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机械设计基础课程实验
1 课程实验概述
机械设计基础课程实验是本课程重要的实践教学环节之一
通过实验，使学生熟悉一些与本课程有关的实验设备、掌握最基础的机械设计实验方法及实验的基本技能
培养认真细致、一丝不苟的工作作风，提高观察问题、分析问题和解决问题的能力
并对本课程的基本概念、基本理论起到巩固和加深的作用，为学习后续课程及今后从事技术工作打下必要的基础
实验项目如下：
实验1 平面机构运动简图的绘制与分析
实验2 渐开线齿廓的范成原理
实验3 齿轮基本参数的测定
实验4 减速器拆装
在做实验之前，学生要认真预习课程实验指导书的相关内容，并复习与实验有关的教学内容，为完成实验作好充分准备
实验后，学生必须写出实验报告
2 课程实验示例
图1(a)所示为某冲床的主体传动机构，要求绘制该机构的运动简图
（a） （b）
图1冲床的主体传动机构
首先分析机构的结构及运动特征
通过动力输入构件或转动手柄，使机构缓慢地运动
循着传动路线仔细观察机构的运动，判断机构中哪些构件是原动件，哪些构件是连接构件、输出构件及固定构件等，同时确定构件的数目
并依次判断相邻两构件之间组成运动副的类别，确定哪些是转动副、移动副及哪些是高副
由图1(a)可知该机构由偏心轮1、滑块2、冲头3与机架4所组成
偏心轮1是机构的原动件，绕固定轴线定轴转动；冲头3为输出构件，在垂直方向往复移动；滑块2是连接构件，作曲线平动
偏心轮1与机架组成固定转动副O1；同时偏心轮1又与滑块2组成转动副A；冲头3与滑块2组成水平的方向的移动副；且冲头3与机架4又组成垂直方向的移动副
再绘制机构的运动简图
选定投影面及适当的比例尺μL，测量构件的有关尺寸，用规定的线条和符号画出运动副及构件，并在构件旁标注数字，在运动副旁标注字母，在原动件上标注箭头
绘图时，取比例尺μL=4，冲头3可简化为T字型构件，而偏心轮1可简化为杆件O1A
将原动件画在一般位置上(相对于a图顺时针方向转过约90°)
同时还应注意各构件之间的相对位置，O1A的距离为偏心距e、构件3垂直方向的导路通过O1点
绘出如图8-1(b)所示的机构运动简图
最后，利用机构自由度计算公式 F=3n?2PL?PH 求出机构的自由度，并分析机构运动的确定性
在该机构中，活动构件的数目n=3，低副的数目PL=4，高副的数目PH=0
，将上面的数值代入机构自由度计算公式可得
F=3n?2PL?PH =3×3?2×4?0=1
由于原动件数目为1，且机构的自由度数与原动件数目相同，所以该机构的运动确定
3 课程实验指导
3.1 平面机构运动简图的绘制与分析
1. 实验目的
(1) 初步掌握绘制平面机构运动简图的方法和技能，并能正确表达有关机构、运动副及构件
(2) 掌握用平面机构自由度的计算方法，分析机构运动的确定性
2. 实验设备和工具
(1) 各种典型机构、机械的实物或模型；
(2) 钢板尺、钢卷尺、内卡钳、外卡钳、量角器；
(3) 学生自带下列实验用品：纸、笔、圆规、橡皮等文具
3. 实验步骤
(1) 观察机构的运动并确定构件数
首先找出机构中的原动件，通过动力输入构件或转动手柄，使被测绘的机构或机器(或模型)缓慢地运动，循着运动的传递路线仔细观察并判断哪些为连接构件、工作构件、固定构件等，同时确定构件的数目
(2) 判别各构件之间运动副的类别
按照运动的传递路线，根据两构件的接触情况及相对运动的特点，依次判断相邻两构件之间组成运动副的类别，确定哪些是转动副、移动副及哪些是高副
(3) 绘制平面机构的示意图
正确选择投影面，将原动件放在一般位置上，按照运动的传递路线及代表运动副、构件的规定符号绘制出机构运动的示意图，并对机构中的每一构件进行编号，在构件旁标注数字1、2、3...，在运动副旁标注字母A，B，C...，在原动件上标注箭头
绘制机构示意图可供定性分析机构运动特征时使用，也可为正确绘制机构运动简图作好准备
(4) 测量与机构运动有关的尺寸并按比例绘制平面机构的运动简图
仔细测量与机构运动有关的尺寸，包括转动副间的中心距、移动副导路的位置或角度等
选择适当的比例尺μL，按比例确定各运动副之间的相对位置，并以简单的线条和规定的运动副符号，正确绘出机构运动简图
