实验指导书—机械设计(1)

机械设计实验指导书

苏志部 张雯娟 编

机械设计制造及其自动化

三明学院

物理与机电工程学院 机械教研室

2011年

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实验一 动静态螺栓联接实验

一、实验目的

（1）掌握静态螺栓的静态载荷与变形的测量分析方法。 （2）掌握动态螺栓的静态载荷与变形的测量分析方法。

（3）掌握螺栓和被联接件的受力和应变的测试分析和理论分析方法。 二、实验原理

本实验需配置LDJ-B螺栓联接综合实验台一台，LDJ-B静动态测量仪一台，计算机及专用软件等实验设备及仪器。

图1螺栓联接实验台的结构

螺栓联接实验台的结构如图1所示。

联接部分包括M16空心螺栓、大螺母、垫片组成。空心螺栓贴有测拉力和扭矩的两组应变片，分别测量螺栓在拧紧时，所受预 拉力和扭矩。空心螺栓的内孔中装有M8螺栓，拧紧或松开其上的手柄杆，即可改变空心螺栓的实际受载截面积，以达到改变联接件刚度的目的。

被联件部分由上板、下板和圆环组成，圆环上贴有应变片，测量被联接件受力的大小，中部有锥形孔，插入或拨出锥塞即可改变圆环的受力，以改变被联接件系统的刚度。

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实验台采用双顶杆四导杆加载装置，加载平稳，避免过大偏载的产生，测试结果稳定可靠。

加载部分由蜗杆、蜗轮、挺杆和弹簧组成，挺杆上贴有应变片，用以测量所加工作载荷的大小，蜗杆一端有一皮带轮与电机相联，另一端装有手轮，启动电机或转动手轮使挺杆上升或下降，以达到加载、卸载（改变工作载荷）的目的。

1. 力与变形协调关系

在螺栓联接中，螺栓受拉力，产生拉伸变形；被联结件受压力，产生压缩变形。根据螺栓和被联接件预紧力相等，可把二者的力和变形图线画在一个坐标系中，如图3所示。当螺栓受轴向工作载荷F作用时，其拉力由预紧力QP增加到

'QQQ总拉力。被联接件的压紧力P减少到剩余预紧力P。这时，螺栓伸长变形

的增量1，等于被联接件压缩变形的恢复2，即12，也就是说变形的关系是协调的。因此图3又称变形协调图。

图3 螺栓联接变形协调图

Q

力与变形之比称为刚度。

C1Q11为螺栓刚度；

C2Q22为被联接件刚度。

C1C1C2称为螺栓的性对刚度。在力—变形

图上，刚度表现为图线的斜率。为了提高螺栓的疲劳强度，通常采用降低C1或增加C2的方法以降低载荷的变化值F。

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2. 主要公式

螺栓联接的受力和变形，可用贴在试件上的电阻应变片，配以电阻应变仪加

610以测量。通常应变仪测量的是微应变，应变片的接线按半桥接到应

变仪上。

6EE10材料在弹性限度内，应力与应变的关系为：

故螺栓拉力为：

F11A1E1106d24

被联接件（套筒）压力为：

F22A2E2106D42D12

螺栓伸长变形为：

11L11106L1 套筒压缩变形为：

22L22106L2

轴向工作载荷由测力环中百分表读数测出：

FKS

式中：K——测力环刚度，N/百分表1格； S——百分表读数，小格数。 三、实验步骤

（一）认真阅读实验指导书。

（二）做好实验台及仪器预调与连接工作。

（1）实验台.取出圆环上两锥塞，松开空心螺栓上的M8小螺杆，装上刚性垫片，转动手轮，使挺杆降下，处于卸载位置。将两块千分表分别安装在表架上，使表头分别与上板面（靠外侧）和螺栓顶面接触，用以测量联接件(螺栓)与被联接件的变形量。手拧大螺母至恰好与垫片接触。(预紧初始值)螺栓不应有松动的感觉，分别将两千分表调零。

（2）测量仪。配套的4根输出线的插头将各点插座连接好，分别与实验台相对应接口联接好。

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（3）计算机。用配套的并口数据线接仪器背面的5芯插座．另一头连接计算机上的PCI-8310采集卡串口。启动计算机，按软件使用说明书要求的步骤操作进入实验台螺栓实验界面后。单击“开始实验”键后，对“应变测量值”框中数据清零，如串口数据线连接无误．则该输人框中，会有数据显示并跳动。 （三）静态螺栓实验：

1) 标定后，自动回复主界面，点击“实验选择”选择实验项目。 2) 点击“开始实验”，将各仪表复位。 3) 预紧螺杆为第二次预紧值。

4) 将千分表值填入“变形值输入”，点击“预紧采集”。

5) 将凸轮摇至最高点，将千分表读数填入“变形值输入”，点击“加载采集”。 6) 点击“实测图”得出实测曲线，点击“理论图”，得出理论曲线。 7) 点击“数据保存”，完成实验。

