机械设计实验指导书
机械设计实验指导书
机械工程学院
前言
《机械设计实验指导书》是根据《机械设计》教学大纲要求，对机械类、近机类本科教学基本要求，结合我院的实际情况编写的。
机械设计实验是配合理论学习开设的一门重要的实践课程。通过实验可以使学生加深对《机械设计》课程的基本概念、基本理论的理解，初步掌握机械设计的基本技能，提高学生分析问题和解决问题的能力。
每个实验项目包括：实验目的、实验原理、实验方法和操作步骤等内容。
在编写过程中，参考了有关的教材、仪器设备使用说明及兄弟院校实验教材。全书由赵小军老师编写，并绘制所有插图，最后整理完成。编写过程中，得到机制教研室全体教师的大力支持和帮助，在此表示感谢。
由于编者水平有限，书中难免有误漏，不妥之处，恳请读者批评指正。
目录
目录错误!未定义书签。
学生实验守则错误!未定义书签。
实验一、平面机构运动简图测绘与分析错误!未定义书签。实验二、机械传动的特性与运动分析错误!未定义书签。
实验三、渐开线直齿圆柱齿轮的参数测定错误!未定义书签。实验四、渐开线齿轮齿廓的范成错误!未定义书签。
实验五、减速器的拆装及结构分析错误!未定义书签。
实验六、轴系结构设计错误!未定义书签。
实验七、轴系结构的测绘与分析错误!未定义书签。
学生实验守则
1．学生必须遵守实验室各项规章制度，进入实验室，要服从教师的指导和安排，在规定的房间和设备仪器上操作。
2．实验前应根据教学要求做好预习，准备好实验用书、文具、纸张及计算器等。
3．按时到达实验室，不迟到，不早退，不得无故缺课。
4．认真上好实验课，积极思考，仔细观察和测取数据，做到人人动手，互相配合，使实验获得正确的结果。
5．爱护实验设备和器材，了解有关设备仪器的性能和使用方法，严格按照安全操作规程，并在教师的指导下进行操作。
6．设备仪器发生故障时，学生要及时报告指导教师和管理人员，保护现场。因违反实验室制度和操作规范而造成设备仪器损坏的，除按学校有关规定做出书面检查外，还应根据损失大小予以经济赔偿。
7．保持实验室环境卫生，注意安全，学生应衣着整洁，室内严禁打
闹、吸烟、吐痰、吃零食及使用与实验无关用具，违者给予批评教育或处罚。
8．实验完毕，将设备仪器恢复原位，清洁、整理现场，关好电源。9．认真完成实验报告，并按时上交指导教师以评定实验成绩。实验成绩将占期末总成绩的20%，试验成绩不及格者，原则上不准参加本课程期末考试。
实验一、平面机构运动简图测绘与分析
一、实验目的
1、通过本实验把这门课程的绪论部分和课程具体内容有机的联系起来，做到理论联系实际。
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过零部件结构特点、组成、运动和传动特点。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、实验设备和工具
1、机械原理陈列柜。
2、直尺和游标卡尺各一把。
3、圆规、三角板。
三、实验步骤
1、机构运动原理：
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，仔细观察其运动原理并对每一部分进行介绍。
（1）机器的组成及特征
单缸内燃机、颚式破碎机、缝纫机、运动副（转动副、移动副、平面高副）。
（2）平面连杆机构
四杆铰链机构、曲柄滑块机构、大筛机构、铰链机构、搅拌机、惯性筛机构、机车车辆机构、鹤式起重机、转动导杆机构（牛头刨床主运动机构、小型刨床）曲柄摇块机构、曲柄移动导杆机构、双转块机构、双滑块机构、曲柄摇杆机构的极位夹角、有急回特性的机构、夹紧机构。
（3）凸轮机构
内燃机配气机构、靠模车削机构、自动送料机构、分度转位机构、力锁合凸轮（靠重力、弹簧力）、形锁合凸轮（沟槽凸轮、等宽凸轮、共轭凸轮）。
（4）齿轮传动
外啮合直齿圆柱齿轮传动、内啮合直齿圆柱齿轮传动、齿轮齿条传动、外啮合斜齿圆柱齿轮传动、人字齿轮传动、传递相交轴运动（直齿锥齿轮传动、斜齿锥齿轮传动、曲线齿齿轮传动）、传递交错轴运动（蜗杆蜗轮）。
（5）齿轮的基本性质
齿轮各部分的名称和符号、渐开线的形式、正确啮合条件、仿开法切制齿轮、展成法切制齿轮、轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合、渐开线曲面形成、斜齿条的压力角、斜齿圆柱齿轮的受力分析、圆锥齿轮的受力分析、齿轮轴、实体式齿轮、腹板式圆柱圆锥齿轮、铸造轮辐式圆柱齿轮。
