普通高等教育“十一五”国家级规划教材

    机械原理与机械设计实验指导

    朱聘和 王庆九 汪久根 洪玉芳 朱新杰 编内容简介

    机械设计实验教学是机构人才培养的环节，本实验指导教材是基于

    浙江大学国家级机构工程试验教学示范中心的实验教学体系，并在总结

    和借鉴多年实验教学和实验指导资料的基础上面编写的。

    教材内容主要涉及“机械原理”﹑“机械设计”﹑“机械设计基

    础”这三门机械基础课，同时也加入部分综合与创新类实验。本教材是

    本科生的实验指导书，适用于机械类及近机类相关专业的学生。

    图书在版编目(CIP)数据

    机械原理与机械设计实验指导朱聘和等编，—杭州；浙江大学出

    版社2010.6，ISBN 978-7-308-07605-0

    Ⅰ.①机… Ⅱ.①朱… Ⅲ.①机构学—实验—高等学校—教学

    参看资料②机械设—实验—高等学校—教学参看资料计 Ⅳ.①TH111-

    33②TH122-33

    中国版本图书馆CIP数据核心(2010)第095157号

    机械原理与机械设计实验指导

    朱聘和 王庆九 汪久根 洪玉芳 朱新杰 编

    责任编辑 张 真

    封面设计 刘依群

    出版发行 浙江大学出版社

    (杭州市天目山路148号邮政编码310007)

    (网址：http:www.zjupress.com)

    排 版 杭州好友排版工作室

    印 刷 杭州杭新印务有限公司开 本 787mm×1092mm 16

    印 张 8.5

    字 数 207千

    版 印 次 2010年6月第1版 2010年6月第1次印刷

    印 数 0001-2054

    书 号 ISBN 978-7-308-07605-0

    定 价 20.00元

    版权所有 翻版必究 印装差错 负责调换

    浙江大学出版社发行部邮购电话(0571)88925591前 言

    机械设计类课程在机械类、近机类专业人才培养过程中占有十分重

    要的地位。与此类课程有关的实验教学对理论知识的理解、实验手段与

    方法的掌握及创新意识的培养有着不可替代的作用。

    本教材的内容主要针对“机械原理”、“机械设计”、“机械设计

    基础”课程实验教学需要，结合浙江大学国家级机械工程实验教学示范

    中心的实验教学体系而编写。

    本教材在内容和编写上有如下特点：

    1.在实验导论章节中讲述了实验中常用的基本知识，希望学生能对

    实验过程、机械量的获取、实验数据处理等有个初步的了解。

    2.对每个实验的背景理论知识作了介绍，以便学生更深一步了解实

    验的目的，更好地把握实验过程。

    3.每个实验都提供了参考文献与思考题，便于学生进一步学习。

    参加本书编写的有：朱聘和(第一章及第三章3-5节)、王庆九

    (第二章2-1～2-7节及第四章4-1节)、洪玉芳(第三章3-1、3-4、3-

    6、3-7节及第四章4-3节)、汪久根(第三章3-2、3-3节及第四章4-4

    节)、朱新杰(第四章4-2、4-5节)。全书由朱聘和统稿。

    本教材在钱向勇主编的《机械原理与机械设计实验指导书》的基础

    上，结合实验教学改革重新编写。编写过程中参考了其他同类教材、资

    料及文献，在此一并表示感谢。

    由于编者水平有限，书中缺点和错误难免，敬请读者指正。

    编 者

    2009年10月目 录

    前 言

    第一章 实验导论

    第二章 机械几何参数与运动参数类实验

    §2-1 机构运动简图测绘分析实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、实验设备和工具

    五、实验步骤

    六、注意事项

    七、实验结果及思考题

    八、供进一步探讨的参考文献

    §2-2 渐开线齿轮几何参数测定实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、实验设备五、实验步骤

    六、实验数据记录及计算

    七、思考题

    八、供进一步探讨的参考文献

    §2-3 渐开线齿轮范成原理实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、实验设备和工具

    五、实验步骤

    六、注意事项

    七、实验结果及思考题

    八、供进一步探讨的参考文献

    附：齿条传动式齿轮范成仪实验

    §2-4 机构组合运动参数测定实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验设备

    四、实验系统框图五、实验步骤

    六、参数测试步骤

    七、讨论题

    八、供进一步探讨的参考文献

    §2-5 回转件动平衡实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、实验设备及工作原理

    五、实验步骤

    六、记录实验参数及结果

    七、思考题

    八、供进一步探讨的参考文献

    §2-6 凸轮廓线检测实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、实验设备

    五、实验步骤六、实验结果

    七、思考题

    八、供进一步探讨的参考文献

    §2-7 机组运转及飞轮调节实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、实验设备

    五、实验步骤

    六、说明与注意事项

    七、实验数据

    八、思考题

    九、供进一步探讨的参考文献

    第三章 机械工作能力与结构类实验

    §3-1 带传动性能实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、实验台结构及工作原理五、实验步骤及注意事项

    六、实验结果及分析

    七、分析思考题

    八、供进一步探讨的参考文献

    §3-2 链与万向节传动性能实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、实验台的结构与工作原理

    五、实验步骤及注意事项

    六、实验结果及分析

    七、思考题

    八、供进一步探讨的参考文献

    §3-3 封闭功率流式齿轮传动效率实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、实验台的结构与工作原理

    五、实验步骤及注意事项六、实验结果及分析

    七、思考题

    八、供进一步探讨的参考文献

    §3-4 液体动压径向滑动轴承实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、实验台的结构与工作原理

    五、实验步骤及注意事项

    六、实验结果分析

    七、分析思考题

    八、供进一步探讨的参考文献

    §3-5 滚动轴承载荷分布实验

    一、实验问题的提出

    二、实验内容

    三、实验设备

    四、实验步骤及注意事项

    五、实验结果分析

    六、思考题七、供进一步探讨的参考文献

    §3-6 轴系结构分析设计实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、实验装置

    五、实验步骤及注意事项

    六、实验结果及分析

    七、分析思考题

    八、供进一步探讨的参考文献

    §3-7 减速器装拆及结构分析实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、实验装置结构及工作原理

    五、实验步骤及注意事项

    六、实验报告与实验结果分析

    七、分析思考题

    八、供进一步探讨的参考文献第四章 综合与创新型实验

    §4-1 机构组合创新设计平台实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、机构创新设计平台的基本组件

