机械设计综合实验指导书及实验报告

机械设计综合实验指导书及实验报告武宁宁2013年10月第一章机械设计结构展示、分析与研究实验机械设计结构展示、分析与研究实验是分析机械结构的基本实验，它是了解机械发展历史、提高机械结构设计能力以及进行机械结构创新性设计的重要实践基础。“机械设计结构展示、分析与研究实验”包括机械发展史、机械设计结构展示与分析、2大基本模块，根据实验要求不同又分为感知(认知)型实验、基本型2种类型。实实验一机械设计结构展示与分析实验(基本型)一、实验目的(1)了解常用联接件、轴系零部件的类型和结构，掌握其特点与应用。(2)了解常用机械传动的类型、工作原理、组成结构及失效形式。(3)了解常用润滑剂及密封装置的类型、工作原理和组成结构。(4)观察了解机械零部件的工作原理，加深与扩展理论教学内容。(5)观察了解机械零件的失效形式，掌握机械设计的基本准则。二、实验内容与要求1．常用联接件、轴系零部件(1)了解螺纹联接、键联接、花键联接、销联接的常用类型、结构形式、工作原理、受力情况、装配方式、防松原理及方法、失效形式及应用场合等。(2)了解轴、轴承、联轴器与离合器等轴系零部件的类型、结构特点、工作原理、装配型式、常用材料、失效形式及应用场合等。2．机械传动(1)了解各种带传动的类型、结构特点、工作原理、运动特性、张紧方法及失效形式等。(2)了解齿轮传动的类型、常用材料、加工原理、结构形式、工作原理、受力分析及失效形式等。(3)了解蜗杆传动的类型、常用材料、结构形式、工作原理、受力分析、自锁现象及失效形式等。(4)了解链传动的类型、结构形式、工作原理、运动特性及失效形式等。(5)了解螺旋传动的类型、结构形式、工作原理、运动特性及失效形式等。(6)了解摩擦轮传动的类型、结构形式、工作原理、运动特性及失效形式等。3．润滑剂及密封装置(1)了解润滑剂的类型、功用性能参数及应用场合等。(2)了解润滑装置的类型、功用及应用场合等。三、实验装置实验装置采用青岛理工大学临沂校区机械基础实验教学示范中心机械展示厅陈列的机械设计陈列柜及实验示范中心配备的各种零部件、机械装置、现代机械产品：①联接件；②轴；③滚动轴承；④滑动轴承；⑤润滑与密封；⑥联轴器与离合器；⑦带传动；⑧齿轮传动；⑨蜗杆传动；⑩链传动；⑩螺旋传动；⑥现代机械等。四、实验原理1．常用联接件、轴系零部件(1)联接及联接件。机械是由各种不同的零件按一定的方式联接而成的。根据使用、结构、制造、装配、维修和运输等方面的要求，组成机器的各零件之间采用了各种不同的联接方式。机械联接按照机械工作时被联接件间的运动关系，分为动联接和静联接两大类。被联接件间能按一定运动形式作相对运动的联接称为动联接，如花键、螺旋传动等；被联接件间相互固定、不能作相对运动的联接称为静联接，如螺纹联接、普通平键联接等。按照联接件拆开的情况不同，联接分为可拆联接和不可拆联接。允许多次装拆无损于使用性能的联接称为可拆联接，如螺纹联接、键联接和销联接等；必须破坏联接中的某一部分才能拆开的联接称为不可拆联接，如焊接、铆接和粘接等。按照传递载荷的工作原理不同，联接又可分为力闭合(摩擦)、形闭合(非摩擦)和材料锁合的联接形式。力闭合(摩擦)联接靠联接中配合面间的作用力(摩擦力)来传递载荷，如受拉螺栓、过盈联接等；形闭合(非摩擦)联接通过联接中零件的几何形状的相互嵌合来传递载荷，如平键联接等；材料锁合联接利用附加材料分子间作用来传递载荷，如粘接、焊接等。①螺纹联接。螺纹联接是利用螺纹零件构成的一种应用极为广泛的可拆联接。根据螺纹牙的形状，螺纹可分为矩形、梯形、三角形和锯齿形等。根据螺旋线的绕行方向，螺纹可分为左旋螺纹和右旋螺纹两种。在机械中一般采用右旋螺纹。根据螺旋线的数目，螺纹又可分为单线螺纹和多线螺纹。单线螺纹常用于联接，多线螺纹常用于传动。根据螺纹分布的位置，螺纹可分为外螺纹和内螺纹。内、外螺纹旋合组成的运动副称为螺纹(螺旋)副。螺纹(螺旋)副的效率为：)tan(tanv式中，A为螺纹的升角}。』D。为当量摩擦角。螺纹(螺旋)副的自锁条件为：v螺纹联接件多为标准件，常用的有螺栓、双头螺柱、螺钉和紧定螺钉等。