(5) 计算机构的自由度
平面机构自由度F的计算公式为：
F=3n?2PL?PH
式中：n为活动构件的数目，PL为低副数目，PH为高副数目
(6) 分析机构运动的确定性
将计算得到的机构自由度数与所测绘机构的原动件数比较，两者应相等
若与实际情况不符，要找出原因及时改正
4. 实验报告要求与格式
(1) 所测绘的简图中，至少有一张运动简图要按比例绘制
(2) 实验报告格式附后，见4.1
3.2 渐开线齿廓的范成原理
1. 实验目的
(1) 了解用范成法加工渐开线齿轮
齿廓的原理；
(2) 了解用上述方法加工时，齿廓产生根切现象的原因及避免根切的方法；
(3) 分析比较标准齿轮和变位齿轮齿形和几何尺寸的异同点
2. 设备和工具
(1) 齿轮范成仪；
(2) 学生自备绘图纸、圆规、三角板、剪刀、铅笔（或圆珠笔）、计算器
3. 实验内容
用渐开线齿轮范成仪进行范成实验，模拟用范成法加工渐开线标准齿轮和变位齿轮齿廓的过程，在图纸上各绘出2~3个完整的齿形
4. 实验原理
范成法是根据渐开线齿轮与齿条（或一对渐开线齿轮）相互啮合时，其共轭齿廓互为包络线的原理来切制齿轮的一种方法
如果把其中的齿条（或一个齿轮）作成刀具，另一个齿轮当作齿坯，使两者作纯滚动，则在各个不同位置上，刀刃轮廓线在齿坯上所依次占据的位置线就会形成包络线，这种在齿坯上形成的包络线就是渐开线齿廓
为了能清楚地观察到刀刃相对齿坯的各个位置形成包络线的过程，了解用范成法加工形成渐开线齿廓的原理，通常用齿轮范成仪模拟进行实验
范成仪的结构型式较多，图2所示的是用钢丝传动的渐开线齿轮范成仪
图2渐开线齿轮范成仪
代表齿坯的圆形绘图纸，被用压板8固定在托盘1上，托盘1绕O点定轴转动
滑架4安装在机架3的水平导向槽中，齿条刀具2安装在滑架4的径向导向槽中，它可上下调节，并用锁紧螺母5固定滑架4上，齿条刀具2随滑架4在水平方向移动
钢丝7被绕在托盘1背面代表分度圆的凹槽内（齿坯分度圆：图中虚线大圆弧），并且两端被用螺钉6固定在滑架4的节线上（齿条刀具2的节线），以保证齿坯与刀具作纯滚动
通过调节齿条刀具相对齿坯的径向位置，可以模拟用范成法加工标准齿轮和变位齿轮的齿廓
5. 实验步骤
(1) 根据指导教师给出的齿轮参数，计算并在绘图纸上绘出标准齿轮的齿根圆、基圆、分度圆、齿顶圆和变位齿轮的齿根圆、齿顶圆（变位系数x值由指导教师给出或者按不根切的最小变位系数确定）
用剪刀沿比齿顶圆稍大一些的圆周剪下得到齿坯
(2) 绘制标准齿轮齿廓
① 将齿坯安装到托盘1上，注意两者圆心重合
② 调整齿条刀具2的径向位置，使刀具中线与齿坯分度圆相切
③ 将齿条刀具推至左（或右）极限位置，用笔在齿坯上画出齿条刀具的齿廓线，然后向右（或向左）每次移动刀具约3~5mm画一次刀具齿廓线，直到绘出2至3个完整的齿廓为止
这些齿廓线所形成的包络线即为标准渐开线齿轮的齿廓，如图3所示
图3范成绘制出的标准齿轮
(3) 绘制变位齿轮齿廓
① 将齿坯取下，相对于托盘1转动大约180°
，重新安装固定齿坯
② 调整刀具的径向位置，使齿条刀具中线在相对于绘制标准齿轮时的位置，向远离齿坯中心的方向移动一段距离xm（正变位）
③ 按绘制标准齿轮齿廓的步骤，绘出有2至3个完整齿的变位齿轮齿廓
图3为绘制出的正变位齿轮
图4范成绘制出的变位齿轮
④ 观察绘得的齿廓并与标准齿轮的齿廓作对照和分析
6. 实验报告格式及要求
(1) 实验报告格式见4.2
(2) 要求填写实验报告单，并将其与所绘制的齿廓图签名后一起交指导教师
3.3 渐开线齿轮基本参数的测定
1. 实验目的
掌握用简单量具测量渐开线标准直齿圆柱齿轮基本参数的方法
加深理解渐开线的性质，熟悉齿轮各部分几何尺寸及与基本参数之间的相互关系
2. 实验用具
(1) 待测量齿轮两个：选用两个模数制正常齿的渐开线标准直齿圆柱齿轮(ha*=1
c*=0.25)，其中一个齿轮的齿数为偶数，另一个齿轮的齿数为奇数
(2) 实验量具：精度为0.02mm的游标卡尺及公法线千分尺
(3) 学生自备纸、笔、计算器等文具
3. 实验步骤
(1) 确定齿轮的齿数z
数出待测齿轮的齿数z
(2) 确定齿轮齿顶圆直径da和齿根圆直径df