    五、实验方法与步骤

    六、实验注意事项

    七、实验总结

    八、提高部分(选做)：

    九、供进一步探讨的参考文献

    §4-2 慧鱼机器人创新设计实验

    一、实验问题的提出

    二、实验内容

    三、实验设备

    四、实验步骤及注意事项

    五、实验结果分析

    六、思考题

    七、供进一步探讨的参考文献§4-3 机械传动综合设计实验

    一、实验问题的提出

    二、实验目的

    三、实验原理

    四、实验台结构及工作原理

    五、实验步骤及注意事项

    六、实验结果及分析

    七、分析思考题

    八、供进一步探讨的参考文献

    §4-4 机械零件材料的摩擦、磨损与润滑实验

    一、概述

    二、摩擦副在机械工程的应用

    三、耐磨损、润滑设计原理

    四、磨损、润滑参数测试

    五、立式万能摩擦磨损试验机

    六、实验方法与步骤

    七、实验研究结果示例

    八、学生自编实验报告

    九、供进一步探讨的参考文献§4-5 机械手运动控制实验

    一、实验问题的提出

    二、实验内容

    三、实验设备

    四、实验步骤及注意事项

    五、实验结果分析

    六、思考题

    七、供进一步探讨的参考文献第一章 实验导论

    机械工程是国家建设发展的支柱学科，“机械设计”、“机械原

    理”是重要的机械基础理论课程，针对近机类和部分非机类专业开设

    的“机械设计基础”课程也被认为是重要的技术基础课。这些课程既有

    系统的理论知识体系，又有很强的工程应用背景。与这些课程关联的实

    验教学对学生更好地理解理论知识、提高实验技能、培养创新意识等都

    有重要的意义。随着对实验教学的日益重视，实验教学不再认为是理论

    学习的附属，而是与理论学习同等重要的实践能力的培养环节，对工科

    学生来说尤为如此。

    一、如何进行实验

    科学发展的历史表明，许多伟大发现、发明的产生大都来自实验

    室。据统计，全世界诺贝尔奖获得者72%都是在实验中做出贡献而获此

    殊荣的。理论知识需要通过实践检验，而实验往往又能产生新的理论。

    在机械基础类实验中，我们可以把实验分为三个层次：即第一层次的基

    本实验，这是每个学生必做的，通常为了验证理论知识；第二层次的分

    析和综合实验，难度比基本实验略有提高，目的是提高学生的动手能力

    和解决问题的能力，可以是必做或选做；第三层次的设计和创新实验，目的是进一步提高学生的综合能力，鼓励学生大胆创新，勇于探索，培

    养初步开展科学研究的能力。这部分实验可以用选修课的形式或课外科

    技活动的形式来进行。

    一个合格的现代科技人才，不仅要掌握一定的知识，更重要的是具

    有科学的思维方法，具备不断地获取新知识和对未知问题进行研究的能

    力。因此，在实验过程中，我们不仅要按照实验步骤完成实验，同时也

    要思考为什么要采用这样的实验装置和实验方法，有没有比这更好的实

    验方法，实验装置是否可以设计的更合理些等问题。特别是实验中出现

    的一些现象或数据与理论有差异时，应大胆地提出自己的观点与指导教

    师探讨。

    由于实验的学时十分有限，往往一个实验必须在较短的时间内完

    成。所以要求学生提前预习实验内容，在做实验前应初步了解本次实验的设备仪器、实验的目的及相关的理论知识，以便取得更好的实验效

    果。

    实验中应爱护仪器设备，注意人身安全，按照实验指导书的要求进

    行实验。实验完毕要对实验设备卸载，关闭电源，恢复原来的状态。

    二、实验数据的测量和记录

    在机械工程基础实验中，对各种机械量的检测是十分重要的。所谓

    机械量是指几何学量(长度、位置、尺寸、深度、角度等)、运动学量

    (位移、转角、速度、加速度等)、力学量(质量、转动惯量、压力、力矩等)的总称。现代机械基础实验中比较多的采用传感器把机械量转

    化为电量，通过转换电路输出至显示与记录设备。

    传感器按照工作原理分类可分为机械式、电阻应变式、电感式、电

    容式、光学式等。如果按照被测量的分类可分为位移传感器、速度传感

    器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。按输出信号分类可分为

    模拟式和数字式。

    下面简单了解一下在机械设计基础实验中常见机械量的测量方法。

    (一)力的测试

    在机械中，力是广泛存在的，如机器的载荷、牵引力、摩擦力、压

    力等。力的国际单位为牛顿(N)。在实验中如果机器的加载采用砝

    码，力的测量可以直接计算砝码的质量，测量精度取决于砝码分级密度

    和砝码等级。但在大多数的情况下，力的测量使用传感器。

    比较常用的电阻应变式传感器是利用电阻应变效应，即金属电阻丝

    随机械变形(伸长或缩短)其电阻值发生变化这种现象。通常把电阻丝

    绕成栅状并制成应变片(图1-1)，通过黏合剂粘贴到被测件表面上，随被测件一起变形。当应变片敏感栅的电阻发生变化，产生正比于被测

    力的电压或电流信号，测定电压或电流就可通过换算确定力的大小。这

    是目前应用很广的测力方法。1-基片 2-直径为0.025mm左右的高电阻率的合金电阻丝 3-覆盖

    层 4-引线，用以和外接导线连接 L-敏感栅长度 b-敏感栅的宽

    度

    图1-1

    如果把电阻应变片与弹性元件等组合成一个元器件，就成为电阻应

    变式测力传感器，把传感器安装在所需位置即可直接进行力的测量。

    由于能测弹性敏感元件的应变或位移的传感元件很多，因此测力的

    传感器种类繁多，应用较为普遍的有电阻式、压电式、压磁式、谐振

    式、电容式等。

    (二)位移、速度和加速度的测量

    位移、速度和加速度是描述物体运动的重要参数。物体运动的方向

    主要分为直线移动和转动(角位移)。相应的速度和加速度也分别称为

    线速度、线加速度和角速度、角加速度。

    图1-2

    1.位移测量

    位移测量的传感器分别针对线位移和角位移的测量有多种类型，也

    可以通过一些运动形式转换机构来实现线位移和角位移之间的转换，例

    如齿轮齿条传动、螺旋传动等。

    由两个平行极板组成的变极距式电容传感器(图1-2)，将机械位

    移量转换为电容量变化。当极距δ有一微小变化时，将引起电容量的变

    化。因此，只要测出电容变化量，便可测得极板间距的变化量，即动极板的位移量。

    由于这种传感器的电容量与极板间距离的变化关系呈非线性，在实

    际应用中，为了提高传感器的线性度和灵敏度，常常采用差动式：电容

    传感器有三个极板，其中两端的两个极板固定不动，中间极板可以产生

    移动。

    利用电磁感应原理，把被测位移量转换为电感量变化的传感器称电

    感式位移传感器。按照转换原理不同，可分为自感式和互感式两大类。

    其中变隙式电感位移传感器属自感式。变隙式电感位移传感器由线圈

    1、衔铁3、铁心2等部分组成(图1-3)，在铁心与衔铁间有一气隙δ。

    衔铁随被测物体产生位移时，会引起磁路变化，作为传感器线圈的励磁

    电源，当传感器线圈的电感量发生变化时，流过线圈的电流也发生相应

    的变化。在实际应用中，可以通过测电流的幅值来测量位移量的大小。

    通常用于线位移的传感器通过把旋转运动转换为直线移动的机构，就可以用来测量角位移。

    图1-3

    2.速度测量

    运动较平稳的物体的线速度，可以用平均速度测量法，即预先测出

    物体移动的距离ΔS和物体通过这段距离的时间Δt，两者的比值即为平

    均速度。为了得到较精确的时间间隔Δt，可采用适当的区载装置，即

    在距离的始末两端安装可由移动物体触发产生电脉冲的“靶”，记录始

    末两端“靶”所产生电脉冲的时间差就可得到Δt。

    在机械中更多的是转速的测量，用于测量转速的方法主要有转速

    表、光电法、磁电法等。

    转速表的测量杆直接与被测转轴的端面接触并随轴一起转动，可在表上直接显示转速。转速表的工作原理有机械式、磁电式及激光式等。

    使用光电法测量转速时，光电式转速传感器一般由四部分组成：

    (1)直射式光电转速传感器

    直射式光电转速传感器由开孔圆盘、光源、光敏元件等组成(图1-

    4(b))。光源发出的光通过圆盘的孔照射到光敏元件上，光敏元件将

    光信号转换为电信号输出。圆盘与被测轴相连接，因此，被测轴转速由

    光敏元件输出的电信号可测得。

    (2)反射式光电转速传感器

    反射式光电转速传感器由光源、透镜及膜片等组成(图1-

    4(a))。膜片既能使发射的红外光射向转动的物体，又能使从转动物

    体反射回来的红外光穿过膜片射向光电元件。测量转速时，在被测物体

    上粘贴一小块红外反射纸，这种反射纸是一种涂有玻璃微珠的反射膜，具有定向反射作用。当被测物体旋转时，红外接收管内接收到反射光的

    强弱变化而产生相应变化的电信号，该信号经电路处理和计数，得到被

    测物体的转速。

    1-转轴 2-透镜 3-光源 4-光电元件 5-聚焦透镜 6-膜片

    7-聚光镜

    图1-4 光电式转速计

    (3)光电编码器

    光学码盘式传感器是用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。如图1-5所示，由光源1发出的光线经柱面

    镜2变成一束平行光或会聚光，照射到码盘3上。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上部有按一定规律排列着的若干透光

    和不透光部分，即亮区和暗区。通过亮区的光线经狭缝4后，形成一束

    很窄的光束照射在光电元件5上。光电元件的排列与码道一一对应。当

    有光照射时，对应于亮区和暗区的光电元件输出的信号相反，光电元件

    的各种信号组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的转

    角大小。

    图1-5 光学码盘式传感器工作原理

    3.加速度测量

    加速度是运动参数，所以，加速度传感器首先都要经过质量弹簧的

    惯性系统，将加速度转换为力，力作用在弹性元件上，然后再经过测力

    传感器来间接度量被测的加速度。加速度传感器也有多种形式，常用的

    有压阻式、压电式、电容式等。

    (三)转矩测量

    转矩是机械系统中各种旋转机械动力传递的基本载荷形式。在机械

    传动效率、功率测量中也要对转矩进行测量，比如把转矩乘以角速度就

    可得出功率。

    典型的转矩传感器如图1-6所示，弹性转轴的两端为转矩的输入输

    出端，弹性转轴在转矩的作用下产生扭转变形，粘贴在弹性转轴上的应

    变片产生相应的应变电信号，通过信号的处理可得到转矩值。1-弹性转轴 2-应变片 3-电刷 4-外壳 5-轴承

    图1-6 应变式转矩传感器示意图

    (四)数据记录装置

    一个测量用传感器获得所需信号，又经中间变换器将信号进一步加

    工放大后，必须通过记录或显示仪器，才能供直接观察分析，或将其保

    存下来，事后供后续仪器对所测信号进行分析、处理。

    显示仪器有用于模拟量显示的各种指针式仪表。数字显示器件主要

    有数码管、发光二极管、液晶显示器等。

    记录仪器可用来记录一物理量随时间变化的函数关系，也可记录两

    物理量之间的函数关系。除了常用的射线示波器以外，还常用两大类记

    录仪器，即显性记录及隐性记录仪器。经显性记录后(立即或经适当后

    续处理后)，在记录介质(如纸带、感光带等)上可观察到所测信号的

    变化情况。这类记录仪器有各种书写式记录仪、光线示波器、打印机

    等。隐式记录是在记录后不能在记录介质上直接观察到记录波形或数

    据，需通过其他仪器设备才能显示出来，比如各种磁记录设备。

    而当前最常用的是计算机辅助数据采集和分析系统。由于计算机对

    数据的储存、读取、分析与处理都非常方便，因此，计算机正在逐渐取

    代其他的记录设备。

    三、实验数据的处理

    测量过程中获取的实验数据往往会存在各种误差，原因有：测量设

    备本身缺陷、外部环境变化、被测对象工作不稳定、人为疏忽等，造成对同一数据多次测量结果的离散性。为得到合理的测量结果，有必要对

    实验数据进行适当的处理。

    (一)算术平均值

    设对某量一系列测量值为x1 ，x2 ，…，xn

    把明显异常值去掉后，则剩下的n′个测量值的算术平均值为

    测量次数n越多，其算术平均值越接近真值。

    (二)数据变量关系的处理

    在实验中常常要获得变量之间的关系，比如转速与摩擦因数、载荷

    与传动效率，以得出反映两个变量之间近似函数关系的曲线，这在工程

    上称拟合。对于典型的曲线方程可拟合成近似直线方程，也可分段拟合

    为若干段直线方程。

    若有一系列数据：

    x1 ，x2 ，…，xn

    y1，y2 ，…，yn

    如果这些数据基本上呈线性关系，即y＝f(x)是直线方程，可用

    一个线性方程来表示：

    y＝a0 +a1 x

    只要确定方程中的两个常量a0 和a1 ，就能得到相应的直线方程。

    确定a0 和a1 的方法通常有如下数种。

    1.端值法

    把系列测量数据的起点(x1 y1 )和终点(xn yn )代入上述方程

    得：解方程组，求出a0 、a1 。

    这实际上是用两个端点连成的直线来代表测量值之间的函数关系。

    2.平均法

    把全部数据逐组代入线性方程，得n个方程：

    把方程组平均分成二组，每组数据相加求平均值：

    式中k是一组中的方程数。简化后得：

    联解方程组可得a0 、a1 值。

    3.最小二乘法

    对测量数据的最小二乘法线性拟合，在几何图形上可以这样理解：

    把测量数据标在平面直角坐标图上，用最小二乘法拟合一条直线来近似

    表示变量之间的函数关系；在坐标图上我们把实际测量数据与拟合直线

    之间在坐标轴Y方向上的误差称为残差，用ui 表示。那么用最小二乘法

    拟合的直线所产生的残差平方和较之其他拟合方法将是最小的。

    对线性方程y＝a0 +a1 x，根据所有测量数据的残差平方和u最小

    的原则可得：对上式中a0 、a1 求偏导数，并令其等于零，可解出a0 与a1 ，代

    入上式即可求出用最小二乘法拟合的线性方程与实测数据之间的残差平

    方和。

    再将a0 与a1 代入方程y＝a0 +a1 x，可求出用最小二乘法拟合的

    线性方程。

    四、实验报告的撰写

    每个实验都会要求撰写实验报告，一般的实验报告应包括实验的名

    称、目的、原理、装置及数据处理和结果分析等。

    实验报告要语言简洁，一般采用第三人称语气。在报告中对结果的

    分析要用数据表示，避免空洞的描述。实验数据往往采用图形、曲线、表格来描述变量之间的关系。如果实验数据比较准确，能反映客观的变

    化规律，也可以用统计学方法归纳出变量之间的关系，得出相应的经验

    公式。

    实验报告中使用的名词、符号及公式应符合规定，一般应与所使用

    教材中的一致。

    五、实验技术和实验能力

    实验技术是在不断发展和进步的。比如，由于计算机技术的发展，目前许多实验都采用计算机进行数据采集、处理和存储，大大提高了实

    验的精度和效率。

    过去机械类实验由于其对设备的依存性很大，设备的柔性和通用性

    低，实验受到很大的局限性，使很多实验难以进行。现在我们可以通过

    计算机来模拟、仿真，开展虚拟实验。虚拟实验具有可变性、可视性、经济性等优点，并且计算机软件越来越丰富，实验的仿真效果也会越来

    越好。随着科学技术的不断进步，实验的原理、方法和手段也在不断地

    进步和发展。

    目前，我们所参与的实验大多数是在现成实验台上进行的。如果真

    正进行科学研究实验，一般没有现成的实验装置，必须对实验原理、实

    验方案、实验设备、实验步骤、实验数据采集及实验结果分析和处理等

    进行科学、周密的整体构思、规划和确定，这就是实验设计问题。因

    此，我们在目前虽然并没有实质性的科研实验，但是如果你在现在的基础实验阶段就注意实验设计问题，将会获得事半功倍的学习效果。

    工程技术人员必须具备很强的动手能力和创新能力，实验正是培养

    这些能力的重要手段。希望同学们认真对待每一次实验，通过实验不仅

    使自己的理论知识得到巩固和提高，而且能使自己的工程意识和实践能

    力产生一次飞跃。

    六、供进一步探讨的参考文献

    [1]陈秀宁.现代机械工程基础实验教程.北京：高等教育出版

    社，2002年

    [2]濮良贵等.机械设计(第八版).北京：高等教育出版社，2006年

    [3]刘莹，邵天敏.机械基础实验技术.北京：清华大学出版社，2006年

    [4]赵庆海.测试技术与工程应用.北京：化学工业出版社，2005

    年

    [5]朱文坚等.机械基础实验教程.北京.科学出版社，2005年第二章 机械几何参数与运动参数类

    实验

    §2-1 机构运动简图测绘分析实验

    一、实验问题的提出

    机构的结构分析是机构运动、动力分析及机构设计与创新的基础。

    机构结构分析实验对于了解机构的组成原理，进行机构的结构分类，正

    确判断机构运动的可动性与确定性，以及合理地进行机构设计与创新有

    着重要的作用。在对现有机械进行分析或设计新机械时，都需要按比例

    绘制机构运动简图，以便用图解法对机构进行运动和动力分析。工程上

    还广泛应用不按严格比例绘制的机构示意图，用以定性地表达各构件之

    间的运动和力的传递关系。

    机构运动简图测绘分析实验是机构结构分析的基础实验。

    二、实验目的

    1.通过对若干机械模型的测绘，掌握机构运动简图的测绘方法；

    2.掌握机构自由度的计算方法，理解机构自由度的概念；

    3.加深对机构组成及其结构分析的理解。

    三、实验原理

    由于机构的运动只与构件数目、运动副数目及其类型、相对位置有

    关，因此绘制机构运动简图时，可以不考虑构件的形状和运动副的具体

    构造，而用国家标准(GB4460T—1984)规定的运动副、机构构件符号代表实际的运动副与构件，再选择适当的长度比例尺表示各运动副的相

    对位置，可简明地表达一部复杂机器的机构运动特征与传动原理，还可

    用图解法求证机构上各点的力、运动轨迹、位移、速度和加速度。

    表2-1-1 常用机构构件、运动副符号

    四、实验设备和工具

    1.典型实物机械及模型若干：缝纫机等实物机械、牛头刨等各类机

    械模型、各种泵类机械模型、各种组合机构模型、机械原理教学陈列

    柜；2.自备机械原理教科书、铅笔、三角尺、圆规、橡皮、草稿纸等。

    五、实验步骤

    1.分析机构的特征及数目

    首先缓慢地转动模型手柄，使机构运动，仔细观察机构运动情况。

    从原动件开始，分清各个运动单元，确定组成机构的构件特征和构件数

    目。

    2.判断各构件之间的运动副类别

    从原动件开始，根据相互连接的两构件间的接触情况和相对运动的

    特点，依次判断各相连构件之间运动副种类，从而确定各运动副的种类

    及连接顺序。

    3.绘制机构示意图

    正确选择投影面和原动件的位置，按传递运动的路线，用数字1，2，3……分别标注各构件，用字母A，B，C……分别标注各运动副，在

    草稿纸上绘制机构示意图。

    4.绘制机构运动简图

    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某点导

    路的方位线等，选定原动件的位置，箭头表示机构的主动构件。选择适

    当的比例尺μ，绘制出机构运动简图。

    μ＝构件的实际长度(m或mm)图上的长度(mm)