螺纹联接的防松措施按防松原理分为摩擦防松、机械防松、粘合防松和破坏螺纹副关系防松等方式。②键联接。键联接由键、轴与轮毂所组成，主要用来实现轴与轴上零件(如齿轮、联轴器等)之间的周向固定，以传递转矩；其中，有些键联接还能实现轴向固定以传递轴向载荷；有些则能构成轴向动联接。键联接是标准件，其主要类型有：平键、半圆键、楔键和切向键等几大类。③花键联接。花键联接是由周向均布多个键齿的花键轴和具有相应键齿槽的轮毂孔相配合而组成的可拆联接。花键联接为多齿工作，工作面为齿侧面，其承载能力高，对中性和导向性能好，对轴和毂的强度削弱小，适用于载荷较大、对中性要求较高的静联接和动联接。花键联接按其齿的形状不同，常用的有矩形花键和渐开线花键两种。两者均已标准化。④销联接。销联接主要用作装配定位，也可用作联接(传递不大的载荷)、防松以及安全装置中的过载剪断元件。常用的销联接类型有：圆柱销、圆锥销、销轴、带孔销、开口销和安全销等，其均已标准化。(2)轴系零部件。①轴。轴主要用于支承做回转运动的零件，传递运动和动力，同时又受轴承支承，是机械中必不可少的重要零件。根据所受的载荷的不同，轴可分为转轴(同时承受弯矩和转矩)、心轴(只承受弯曲，不传递转矩)和传动轴(主要承受转矩；不承受或只承受较小弯矩)3类。根据轴线形状的不同，轴还可分为直轴、曲轴和软轴。直轴应用最广，它包括外径相同的光轴和各段直径变化的阶梯轴。②轴承。轴承是支承轴颈的部件，有时也用来支承轴上的回转零件。根据轴承工作时的摩擦性质，轴承可分为滑动轴承和滚动轴承两类。◆滑动轴承滑动轴承工作时的摩擦性质为滑动摩擦，组成其摩擦副的运动形式为相对滑动，因此摩擦、磨损就成为滑动轴承中的主要问题。为了减小摩擦、减轻磨损，通常应采用润滑手段。根据润滑情况，滑动轴承分为完全润滑(液体摩擦)轴承和非完全润滑(非液体摩擦)轴承两大类。滑动轴承的结构主要有整体式、剖分式和调位式等。轴瓦是滑动轴承中直接与轴颈接触的零件，其工作表面既是承载面又是摩擦面，是滑动轴承的核心零件。轴承衬是为改善轴瓦表面的摩擦性质和节省贵金属而在其内表面上浇注的减摩材料。轴瓦的主要失效形式是磨损和胶合，此外还有疲劳破坏、腐蚀等。轴瓦和轴承衬的材料统称为轴承材料。常用的轴承材料为：轴承合金(巴氏合金)、青铜、多孔质金属、铸铁、塑料等。◆滚动轴承滚动轴承工作时的摩擦性质为滚动摩擦，具有摩擦阻力较小、启动灵活、效率高、组合简单、运转精度较高、润滑和密封方便、易于互换、使用及维护方便等优点，在中速、中载和在一般工作条件下运转的机械中应用广泛。滚动轴承是标准件，其通常由外圈、内圈、滚动体和保持架构成。滚动体是滚动轴承的核心元件，其主要类型有球、圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子和滚针等。滚动轴承的主要失效形式是点蚀、塑性变形和磨损，此外还有电腐蚀、锈蚀、元件破裂等。③联轴器与离合器。◆联轴器联轴器是联接两轴使之一起回转并传递转矩的部件，其特点是只有在机器停机后用拆卸的方法才能实现两轴分离。联轴器的类型较多，部分已标准化。联轴器按内部是否包含弹性元件可分为刚性联轴器和弹性联轴器；按被联接两轴的相对位置及其变动情况又可分为固定式联轴器和可移式联轴器。常用的刚性固定式联轴器有凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等；常用的刚性可移式联轴器有牙嵌联轴器、齿式联轴器、滚子链联轴器、滑块联轴器和万向联轴器等。常用的弹性联轴器有弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、弹性柱销齿式联轴器、梅花形弹性联轴器、轮胎式联轴器、蛇形弹簧联轴器、簧片联轴器和弹簧联轴器等。◆离合器离合器是实现两轴的联接并传递运动及转矩的部件，其特点是在机器运转中可根据需要随时将两轴分离或结合。离合器的类型较多，根据离合方法不同可分为操纵离合器和自动离合器两大类；根据操纵方法不同又分为机械操纵离合器和液压操纵离合器、气压操纵离合器和电磁操纵离合器；根据离合件的工作原理分为嵌合式离合器和摩擦式离合器。