（6）轮系
定轴齿轮系（A、B）、平面行星齿轮第（A、B）、空间行星齿轮系、行星减速
轮传动、减速器。
2
（1）测绘时使测绘的机构缓慢地运动，从原动构件开始仔细观察机构运动，分清各运动单位，确定原动件、机架、传动部件和执行部件。从而确定组成机构的构件数目，运动副的数目。
（2）根据联接构件间的接触情况及相对运动的性质，确定各个运动副的种类。（3）要选择最能表现机构特征的平面作为视图平面。
（4）在稿纸上徒手按规定的符号及构件的联接次序逐步画出机构运动简图的草图。然后用数字1、2、3 …… 分别标出各构件，用A、B、C …… 分别标出各运动副。
（5）仔细测量机构各运动尺寸（如转动副间的中心距、移动副导路的位置），对于高副则应仔细测出高副的轮廓曲线及其位置，然后以适当的比例做出机构运动简图。
3、计算自由度：
自由度计算公式：F=3N×2PL-PH
（1）用双转动副杆联接两构件上距离保持不
O
O O O
O1O1O1
O1
O1
O
变的两点带入一个虚约束。
机构运动过程中，如果两构件上某两点之间的距离始终保持不变，则若用双转动副杆将这两点相连，将带入一个虚约束。下图机构的自由度是：F=3×3-2×4=1,
（2）两构件上运动轨迹重合的点用转动副联接将带入一个虚约束。
在机构中，如果用转动副联接的时两构件上运动轨迹重合的点，将带入一个虚约束。
右图机构的自由度是：F=3×3-2×4=1,
（3）机构中对运动不起作用的对称部分存在虚约束。
机构的自由度F=3×3-2×3-2=1
编
号
机构名称比例尺(m/mm)
机构运动简图机
构
运
动
的
确
定
性
F = 3n-2P L-P H
= 3×( )-2×( )-( ) =
原动件数：
运动是否确定：
四、思考题
1、构件、机构、零件有什么区别？
2、机构在什么情况下存在虚约束？
3、机构在什么情况下存在局部自由度？
实验二、机械传动的特性与运动分析
一、实验目的
1、初步了解课程所研究的各种常用零件的结构、类型、特点及应用。
2、了解各种标准件的结构形式及相关的国家标准。
3、了解各种传动的特点及应用。
4、增强对各种零部件的结构及机器的感性认识。
二、实验设备和工具
1、机械零件陈列柜。
2、直尺和游标卡尺各一把。
三、实验步骤
观看通用零部件，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。
1、间歇运动机构
棘轮机构、双动式棘轮机构（钩头双动式棘爪、直头双动式棘爪）双向棘轮机构、槽轮机构、内啮合槽轮机构、空间槽轮机械、六角车床上的槽轮机构、外啮合不完全齿轮机构、内啮合不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构。
2、带传动
平带传动（张紧轮装置）、V带传动、（带定期张紧紧装置、滑道式）、V带传动（带定期张紧装置，摆架式）、V带传动（带的自动张紧装置）、园型带传动（张紧轮装置）、同步带传动、V带轮的结构4种。
3、螺纹联接和螺旋传动
螺纹的牙型（三角形、矩形、梯形、锯齿形）、螺纹的旋向（右旋、左旋）、螺纹的线数，螺距和导程、螺栓联接、双头螺栓联接、螺钉联接、紧定螺钉联接、常用标准螺纹联接件（六角头螺栓、螺柱、螺钉、紧定螺钉、六角螺母、垫圈）、常用的防松方法（弹簧垫圈、对顶螺母、尼龙圈锁紧螺母、槽形螺母和开口销、圆螺母用带翅垫片、止动垫片、冲点法防松、粘合防松、永久防松、串联钢丝）承受横向载荷的减载装置（用减载销、用减载套筒、用减载键）、螺栓承受偏心载荷、凸台与沉头座的应用、斜面垫圈的应用、受横向载荷的螺栓组联接、改善螺纹牙间载荷分布、柔性螺栓、螺母下装弹性元件、金属垫片和密封环密封、螺旋千斤顶、机床刀架进给机构、插管式外循环滚动螺旋。 4、链传动
链传动、齿形链、滚子链、双排滚子链、滚子链接头型式（A 、B 、C ）、链轮结构（A 、B 、C ）、链传动的张紧（A 、B ）。
5、轴和轴毂联接
传动轴、直轴（光轴、阶梯轴、空心轴）、曲轴、挠性钢丝轴、圆螺母定位、弹性档圈固定、紧定螺钉固定、压板轴端固定装置、平键联接、导向平键联接、楔键联接、半圆键联接、花键联接。
6、轴承
滚动体的种类、调心球轴承、调心滚子轴承、
圆锥滚子轴承、推力球轴承、深沟球轴承、角接
触球轴承、圆柱滚子轴承、轴承的直径系列、内
圈轴向固定的常用方法、外圈轴向锁紧方法、全