    5.计算自由度

    计算自由度F：F＝3n-2PL -PH ，抄入所绘机构的编号、名称、绘图比例等，判断原动件数是否与自由度数相等，分析机构运动的确定

    性，完成整个机构的绘图。

    六、注意事项

    1.不增减构件数目；2.不改变运动副性质。

    例：将偏心轮复原为曲柄杆件，见图2-1-1。

    图2-1-1 偏心轮复原为曲柄杆件

    七、实验结果及思考题

    1.完成机构运动简图绘制和计算机构自由度

    2.通过本实验，阐述机构运动简图的内涵。机构运动简图应准确反

    映实际机构中的哪些项目？

    3.机构自由度的计算对测绘机构运动简图有何帮助？机构具有确定

    运动的条件是什么？

    4.对所测绘的机构能否改进和创意新的机构运动简图？

    八、供进一步探讨的参考文献

    [1]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理(第七版).北京：高等教

    育出版社，2006[2]陈秀宁.现代机械工程基础实验教程.北京：高等教育出版

    社，2002

    §2-2 渐开线齿轮几何参数测定实验

    一、实验问题的提出

    齿轮机构用于传递空间任意两轴之间的运动和动力，是现代机械中

    应用最广泛的一种传动机构。齿轮机构的实际工作性能不仅与齿轮基本

    参数的设计有关，还取决于齿轮的加工质量。经机械加工及必要的热处

    理、表面处理后，齿廓曲线是否符合设计要求必须通过测量，且对测得

    的数据进行分析处理后才能评定。另外，在反求工程中，齿轮的几何参

    数的检测也有其实际的意义。

    利用直接测量、间接测量、公式计算、结合国家标准等方法，可获

    得待测齿轮的几何参数。

    二、实验目的

    1.掌握渐开线直齿圆柱齿轮基本参数测定的方法；

    2.通过测量和计算，熟练掌握齿轮各参数之间的相互关系和渐开线

    性质。

    三、实验原理

    单个渐开线直齿圆柱齿轮基本参数有：齿数z、模数m、压力角α、齿顶高系数ha 、顶隙系数c 、变位系数x；一对渐开线直齿圆柱齿轮

    的基本参数还有：啮合角α′ 、中心距a。

    本实验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，具体方法如下。1.确定齿轮的模数和压力角

    参照图2-2-1，用游标卡尺跨测n个齿，齿间的法向距离(如图中

    A、C两点间的距离)称为公法线长度。根据渐开线的基本性质可知，所

    跨齿廓之间公法线长度L等于所对应的基圆上的弧线长。用游标卡尺的

    两个卡脚卡测n个齿，测得距离Ln ，然后再卡测n-1个齿，测得距离Ln

    -1 。

    为了使游标卡尺的两个卡脚与齿廓的渐开线部分相切，应根据被测

    齿轮的齿数z参照表2-2-1决定n值，如按表测定变位齿轮时发现卡尺卡

    脚在齿廓顶部(或根部)接触时，应减少(或增加)跨齿数。也可以通

    过公式 来确定n的值。

    图2-2-1 齿轮公法线长度测量示意图

    表2-2-1 跨测齿数值(α＝20°)

    由公式Pb ＝Ln+1 -Ln 及 ，压力角α用

    15°、20°试算可得到最接近标准值的组m和α。

    2.确定齿轮的变位系数。根据齿厚公式知：Sb ＝mcosα(π2+2xtanα+zinvα)