（四）整理实验报告（附表1）

测点 项目 标定系数 应变值（） 加载前 加载后 加载前 力（N） 加载后 千分表读数（）

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螺栓（拉） 螺栓（扭） 双圆环（压） 挺杆（压） 拉 扭 环 杆 杆 QP Q QP QP F 1 1 2 2 F

实验二 带传动实验

一、实验目的

1、观察带传动中的弹性滑动和打滑现象以及它们与带传递的载荷之间的关系。

2、测定弹性滑动率与所传递的载荷和带传效率之间的关系，绘制带传动的弹性滑动曲线和效率曲线。

3、了解带传动实验台的设计原理与扭矩、转速的测量方法。

二、实验原理

由于弹性滑动率ε之值与打滑现象的出现，以及带传动的效率η都与带传递的载荷的大小有密切关系。电动机和发电机的外壳支承在支座的滚动轴承中，并可绕与转子相重合的轴线摆动，当电动机启动和发电机负载后，由于定子磁场和转子磁场的相互作用，电动机的外壳将向转子旋转的同向倾倒，发电机的外壳将向转子旋转的反向倾倒，它们的倾倒力矩可分别通过固定在定子外壳上的测力计所测得的力矩来平衡。即：

主动轮上的扭矩T1 = Q1K1L1（N·mm） 从动轮上的扭矩T2 = Q2K2L2（N·mm） 式中Q1、Q2 —— 测力计上百分表的读数 K1、K2 —— 测力计算定值

L1、L2 —— 测力计的力臂 L1 =L2 =120mm

从动轮的功率N2 T1N2

带传动的效率η= = 主动轮的功率N1 T2N1

只要测得不同负载下主动轮的转速N1和从动轮的转速N2以及主动轮的扭矩下T1和从动轮的扭矩下T2，就可算出在不同的有效拉力下的弹性滑动率ε以及效率η之值。以有效拉力F为横坐标，分别以不同载荷下的ε和η之值为纵坐标，就可以画出带传动的弹性滑动曲线和效率曲线。

三、实验步骤

1. 设备安装。将各设备安装好，并注意各个设备之间的同轴度，以避免产

生不必要的弯矩，从而保证测量精度。为改变传感器的工作条件，降低安装要求，通常采用柔性联轴器。安装完毕后，正式实验前一般应开机试运转几分钟至半小时，考核设备可靠程度，发现异常振动和噪声等应立即停机予以排除。

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2. 按要求接好磁粉制动器和稳流电源的电源线。

3. 按要求接好传感器和转矩转速仪之间的信号线，并接好转矩转速仪电源。 4. 对扭矩测试卡进行初始参数设置。

5. 开启转矩转速传感器的背包电动机并进行调零（注意：背包电动机的转

向一定要与主轴的转向相同）。

6. 启动主电动机进行测量。测量从空载开始，依次调整磁粉制动器的加载

电流增加负载，直至满载荷。依次记录在不同载荷下的输入、输出转速，力矩和功率。若输出轴的转速低于600r/min时应开启背包电动机，背包电动机的转向应与输出轴的转向相反，此时，测得的输出轴的转速应该减去背包电动机的转速。