常用的操纵离合器有牙嵌式离合器、齿式离合器、销式离合器、圆盘摩擦离合器、圆锥摩擦离合器和磁粉离合器等。常用的自动离合器有安全离合器、离心离合器以及超越离合器等。2．机械传动传动装置作为将动力机的运动和动力，传递或变换到工作机的中间环节，是大多数机器不可缺少的主要组成部分。常用的机械传动类型有带传动、齿轮传动、蜗杆传动、链传动、螺旋传动和摩擦轮传动等。(1)带传动。带传动是在两个或多个带轮间用带作为挠性拉曳元件的传动，工作时借助带与带轮间的摩擦力或啮合来传递运动或动力j带传动一般由主动带轮、从动带轮和传动带轮组成。根据工作原理不同，带传动可分为摩擦带传动和啮合带传动。根据带的截面形状不同，摩擦带传动可分为平带传动、V带传动、圆带传动和多楔带传动等。平带传动结构简单，传动效率较高，带轮也容易制造，在传动中心距较大的场合应用较多；V带传动是应用最广的带传动，在同样的张紧力下，V带传动较平带传动能产生更大的摩擦力；圆带传动的牵引能力较小，常用于仪器及低速、轻载、小功率的机器中；多楔带传动兼有平带和V带传动的优点，工作接触面数多、摩擦力大、柔韧性好，用于结构紧凑而传递功率较大的场合。摩擦带传动具有结构简单、运转平稳、无冲击和噪声、缓冲吸振、过载保护、不能保持准确的传动比(存在弹性滑动)、效率较低、压轴力较大、制造安装方便、成本低、适于远距离传动等特点。摩擦带传动的主要失效形式是带的磨损、疲劳破坏和打滑。啮合带传动依靠带的凸齿与带轮外缘上齿槽的啮合，传递运动和动力。同步带传动属于啮合带传动。同步带传动有梯形齿和圆弧齿两类，其兼有带传动和齿轮传动的优点，传动效率高、吸振、传动比准确，在汽车、机电工业中广泛应用。(2)齿轮传动。齿轮传动是靠主动轮与从动轮轮齿之间的相互啮合来传动的，具有适用范围广、瞬时传动比准确、结构紧凑、传动效率高、可传递任意两轴间的运动和动力、工作可靠、寿命长、制造费用较高、不适于中心距大的场合等特点，是机械传动中应用最广泛的一种传动形式。用于平行轴的齿轮传动类型有：外啮合直齿圆柱齿轮传动、外啮合斜齿圆柱齿轮传动、外啮合人字齿圆柱齿轮传动、齿轮齿条传动、内啮合圆柱齿轮传动。用于相交轴的齿轮传动类型有：直齿锥齿轮传动、斜齿锥齿轮传动、曲齿锥齿轮传动。用于交错轴的齿轮传动类型有：交错轴斜齿轮传动、准双曲面齿轮传动。齿轮传动的失效形式：轮齿折断、齿面接触疲劳磨损(齿面点蚀)、齿面胶合、齿面磨粒磨损、齿面塑性流动等。齿轮的常用材料及其热处理方式：制造齿轮最常用的材料是钢(锻钢、铸钢等)，钢的品种很多，且可通过各种热处理方式获得适合工作要求的综合性能。其次是铸铁、有色金属及非金属材料(塑料尼龙等)；常用的热处理方法有整体淬火、表面淬火、渗碳淬火、氮化处理及正火和调质等。(3)蜗杆传动。蜗杆传动用于传递交错轴之间的运动和动力，通常两轴在空间是相互垂直的。传动中一般常以蜗杆为主动件。蜗杆传动具有结构紧凑、重量轻、噪音小、工作平稳(兼有斜齿轮与螺旋传动的优点)、冲击振动小、传动比大且准确、可以实现自锁、滑动速度较大、效率较低、制造成本较高、加工较困难等特点，广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造部门中。根据蜗杆形状不同，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动3类。圆柱蜗杆又可分为阿基米德蜗杆(ZA型)、渐开线蜗杆(ZI型)、法向直廓蜗杆(ZN型)等多种类型。蜗杆传动的失效形式：齿面接触疲劳磨损(齿面点蚀)、齿面胶合、齿面磨粒磨损、轮齿折断等。在一般情况下蜗轮的强度较弱，失效主要发生在蜗轮上。又由于蜗杆与蜗轮之间的相对滑动速度较大，更容易产生胶合和磨损。蜗杆传动的常用材料及其热处理方式：制造蜗杆的常用材料为碳钢和合金钢，热处理方式首选淬火或调质(缺少磨削设备时)。制造蜗轮；(齿冠部分)的常用材料为铸锡青铜、铸铝青铜、铸铝黄铜及灰铸铁和球墨铸铁等。(4)链传动。链传动是在两个或多个链轮之