    得变位系数为：x＝(Sb mcosα-π2-zinvα)2tanα

    式中Sb 可由公法线长度求得，即：Sb ＝Ln+1 -nPb

    3.确定齿轮的齿顶高系数和顶隙系数

    根据齿根圆计算公式： m 得

    将国家标准 ＝0.25或 ；c ＝

    0.3)分别代入公式试算，取最接近的一组标准值。

    4.确定啮合角和中心距

    外啮合传动，顶隙系数为标准值时，计算两轮的标准中心距：a＝

    m(z1 +z2 )2；用游标卡尺测量实际中心距a′，用公式

    确定啮合角。

    5.计算齿轮啮合传动时的齿顶高变动系数Δy和中心距变动系数y

    中心距变动系数：

    y＝a′m-(z1 +z2 )2

    齿顶高变动系数计算公式：

    Δy＝x1 +x2 -y

    图2-2-2 中心距测量四、实验设备

    渐开线直齿圆柱齿轮一对，游标卡尺，计算工具(自备)。

    五、实验步骤

    1.在测量前应先验证二个齿轮是否配套，即小齿轮的三位数号码与

    大齿轮的三位数号码完全一致，确认后，将该三位数号码写入齿轮副编

    号栏中；

    2.测量公法线长度，测量三次，每测完一次后，齿轮转过一定的角

    度再测，记录三次测量的数据，再求平均值，作为Ln 记录；

    3.测量Ln+1 或Ln-1 个跨齿数的公法线长度(测量跨齿数选n+1还

    是n-1，由卡尺的两个卡脚切于齿廓上为准)，测量三次，记录数据，再求平均值，为Ln+1 或Ln-1 的记录；

    4.记录齿轮的齿数，小齿轮为1号，大齿轮为2号；

    5.测量齿轮的齿顶圆直径和齿根圆直径；

    6.将两个齿轮按无侧隙啮合测定其中心距。测三次，求平均值。然

    后按下式计算实际中心距a′，即a′＝(a1 +a2 )2，式中a1 、a2

    见图2-2-2。

    六、实验数据记录及计算

    齿轮副编号：__________

    1.齿顶圆直径与齿根圆直径2.公法线长度

    3.无齿侧间隙啮合传动中心距

    4.分析计算：确定相关参数

    七、思考题

    1.测量齿顶圆直径及齿根圆直径时，齿数为偶数或奇数的齿轮在测

    量方法上有什么不同？

    2.公法线长度测量是根据渐开线的什么性质？

    3.实验中所测的这一对齿轮传动是什么类型的传动？八、供进一步探讨的参考文献

    [1]王树人.齿轮啮合理论简明教程.天津：天津大学出版社，2005

    [2]张泰昌.齿轮检测500问.北京：中国标准出版社，2007

    §2-3 渐开线齿轮范成原理实验

    一、实验问题的提出

    齿轮加工方法有铸造、模锻、冷轧、热轧、切削加工等，其中切削

    加工是最常用的。从加工原理来看，切削法可分为仿形法和范成法(也

    称展成法)。范成法是齿轮加工中最常用的一种方法，如插齿、滚齿、磨齿等都属于这种方法。范成法可以用一把刀具加工出模数、压力角相

    同而齿数不同的标准和各种变位齿轮齿廓，且加工精度较高。

    用范成法加工齿轮时，刀具的顶部有时会过多地切入轮齿的根部，将齿根的渐开线部分切去一部分，产生根切现象。齿轮的根切会降低抗

    弯强度，引起重合度下降，降低承载能力等，因此工程上应力求避免根

    切。

    本实验模拟齿轮范成法加工过程，用图纸作轮坯，用铅笔作刀具，能清楚地看到齿廓形成的过程。

    二、实验目的

    1.掌握用范成法制造渐开线齿轮的基本原理；

    2.了解齿轮产生根切现象的原因和避免根切的方法；

    3.分析比较标准齿轮和变位齿轮的异同点。

    三、实验原理范成法是利用齿廓啮合的基本定律来切制齿廓的，一对齿轮(或齿

    轮齿条)互相啮合时，其共轭齿廓互为包络线。加工时，其中一齿轮

    (或齿条)为刀具，另一轮为轮坯，两者作相对运动，同时刀具还沿轮

    坯的轴向作切削运动，最后轮坯上被加工出来的齿廓就是刀具在各个位

    置的包络线，其过程与无齿侧间隙啮合传动类似。借助齿轮范成仪，可

    以清楚地了解齿廓形成的全过程。

    四、实验设备和工具

    (一)线传动齿轮范成仪

    1.适用模数：m＝20mm；齿数：z＝10。

    2.常规参数：压力角α＝20°；齿顶高系数h a ＝1；顶隙系数c

    ＝0.25。

    图2-3-1 线传动齿轮范成仪

    (二)卡纸、圆规、三角尺、剪刀、铅笔等工具

    五、实验步骤

    1.齿轮坯的准备用A4大小的卡纸准备两只齿轮坯，基本参数为：模数：m＝20mm；

    齿数：z＝10；压力角α＝20°；齿顶高系数 ；顶隙系数c ＝

    0.25。

    一只齿轮用来切制标准齿轮，剪出半圆毛坯纸，计算其齿顶圆半

    径、齿根圆半径、分度圆半径、基圆半径并绘出上述四圆，剪成略大于

    齿顶圆的大半圆齿轮坯。

    另一只齿轮用来切制变位齿轮，变位系数x按不发生根切的条件

    (Zm in-Z)Zm in选取，但不宜选过大。暂设齿顶高变动系

    数δ＝0，计算出上述四圆的半径，并剪成齿轮坯。

    2.齿轮坯的安装

    取下范成仪上的压板，按压板上螺钉孔的位置，在齿轮坯上开两个

    φ6孔，将齿轮坯中心对准范成仪的中心，用压板压紧轮坯。利用螺杆

    调整齿条刀具离齿轮坯中心的距离，使齿条刀具左右移动时，刀具的顶

    端均能与齿轮坯齿根圆相切。安装变位齿轮时需重新调整。

    3.范成齿廓

    先将齿条刀具移到左端(注意为了防止脱线，不要让齿轮坯中心线

    的倾斜度超过90°)，自左端向右移动齿条刀具，每隔约3～5mm，在毛

    坯纸上画出齿条刀具的轮廓线，注意画线时不要漏线，直到刀具的左端

    移进中线为止，这时便范成出3个完整的齿形。

    4.换上另一齿坯，重复步骤2和3。完成变位齿轮齿廓的范成。

    六、注意事项

    1.实验前准备好两个齿轮坯，按实验步骤1的要求，完成准备工

    作，并带上圆规、铅笔等实验工具；

    2.实验开始时齿条刀具移到左端时，注意不要使齿轮坯的中心线的

    倾斜度超过90°，以免损坏线传动范成仪；

    3.实验结束后，整理好范成仪和工具，使其恢复原状。七、实验结果及思考题

    1.填写以上表格数据。

    2.将两个齿形图标注完整，指出根切位置。

    3.比较标准齿轮与正变位齿轮的齿形有什么不同，并分析其原因。

    4.影响根切的因素有哪些，在加工齿轮时如何避免根切现象？

    八、供进一步探讨的参考文献

    [1]齿轮手册编委会.齿轮手册(第二版)(下册).北京：机械

    工业出版社，2001

    [2]王先逵.齿轮、蜗轮蜗杆、花键加工.北京：机械工业出版

    社，2008

    附：齿条传动式齿轮范成仪实验

    1.适用模数：m＝20mm；齿数z＝8

    m＝8mm；齿数z＝20

    m＝8mm；齿数z＝34

    2.常规参数：压力角α＝20°；齿顶高系数 ；顶隙系数c

    ＝0.25图2-3-2 齿条传动式齿轮范成仪

    3.实验步骤

    1)课前，使用实验报告纸(或计算纸)，预先剪出毛坯圆并画出

    齿顶圆、分度圆、齿根圆、基圆；

    2)在毛坯圆中心剪出40.05mm直径的圆孔；

    3)将毛坯直接装入工作台中心，用螺母压紧；

    4)选定相应的齿条刀具；

    5)借助范成仪两边的标尺，先加工标准齿轮，将齿条刀具指针与

    标尺的“0”对齐；

    6)将齿条刀具移到左端或右端，每隔3mm向右或向左移动一次，用

    笔画出刀具的轮廓线，直至刀具到达另一端为止，完成范成过程。

    7)确定变位系数后，将齿条刀具指针调到相应的位置，同理模拟

    加工变位齿轮。

    §2-4 机构组合运动参数测定实验

    一、实验问题的提出在设计新的机械或分析现有机械的工作性能时，必须首先计算其机

    构的运动参数，对机构进行运动分析。机构运动参数测定实验有助于更

    直观地了解各种单个机构的运动规律及组合机构的运动规律，确定机构

    某些构件上特征点的轨迹、位移、速度和加速度。通过比较这些机构之

    间的性能差别和应用范围，有助于提高机构的设计与分析能力。

    二、实验目的

    1.通过实验了解位移、速度、加速度的测定方法；转速及回转不匀

    率的测定方法；

    2.通过比较理论运动线图与实测运动线图的差异，并分析其原因，增加对速度特别是加速度的感性认识；

    3.比较曲柄滑块机构与曲柄导杆机构的性能差别；

    4.比较等加速等减速凸轮与偏心圆凸轮直动从动杆的运动规律；

    5.比较滚子从动杆偏置对运动参数的影响。

    三、实验设备

    1.实验机构——曲柄滑块导杆凸轮组合机构；

    2.组合机构实验仪(单片机控制系统)；

    3.电脑、打印机。

    本实验机构配套的为曲柄滑块机构及曲柄导杆机构，凸轮机构其原

    动力采用直流调速电机，电机转速可在0～3000rmin范围作无级调速，经蜗杆蜗轮减速器减速，机构的曲柄转速为0～100rmin。

    实验利用往复运动的滑块推动光电脉冲编码器，输出与滑块位移相

    当的脉冲信号，经测试仪处理后将可得到滑块的位移、速度及加速度。

    图2-4-1为曲柄滑块机构的结构形式，图2-4-2为曲柄导杆机构的结构形

    式，图2-4-3及图2-4-4为凸轮机构的结构形式，后者是前者经过简便的

    改装而得到的，在本实验机构中已配有改装所必备的零件。图2-4-1 曲柄滑块机构

    图2-4-2 曲柄导杆机构

    图2-4-3 平底直动从动凸轮机构

    图2-4-4 滚子直动从动凸轮机构

    1-同步脉冲发生器 2-蜗轮减速器 3-曲柄 4-连杆 5-电机 6

    -滑块

    7-齿轮 8-光电脉冲编码器 9-滑块 10-导杆 11-凸轮 12-

    平底直动从动件

    13-回复弹簧 14-滚子直动从动件 15-光栅盘四、实验系统框图

    图2-4-5 测试系统原理框图

    组合机构实验仪由单片机为最小系统，外扩16位计数器，接有3位

    LED显示数码管可实时显示机构运动时的曲柄轴的转速，同时可与计算

    机进行异步串行通讯。在实验机械动态运动过程中，滑块的往复移动通

    过光电脉冲编码器转换输出两路脉冲信号，接入微处理器外扩的计数器

    计数，通过微处理器进行初步处理运算后送入计算机进行处理并显示相

    应的数据和运动曲线图。

    图2-4-6 实验仪正面结构

    图2-4-7 实验仪背面结构机构中还有两路信号送入单片机，那就是角度传感器送出的两路脉

    冲信号。其中一路是码盘角度脉冲，用于定角度采样，获取机构运动曲

    线；另一路是零位脉冲，用于标定采样数据时的零点位置。

    机构的速度、加速度数值由位移经数值微分和数字滤波得到。

    实验测试结果不但可以以曲线形式输出，还可以直接查询或打印出

    各点数值。

    五、实验步骤

    1.按图2-4-1将机构组装为曲柄滑块机构，测试记录滑块位移、速

    度、加速度参数(参见以下第六条参数测试步骤)，打印运动曲线图；

    2.按图2-4-2将机构组装为曲柄导杆机构，同1测试记录参数，打印

    运动曲线图；

    3.按图2-4-3组装等加速凸轮与偏心凸轮直动从动件，选做滚子和

    平底从动件，记录参数，打印运动曲线图；

    4.记录并比较滚子从动件在对心与偏置状态下的运动参数变化(附

    加)。

    六、参数测试步骤

    (一)滑块位移、速度、加速度测量

    1.将光电脉冲编码器输出的5芯插头及同步脉冲发生器输出的5芯插

    头分别插入测试仪上相对应接口上。

    2.把串行传输线一头插在计算机任一串口上，另一头插在实验仪的

    串口上。

    3.打开QTD-Ⅲ组合机构实验仪上的电源，此时带有LED数码管显示

    的面板上将显示“0”。

    4.打开计算机，并保证已接入了打印机。

    5.起动机构，在机构电源接通前应将电机调速电位器逆时针旋转至最低速位置，然后接通电源，并顺时转动调速电位器，使转速逐渐加至

    所需的值(否则易烧断保险丝，甚至损坏调速器)，显示面板上实时显

    示曲柄轴的转速。

    6.机构运转正常后，启动系统软件。

    7.熟悉系统软件的界面及各项操作功能。

    8.选择好串口，并在弹出的采样参数设置区内选择相应的采样方式

    和采样常数。可以选择定时采样方式，采样的时间常数有10个选择挡

    (分别是：2ms、5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms、50ms)，比如选25ms；也可以选择定角采样方式，采样的角度常数有5

    个选择挡(分别是：2°、4°、6°、8°、10°)，比如选择4°。

    9.按下“采样”按键，开始采样。(请等若干时间，此时测试仪就

    在接收到计算机的指令进行机构运动的采样，并回送采集的数据给计算

    机，计算机对收到的数据进行一定的处理，得到运动的位移值。)

    10.当采样完成，界面将出现“运动曲线绘制区”，绘制当前的位

    移曲线，且在左边的“数据显示区”内显示采样的数据。

    11.按下“数据分析”键。则“运动曲线绘制区”将在位移曲线上

    再逐渐绘出相应的速度和加速度曲线。同时在左边的“数据显示区”内

    也将增加各采样点的速度和加速度值。

    12.打开打印窗口，打印运动曲线，记录数据。

    (二)转速及回转不匀率的测试(附加)

    1.同“滑块位移、速度、加速度测量”的1至7步。

    2.选择好串口，在弹出的采样参数设计区内，选择最右边的一栏，角度常数选择有5挡(2°、4°、6°、8°、10°)，选择任意一档，比如选择6°。

    3.同“滑块位移、速度、加速度测量”的9、10、11步，不同的

    是“数据显示区”不显示相应的数据。

    4.打印。

    七、讨论题1.由s、v、a-t曲线坐标，计算出机构曲柄实际转速。

    2.任取一组机构运动测试曲线图，画出相应的理论运动线图，比较

    两者的差异，分析其原因，并指出速度最大及加速度最大的位置。

    3.观察曲柄滑块机构与导杆滑块机构中滑块的位移曲线，指出两者

    的区别；如果在牛头刨床中使用，哪种机构更加合适？

    4.通过比较等加速等减速凸轮与偏心圆凸轮直动从动件的运动曲

    线，分析两者的运动规律，重点分析加速度。

    八、供进一步探讨的参考文献

    [1]申永胜.机械原理教程(第2版).北京：清华大学出版社，2005

    [2]孙恒.机械原理(第7版).北京：高等教育出版社，2006

    §2-5 回转件动平衡实验

    一、实验问题的提出

    在现代机械产品设计中，经常采用高精度的高速转轴。但是，如果

    由于材料缺陷、制造误差、结构不对称等引起工件的质量分布不合理，将会在机器的运转中产生附加的离心惯性力，产生轴承的附加负荷，加

    剧磨损，形成振动和噪声，缩短产品寿命；严重的还会引起共振、断

    裂，危及人身安全。为此，必须对回转件进行动平衡校正，这成为动

    力、汽车、电机、机床、化工、食品等工业及通讯和自动化技术等设备

    制造业中必不可少的工艺措施之一。

    动平衡机有各种不同的型式，其构造和工作原理也不尽相同，有通

    用平衡机、专用平衡机(如曲轴平衡机、陀螺平衡机、涡轮平衡机

    等)，但其作用都是用来测定需加在两个平衡基面中的平衡质量的大小

    和方位，并进行校正。动平衡实验机一般主要由驱动系统、支承系统、测量指示系统和校正系统等部分，本实验采用基于虚拟测试技术的台式动平衡实验系统，有助于学生加深对动平衡原理的认识，为将来在工业

    中的实际应用打下基础。

    二、实验目的

    1.巩固和验证刚性回转件动平衡的理论知识；

    2.掌握回转件动平衡方法并了解动平衡机的一般工作原理。

    三、实验原理

    转子动平衡检测一般用于轴向宽度B与直径D的比值大于0.2的转子

    (小于0.2的转子适用于静平衡)。根据回转构件动平衡理论得出的结

    果：质量分布不在同一回转面内的回转构件，它的不平衡都可以认为是

    在两个任选回转面内，由向量半径分别为?′、r″的两个不平衡质量m

    ′和m″所产生。因此，只需针对m′和m″进行平衡就可以达到回转构

    件动平衡的目的。

    经过动平衡实验的转子还会存在一些残存的不平衡量，要减小残存

    的不平衡量势必要提高平衡成本，而实际工作中并不需要完全的平衡。

    因此，根据工作要求，对转子规定适当的许用不平衡量是很有必要的。

    四、实验设备及工作原理

    1.硬支承动平衡机试验台

    本实验用的试验台是一种基于虚拟测试技术的教学动平衡实验系

    统。系统利用压电晶体传感器进行测量，采用计算机虚拟测试技术、数

    字信号处理技术和小信号提取方法，达到检测目的并可动态实时检测曲

    线，了解实验的过程，通过人机对话的方式完成检测过程。

    1)试验台的结构组成：1-光电传感器 2-被试转子 3-硬支承摆架组件 4-压力传感器

    5-减振底座 6-传动带 7-电动机 8-零位标志

    图2-5-1 硬支承实验台结构简图

    试验台的结构如图2-5-1所示，其主要技术参数如下：

    (a)平衡转速：约rmin，2500rmin两档

    (b)最小可达残余不平衡量≤0.3gmmkg

    (c)一次减低率：≥90%

    (d)动态范围：≥60dB

    (e)测量时间：最长3s

    2)试验台电子系统的组成

    系统由计算机、数据采集器、高灵敏度有源压电传感器和光电相位

    传感器等组成。系统框图如下：

    图2-5-2 系统结构框图当被测转子在部件上被拖动旋转后，由于转子的中心惯性主轴与其

    旋转轴线存在偏移而产生不平衡离心力，迫使支承做强迫震动，安装在

    左右两个硬支撑机架上的两个有源压电传感器感受此力而发生机电换

    能，产生两路包含有不平衡信息的电信号，输出到数据采集装置的两个

    信号输入端；与此同时，安装在转子上方的光电相位传感器产生与转子

    旋转同频同相的参考信号，通过数据采集器输入到计算机。

    计算机通过采集器采集此三路信号，由虚拟仪器进行前置处理，跟

    踪滤波，幅度调整，相关处理，FF变换，校正面之间的分离解算，最小

    二乘法加权处理等。最终算出左右两面的不平衡量(g)，校正角

    (°)，以及实测转速(rmin)。

    同时，实验过程的数据处理方法，FFT方法的处理过程，曲线的变

    化过程都可以在计算机上显示。

    2.操作部分

    操作部分主要集中在软件界面上，下面将对软件界面作一个简单的

    介绍：

    1)系统主界面介绍(参见图2-5-3)：

    a)测试结果显示区域，包括左右不平衡量显示、转子转速显示、不平衡方位显示。

    b)转子结构显示区，可以通过双击当前显示的转子结构图，直接

    进入转子结构选择图，选择需要的转子结构。

    c)转子参数输入区域，在进行计算偏心位置和偏心量时，需要用

    户输入当前转子的各种尺寸，如图上所示的尺寸，在图上没有标出的尺

    寸是转子半径，输入数值均以毫米(mm)为单位。

    d)原始数据显示区，该区域是用来显示当前采集的数据或者调入

    的数据的原始曲线，在该曲线上可以看出机械振动的大概情况，如转子

    偏心的大小在原始曲线上的周期性振动情况。

    e)数据分析曲线显示按钮：通过该按钮可以进入详细曲线显示窗

    口，通过详细曲线显示窗口看到整个分析过程。图2-5-3 平衡过程主界面图

    f)指示出检测后的转子的状态，蓝色为没有达到平衡，红色为已

    经达到平衡状态。平衡状态的标准通过“允许不平衡质量”栏自行设

    定。

    g)左右两面不平衡量角度指示图，指针指示的方位为偏重的位置

    角度。

    h)自动采集按钮，为连续动态采集方式，直到停止按钮按下为

    止。

    i)单次采集按钮。

    j)复位按钮，清除数据及曲线，重新进行测试。

    k)工件几何尺寸保存按钮开关，点击该开关可以保存设置数据

    (重新开机数据不变)。

    2)采集器标定窗口(参见图2-5-4)

    实验进行标定的前提是有一个已经平衡了的转子，在已经平衡了的

    转子上的A、B两面加上偏心重量，所加的重量(不平衡量)及偏角(方位角)从“标定数据输入窗口”输入。启动装置后，通过点击“开始标

    定采集”来开始标定的第一步。“测试次数”自己设定，次数越多标定

    的时间越长，一般5～10次。“测试原始数据”栏只是用于观察数据

    栏，只要有数据表示正常，反之为不正常。“详细曲线显示”可观察标

    定过程中数据的动态变化过程，来判断标定数据的准确性。

    在数据采集完成后，计算机采集并计算的结果位于第二行的显示区

    域，将手工添加的实际不平衡量和实际的不平衡位置填入第三行的输入

    框中，输入完成并按“保存标定结果”按钮，“退出标定”完成该次标

    定。

    图2-5-4 采集器标定窗口

    3)数据分析窗口(参见图2-5-5)

    按“数据分析曲线”键，得如下窗口，可详细了解数据分析过程。

    图2-5-5 数据分析窗口a)滤波器窗口：显示加上滤波后的曲线，横坐标为离散点，纵坐

    标为幅值。

    b)频谱分析图：显示FFT变换左右支撑振动信号的幅值谱，横坐标

    为频率，纵坐标为幅值。

    c)实际偏心量分布图：自动检测时，动态显示每次测试的偏心量

    的变化情况。横坐标为测量点数，纵坐标为幅值。

    d)实际相位分布图：自动检测时，动态显示每次测试的偏相位角

    的变化情况。横坐标为测量点数，纵坐标为偏心角度。

    e)最下端指示栏指示出每次测量时转速、偏心量、偏心角的数

    值。

    五、实验步骤

    (一)测试

    1.打开电脑桌面上的测试程序；

    2.开启动平衡机；

    3.开始测试，见3色(两路电信号，一路相位方波)正常，退出测

    试；

    4.停止测试，退出。

    (二)模式设置

    1.打开电脑桌面上《动平衡实验系统》程序；

    2.点击左上菜单的“设置”；

    3.再点击模式设置，选择模块A并确定；

    4.保存当前配置。

    (三)系统标定

    1.在实验台上将两块1.2g方磁铁分别放置在标准转子左右两侧的零

    度位置上；2.在标定窗口内输入左不平衡量、左方位，右不平衡量、右方位

    (按以上操作，左、右不平衡量均为1.2g，左、右方位均是0°)；

    3.启动电机，待转子平稳运转后，开始标定采集(可查看详细曲线

    显示)；

    4.保存标定结果(默认采集次数为10)并退出标定键；

    5.标定结束后通过自动采集，如左、右方位均为20°之内，则标定

    成功；否则再次标定。

    说明：标定测试时，在仪器标定窗口“测试原始数据”框内显示的

    四组数据，是左右两个支承输出的原始数据。如果在转子左右两侧，同

    一角度，加入同样重量的不平衡块，而显示的两组数据相差甚远，应适

    当调整两边支承传感器的顶紧螺钉，可减少测试的误差。

    (四)平衡操作

    1.将标定用两块各1.2g磁铁随意换角度放置在转子的左右两边，记

    录数据a1。

    2.启动电机，平稳后选择自动(单次检测)或手动检测(单次检

    测)，稳定后记录参数，记录数据b1。

    3.在主面板上按“停止测试”键，待自动检测进度条停止后，关停

    转子，根据实验转子所标刻度，按左右不平衡量显示值和左右相位角显

    示位置，在对应其相位180°的位置添加磁铁，其质量可等于或略小于

    面板显示的不平衡量。重复步骤2。

    4.平衡精度达到0.2g，指示灯由灰色变红色，检测已达到要求，打

    印实验结果(每小组一份即可)。

    说明：自动(循环测试)按“数据分析曲线”键，可以看到测试曲

    线变化情况。在数据采集中或停止测试时，都可按“数据分析曲

    线”键，计算机会切换到“采集数据分析窗口”。

    注：平衡用磁铁：

    方磁铁：4×1.2g；

    扁磁铁：4×1.0g(φ8)；4×0.5g(φ5)；4×0.2g；

    4×0.1g；4×0.05g。六、记录实验参数及结果

    1.模型A的简图和数据(单位：mm)