7. 测试完毕，打印实验结果，注意逐步卸载，关闭主电动机和各测试仪器。 8. 根据测试记录，计算出带传动的传动效率，并绘制出测试对象的效率曲

线。

9. 整理实验报告，实验报告的内容主要为：

1) 测试数据（表）、参数曲线； 2) 对实验结果的分析；

四、思考题

1. 带传动效率和哪些因素有关？为什么？

2. 带传动中的弹性滑动和打滑有什么区别？它们对带传动各有什么影响？

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实验三 直齿圆柱齿轮减速器传动实验

一、实验目的：

1. 了解实验台的结构和工作原理

2. 了解圆柱齿轮减速机机械效率、输入输出功率，掌握测试方法 二、实验原理：

机械传动性能综合测试实验台的工作原理如图2所示。

变频 电机 ZJ扭矩 传感器 机械传动 装置（试ZJ扭矩 传感器 负载 扭矩测量卡 转速调节 扭矩测量卡 负载调节 工控机 图2 实验台的工作原理

机械传动中,输入功率应等于输出功率与机械内部损耗功率之和。即

PiPoPf （1）

Po式中,

Pi为输入功率；为输出功率；

Pf为机械内部损耗功率。则机械效率为

PoPi （2）

由力学知识可知，对于机械传动若设其传动力矩为M，角速度为w，则对应的功率为

PMw2nnMM6030 （3）

式中，n为传达机械的转速（r/min）所以，传动效率可改写为



MonoMini （4）

n、noM、Mo式中，i分别为传动机械输入、输出扭矩；i分别为传动机械输入、

输出转速。因此，我们若利用仪器测出被测试对象的输入转矩和转速以及输出转矩和转速，就可以通过式（4）计算出传动效率。

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三、实验步骤：

1. 设备安装。按图将各设备安装好，并注意各个设备之间的同轴度，以避免产

生不必要的弯矩，从而保证测量精度。为改变传感器的工作条件，降低安装要求，通常采用柔性联轴器。安装完毕后，正式实验前一般应开机试运转几分钟至半小时，考核设备可靠程度，发现异常振动和噪声等应立即停机予以排除。

2. 按要求接好磁粉制动器和稳流电源的电源线。

3. 按要求接好传感器和转矩转速仪之间的信号线，并接好转矩转速仪电源。 4. 对扭矩测试卡进行初始参数设置。

5. 开启转矩转速传感器的背包电动机并进行调零（注意：背包电动机的转向一

定要与主轴的转向相同）。

6. 启动主电动机进行测量。测量从空载开始，依次调整磁粉制动器的加载电流

增加负载，直至满载荷。依次记录在不同载荷下的输入、输出转速，力矩和功率。若输出轴的转速低于600r/min时应开启背包电动机，背包电动机的转向应与输出轴的转向相反，此时，测得的输出轴的转速应该减去背包电动机的转速。

7. 测试完毕，打印实验结果，注意逐步卸载，关闭主电动机和各测试仪器。 8. 根据测试记录，计算出齿轮减速器的传动效率，并绘制出测试对象的效率曲

线。

9. 整理实验报告，实验报告的内容主要为：

3) 测试数据（表）、参数曲线； 4) 对实验结果的分析；

四、思考题

1. 哪些因素影响齿轮的传动效率？ 2. 提高齿轮传动效率的措施有哪些？

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实验四 动压滑动轴承压力实验

一、 实验目的：

(1) 观察径向滑动轴承液体动压润滑的形成过程和摩擦状态； (3) 观察径向滑动轴承轴向油膜压力分布情况；

(4) 了解径向滑动轴承的摩擦系数测量方法和摩擦特性曲线的绘制方法； (5) 观察载荷和转速改变时油膜压力的变化情况或油膜厚度。 二、 实验原理：

实验台传动装置结构如下图所示，直流电动机1上装有一个小带轮，主轴4上装有一个大带轮，通过V带2驱动主轴沿顺时针方向转动，由无级调速器实现直流电机的无级调速。实验台主轴转速范围为0-350r/min。在主轴大带轮侧面装有一个红外线测速装置，轴的转速由实验台前面板上的转速数码管直接读出。

实验台传动装置结构

主轴瓦上装有测力杆，通过测力压力传感器检测压力，经过单片机数据处理可直接得到摩擦力矩值。

摩擦系数f之值可通过测量轴承的摩擦力矩而得到。轴转动时，轴对轴瓦产生周向摩擦力F，其摩擦力矩为F•d/2，它使轴瓦翻转，轴瓦上测力压头将力传递至压力传感器，测力传感器的检测值乘以力臂长L，就可以得到摩擦力矩值，经计算就可得到摩擦系数f之值。

根据力矩平衡条件得：Fd/2=LQ。L―测力杆的长度，Q―作用在A处的反力。 设作用在轴上的外载荷W，则：

f=F/W=2LQ/Wd （1）

Mf=LQ 的值可直接读到

∴f=2Mf/Wd （2）

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在边界摩擦时，f随λ的增大而变化很小（由于n值很小，建议用手慢慢转动轴），进入混合摩擦后，λ的改变引起f的急剧变化，在刚形成液体摩擦时f达到最小值，此后，随λ的增大油膜厚度亦随之增大，因而f亦有所增大。

径向滑动轴承的摩擦系数f随轴承的特性系数λ=ηn/p值的改变而改变（η―油的动力粘度，n―轴的转速，p―压力，p=W/Bd，W―轴上的载荷，B―轴瓦的宽度，d―轴的直径）如图3所示。，可绘出摩擦特性曲线。

