机械原理与机械设计实验指导书
机械原理与机械设计实验指导书
青岛大学机械基础实验教学中心
前言
机械原理课程作为机械类专业的一门主干技术基础课，在培养学生综合设计能力的全局中承担着培养学生机械系统方案创新设计能力的任务；机械设计课程是以一般通用零件的设计为核心的设计性课程，是论述零部件的基本设计理论与方法的技术基础课。机械原理和机械设计课程在机械设计系列课程体系中占有十分重要的地位。
《机械原理机械设计实验指导书》是结合“机械原理”、“机械设计”课程的具体要求并根据山东省“高等学校基础课实验教学示范中心建设标准”的要求进行编写的，其主要目的是培养学生掌握典型机械的实验方法，获得实验技能的基本训练和创新能力的培养。本书注重了基本实验、提高型实验、研究创新型三种不同类型实验编写。学生做实验由浅到深、由简到繁的学习过程，使学生能系统的掌握本门课程的理论与实践知识。
高等学校的实验室是进行教学和科研的重要基地，是积累科学优势的基础。没有实验手段就不可能出科研成果，就没有科学的进步和发展，任何新知识、新科技、新发明、新成果都离不开实验。通过实验可以培养学生的动手能力、设计能力、创新能力、分析问题和解决问题的能力。以适应当前社会新知识、新技术快速发展的需要。
本书可作为高等工科学校机械类专业的实验教材也可供非机类专业可供参考。由于水平所限和编写的时间仓促，贻误之处恳切希望广大读者指正。
目录
第一篇机械原理实验
第一章实验一机构运动简图的测绘和分析 (3)
第二章实验二齿轮范成实验 (6)
第三章实验三渐开线直齿圆柱齿轮参数测定 (11)
第四章实验四回转构件动平衡实验 (15)
第五章实验五机构运动创新实验 (20)
第二篇机械设计实验
第六章实验六带传动实验 (27)
第七章实验七滑动轴承实验 (36)
第八章实验八轴系结构设计实验 (44)
第九章实验九减速器装拆实验 (54)
第一篇 机械原理实验
第一章 实验一 机械运动简图的测绘和分析
一、实验目的
（1）学会根据各类机械实物或模型，绘制机械运动简图；
（2）分析和验证机构自由度，进一步理解机构自由度的概念，掌握机构自由度的计算方法； （3）加深对机构结构分析的了解。
二、实验设备和工具
（1）各类典型机构的实物（如：牛头刨床、缝纫机头等）； （2）各类典型机构的模型（如：搅拌机、碎石机等）； （3）钢皮尺、内外卡钳、量角器（根据需要选用）； （4）三角板、铅笔、橡皮、草纸（自备）； （5）“机构运动简图的绘制”电教片及放像机。
三、原理和方法
1．原理
由于机构运动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，可以撇开构件的形状和运动副的具体构造，而用一些简略的符号（见教科书或机械设计手册中有关“常用机构和运动副简图符号”的规定）来代替构件和运动副，并按一定的比例尺表示运动副的相对位置，以此表明机构的运动特征。常用符号示例如表1-1所示。
2．方法
（1）测绘时使被测绘的机构缓慢运动，从原动构件开始仔细观察机构的运动，分清各个运动单元，从而确定机构的构件数目。
（2）根据相互连接的两构件间的接触情况及相对运动的特点，确定各个运动副的种类。 （3）在草稿纸上徒手按规定的符号及构件的连接次序，从原动构件开始，逐步画出机构运动简图的草图。用数字1、2、3、……分别标注各构件，用拉丁字母A 、B 、C ……分别标注各运动副。
（4）测量与机构运动有关的尺寸，即转动副间的中心距和移动副导路的方向等，选定原 动件的位置，并按一定的比例尺画成正式的机构运动简图。