    A＝ B＝ C＝

    转子半径：

    2.记录下表 平均转速：

    a：人工调节的磁铁质量和方位

    b：电脑显示的不平衡量和方位

    3.打印实验结果

    七、思考题

    1.哪些类型的试件需要进行动平衡试验？为什么要取两个校正面才

    能校正动平衡？试件经动平衡后是否还需要进行静平衡？

    2.转子上的反差标志起什么作用？

    八、供进一步探讨的参考文献

    [1]张策.机械动力学.北京：高等教育出版社，2000

    [2]周仁睦.转子动平衡——原理、方法和标准.北京：化学工业

    出版社，1992§2-6 凸轮廓线检测实验

    一、实验问题的提出

    凸轮机构广泛应用于自动机械和自动控制装置中，该机构只需设计

    出适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到各种预期的运动规律，机构简单

    紧凑。

    凸轮机构的运动和动力特性优劣虽然与设计时所选用的从动件运动

    规律及凸轮机构的基本尺寸等因素有关，但这是预期的工作性能，机构

    实际工作性能还取决于凸轮轮廓的加工质量。凸轮轮廓经机械加工及必

    要的热处理、表面处理后，轮廓曲线上各点的几何尺寸是否符合设计要

    求必须经过测量，且对测得的数据进行分析处理才能评定。

    凸轮机构工作性能的反求，是对有关设备剖析的工作任务之一。如

    引进机械设备中的凸轮备件，通过对原始凸轮轮廓和机构的基本尺寸的

    检测和分析计算，分离其内含的加工误差因素，反求从动件的位移、速

    度和加速度的数值变化规律，使复制的凸轮备件的实际工作性能达到甚

    至优于原设计指标。因此，凸轮廓线检测有其实际的工程应用意义。

    二、实验目的

    掌握凸轮轮廓曲线检测原理和方法，巩固和加深对凸轮机构设计理

    论的理解。

    三、实验原理

    凸轮廓线检测分为两类：

    1.检测凸轮轮廓的极坐标参数

    测绘和检测凸轮实际廓线的坐标，该方法适用于任何形状的盘形凸

    轮。

    2.检测凸轮机构从动件的位移曲线凸轮机构的从动件位移曲线不仅取决于凸轮的实际廓线，还取决于

    从动件的偏距、滚子大小等因素，检测从动件位移曲线时，必须使测量

    状态与工作状态一致。平底直动从动件盘形凸轮机构，在不改变平底的

    条件下，平移直动导路不影响实际廓线，即不管是否偏置，都可以按对

    心原理来检测。

    在凸轮廓线的检测中，从动件位移曲线的绘测更有其实际意义，应

    用广泛。

    四、实验设备

    凸轮廓线检测实验台由分度头、中量程百分表、工作台、横向移动

    座、纵向移动座等部件组成。

    1-被测凸轮 2-百分表 3-表架 4-横移座 5-分度头

    6-横向调节丝杆 7-纵移座 8-纵向调节丝杆 9-工作台

    图2-6-1 凸轮廓线检测实验台结构图

    说明：1.被测凸轮已安装在台架上，手摇分度头，可带动凸轮转

    动；

    2.百分表量程为30mm，刻度值为0.01mm；

    3.表架3的高度可调；

    4.横向移动座通过丝杆6可调整±20mm；

    5.分度头中心高为100mm； 6.实验采用直接分度法；

    7.测量杆端部结构有尖顶型、平底型、滚子型等型式。

    五、实验步骤

    1.先将凸轮整转一周，检查百分表测头是否始终与凸轮贴合，如果

    发现凸轮顶住了百分表的测量头，这时须小心退出并加以调整，直到旋

    转分度头时，百分表测头始终与凸轮贴合自如；

    2.将百分表的长针的零位与短指针对齐，调整偏距为零，实验台处

    于对心凸轮机构状态；

    3.确定测量起始位置，转动分度头，使凸轮每转动10°测一次，并

    记录百分表读数。测量一周，为A记录；

    4.将测头移向操作者的方向，移动5mm，将对心改为偏心。同样方

    法测量360°为B记录(偏心状态)；

    5.用游标卡尺测量基圆半径r0 ；

    6.依据基圆半径及A、B记录，绘制出对心、偏心尖顶直动从动杆凸

    轮轮廓曲线；

    7.利用A、B记录绘制出以角度为横坐标的从动杆位移曲线。

    8.将测量杆端部分别换上小滚子，大滚子和平底推杆，测出C，D，E记录(附加部分)。

    六、实验结果

    1.实验数据记录

    表2-6-1续表

    2.绘制从动件位移图和凸轮轮廓图七、思考题

    1.凸轮廓线极坐标图和从动件位移图有什么不同的用途？

    2.用A记录和B记录说明同一凸轮，同一尖顶推杆在对心或偏置状态

    下的位移是否相同，为什么？

    3.用C和D记录说明同一凸轮改变滚子半径时从动件位移是否相同，为什么？(附加题)

    八、供进一步探讨的参考文献

    [1]石永刚，吴央芳.凸轮机构设计与应用创新.北京：机械工业

    出版社，2007

    [2]J.伏尔默[东德].凸轮机构.北京：机械工业出版社，1983

    §2-7 机组运转及飞轮调节实验

    一、实验问题的提出

    在研究机构的运动分析及力分析时，一般都假设原动件作等速运

    动。而实际机器在运转中，受各构件的质量、转动惯量和作用于其上的

    驱动力、阻抗力等因素的影响，机器运动和动力输入轴(主轴)角速度

    会产生波动，由此增加了运动副中的动压力，使机器产生振动和噪声，影响了机器的寿命、效率和工作质量。虽然这种波动一般不能完全根

    除，但可以采取适当的措施将其限制在工作许可的范围之内，称之为机

    器的速度波动调节，这在工程上有重要的意义。

    机械速度波动有周期性和非周期性两类，实际上大多数机械运转过程中都存在着周期性速度波动。为了将其速度波动限制在工作允许的范

    围内，可以在系统中安装飞轮来进行调节。安装飞轮的实质就是增加机

    械的转动惯量，可以达到降低周期性速度波动的目的。因此，飞轮设计

    是机械动力学中的重要内容之一。

    二、实验目的

    1.理解机组稳定运转时速度出现周期性速度波动的原因；

    2.理解飞轮调速的原理；

    3.熟悉机组运转时工作阻力的测试方法；

    4.掌握机器周期性速度波动的调节方法和设计指标；

    5.利用实验数据计算飞轮的等效转动惯量，设计飞轮。

    三、实验原理

    我们采用角速度的变化量和其平均角速度的比值来反映机械运转的

    速度波动程度，这个比值以δ表示，称为速度波动系数或速度不均匀系

    数，计算公式如下：

    (2-7-1)

    为了使所设计的机械系统在运转过程中速度波动在允许范围内，设

    计时应保证δ≤[δ]，[δ]为许用值。飞轮设计的基本问题是根据

    机器实际所需的平均速度ωm 和许可的速度不均匀系数δ来确定飞轮的

    转动惯量JF 。飞轮转动惯量的公式为：

    (2-7-2)

    其中，[W]是最大盈亏功(kJ)，n是主轴转速(rmin)，[δ]是

    允许的速度波动系数。

    飞轮的转动惯量确定后，就可以确定其各部分的尺寸了。飞轮按构

    造大体可分为轮形和盘形两种。这里介绍做实验用到的轮形飞轮。图2-7-1 轮形飞轮结构图

    轮形飞轮是最常用的飞轮。如图所示，这种飞轮由轮毂、轮辐和轮

    缘三部分组成。由于与轮缘相比，其他两部分的转动惯量很小(仅占

    15%左右)，因此，一般可以略去不计。这样简化后，实际的飞轮转动

    惯量稍大于要求的转动惯量。若设飞轮外径为D1 ，轮缘内径为D2 ，轮

    缘质量为m，则轮缘的转动惯量为

    (2-7-3)

    当轮缘厚度H不大时，可近似认为飞轮质量集中于其平均直径D的圆

    周上，于是得

    (2-7-4)

    式中，mD2 称为飞轮矩，其单位为kg·m2 。知道了飞轮的转动惯量JF

    ，就可以求得其飞轮矩。当根据飞轮在机械中的安装空间，选择了轮缘

    的平均直径D后，即可用式(2-7-4)计算飞轮的质量m。

    若设飞轮宽度为B(m)，轮缘厚度为H(m)，平均直径为D(m)，材料密度为ρ(kgm3 )，则

    m＝πρBHD (2-7-5)