齿轮齿顶圆直径da和齿根圆直径df可用游标卡尺测出
为了减少测量误差，同一测量值应在不同位置上测量三次，然后取其算术平均数
当齿轮齿数为偶数时，da和df可用游标卡尺在待测齿轮上直接测出
当待测齿轮齿数为奇数时，da和df必须采用间接测量的方法，如图5所示
先测出齿轮内孔直径D，然后分别量出孔壁到某一齿顶的距离H1和孔壁到某一齿根的距离H2
图5奇数齿轮的测量
由此可按下式计算da和df：
da=D+2 H1
df=D+2 H2
(3) 计算全齿高h
偶数齿轮：h= (da ?df) /2
奇数齿轮：h= H1? H2
(4) 计算齿轮模数m
由h=(2 ha*+ c*)m得
m=h/(2 ha*+ c*)=h/2.25
(5) 用测量公法线长度的办法确定齿轮的基本参数
如果被测量齿轮齿顶圆的精度较低时，可采用测量公法线长度的办法确定齿轮的基本参数：如模数m及压力角α等，测量时应先按齿轮的齿数确定跨测齿数k，见表8-1
表1跨测齿数k与齿轮的齿数对照表
z
12~18
19~27
28~36
37~45
46~54
55~63
64~72
73~81
k
2
3
4
5
6
7
8
9 测出公法线长度Wk和Wk+1后，先求出基节pb= Wk+1? Wk，再根据pb=πmcosα或由基节表确定该齿轮的模数m和齿形角α
4. 实验报告格式及要求
(1) 实验报告格式见4.3
(2) 由于齿轮制造时有误差，加之量具及测量均有误差，所以根据前述公式计算出模数m后，应将其与标准模数表对照，确
定出齿轮的实际模数
3.4 减速器拆装
1. 实验目的
(1) 熟悉减速器的基本结构，了解各部分零件的作用；
(2) 了解减速器的装配关系及安装、调整方法
了解减速器的润滑、密封；
(3) 掌握减速器基本参数的测定方法
2. 实验内容
(1) 按程序拆装一种减速器，分析减速器的结构及各零件的功用
(2) 测量并计算所拆减速器的主要参数，绘制其传动示意图
(3) 测量减速器传动副的接触精度和齿侧间隙；测量轴承的轴向间隙
(4) 分析轴系部件的结构、周向和轴向定位、固定及调整方法
3. 实验设备和用具
实验设备为单级或二级齿轮减速器；
实验用具采用钢板尺、内卡钳、外卡钳、游标卡尺、百分表及表架、扳手、轴承拆卸器、红铅油、铅丝等
4. 实验步骤
(1) 观察减速器的外部形状，判断传动方式、级数、输入输出轴等，测出外廓尺寸、中心距及中心高等
(2) 测量轴承的轴向间隙
固定好百分表，用手推动轴至一端，然后再推动至另一端，百分表所指示的量即为轴承轴向间隙的大小
(3) 拧开箱盖与机座联接螺栓及轴承盖螺钉（嵌入式轴承盖除外），拨出定位销，借助起盖螺钉打开箱盖
(4) 边拆卸边观察分析
① 箱体的结构形状；
② 轴系的定位及固定；
③ 轴上零件的轴向和周向定位及固定方法；
④ 传动零件所受的轴向力和径向力向箱体传递的路线；
⑤ 调整轴承间隙的结构形式；
⑥ 润滑与密封方式；
⑦ 箱体附件（如通气器、油标、油塞、起盖螺钉、定位销等）的结构特点、位置和作用；
⑧ 零件的材料等
(5) 根据所拆减速器的种类，画出传动示意图，测定减速器的主要参数（如齿数、传动比、模数等）
(6) 将所拆减速器的每个零件清理干净，再将装好的轴系部件装到机座原位置上
(7) 齿侧间隙jn的测量
将直径稍大于齿侧间隙的铅丝（或铅片），插入相互啮合的轮齿之间，转动齿轮，辗压轮齿之间的铅丝，齿侧间隙等于铅丝变形部分最薄的厚度
用千分尺或游标卡尺可测出其厚度大小
(8) 齿轮接触精度的测量
接触精度通常用接触斑点大小与齿面大小的百分比来表示
在主动齿轮的2~4个轮齿上均匀地涂上一薄层红铅油，用手转动主动齿轮，则从动齿轮齿面上将印出接触斑点
观察接触斑点的大小与位置，画出示意图，并分别求出齿高及齿长方向接触斑点的百分数
齿长方向接触斑点的百分数为：沿齿长方向接触痕迹的长度b〞减去超过模数值的断开部分c与工作
长度b′之比，即（b〞-c）/ b′×100%；齿高方向接触斑点的百分数为：沿齿高方向接触痕迹的平均高度h〞与工作高度h′之比，即h〞/h′×100%
（接触斑点的测定可参考有关文献）
(9) 将减速器装配复原
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