)
)
(mm m AB AB s （图上长度实际长度比例尺=
μ
四、步骤和要求
（1）绘制指定的几种机器或结构模型的机构运动简图，其中至少有一种需按确定的比例尺绘制。其余的可凭目测，使图与实物大致成比例，这种不按比例尺绘制的简图通常称为机构示意图。
（2）计算机构自由度数，并将结果与实际机构的自由度相对照，观察计算结果与实际是否相符。
（3）对上述机构进行结构分析（高副低代、分类杆组、确定机构级别等）。
五、思考题
（1）一个正确的“机构运动简图”应能说明那些内容？
（2）绘制机构运动简图时，原动件的位置为什么可以任意选定？会不会影响简图的正确性？
（3）机构自由度的计算对测绘机构运动简图有何帮助？
表1-1
名称符号低
副
转
动
副
移
动
副
实验一机构运动简图的测绘和分析报告
第二章实验二齿轮范成实验
一、实验目的
（1）掌握用范成法加工渐开线齿轮的基本原理；
（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）了解比较标准齿轮和变位齿轮的异同点。
二、实验仪器和用具
（1）齿轮范成仪 （2）圆规 （3）三角尺 （4）剪刀 （5）铅笔
（6）绘图纸（直径 φ280）
（除齿轮范成仪外，其余均由学员自备）
三、实验原理和方法
运用一对齿轮在啮合时其共轭齿廓互为包络线的原理加工轮齿的方法称为范成法，加工时其中一轮为刀具，另一轮为轮坯，它们保持固定的速比相对转动，完全和一对真正的齿轮在传动一样。同时刀具还沿着轮坯的轴向作往复切削运动。这样所加工出的齿轮的齿廓就是刀具刀刃在各个位置的包络线。虽然在实际加工时，无法看到刀刃形成包络线的过程，但我们可以设法通过齿轮范成仪来反复演示轮坯与刀具间的对滚切削过程。将刀具刀刃在“切削”时曾占有的各个位置用铅笔线记录在绘图纸上，这样我们就能清楚的观察到齿轮范成的过程。
实验所用的刀具是齿条刀具，该刀具的齿廓用?=20α,模数m =25，齿顶高系数1*
间隙系数25.0*
=c 。被加工齿轮的齿数z =8，分度圆直径mm d 200=，最大变位量+205，本
实验所用范成仪的结构，如图2-1所示：
半圆盘1可以绕其固定的中心O 转动，在半圆盘的周缘刻有凹槽，槽内绕有钢丝2，两根分别固定在半圆盘及纵拖板3上的a 、b 和c 、d 处。纵拖板3则可在机架4上沿水平方向左右移动，形成齿条与齿轮的啮合运动。
做实验时，将画好的齿顶圆、分度圆、基圆与齿根圆的齿坯图纸安装在半圆盘1上。对准中心由压环7压住，并放在齿条（刀具）6的下面。旋转螺杆8使横拖板5前后移动，以调整刀具6（齿条）中线使与齿轮坯的分度圆相切（在实验中也可以调整刀具的齿顶线，使与齿轮的齿根圆相切）。首先将齿轮坯和刀具推到右方的极限位置，并在图纸上用削尖的铅笔描出齿条刀具的齿形，这就相当于刀具在此位置切削一次留下的刀痕。再将齿条刀具由左向右方推过很小一段距离，此时压紧在圆盘上的图纸将随之转过一定的角度，并用铅笔描出刀具的轮廓形状，就这样断续移动齿条刀具，
图2-1
认真描出刀具在各个位置上的齿形，直到绘出2~3个齿形为止，此为标准齿轮齿廓曲线。
若需描绘正移距变位齿廓时，只需调整螺杆8后刀具远离齿坯中心，直到刀具齿顶线与变位齿轮的齿根圆相切为止。即可作正移距变位齿轮的齿廓曲线。反之，如将齿条刀具6调近轮坯中心则可相应地描出负移距变位齿轮的齿廓曲线。
四、实验步骤
要求绘制一个标准齿轮（x =0）和一个变位齿轮（x ≠0）。 1．绘制标准渐开线齿轮（x =0）