    在选定了D并由式2-7-4计算出m后，便可根据飞轮的材料和选定的

    HB由式(2-7-5)求出飞轮的剖面尺寸H和B，对于较小的飞轮，通常取

    HB≈2，对于较大的飞轮，通常取HB≈1.5。

    四、实验设备1.DS-Ⅱ型飞轮实验台

    1-空压机组 2-储气罐 3-压力表 4-排气阀门 5-飞轮 6-平

    键螺母

    7-分度盘片 8-电机 9-动力开关 10-同步脉冲传感器输出 11

    -压力传感器输出

    图2-7-2 飞轮实验台结构示意图

    如图2-7-2所示，该实验台由空压机组、飞轮、传动轴、机座、压

    力传感器、主轴同步脉冲信号传感器等组成。压力传感器已经安装在空

    压机的压缩腔内，10为其输出接口。同步脉冲发生器的分度盘7(光栅

    盘)固装在空压机的主轴上，与主轴曲柄位置保持固定，同步脉冲传感

    器的输出口为11。开机时，改变储气罐压缩空气排气阀门4的开度，就

    可以改变储气罐2中的空气压强，因而也就改变了机组的负载，压强值

    可以从储气罐上的压力表3上直接读出。根据实验要求，飞轮5可以随时

    从传动轴上拆下或装上，拆下时注意保管好轴上的平键6，在安装飞轮

    时应注意放入平键，并且将轴端面固定螺母拧紧。

    2.实验数据采集控制器

    DS-Ⅱ型动力学实验仪内部由单片机控制，它完成汽缸压强和同步

    数据的采集和处理，同时将采集的数据传送到计算机。

    3.计算机及相关实验软件

    五、实验步骤(一)操作指南

    1.连接RS232通讯线

    将计算机RS232串行口，通过标准的通讯线，连接到DS-Ⅱ动力学实

    验仪背面的RS232接口，如果采用多机通讯转换器，则需要首先将多机

    通讯转换器通过RS232通讯线连接到计算机，然后用双端电话线插头，将DS-Ⅱ动力学实验仪连接到多机通讯转换器的任一个输入口。

    2.启动实验应用程序

    3.拆卸飞轮，启动空压机组

    启动以后，应该检查通讯口与实际连接的通讯口(COM1或COM2)是

    否一致。如果不一致，重新通过串口选择菜单设置正确的通讯口。

    4.对实验系统进行标定

    在实验系统第一次应用之前，或者必要时，应该对系统进行标定。

    点击应用程序界面上的标定菜单，首先进行大气压强的标定。根据提

    示，关闭飞轮机组，打开储气罐阀门，并点击“确认”如图2-7-3所

    示。大气压强标定以后，将出现第二个界面，提示对汽缸内压强进行标

    定。启动空压机组，调整阀门，将储气罐压强根据储气罐压力表所示调

    至试验要求的压强值(0.15MP，0.3MP，0.45MP)，并将压强值输入系

    统，点击“确认”即可完成标定。

    图2-7-3 气压标定界面

    5.数据采集

    系统标定进度条完成后，点击“采集”按钮对实验数据进行采集。

    数据采集的结果将分别显示在程序界面上，如图2-7-4所示。界面左边显示的汽缸压强值和主轴回转速度值。本实验数据是以主轴(曲柄)的

    转角为同步信号采集，每一点的采集间隔为曲柄转动6度。右边用图表

    曲线显示汽缸压强和主轴转速。界面下方的文字框中将显示主轴最大、最小、平均转速和回转不匀率，汽缸压强的最大、最小值和平均压强。

    图2-7-4 实验数据采集界面

    6.分析计算

    数据采集完成以后，就可以对空压机组进行分析，点击“计算”按

    钮，系统将出现第二个界面，如图2-7-5所示。在这个界面中，将显示

    空压机组曲柄的主动力矩(假设为常数)、空压机阻力矩曲线和系统的

    盈亏功曲线。下方的文字框中将显示最大阻力矩、平均驱动力矩、最大

    机械能、最小机械能、最大剩余功等数据，以及根据用户输入的许可不

    均匀系数计算得到的系统所需的飞轮转动惯量。图2-7-5 实验数据分析计算界面

    (二)具体步骤

    要求按以下步骤操作，并将实验数据记录到表格中：

    1.系统标定；

    2.不装飞轮，关闭储气罐阀门，启动机组，等运转稳定后进行采样

    和计算，记录数据(飞轮转动惯量要根据式(2-7-2)重新计算)注意

    观察盈亏功曲线(蓝色曲线)在循环开始时和循环结束时是否相交，亦

    即机组的速度波动是否为周期性的；

    3.改变储气罐阀门的开度大小，使负载表压为0.35MPa、0.25MPa、0.15MPa，分别进行采样和计算，记录数据，最后关闭机组；

    4.装上飞轮(注意要放垫圈、拧紧螺母)，关闭储气罐阀门，重新

    启动机组，等运转稳定后进行采样和计算，记录数据；

    5.重复3；

    6.按以上步骤，再做一组小尺寸飞轮数据。

    六、说明与注意事项

    1.改变出气阀门的开启大小，用以改变储气罐中的气压，相当于改

    变空压机组的负载。上述状态实际上与各种机械均有相似之处，如柴油

    机、冲床、起重机、轧钢机甚至自动武器等，因此本实验的研究方法也

    可供研究其他设备之用。在实际操作时，可能机器振动会比较大，只要

    指针以需要的负载压强为中心较稳定地摆动，即可进行采样，我们只需

    观察数据的相对变化趋势，并不要求数据的绝对准确性。

    2.要等到机组运转稳定后再进行采样，这个时间大约为15秒，实验

    者可先练习采样若干次，观察所在的机组运转稳定所需的时间，再正式

    记录数据。

    采样后点击“计算”，电脑会把飞轮转动惯量计算好并显示出来，这个结果并非由教材上的公式计算而得(它的计算方法超出了本实验的

    目的范围)，故要求同学根据测得的最大盈亏功重新计算飞轮的转动惯量，记录到表格中。

    3.在装飞轮时，螺母一定要拧牢，防止在机组运转时螺母飞出或飞

    轮脱离主轴造成危险。若在开机时发现螺母松动，要立即关闭机组，飞

    轮边上严禁站人。

    4.打开储气罐阀门时动作要慢，不要一下子把阀门全部打开。

    七、实验数据

    按实验步骤操作，并将实验数据记录到表格中：

    许用不均匀系数[δ]＝_________

    八、思考题

    1.任取一组不加飞轮时的实验数据，设计飞轮，[δ]取5%。要求

    计算、画图，将飞轮的主要尺寸标在图上，并作简要说明。

    (提示：求机组的等效转动惯量，进而求飞轮的转动惯量，最后确

    定尺寸)

    2.空压机在稳定运转时，为什么会有周期性速度波动？简述其原

    因。

    3.随着工作载荷的不断增加，速度波动出现什么变化？简述其原

    因。4.加飞轮与不加飞轮相比，速度波动有什么变化？气缸压强又有什

    么变化？简述其原因。

    九、供进一步探讨的参考文献

    [1]王云，潘玉安.机械设计基础案例教程(上册).北京：北京

    航天航空大学出版社，2006

    [2]孙序梁.飞轮设计.北京：高等教育出版社，1992第三章 机械工作能力与结构类实验

    §3-1 带传动性能实验

    一、实验问题的提出

    带传动具有结构简单、传动平稳、传动距离大、造价低廉以及缓冲

    吸振等特点，在近代机械中被广泛应用。例如汽车、收录机、打印机等

    各种机械中都采用不同形式的带传动。由于普通带传动是依靠带与带轮

    间的摩擦力来传递载荷，摩擦会产生静电，因此带传动不宜用于有大量

    粉尘的场合。

    带的弹性模量较低，在带传动过程中会产生弹性滑动，导致带的瞬

    时传动比不是常量。另一方面，当带的工作载荷超过带与带轮间的最大

    摩擦力时，带与带轮间会产生打滑，带传动这时不能正常工作而失效。

    那么带传动过程中产生弹性滑动、带轮与带间的打滑的原因是什么

    呢？有没有办法可以避免？能采取什么措施改进？本实验将让你亲自观

    察带传动的弹性滑动、打滑现象，分析弹性滑动曲线与带传动的效率。

    二、实验目的

    1.观察带传动的弹性滑动和打滑现象；

    2.了解带的初拉力、带速等参数的改变对带传动能力的影响，测绘

    出弹性滑动曲线；

    3.掌握转速、扭矩、转速差及带传动效率的测量方法。

    三、实验原理由于带传动是依靠带与带轮之间的摩擦力来传递负载，因此带安装

    时必须要有预紧力。不工作时带两边所受拉力相等为F0 。带传动处于

    工作状态时如图3-1-1所示，主动轮以转速n1 转动时，带绕上主动轮的

    一边被拉紧，紧边拉力由F0 增加到F1 ；带绕上从动轮的一边被放松，拉力由F0 减小到F2 。由于拉力的变化导致带产生的弹性变形也不同，当紧边在A1 点绕上主动轮时，其所受的拉力为F1 ，此时带的线速度和

    主动轮的圆周速度(均指带轮的节圆上的圆周速度)相等。但在带由A1

    点转到B1 点的过程中，带所受的拉力由F1 逐渐降低到F2 ，带的弹性变

    形也逐渐减少，因而带沿带轮的运动是一面绕进，一面向后收缩，带的

    速度便逐渐过渡到低于主动轮的圆周速度，即带与主动轮之间发生了相

    对滑动。而带在从动轮上由A2 点绕进转到B2 点的过程中，拉力由F2 逐

    渐增大到F1 ，带沿带轮的运动是一面绕进，一面向前伸长，带的速度

    便逐渐过渡到高于从动轮的圆周速度，带与从动轮间也发生滑动。这种

    由于变形而引起的带与带轮间的滑动称为带传动的弹性滑动。这是带传

    动正常工作时固有的特性。带的弹性滑动并不是发生在相对于全部包角

    的接触弧上，只发生在带由主、从动轮上离开以前的那一部分接触弧

    上，称为滑动弧。如图中的C1 B1 和C2 B2 。随着负载的增加，有效拉

    力的增大，滑动弧也不断增大，当增大到整个接触弧即A1 B1 和A2 B2

    时，带传动的有效拉力达到最大值，如果工作载荷再进一步增大，则带

    与带轮间就发生显著的相对滑动，称为打滑，从而使带的摩擦加剧，从

    动轮转速急剧降低，带传动失效。这种情况应当避免。

    图3-1-1

    四、实验台结构及工作原理

    1.实验设备实验台结构如图3-1-2所示。传动带装在主动轮5和从动轮9上，直

    流电动机和直流发电机的转子均有一对滚动轴承支承；电机定子可绕轴

    线摆动，在定子上装有测力杠杆2和10，杠杆2、10分别压在测力计3和

    11上，当电动机和发电机工作时，便能容易地测量出电动机和发电机的

    工作转矩。直流电动机安装在滑动支架上，在砝码重力的作用下，使电

    机向左移动，传动带被张紧，在带中产生预拉力F0 ，改变砝码重量即

    可改变预拉力F0 。用可控硅调速装置对电动机进行无级调速，采用直

    流发电机和一组灯泡作为负载。

    1-砝码 2-杠杆 3-测力计 4-支架 5-主动带轮 6-气流电动

    机 7-传动器 8-直流发动机 9-从动带轮 10-杠杆 11-测力

    计

    图3-1-2 实验台结构图

    整流、起动、调速、加载以及控制系统等电气部分，都装在机身

    内。皮带试验机还配有双路数显转速计和转矩测试装置，进行相应的转

    速和转矩测量。

    2.基本原理

    (1)调速和加载

    电机的直流电源由可控硅整流装置供给，转动电位器可改变可控硅

    控制角，提供给电动机电枢不同的端电压，以实现无级调速电机转速。

    加载是通过改变发电机激磁电压实现的。逐个按动灯泡负载电阻开

    关，使发电机激磁电压加大，电枢电流增大，随之电磁转矩增大。由于

    电动机与发电机产生相反的电磁转矩，发电机的电磁转矩对电动机而

    言，即为负载转矩。所以改变发电机的激磁电压，也就实现了负载的改

    变。(2)转速的测量

    对主、从动带轮轴回转转速的测量，由光电传感器和双路数字转速

    计完成。其测试原理框图见图3-1-3。

    图3-1-3 转速测量原理

    (3)转矩的测量

    转动力矩分别通过固定在定子外壳上的杠杆2和10受到转子力矩的

    反方向力矩测得，该转矩与测力计的支反力产生的转矩相平衡，使定子

    处于平衡状态。所以得到以下结论

    主动轮上的转矩：

    T1 ＝K1 Δ1 L1 (3-1-1)

    从动轮上的转矩：

    T2 ＝K2 Δ2 L2 (3-1-2)

    式中，K1 ，K2 为测力计的标定值；(N格)

    Δ1 ，Δ2 是百分表上变化格数；

    L1 ，L2 是测力杠杆力臂长度；(m)

    (4)带传动的圆周力、弹性滑动系数和效率

    带传动的圆周力公式：

    (3-1-3)

    带传动的弹性滑动系数：

    (3-1-4)带传动的效率：

    (3-1-5)

    式中，P1 ，P2 分别为主、从动轮功率(kW)；

    n1 ，n2 分别为主、从动轮转速(rmin)。

    随着负载的改变(F的改变)，T1 ，T2 ，Δn＝n1 -n2 的值也改

    变，这样可获得一组ε和η值，然后可绘出滑动曲线和效率曲线。

    五、实验步骤及注意事项

    1.开关接通前，检查调速旋钮是否处在“零”位置；

    2.加上砝码，使带加上预紧张力；

    3.把测力杠杆压在测力计上，把百分表指针调“零”；

    4.接通电源，平稳调节调速旋钮，使转速达到某一定值。测出n1

    和n2 ，并读下百分表读数Δ1 和Δ2 ，记录在实验报告中；

    5.把负载箱接在发电机的输出端。通过开关改变接入发电机输出电

    路中灯泡的数目，即可改变负载，每增加一次负载，调节调速旋钮使主

    动轮转速保持为一定值。测出n1 和n2 ，并记录百分表Δ1 和Δ2 ，直

    到带传动发生打滑为止；

    6.开启计算机，运行程序，输入所测数据，画出实验数据曲线，并

    讨论实验曲线的变化规律，分析其中的原理；

    7.实验台为开式传动，实验人员必须注意安全；

    8.调节调速旋钮时，不要突然使速度增大或减小，以免产生较大冲

    击力，以防损坏测力计。

    六、实验结果及分析

    1.已知条件(1)带的种类： ，截面积A＝

    (2)带的初拉力：2F0 ＝ ，N

    (3)张紧方式：自动张紧

    (4)杠杆臂长度：L1 ＝ ，mm

    L2 ＝ ，mm

    (5)测力计标定值：K1 ＝ ，N格

    K2 ＝ ，N格

    (6)包角：α1 ＝α2 ＝180°

    (7)带轮直径D1 ＝D2 ＝

    2.测量数据记录表

    续表

    1.绘制带传动的弹性滑动曲线和效率曲线图3-1-4 带的滑动曲线与效率曲线

    2.结论

    七、分析思考题

    1.带传动的弹性滑动与带的初始张紧力有什么关系吗？

    2.带传动的弹性滑动与带上的有效工作拉力有什么关系？

    3.带传动为什么会发生打滑失效？

    4.针对带传动的打滑失效，可采用哪些技术措施予以改进？

    5.带传动的传动比对带中的应力分布影响如图3-1-5所示。请分析

    可以采用哪些措施来提高传动带的疲劳寿命？

    八、供进一步探讨的参考文献

    [1]徐溥滋，陈铁鸣，韩永春.带传动.北京：高等教育出版社，1988

    [2]张锡山，徐铁华.带传动技术.北京：纺织工业出版社，1988

    [3]方文中.同步带传动设计·制造·使用.上海：上海科学普及

    出版社，1993

    [4]李玉盛.带传动可靠性设计.重庆：重庆大学出版社，1993图3-1-5 不同传动比时，带在一个工作循环内的应力变化[1]

    §3-2 链与万向节传动性能实验

    一、实验问题的提出

    1.链传动是带有中间挠性件的啮合传动，其结构简单，能传递较远

    距离的传动，较带传动能传递更大的功率。链传动在交通机械、矿山机

    械等机器设计中已得到广泛应用。例如，近来人们开发出了链式抽油

    机，用于石油开采。

    链传动的多边形效应使得链传动的瞬时传动比不是一个常数，而其

    平均传动比是一常数。只有大小链轮齿数一样多，且中心距为链节距的整数倍时链传动的瞬时传动比才是恒定的。为什么是这样呢？让我们来

    通过实验分析链传动的多边形效应。

    2.万向节传动在汽车等机器设计中也得到大量应用，其传递扭矩距

    离远，结构简单，并在一定条件下可实现等速传动。使用单个万向节传

    动时，主动轴等速回转，而输出轴的转速是周期性变化的。人们使用两

    个万向节传动解决了这一问题。当中间轴的两个万向节处于同一平面

    内，且中间轴与输入轴、输出轴的夹角一样大时，输出轴的转速与输入

    轴的转速是一样的，能实现等速传动。为什么会是这样的？我们可以通

    过实验来观察分析万向节传动中各轴的转速变化。

    二、实验目的

    1.分析链传动的多边形效应与等速链传动的条件，熟悉旋转机械回

    转速度的测试方法；

    2.理解链传动过程中回转速度波动的原因；

    3.分析单个万向节传动的运动特性，理解万向节传动过程中速度波

    动的原因；

    4.分析实现万向节等速传动的条件。

    三、实验原理

    1.链传动中的齿数为z2 、z1 的大小链轮，在链传动的运动分析中

    可作为z2 、z1 边的多边形。由于链传动安装好后其中心距不变，因此

    链条在水平方向的线速度相同(图3-2-1)，可以列出式(3-2-1)，式

    中n2 、n1 分别为大小链轮每分钟转速。由于β在 、γ在

    之间变化，链传动的瞬时传动比 可由式(3-2-2)计算

    出来，可见链传动的瞬时传动比是周期性变化的。如果主动链轮1的角

    速度 恒定，输出链轮2的角速度 是周期性变化的。在套筒滚子链传动中，链传动的平均传动比 是定值。链条在垂直于链轮中

    心线方向的分速度vy1 也是周期性变化的，见图3-2-2。

    (3-2-1a)

