《机械工程基础》实验指导书黄志诚编景德镇陶瓷学院机电学院机设教研室2008年9月目录实验一、低碳钢拉伸时力学性能的测定 (2)实验二、渐开线齿廓的范成实验 (6)实验三、减速器的拆装 (10)实验四、轴系结构组合设计 (14)实验一、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/T 6397—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σε-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p σ,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F SU ，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F SL ，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：s σ＝F S /A ，SL σ=F SL /A ，SU σ＝F SU /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F b ，对应的应力是材料的强度极限或抗拉极限，记为b σ，b σ＝F b /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L 1。

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δ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△L 1和缩颈阶段的伸长量△L 2两部分。

研究表明，△L 1沿试件标距长度均匀分布，△L 2主要集中于缩颈附近。

远离缩颈处的变形较小，△L 1要比△L 2小得多，一般△L 1不会超过△L 2的5％。

实验与理论研究表明，△L 1成正比，而△L 2与试样横截面面积的大小A 有关，伸长率为/L L L δα=∆=+，其中α、βL 值为常数的条件下，其断后伸长率δ才是常数。

若面积A 相同时，L 大，则δ小；反之，则δ大。

故有5δ＞10δ。

⑥延伸率δ和断面收缩率ψ的测定试件的原始标距为0l ，拉断后将两段试件紧密对接在一起，量出拉断后的标距长1l ，延伸率应为%10001⨯-=l l l δ （2.3） 式中 0l —试件原始标距，1l —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--+=BC AB l 21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C 1点和减一格之半得C 点，移中后标距长为---++=BC BC AB l 11将计算所得的1l 代入式中，可求得折算后的延伸率δ。

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1d 计算断口处横截面面积，再按下式计算面积收缩率%100010⨯-=A A A ψ （2.4） 式中 A 0—试件原始横截面面积 A 1—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l 0，在标距l 0 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F S ，最后直到将试样拉断，计下最大载荷F b 。

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六、实验分析及思考题a) 材料相同，直径相等的长试样l 0=10d 0和短试样l 0=5d 0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？实验二、渐开线齿廓的范成实验一、实验目的（1）掌握展成法加工渐开线齿廓的原理。

（2）了解齿轮的根切现象及采用变位修正来避免根切的方法。

（3）了解变位后对轮齿尺寸产生的影响。

二、实验设备与工具（1）齿轮展成仪。

（2）钢直尺、圆规、剪刀。

（3）铅笔、三角板、绘图纸。

三、实验原理齿轮在实际加工中，看不到轮齿齿廓渐开线的形成过程。

本实验通过齿轮展成仪来实现轮坯与刀具之间的相对运动过程，并用铅笔将刀具相对轮坯的各个位置记录在图纸上，这样就能清楚地观察到渐开线齿廓的展成过程。

齿轮展成仪所用的刀具模型为齿条插刀，仪器构造如图4-1所示。

图4-1 齿轮展成仪结构示意图1—托盘；2—轮坯分度圆；3—滑架；4—支座；5—齿条（刀具）；6—调节螺旋；7、9—螺钉；8—刀架；10—压环绘图纸做成圆形轮坯，用压环10固定在托盘1上，托盘可绕固定轴O转动。

代表齿条刀具的齿条5通过螺钉7固定在刀架8上，刀架装在滑架3上的径向导槽内，旋转螺旋6，可使刀架带着齿条刀具相对于托盘中心O作径向移动。

因此，齿条刀具5既可以随滑架3作水平左右移动，又可以随刀架一起作径向移动。

滑架3与托盘1之间采用齿轮齿条啮合传动，保证轮坯分度圆与滑架基准刻线作纯滚动，当齿条刀具5的分度线与基准刻线对齐时，能展成标准齿轮齿廓。

调节齿条刀具相对齿坯中心的径向位置，可以展成变位齿轮齿廓。

四、实验步骤（1）展成标准齿轮①根据所用展成仪的模数m和托盘中心至刀具中线的距离（轮坯分度圆半径r），求出被加工标准齿轮的齿数z，齿顶圆直径a d，齿根圆直径f d和基圆直径b d。

②在一张图纸上，分别以a d、f d、b d和分度圆直径d画出4个同心圆，并将图纸剪成直径为a d的圆形轮坯。

③将圆形纸片（轮坯）放在展成仪的托盘1上，使二者圆心重合，然后用压环10和螺钉9将纸片夹紧在托盘上。

④将展成仪上的齿条5的中线与滑架3上的标尺刻度零线对准（此时齿条刀具的分度线应与圆形纸片上所画的分度圆相切）。

⑤将滑架3推至左（或右）极限位置，用削尖的铅笔在圆形纸片（代表被加工轮坯）上画下齿条刀具5的齿廓在该位置上的投影线（代表齿条刀具插齿加工每次切削所形成的痕迹）。

然后将滑架向右（或左）移动一个很小的距离，此时通过啮合传动带动托盘1也相应转过一个小角度，再将齿条刀具的齿廓在该位置上的投影线画在圆形纸片上。

连续重复上述工作，绘出齿条刀具的齿廓在各个位置上的投影线，这些投影线的包络线即为被加工齿轮的渐开线齿廓。

⑥按上述方法，绘出2~3个完整的齿形，如图4-2所示。

图4-2 标准渐形线齿轮齿廓的展成过程（2）展成正变位齿轮①根据所用展成仪的参数，计算出不发生根切现象时的最小变位系数min x 。

然后确定变位系数x （min x x ≥），计算变位齿轮的齿顶圆直径a d 和齿根圆直径f d （a d 和f d 由指导教师计算）。

②在另一张图纸上，分别以a d 、f d 、b d 和分度圆直径d 画出四个同心圆，并将图纸剪成直径为a d 的圆形轮坯。

③同展成标准齿轮步骤③。

④将齿条5向离开齿坯中心O 的方向移动一段距离xm 。

⑤同展成标准齿轮步骤⑤。

⑥同展成标准齿轮步骤⑥，绘出的齿廓如图4-3所示。

图4-3 正变位渐形线齿轮齿廓的展成过程五、注意事项（1）本实验最好选用模数较大（15m mm ≥）而分度圆较小的展成仪，使齿数z ≤10，以便在展成标准齿轮齿廓时能观察到较为明显的根切现象。

（2）代表轮坯的纸片应有一定厚度（用70g 以上纸），纸面应平整无明显翘曲，以防在实验过程中顶在齿条5的齿顶部。

为了节约实验时间与纸片，亦可将标准齿轮与变位齿轮的轮坯以直径为界画在同一张纸上使用。

（3）轮坯纸片装在托盘1上时应固定可靠，在实验过程中不得随意松开或重新固定，否则可能导致实验失败。