（1）计算出齿轮分度圆直径d ，基圆直径d b 和齿顶圆直径d a ； mz d = αcos d d b = *
2a a mh d d +=
（2）在图纸上绘出齿轮的分度圆、基圆和齿顶圆，并将其装在圆盘上；
（3）调整齿条刀具的位置，使齿条刀具的中线与初切齿轮的分度圆相切，描绘出2~3齿； （4）测量分度圆齿厚s 及齿间e ，并与计算结果加以比较。 2．绘制变位齿轮（x >0）
（1）算出变位系数x 和变位量xm , x 的选择应使齿轮没有根切现象； （2）计算出齿轮的分度圆直径d ，基圆直径d b 和齿顶圆直径d a ；
mz d = αcos d d b = ()
x h m d d a a ++=*
2
（3）在图纸上绘出分度圆、基圆、齿顶圆并将其装夹在圆盘上；
（4）调整齿条刀具的位置，使齿条刀具的中线离开被切齿轮的分度圆，并相距xm 的距离，绘出2~3个齿。
（5）测量分度圆齿厚s 及齿间e ，并与计算结果比较。 3．绘制x <0的变位齿轮（选作）
五、思考题
（1）齿条刀具的齿顶高和齿根高为什么都等于(
)
m c h a **
+？ （2）用范成法加工齿轮时，轮廓曲线是如何形成的？
（3）试比较标准齿轮与变位齿轮的齿形有什么不同，并分析其原因。
实验二齿轮范成实验报告
注：“异同”一栏填“异”或“同”字即可；“变动结果”栏填“增”、“减”、“相同”即可；“增”即表示变位齿轮上的尺寸比标准齿轮上尺寸增大（其余类推）。
第三章实验三渐开线直齿圆柱齿轮参数的测定
一、实验目的
（1）掌握应用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，熟练掌握有关齿轮各几何参数之间的相互关系和渐开线性质的知识。
二、实验设备和工具
（1）齿轮一对（齿数为奇数和偶数各一个）；
（2）游标卡尺（游标读数值不大于0.05㎜）；
（3）渐开线函数表（自备）；
（4）计算工具（自备）。
三、原理和方法
h、分度圆压力角、
单个渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数有：齿数z、模数m、齿顶高系数*
a
变位系数x；一对渐开线直齿圆柱齿轮啮合的基本参数有：啮合角′、顶隙系数*c、中心距a。
本实验是用游标卡尺来测量轮齿，并通过计算得出一对直齿圆柱齿轮的基本参数。其原理和方法如下：
1．确定齿轮的模数m 和压力角
度为
b b n s p n l +-=)1( 同理,若卡尺跨n +1个齿,其公法线长度则应为 b b n s np l +=+1
所以 b n n p l l =-+1 （3-1） 又因 απαcos cos m p p b == 所以 α
πcos b
p m =
（3-2）
式中b p 为齿轮基圆周节，它由测量得到的公法线长n l 和1+n l 代入（3-1）求得。可能是15也可能是20，故分别用15和20代入式（3-2）算出两个模数，取其模数最接近标准值的一组m 和，即为所求齿轮的模数和压力角。
为了使卡尺的两个卡角能保证与齿廓的渐开线部分相切，所需的跨齿数n 按下式计算
5.0180
+=
z n α
（3-3）
或直接由下表查出 z 12～18 19～27 28～36 37～45 46～54 55～63 64～72 n
1
2 3 4 5 6 7
2．确定齿轮的变位系数x 根据基圆的齿厚公式：
αααπααinv 2cos tan 22inv 2cos b b b r x m r s s +??
?