固式支承、固游式支承、整体式径向滑支轴承、
部分式径向滑动轴承、油孔、油沟。
向心球轴承角接触球轴承角接触滚子轴承推力球轴承
7、其它常用零部件
套筒联轴器、凸缘联轴器、万向联轴器、齿轮联轴器、弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、牙嵌式离合器、磨擦离合器、牙嵌式安全离合器、滚柱式超越离合器、圆截面压缩弹簧、圆截面拉伸、盘簧、板弹簧、圆截面扭转弹簧。
四、思考题
1、带传动中打滑和弹性滑动有什么区别？
2、轴毂连接的方式有那些？
实验三、渐开线直齿圆柱齿轮的参数测定
一、实验目的
1、掌握用常用量具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，加深理解齿轮各参数之间的相互关系和渐开线的性质。
二、实验设备和工具
1、齿轮参数测定箱。
2、游标卡尺和公法线千分尺各一把。
3、计算器。 三、实验原理
1、通过测量齿顶圆直径a d 与齿根圆直径f d
计算出全齿高h ，再用试算法确
定齿轮的m 、*a h 与*c 。
如实4-1图a 所示，偶数齿齿轮的a d 与f d
可直接用游标卡尺测量；如实3-1
图b 所示，奇数齿齿轮的a d 与f d
须间接测量
12a d D H =+，22f d D H =+
则12()/2a f h d d H H =-=-
式中,D 为齿轮内孔直径（mm ）；1H 为齿轮齿顶圆至内孔壁的径向距离（mm ）；
2H 为齿轮齿根圆至内孔壁的径向距离（mm ）。
a )偶数齿齿轮
b )奇数齿齿轮
3-1图齿轮d a 与d f 的测量方法
根据**(2)a h h c m =+，分别将*1a h =、*0.25c =（正常齿）或*0.8a h =、*0.3
c =
（短齿）代入进行试算，所求得的模数
**
/(2)a m h h c =+接近标准值者即为该齿轮的实际模数（一定要圆整成标准值）。 对于变位齿轮，由于**
(2)a h h c m σ=+-,按上述方法确定m 时可能会与标准值差异较大而难以圆整。这时可先假定一个m 的标准值，再根据cos b p m πα=与
后述确定压力角α值结合起来验证。若试算出来的α接近标准值，即可判断该m 值是正确的。
2、通过测量公法线长度求出b p ，进而确定齿轮的压力角α。
按(/9)0.5k z =+，确定被测齿轮的跨齿数k 。如3-2图所示测出跨k 个齿的公法线长度k W '，然后再测出跨k ＋1个齿的公法线长度1k W +'。
3-2图齿轮公法线长度的测量
于是1cos b k k p W W m πα+''=-=
则
1
cos b k k p W W m m αππ+''
-== 1arccos()
k k W W m απ+''
-=
所求得的α值应圆整到标准值，如α=20o，α=15o等。 3、计算出变位系数x 。
因为cos [(0.5)]k W m k zinv απα=-+
cos [(0.5)]2sin k W m k zinv xm απαα'=-++
若测得的k W '与计算出来的k W 相等，则说明0x =，该齿轮为标准齿轮；若k k W W '≠，则
2sin k k W W xm α'-=
2sin k k W W x m α'-=
即可求出被测齿轮的变位系数x 。 四、实验步骤
1、熟悉游标卡尺与公法线千分尺的使用和正确读数方法。
2、数出被测齿轮的齿数并作好记录。
3、测量各齿轮的a d 、f d
、k W '和1k W +'。
m α*
a h *
c x 五、注意事项
1、实验前应检查游标卡尺与公法线千分尺的初读数是否为零，若不为零应设法修正。
2、齿轮被测量的部位应选择在光整无缺陷之处，以免影响测量结果的正确
性。在测量公法线长度时，必须保证卡尺与齿廓渐开线相切，若卡入1k +齿时不能保证这一点，需调整卡入齿数为1k -，而1b k k p W W -''=-。
3、测量齿轮的几何尺寸时，应选择不同位置测量3次，取其平均值作为测量结果。
4、通过实验求出的基本参数m 、α、*
a h 、*
c 必须圆整为标准值。
5、测量的尺寸精确到小数点后第2位。计算x 时取小数点后两位数字。 六、思考题
1、测量偶数与奇数齿齿轮的a d 与
f
d 时，所用的方法有什么不同？为什么？
2、由3－2图可知，齿轮公法线长度的计算公式为(1)k b b W k p s =-+，此公式是依据渐开线的哪条性质推导得到的？