    (3-2-1b)

    (3-2-2)

    图3-2-1 链传动的运动分析

    图3-2-2 速度分析

    2.单个万向节传动时，在轴1与轴2的叉形分别位于两轴线组成的平

    面内(图3-2-3)，在图3-2-2(a)和图3-2-3(b)两个特殊位置时，从动轴的角速度分别为 ′＝ cosα和 ″2 ＝ cosα。在主

    动轴以恒速 回转一周的过程中，从动轴的角速度在 ′～ ″之

    间变化，从而在传动中引起附加动载荷。为了实现输出轴与输入轴同样

    转速的传动，必须设计成双万向节传动，并且要求满足三个条件：①主

    动、从动、中间三轴共面；②主动轴、从动轴的轴线与中间轴的轴线之

    间的夹角应相等；③中间轴两端的叉面应在同一平面内。如图3-2-4所

    示，这时输出轴的角速度与输入轴的角速度是相同的。图3-2-3 单个万向节传动

    图3-2-4 双万向节传动

    四、实验台的结构与工作原理

    链传动与万向节传动的系统结构如图3-2-5所示。它的工作原理

    为：电机10通过V带9传动驱动主轴5，主轴的一端联着万向节传动7，另

    一端联着链传动系统。安装在万向节输出端和链传动输出端的光电速度

    传感器8和1将分别测试它们的转速。假定电机的速度是均匀的，忽略带

    传动的弹性滑动影响，测得的主轴5的回转转速也应该是均匀的。那么

    我们可以通过分别测得的万向节和链传动的输出轴转速，分析万向节传

    动和链传动运转速度不均匀性，两个输出轴的转速变化反映万向节传动

    和链传动的速度波动情况。在这个实验系统中，主轴传感器6和万向节

    传感器8所测得的转速，反映了万向节输出轴的转速变化。主轴传感器6

    和大链轮转速传感器1测得的转速，反映了链传动的速度不均匀性。

    LWS-Ⅲ链条、万向节实验仪内部由单片机控制，它完成链条和万向

    节传动输出速度的采集和处理，同时将采集的数据传送到计算机进行处

    理。打开电源，三位LED数码显示管显示“0”，表示仪器已经通电。复

    位键是用来对仪器进行复位的。如果发现仪器工作不正常或者与计算机

    的通讯有问题，可以通过按复位键来消除。启动试验台以后，链轮轴的

    平均转速将由LED数码管显示。仪器的背面有两个5芯航空插头，分别标

    明输入1和输入2，将链条、万向节速度传感器的两路输出分别接到该两个插座(链轮速度传感器接输入1、万向节速度接输入2)。仪器背面上

    还有两个通讯接口，一个是标准的9针RS232接口，用于仪器与计算机直

    接连接，另一个是多机通讯口，用于将本仪器与多机通讯转换器连接，通过多机通讯转换器再接入计算机。用户可以使用这两个接口中的任一

    个与计算机通讯。

    图3-2-5 链—万向节传动实验系统

    系统主界面(图3-2-6)使用说明：

    本界面主要是用来切换多个实验系统界面的平台，有8个通道可供

    切换，每个通道中配有6个实验系统，同时还有串口配置、仪器配置、帮助及退出等按钮。

    单击8个按钮中一个，将调用相应的实验系统界面，并可对该界面

    操作。串口配置中含有COM1和COM2，使用本界面时应选择串口，其中

    COM1的指定位置是3F8，COM2的指定位置是2F 8。

    仪器配置：单击仪器配置按钮，将切换到仪器配置界面，可对8个通道中的仪器进行配置，按配置结束返回到主界面。

    退出：单击该按钮将退出本界面。

    图3-2-6 实验软件系统界面

    五、实验步骤及注意事项

    1.连接RS232通讯线

    本实验必须通过计算机来完成。将计算机RS232串行口，通过标准

    的通讯线，与LWS-Ⅲ链条、万向节实验仪背面的RS232接口，如果采用

    多机通讯转换器，则需要首先将多机通讯转换器通过RS232通讯线连接

    到计算机，然后用双端电话线插头，将DS-Ⅱ动力学实验仪连接到多机

    通讯转换器的任一个输入口。

    2.启动实验应用程序

    如果用户使用多机通讯转换器，则启动多串口通讯程序。根据用户

    计算机与多机通讯转换器的串行接口通道，在程序界面的左上角串口选

    择框中选择合适的通道号(COM1或COM2)。根据链轮、万向节实验在多机通讯转换器上所接的通道口，选择该通道口的应用程序为链轮、万向

    节实验，然后点击该通道。此时，多机通讯转换器的相应通道指示灯应

    该点亮，链轮、万向节实验系统应用程序将自动启动。如果多机通讯转

    换器的相应通道指示灯不亮，检查多机通讯转换器与计算机的通讯线是

    否连接正确，确认通讯的通道是否与键入的通讯口(COM1或COM2)一

    致。如果用户选择的是实验系统与计算机直接连接，则将LWS-Ⅲ链条、万向节实验仪后背的RS232串行口与计算机的串行口(COM1或COM2)直

    接连接，并启动“链轮实验系统”的应用程序。

    3.启动链轮、万向节传动实验台

    链条、万向节实验系统程序的界面如图3-2-6所示。启动以后，用

    户应该检查通讯口与实际连接的通讯口(COM1或COM2)是否一致。如果

    不一致，重新通过串口选择菜单设置正确的通讯端口。

    4.数据采集

    系统启动以后，就可以用数据采集按钮对实验数据进行采集了。数

    据采集的结果将分别显示在程序界面上，如图3-2-6所示。界面左边显

    示的是万向节和大链轮输出轴回转速度值，本实验数据是以主轴(曲

    柄)的转角为同步信号采集，每一点的采集间隔为曲柄转动6度。右边

    用图表曲线显示万向节输出轴和大链轮轴的回转速度波动曲线。界面下

    方的文字框中将显示万向节输出轴和大链轮轴的最大转速、最小转速、平均转速和回转不匀率。

    六、实验结果及分析

    1.参见图3-2-6，通过电机调节输入轴的转速，通过信号采集，分

    析链传动输出轴的转速变化规律。

    2.参见图3-2-6，通过电机调节输入轴的转速，通过信号采集，分

    析万向节传动输出轴的转速变化规律。

    七、思考题

    1.单个万向联轴节的输入、输出轴的转速一样吗？如何设计两个万向联轴节的传动，才能保证输入轴与输出轴的转速一样大小(等速传

    动)？

    2.链传动的平均传动比恒定吗？链传动的瞬时传动比是定值吗？

    3.如何设计链传动的参数可以减小链传动的速度不均匀性(多边形

    效应)？

    八、供进一步探讨的参考文献

    [1]吉林工业大学链传动研究所，苏州链条总厂.特种链条厂合

    编，链传动设计与应用手册.北京：机械工业出版社，1992

    [2]郑志峰，王义行，柴邦衡.链传动.北京：机械工业出版社，1984

    [3]阮忠唐，联轴器.离合器设计与应用指南.北京：化学工业出

    版社，2006

    §3-3 封闭功率流式齿轮传动效率实验

    一、实验问题的提出

    齿轮有圆柱齿轮、圆锥齿轮、平面齿轮与不完全齿轮等；齿形有渐

    开线、摆线、圆弧、双圆弧、螺旋面等。由于齿轮传动功率比带传动与

    链传动大，在机器设计中得到广泛应用。由于渐开线齿轮传动的瞬时传

    动比为定值，并具有中心距可分性与啮合角不变性，对制造误差和安装

    误差不敏感，作用在轴上的载荷方向不变；渐开线齿轮的加工工艺成

    熟，因此是常用的轮齿齿形。齿轮传动的效率高、结构紧凑、工作可

    靠、寿命长，齿轮传动传递的功率可达数十万千瓦，圆周速度可达

    300ms，最高转速可达19600rmin，齿轮的直径可达数十米以上。

    实际机械中齿轮传动的工作载荷谱的确定是比较复杂的问题，齿面

    固定点的载荷不仅仅是脉动变化的，而且有高频冲击的特点。同时啮合

    的轮齿间载荷是非平均分配的，而且在一个齿上沿接触线上的载荷也是非均匀分布的。对于减速传动的直齿圆柱齿轮，大小齿轮的硬度HB2 和

    HB1 与传动比i之间可设计为HB2 ＝i0.25 HB1 ，以便充分利用小齿轮硬

    齿面对大齿轮软齿面的冷作硬化作用，以达到一对齿轮齿面接触强度和

    齿根弯曲疲劳强度相等。在产品试验和实验室试验中常要进行齿轮传动

    的工作能力、寿命和效率的实验分析，在齿轮传动上所施加的功率(扭

    矩和转速)载荷谱是能准确分析试验结果、得到正确结论的关键，如果

    用制动器消耗掉在试验中所施加的功率，则造成能量浪费。因此，应讨

    论齿轮试验原理、实验方法与效率计算分析。

    如何测定齿轮传动的效率是本实验的内容，怎样设计能耗低的齿轮

    传动试验台？在齿轮变速箱厂对所生产的大量齿轮要进行跑合试验，如

    何减少电能消耗呢？

    二、实验目的

    1.了解封闭功率流式齿轮试验台的基本结构原理、特点及测定齿轮

    传动效率的方法；

    2.测定齿轮传动效率和功率。

    三、实验原理

    图3-3-1 两种滑轮设计

    首先介绍封闭功率流的概念，图3-3-1(a)是一个定滑轮机构，要

    使重物Q以匀速v上升，必须在滑轮1右边加上力P，克服重物Q和摩擦阻

    力Ff 。右边绳上所加的外力功率是Pv＝Qv+Ff v，它完全是由外力产生的。图3-3-1(b)利用手轮和弹簧装置，把左边绳中的拉力调节到等

    于Q，然后在右边绳子上只需加上一个克服摩擦的力，就可使左边绳子

    以匀速v上升。在图3-3-1(a)的设计中，功率N1 ＝Pv＝Qv+Ff v都是

    外力产生的，并且消耗在增加重物Q的势能和滑轮的摩擦上。在图3-3-

    1(b)的系统中，所加外力仅仅是Ff ，而Qv不再是外力产生的，而是

    内平衡力产生的，外加功率仅是N2 ＝Ff v。由于摩擦力Ff 的值一般很

    小，这个系统的能耗小，功率Qv是平衡内力产生的，称之为封闭功率。

    这种封闭功率系统原理也可以用于齿轮试验。

    图3-3-2(a)由两对齿轮副Za 、Za′ 和Zb 、Zb′ 组成，并且要求

    有 ，Za ＝Za′ ，Zb ＝Zb′ ，两对齿轮副的中心距也要相等。

    假设传递的扭矩为T，则系统的功率为式(3-3-1)所示，电机功率可由

    式(3-3-2)计算。式中na 为齿轮a转速(rmin)，η为系统效率。

    (3-3-1)

    (3-3-2)

    图3-3-2(b)利用半联轴器2和4及中间轴3把齿轮a和a′联接起

    来，组成封闭系统，并在这个联轴器上加载扭转T，这时齿轮的工作功

    率仍是Tna ，但是这个功率并不由电动机提供，电动机只提供摩擦阻力

    所消耗的功率，即只提供功率 Tna ，其中力矩T当齿轮不转动

    时也存在，是由封闭系统中的平衡内力产生的，称为封闭力矩。这时电

    动机提供的克服摩擦的功率为图3-3-2 两种齿轮试验台

    若ηa′b′≈ηba＝η，则

    (3-3-3)