摩擦特性曲线

三、 实验步骤：

1. 认真阅读实验指导书。

2. 做好开机前的准备工作:检查百分表(测力计)，使其触头压在轴瓦上，且

有调节的余量。检查螺旋加载装置，使其处于零加载位置；检查调速旋钮，逆时针旋转到底。

3. 打开电源开关，开启计算机，进入实验台的封面。

4. 在封面上单击“进入”文字区，进入滑动轴承实验简介界面。 5. 在滑动轴承实验简介界面上单击[摩擦状态]，进入滑动轴承运动与摩擦

实验界面。

6. 打开实验台电源，面板数码管显示后，在滑动轴承运动与摩擦实验界面

上单击[开始测试]，开始采集各测试量，同时，按键文字变为[停止测试]；再次单击此键停止各测试量的采集。

7. 在未启动实验台的电动机之前和螺旋弹簧加载装置卸载后，单击[空载调

零]，对各测试量进行清零，同时，按键文字变为[重做实验]；再次单击

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此键重新清零。 四、 思考题

1. 哪些因素影响液体动压滑动轴承的承载能力及其油膜的形成？ 2. 为什么要在开机后加载和停机前卸载？

实验五 综合性传动装置实验

一、实验目的：

1、通过机械传动系统的搭接创意组合实验，有利学生进一步了解机械传动系统的基本结构与设计要求；同时也了解通过搭接组合进行机械传动系统创新设计的基本方式，提高机械创新意识；

2、通过对驱动源和传动输出端利用计算机数模和人工对扭矩以及各参数的分析，有利学生进一步了解机械传动系统的性能特点，提高机械设计能力；

3、通过实验认识机械传动性能测试与数字化分析的基本原理，培养工程实践能力；

4、在实验过程中掌握转速、力矩、传动功率和传动效率等机械传动性能参数测试的基本原理和方法；

5、验证在传动中的摩擦损耗,所引起的输出功率总是小于输入功率,效率总是小于100％。 二、实验原理

本实验在JZC机械传动创意组合与性能分析实验台上进行。该实验台采用模块化结构，由种类齐全的机械传动装置、联轴器、变频电机、加载装置和工控机等模块组成，学生可以根据选择或设计的实验类型、方案和内容，自己动手进行传动连接、安装调试和测试，进行设计性实验、综合性实验或创新性实验。

机械传动性能综合测试实验台的工作原理如下图所示。

变频 电机 ZJ扭矩 传感器 机械传ZJ扭矩 传感器 负载 扭矩测量卡 转速调节 扭矩测量卡 负载调节 工控机 12

图2 实验台的工作原理

机械传动中,输入功率应等于输出功率与机械内部损耗功率之和。即

PPPiof （1）

Pf式中,Pi为输入功率；Po为输出功率；

为机械内部损耗功率。则机械效率

为

PoPi （2）

由力学知识可知，对于机械传动若设其传动力矩为M，角速度为w，则对应的功率为

2nnPMwMM6030 （3）

式中，n为传达机械的转速（r/min） 所以，传动效率可改写为

MonoMini （4）

Mnoi、o分别为传动机械输入、输出扭矩；ni、式中，M分别为传动机械输

入、输出转速。因此，我们若利用仪器测出被测试对象的输入转矩和转速以

及输出转矩和转速，就可以通过式（4）计算出传动效率。 三、实验步骤

1）设备安装。按图将各设备安装好，并注意各个设备之间的同轴度，以避免产生不必要的弯矩，从而保证测量精度。为改变传感器的工作条件，降低安装要求，通常采用柔性联轴器。

安装完毕后，正式实验前一般应开机试运转几分钟至半小时，考核设备可靠程度，发现异常振动和噪声等应立即停机予以排除。

2）按要求接好磁粉制动器和稳流电源的电源线。

3）按要求接好传感器和转矩转速仪之间的信号线，并接好转矩转速仪电源。 4）参照前述STC-1 扭矩测试卡使用说明进行初始参数设置。

5）开启转矩转速传感器的背包电动机，参照前述实验台软件的使用说明进行调零（注意：背包电动机的转向一定要与主轴的转向相同）。

6）启动主电动机进行测量。测量从空载开始，依次调整磁粉制动器的加载电

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流增加负载，直至满载荷。依次记录在不同载荷下的输入、输出转速，力矩和功率。若输出轴的转速低于600r/min时应开启背包电动机，背包电动机的转向应与输出轴的转向相反，此时，测得的输出轴的转速应该减去背包电动机的转速。

7）测试完毕，打印实验结果，注意逐步卸载，关闭主电动机和各测试仪器。 8）根据测试记录，计算出测试对象的传动效率，并绘制出测试对象的效率曲线。

9）改变机械传动系统进行实验

在时间许可情况下再进行新的搭接组合实验（如链传动-齿轮减速器传动系统方案），并重复上述的步骤。

10）整理实验报告 实验报告的内容主要为： 测试数据（表）、参数曲线； 对实验结果的分析；

四、思考题

1. 扭矩比和转速比为何不同？

2. 同一转速下，输出不同功率时，效率为何不同？

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带传动实验数据

齿轮传动数据

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