度1n b b W np S +=+ （3-4）测得基节p b 后根据式（3-2）计算出模数m ，由于式中的压力角α可能是15也可能是20，故分别代入算出其相应的模数，取其最接近于标准值的一组m 和α为所求值。

为了保证使卡尺的两个量足与齿廓的渐开线部分相切，跨齿数n 值应根据被测齿轮的齿数z 参照表3-1决定。

3．变位系数χ的测定：分度圆上的齿厚S 和变位系数χ有如下关系式22mS mtg πχα=+ （3-6）由于轮齿齿廓为渐开线，基圆齿厚S b 与分度圆齿厚有如下关系2b b rbS S r inv r α=+cos 2b S r inv αα=+ （3-7） 式（3-6）代入式（3-7）导得cos 22b S Zinv m tg πααχα--= （3-8）式中基圆齿厚S b 由实测的公法线长度计算得到()1b n b S W n p =--因公法线长度变化与基圆齿厚变化有关，所以变化系数χ也可用如下公式得2sin n n W W m χα'-=标（3-9）式中：n W '——为被测齿轮公法线长度的实际测量值。

n W 标——为标准齿轮公法线长度理论计算值，可按公式计算或查有关手册。

标准齿轮公法线长度公式()cos 0.5n W m n Zinv απα=-+⎡⎤⎣⎦标 （3-10） 当20α=时()2.9521310.50.0140055n W m n Z =-+⎡⎤⎣⎦标 （3-11）4．齿顶高系数h *a 和顶隙系数c *的判定：由于 齿顶圆 2a a d d h =+*22azm h m xm =++ （3-12） 齿根圆 2f f d d h =-**2()2azm h c m m χ=-++ （3-13） 所以可根据测得d a 和d f 值按公式逆运算来加以判定。

测量方法见图3-2。

（见下页）*5．测定一对相互啮合的齿轮传动应根据单个齿轮测得的变位系数1χ和2χ，计算出一对齿轮的啮合角α'和中心距a '。

无齿测间隙啮合方程：()12122inv tg inv Z Z χχααα+'=++ （3-14）安装中心距()121cos 2cos a m Z Z αα'=+'（3-15） 实测中心距测定方法见图3-3。

()1212a B dK dK ''=++ （3-16）若不符应对两轮的变位系数1χ和2χ加以修正（由于计算繁复实验不要求）(a)偶数齿齿轮 (b)奇数齿齿轮图3—2四、实验步骤：1．直接计数齿轮的齿数。

2．测量W n 、W n+1和d a 、d f ，每个尺寸应测量三次（在不同位置），取其算术平均值作为测量数据。

3．计算判定α、m 、χ、h *a 、c *。

五．思考题：1．公法线长度测量时，卡尺放在渐开线不同位置上，对所测量的公法线长度n W 和W n+1有无影响？为什么？2．如果用15α=和20α=所求得模数皆接近于标准值，你将如何判断该齿轮的正确模数值？3．测量齿轮顶圆直径和根圆直径时，对偶数和奇数齿的齿轮在测量方法上有什么不同？4．决定齿轮齿廓形状的参数有哪些？ （表格见下页）实验四刚性转子动平衡实验一、实验目的(1)掌握刚性转子动平衡的基本原理和步骤；(2)掌握虚拟基频检测仪和相关测试仪器的使用；二、实验内容及要求采用虚拟仪器技术对一多圆盘刚性转子进行动平衡。

转子系统如图1所示，转子存在原始不平衡质量，左右两个圆盘为平衡平面。

拟测试原始不平衡量及相位，并在两个平衡平面上配重，便残余不平衡量控制在一定范围。

图1 转子系统与力系简化三、实验装置序号名称数量主要技术指标参考型号生产厂家1 转子系统 1 转速：0~4000r/min临界转速≥5000r/minR4A清华大学振动实验室2 调速器 1 调速：500~4100r/min 定制清华大学振动实验室3 光电变换器 1 转速：0.1~5000 r/min 通用型清华大学振动实验室4 电涡流位移计 2 频率：0~1000Hz位移：2mm峰峰值85811 清华桑拓研究所5 电子天平 1 200±0.01g ES-200A 长沙湘平公司6 微型计算机 1 通用型测试系统如图2所示。

光电探头转子系统调速电机图2 测试系统示意图四、实验步骤1.虚拟仪器接线进入“刚性转子动平衡”程序，点击“设备模拟连接”图标，按图3示用鼠标左键连接虚拟测试仪器，如连线错误，用鼠标左键单击“重新连接”按钮。