3、影响公法线长度测量精度的因素有哪些？
实验四、渐开线齿轮齿廓的范成
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4-1图所示。
4-1图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）。
4-2图标准渐形线齿轮齿廓的展成过程
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，如实4-2图所示。
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，绘出的齿廓如实3-3图所示。
实3-3图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。
4、在做实验步骤⑤时，应自始至终将滑架从一个极限位沿一个方向逐渐推动直到画出所需的全部齿廓，不得来回推动以免展成仪啮合间隙影响实验结果的精确性。 六、思考题
1、产生根切现象的原因是什么？如何避免？
2、齿廓曲线是否全是渐开线？
3、变位后齿轮的哪些尺寸不变？轮齿尺寸将发生什么变化？
实验五、减速器的拆装及结构分析
一、实验目的
1、通过对减速器的拆装与观察，了解减速器的整体结构、功能及设计布局。
2、通过减速器的结构分析，了解其如何满足功能要求和强度、刚度要求、工艺（加工与装配）要求及润滑与密封等要求。
3、通过对不同类型减速器的分析比较，加深对机械零、部件结构设计的感性认识，为机械零、部件设计打下基础。
二、实验设备和工具
1、单级直齿圆柱齿轮减速器，两级直齿圆柱齿轮减速器，锥齿轮减速器，蜗杆减速器。
2、活动扳手、手锤、铜棒、钢直尺、铅丝、轴承拆卸器、游标卡尺、。
三、实验原理
1、减速器结构
减速器是一种由封闭在箱体内的齿轮、蜗杆蜗轮等传动零件组成的传动装置，装在原动机和工作机之间用来改变轴的转速和转矩，以适应工作机的需要。由于减速器结构紧凑、传动效率高、使用维护方便，因而在工业中应用广泛。
减速器常见类型有以下三种：圆柱齿轮减速器、锥齿轮减速器和蜗杆减速器，分别见5-l图a、b、c所示。
a）单级圆柱齿轮减速器b）锥齿轮减速器c）蜗杆减速器
5-1图减速器的类型
在圆柱齿轮减速器中，按齿轮传动级数可分为单级、两级和多级。蜗杆减速器又可分为蜗杆上置式和蜗杆下置式。
a）展开式b）分流式c）同轴式
5-2图减速器传动布置形式
两级和两级以上的减速器的传动布置形式有展开式、分流式和同轴式三种形式，分别见实5-2图a、b、c所示。展开式用于载荷平稳的场合，分流式用于变载荷的场合，同轴式用于原动机与工作机同轴的特殊的工作场合。
减速器的结构随其类型和要求的不同而异，一般由齿轮、轴、轴承、箱体和附件等组成。5-3图为单级圆柱齿轮减速器的结构图。
箱体为剖分式结构，由箱盖和箱座组成，剖分面通过齿轮轴线平面。箱体应有足够的强度和刚度，除适当的壁厚外，还要在轴承座孔处设加强肋以增加支承刚度。
一般先将箱盖与箱座的剖分面加工平整，合拢后用螺栓联接并以定位销定位，找正后加工轴承孔。对支承同一轴的轴承孔应一次镗出。装配时，在剖分
面上不允许用垫片，否则将不能保
证轴承孔的圆度误差在允许范围
内。
箱盖与箱座用一组螺栓联接。
为保证轴承孔的联接刚度，轴承座
安装螺栓处做出凸台，并使轴承座
孔两侧联接螺栓尽量靠近轴承座
孔。安装螺栓的凸台处应留有扳手
空间。
为便于箱盖与箱座加工及安
装定位，在剖分面的长度方向两端
各有一个定位圆锥销。箱盖上设有
窥视孔，以便观察齿轮或蜗杆蜗轮
的啮合情况。
5-3图单级圆柱齿轮减速器结构图
1—起盖螺钉；2—通气器；3—视孔盖；4—箱盖；
5—吊耳；6—吊钩；7—箱座；8—油标尺；
9—油塞；10—油沟；11—定位销钉。
为拆卸方便，箱盖上设有吊耳或吊环螺，为搬运整台减速器，在箱座上铸有吊钩。
箱座上设有油标尺用来检查箱内油池的油面高度。最低处有放油油塞，以便排净污油和清洗箱体内腔底部。箱座与基座用地脚螺栓联接，地脚螺栓孔端制成沉孔，并留出扳手空间。
2、减速器的润滑与密封
减速器的润滑主要指齿轮与轴承的润滑。减速器需密封的部位很多，可根据不同的工作条件和使用要求选择不同的密封结构。轴伸出端的密封和轴承靠箱体内侧的密封见第17章。箱体接合面的密封通常于装配时在箱体接合面上涂密封