??+=+=
得 α
α
π
αtan 2inv 2cos z m s x b --= (3-4)
式中b s 可由以上公法线长度公式求得，即：
b n b np l s -=+1 (3-5)
将式(3-5)代入(3-4)即可求出变位系数x.。
3．确定齿轮的齿顶高系数*
a h 和顶隙系数*
c 根据齿轮齿根高的计算公式：
2
f
f d mz h -=
（3-6）
又 )(**
x c h m h a f -+= （3-7） 式（3-6）中齿根圆直径f d 可用游标卡尺测定，因此可求出齿根高f h 。在式（3-7）中仅*
a h 和*
c 未
知，由于不同齿制的*a h 和*c 均为已知标准值，故分别用正常齿制*a h =1，*c =0.25和短齿制*
a h =0.8, *c =0.3两组标准值代入，符合式（3-6）的一组即为所求的值。
4．确定一对互相啮合的齿轮的啮合角′和中心距a
一对互相啮合的齿轮，用上述方法分别确定其模数m 、压力角和变位系数1x 、2x 后，可用下式计算啮合角
和中心距a ：
αααinv tan )
(2inv 2
121+++=
'z z x x （3-8）
αα
'
+=
cos cos )
(221z z m a （3-9） 实验时，可用游标卡尺直接测定这对齿轮的中心距a ′，测定方法如图3-2所示。首先使该对齿轮做无齿侧间隙啮合，然后分别测量齿轮的孔径1K d 、2K d 及尺寸b ，由此得
（2）由式（3-3）计算或查表得测量时卡尺的跨齿数n ；
（3）测量公法线长度n l 和1+n l 及齿根圆直径f d 、中心距a ′、读数精确到0.01mm 。注意每个尺寸应测量三次，记入实验报告附表，取其平均值作为测量结果；
（4）逐个计算齿轮的参数，记入实验报告附表。最后将计算的中心距与实测的中心距进行比较。
五、思考题
（1）通过两个齿轮的参数测定，试判别该对齿轮能否互相啮合。如能，则进一步判别它们的传动类型是什么？
（2）在测量齿根圆直径f d 时，对齿数为奇数和偶数的齿轮在测量方法上有什么不同？ （3）测量齿轮公法线长度是根据渐开线的什么性质？
实验三 渐开线直齿圆柱齿轮参数的测定实验报告
第四章实验四回转构件动平衡实验
一、实验目的
巩固回转构件动平衡的基本原理，掌握补偿式动平衡机的基本原理和操作方法。
二、设备和工具
（1）框架式动平衡机及其附件、试件；
（2）平衡重量、螺钉、螺母和橡皮泥；
（3）游标卡尺、磁力千分表架及百分表；
（4）扳手、螺丝刀。
三、实验原理和方法
重径积的基本方法。图示框架1经弹簧2与固定的底座3相联，它只能绕OX轴线摆动，构成一个震动系统。框架上装有主轴4，由固定在底座上的电动机14通过传动带和带盘12驱动。主轴4上装有螺旋齿轮6，它和齿轮5齿数相等且互相啮合。齿轮6还可沿主轴4移动，移动的最大距离和它的轴向宽度相等，比齿轮5的节圆周长要长，因此调节手轮18使齿轮6从左极限位置移到右极限位置时，齿轮5以及和它相固定的轴9能随之回转一周以上。借此调整9与主轴4的相对转角c，即调节补偿重量位置的指示角，c的大小由指针15指示。圆盘7固定在轴9上，通过调节手轮17可以使圆盘8沿轴9上下移动，以调节补偿力偶大小的两圆盘间的距离L c，L c的大小由指针16指示。
被平衡的回转件10放在两个滚动支承13上，通过挠性联轴器11由主轴4带动。此时试件不平衡重量可以看成在两平衡校正平面T ′和T 上两个不平衡重量G 0 和G 0所产生。平衡时可先令平衡平面T 通过摆架的振摆轴线OX ，如图4-2所示。当回转件转动后，T 面上的不平衡重量G 0的离心力P 0对轴线OX 的力矩为零，不引起框架的振动；而平衡校正平面T 0上的G 0′的离心力
P 0′对振摆轴线OX 形成力矩M 0，使框架发生振动，其大小为 M 0 = P 0′ Lcos
为了测量出T ′面上的不平衡重量大小和相位，加上一补偿重径积G c r c 使产生一个补偿力矩，即在圆盘7和8上各装一个平衡重量G c ，其重心都与轴线相距r c ，但相位差为180 0
，当马达旋转后，其主轴4带动齿轮6、5，因而圆盘7、8也旋转，这时G c 的离心力P c 就构成一力偶矩P c L c ，它对于轴线OX 的分量为M c 也影响框架的振动，其大小为
按合力矩定理，框架绕轴振动时所受的合力矩为：
式中M c 的转向从图示轴OX 的箭头处向O 点看为顺时针方向，故按力学规定取负值。如M = 0，则框架静止不动。此时，
或 c
c c c L P M ?cos '
=c
c c c L P L P M M M ?
?cos cos 00-'=+=0
cos cos 0=-'
=c c c L P L P M ??0
cos cos 00=-''c c c c L r G L r G ??G 0
P 0
G 0 P 0
T G C
P C
L C
P C
X
O
T
Ma
M 01
2
3
19
1310
13
4
5
6
78
9
11
12
14
1516
17
18
2
l
?
C
?C
? 图4-2
满足上式的条件应为：
?????==''c
c c
c L
L r G r G ??00 在平衡机的补偿位置中，G c 、 r c 是已知的，试件的两平衡校正平面是预先选定的，因而两平衡校正平面的距离L 也是已知的，因此（4-1）式可以写成：
G 0′ r 0 ′=A L c （4-3）
其中 L
r G A c
c ?=
测量另一个平衡校正平面T"上的不平衡重径积，只需将试件调头使平面T ′通过OX 轴，测量方法与上述相同。
为了便于观察和提高测量精度，在框架1上装有重块19，移动19，即改变整个振动系统的自振频率使框架接近共振状态，即振幅放大。
通过调节手轮17和18，使框架静止不动，读出L c 和
c
的数值。由公式（4-3）既可计算不平
衡重径积的大小，当选定加平衡重量的回转半径r p ′后平衡重量G p ′的大小为：
'''='
P
P
r r G G 0
0 其相位可以这样来确定：停车后，使指针15转到图中与OX 轴垂直的虚线位置，此时G p ′的位置就在平面T ′内回转中心的铅直上方。
四、实验步骤
（1）记录L c 的零点及本实验的系数A 。（A 数值标注在马达上）。
（2）起动电动机使试件回转，注意试件一端的联轴节应与皮带轮顺着转动方向靠好，避免起动冲击。
（3）移动重块19，使框架振幅最大（此步骤实验前已调整完毕）。
（4）加补偿力矩，先调节手轮17，使L c 有一些读数，这时框架振动，然后调节手轮18，观察指针20，由于试件与圆盘转速相等，故M 0与M c 变化频率相等，当调节c
=
+1800
时，M c 与M 0相同，
两力矩正向叠加，框架振幅最大，当调节到
c
=
时，两力矩反向叠加，框架振幅最小，这时不
平衡重量的相位已经基本找到，再继续调节手轮17即改变L c ，如此反复调整数次直到指针20不动，此时框架振动消失。
（5）停车、读出L c ，
c
的数值，计算不平衡重径积的大小。
（6）再根据你所确定的不平衡重量，试件校正后再开车，观察平衡效果（此时L c 必须调到零值的初始位置）。
（4-1） （4-2）
五、思考题
（1）动平衡试验法适合哪些类型的试件？试件经过动平衡后是否满足静平衡要求？
（2）为什么动平衡要在垂直于轴线的两端平衡面上分别进行平衡？
（3）当试件的一个平面已被平衡后欲平衡第二个平面时，是否仍一定要使第一个平面通过框架的振摆轴线？为什么？
实验四回转构件的动平衡实验报告
第五章实验五机构运动创新实验一、实验目的