    要获得封闭力矩就必须有特殊加载装置，系统设计中一般的加载装

    置有直接扭转加载装置、螺旋运动加载装置、摇摆齿轮箱加载装置、行

    星差动齿轮机构加载装置和惯性加载装置。本实验中的试验台采用的是

    摇摆齿轮箱加载装置。

    四、实验台的结构与工作原理

    CLS-Ⅱ型试验台为小型台式封闭功率流式齿轮试验台，采用悬挂式

    摇摆齿轮箱不停机加载方式，加载方便、操作简单安全，耗能少。在数

    据处理方面，既可直接用抄录数据手工计算方法，也可以和计算机接口

    组成具有数据采集处理、结果曲线显示、信息储存和打印输出等多种功

    能的自动化处理系统。该系统具有重量轻、机电一体化相结合等特点。

    本试验台可进行齿轮传动效率试验，小模数齿轮的承载能力试验。

    通过试验，使学生能了解封闭功率流式齿轮试验台的基本原理、特点及

    齿轮传动效率的测试方法。

    (一)主要技术参数：

    (1)试验齿轮模数 m＝2

    (2)齿数 Z4 ＝Z3 ＝Z2 ＝Z1 ＝38

    (3)中心距 A＝76mm

    (4)速比 ＝1

    (5)直流电机额定功率 P＝300W

    (6)直流电机转速 N＝0～1100rmin(7)最大封闭扭矩 TB ＝15N·m

    (8)最大封闭功率 PB ＝1.5kW

    (二)机械结构

    试验台的结构如图3-3-3所示，由定轴齿轮副、悬挂齿轮箱、扭力

    轴、双万向联轴器等组成一个封闭机械系统。

    电机采用外壳悬挂结构，通过浮动联轴器和齿轮相连，与电机悬臂

    相连的转矩传感器把电机转矩信号送入实验台电测箱，在数码显示器上

    直接读出。电机转速由霍耳传感器4测出，同时送往电测箱中显示。

    1-悬挂电机 2-转矩传感器 3-浮动联轴器 4-霍耳传感器

    5-5′-定轴齿轮副 6-刚性联轴器 7-悬挂齿轮箱 8-砝码

    9-9′-悬挂齿轮副 10-万向联轴器 11-永久磁钢

    图3-3-3 齿轮实验台结构简图

    (三)效率计算

    1.封闭功率流方向的确定

    由图3-3-3可知，试验台空载时，悬臂齿轮箱的杠杆通常处于水平

    位置，当加上一定载荷之后(通常加载砝码是0.5kg以上)，悬臂齿轮

    箱会产生一定角度的翻转，这时扭力轴将有一力矩T9 作用于齿轮9(其

    方向为顺时针)，万向节轴也有一力矩T9 ′作用于齿轮9′，(其方向

    也顺时针，如忽略摩擦，T9 ′＝T9 )。当电机顺时针方向以角速度ω转动时，T9 与ω的方向相同，T9 ′与ω方向相反，故这时齿轮9为主

    动轮，齿轮9′为从动轮，同理齿轮5′为主动轮，齿轮5为从动轮，封

    闭功率流方向如图3-3-3所示，其大小为：

    该功率流的大小决定于加载力矩和扭力轴的转速，而不是决定于电

    动机。电机提供的功率仅为封闭传动中损耗功率，即：

    P1 ＝P9 -P9 η总

    则

    对单对齿轮

    η为总效率，若η＝95%，则电机供给的能量，其值约为封闭功率

    值的110，是一种节能高效的试验方法。

    2.封闭力矩T9 的确定

    由图3-3-3可以看出，当悬挂齿轮箱杠杆加上载荷后，齿轮9、齿轮

    9′就会产生扭矩，其方向都是顺时针，对齿轮9′中心取矩，得到封闭

    扭矩T9 ，本试验台T9 是所加载荷产生扭矩的一半，即：

    式中，W为所加砝码重量，N；L是加载杠杆长度，L＝0.3m。

    则平均效率为：

    式中，T1 是电动机输出转矩(电测箱输出转矩显示值)；电机为顺时

    针旋转。

    (四)电子系统1.系统框图

    电测箱内电子系统的结构框内如图3-3-4所示。

    图3-3-4 实验系统框图

    实验台电测箱内附设单片机，承担检测、数据处理、信息记忆，自

    动数字显示及传送等功能。若通过串行接口与计算机相连，就可由计算

    机对所采集数据进行自动分析处理、并能显示及打印齿轮传递效率η-

    T9 曲线及T1 -T9 曲线和全部相关数据。

    2.操作部分

    操作部分主要集中在电测箱正面的面板上，面板的布置如图3-3-5

    所示。

    在电测箱背面备有微机RS232接口，转矩、转速输入接口等，其布

    置情况如图3-3-6所示。

    图3-3-5 电测箱面板布置图1-调零电位器 2-转矩放大倍数电位器 3-力矩输出接口 4-接地

    端子

    5-转速输入接口 6-转矩输入接口 7-RS232接口 8-电源开关 9

    -电源插座

    图3-3-6 电测箱后板布置图

    五、实验步骤及注意事项

    1.人工记录操作方法

    (1)系统连接及接通电源

    齿轮实验台在接通电源前，应首先将电机调速旋钮逆时针转至最低

    速“0速”位置，将传感器转矩信号输出线及转速信号输出线分别插入

    电测箱后板和实验台上相应接口上，然后揿电源开关接通电源。打开电

    测箱后板上的电源开关，并按一下“清零键”，此时，输出转速显示

    为“0”，输出转矩显示数“.”，实验系统处于“自动校零”状态。校

    零结束后，力矩显示为“0”。

    (2)转矩零点及放大倍数调整

    (a)零点调整

    在齿轮实验台不转动及空载状态下，使用万用表接入电测箱后板力

    矩输出接口3(见图3-3-7)上，电压输出值应在1～1.5V范围内，否则

    应调整电测箱后板上的调零电位器(若电位器带有锁紧螺母，则应先松

    开锁紧螺母，调整后再锁紧)。

    零点调整完成后按一下“清零”键，待转矩显示“0”后表示调整结束。

    (b)放大倍数调整

    “调零”完成后，将实验台上的调速旋钮顺时针慢慢向“高速”方

    向旋转，电机起动并逐渐增速，同时观察电测箱面板上所显示的转速

    值。当电机转速达到1000rmin左右时，停止转速调节，此时输出转矩

    显示值应在0.98～1Nm之间，(此值为出厂时标定值)，否则通过电测

    箱后板上的转矩放大倍数电位器加以调节。调节电位器时，转速与转矩

    的显示值有一段滞后时间。一般调节后待显示器数值跳动两次即可达到

    稳定值。

    (3)加载

    调零及放大倍数调整结束后。为保证加载过程中机构运转比较平

    稳，建议先将电机转速调低。一般实验转速调到500～800rmin为宜。

    待实验台处于稳定空载运转后(若有较大振动，要按一下加载砝码吊篮

    或适当调节一下电机转速)，在砝码吊篮上加上第一个砝码。观察输出

    转速及转矩值，待显示稳定(一般加载后转矩显示值跳动2～3次即可达

    稳定值)后，按一下“保持键”，使当时的转速及转矩值稳定不变，记

    录下该组数值。然后按一下“加载键”，第一个加载指示灯亮，并脱

    离“保持”状态，表示第一点加载结束。

    在吊篮上加上第二个砝码，重复上述操作，直至加上八个砝码，八

    个加载指示灯亮，转速及转矩显示器分别显示“8888”表示实验结束。

    根据所记录下的八组数据便可作出齿轮传动的传动效率η-T9 曲

    线及T1 -T9 曲线。

    注：在加载过程中，应始终使电机转速基本保持在预定转速。

    在记录下各组数据后，应先将电机调速至零，然后再关闭实验台电

    源。

    2.与计算机接口实验方法

    在CLS-Ⅱ型齿轮传动实验台电控箱后板上设有RS232接口，通过所

    附的通讯连接线和计算机相连，组成智能齿轮传动实验系统，操作步骤

    为：

    (1)系统连接及接通电源在关电源的状态下将随机携带的串行通讯连接线的一端接到实验台

    电测箱的RS232接口，另一端接入计算机串行输出口(串行口1＃或2＃

    均可，但无论联线或拆线时，都应先关闭计算机和电测箱电源，否则易

    烧坏接口元件)。其余方法同前

    (2)转矩零点及放大倍数调整方法同前

    (3)打开计算机

    打开计算机，运行齿轮实验系统，首先对串口进行选择，如有必

    要，在串口选择下拉菜单中有一栏机型选择，选择相应的机型，然后点

    击数据采集功能，等待数据的输入。

    (4)加载

    同样，加载前就先将电机调速至500～800rmin之间，并在加载过

    程中应始终使电机转速基本保持在预定值。

    (a)实验台处于稳定空载状态下，加上第一个砝码，待转速及转

    矩显示稳定后，按一下“加载键”(注：不需按“保持键”)第一个加

    载指示灯亮。加第二个砝码，显示稳定后再按一下“加载键”，第二个

    加载指示灯亮，第二次加载结束。如此重复操作，直至加上八个砝码，按八次“加载键”，八个加载指示灯亮。转速、转矩显示器都显

    示“8888”，表明数据采集结束。将电机调速至“0”并卸下所有砝

    码。

    (b)按电测箱面板上的“送数键”，当确认传送数据无误(否则

    再按一下“送数键”)后，用鼠标选择“数据分析”功能，屏幕所显示

    本次实验的曲线和数据。接下来就可以进行数据拟合等一系列的工作

    了。如果在采集数据过程中，出现采不到数据的现象，请检查串口是否

    接牢，然后重新选择另一串口，重新采集，如果采集的数据有错，请重

    新用实验台产生数据，再次采集。

    (c)移动功能菜单的光标至“打印”功能，打印机将打印实验曲

    线和数据。

    (d)实验结束后，用鼠标点击“退出”菜单，即可退出齿轮实验

    系统。退出后应及时关闭计算机及实验台电测箱电源。

    (e)注意：如需拆、装RS232串行通讯线，必须将计算机及试验台的电源关断。

    系统主界面使用说明(参见图3-3-7)：

    本界面主要是用来切换多个实验系统界面的平台，有8个通道可供

    切换，每个通道中配有6个实验系统同时还有串口配置、仪器配置、帮

    助、退出。

    单击8个按钮中一个，将调用相应的实验系统界面，并可对该界面

    操作。

    串口配置中含有COM1和COM2，使用本界面时应选择串口，其中COM1

    的指定位置是3F8，COM2的指定位置是2F8。

    仪器配置：单击仪器配置按钮，将切换到仪器配置界面，可对8个

    通道中的仪器进行配置，按配置结束返回到主界面。

    退出：单击该按钮将退出本界面。

    3.注意事项

    (1)计算机的开启与关闭必须按计算机操作方法进行，不得任意

    地删除计算机中的程序文件。

    (2)实验台为开式传动，请注意人身安全。图3-3-7 实验台信号采集系统界面

    六、实验结果及分析

    1.写出实验条件

    传动比，i＝

    中心距，a＝

    齿轮模数，m＝

    最大加载力矩，Tm ax＝

    电动机功率，P0 ＝

    2.实验数据及计算结果记录在下表。

    表3-3-1 实验结果

    3.实测曲线

    (1)T9 -T1 曲线图3-3-8

    (2)T9 -η曲线

    图3-3-9

    七、思考题

    1.T9 -T1 基本上为直线关系，为什么T9 -η为曲线关系？

    2.哪些因数影响齿轮传动的效率？加载力矩的测量中存在哪些误

    差？

    3.本实验测定了齿轮传动的效率，如何测定齿轮传动的接触强度、弯曲强度呢？

    八、供进一步探讨的参考文献

    [1]范垂本.齿轮的强度和试验.北京：机械工业出版社，1979

    [2]李华敏，韩元莹，王知行.渐开线齿轮的几何原理与计算.北

    京：机械工业出版社，1985[3]仙波正庄.齿轮强度计算.北京：化学工业出版社，1984

    [4]日本机械学会.齿轮强度设计资料.北京：机械工业出版社，1984

    [5]太原工学院齿轮研究室，圆弧齿轮.北京：机械工业出版社，1980

    [6]李福生，尹种芳，张遵连，林子光，张作督，厉海祥.非圆齿

    轮与特种齿轮传动设计.北京：机械工业出版社，1983

    §3-4 液体动压径向滑动轴承实验

    一、实验问题的提出

    由于液体动压滑动轴承其摩擦损失小、抗冲击载荷能力强，大量用

    于水电站、火电站等大型机电设备的主轴系统中，是目前高转速、重载

    荷主轴系统设计中广泛采用的设计方案。

    液体动压滑动轴承是如何工作的？液体动压润滑油膜是如何形成

    的？液体动压润滑滑动轴承的特性与哪些因素有关？如何测定液体动压

    润滑滑动轴承的特性曲线？

    二、实验目的

    1.观察分析滑动轴承在起动过程中的摩擦现象及润滑状态，加深对

    形成流体动压润滑油膜条件的理解；

    2.可以测试流体动压力p、滑动速度V与摩擦因数f之间的关系，并

    绘出滑动轴承的特性曲线；

    3.通过实验数据处理，绘制出滑动轴承油膜中的压力分布曲线；

    4.了解滑动轴承的试验及其性能的测试方法。图3-4-1 液体动压润滑膜形成的过程

    三、实验原理

    滑动轴承形成动压润滑油膜的过程如图3-4-1所示。当轴静止时，轴承孔与轴颈直接接触，如图3-4-1(a)所示。径向间隙Δ使轴颈与轴

    承的配合面之间形成楔形间隙，其间充满润滑油。由于润滑油具有粘性

    而附着于零件表面的特性，因而当轴颈回转时，依靠附着在轴颈上的油

    层带动润滑油挤入楔形间隙。因为通过楔形间隙的润滑油质量不变(流

    体连续运动条件)，而楔形中的间隙截面逐渐变小，润滑油分子间相互

    挤压，从而油层中必然产生流体动压力，它力图挤开配合面，达到支承

    外载荷的目的。当各种参数协调时，液体动压力能保证轴的中心与轴瓦

    中心有一偏心距e。最小油膜厚度hm in存在于轴颈与轴承孔的中心连线

    上。液体动压力的分布如图3-4-1(c)所示。

    液体动压润滑能否建立，通常用f-λ曲线来判别。图3-4-2中f为

    轴颈与轴承之间的摩擦因数，λ为轴承特性因数，它与轴的转速n，润

    滑油动力粘度η、润滑油压强p之间的关系为

    λ＝ηnp (3-4-1)

    式中， ；Nmm2 。Fr 是轴承承受的径向载荷；d是轴承的孔径，本实验中，d＝70mm；B是轴承有效工作长度，对本实验轴承，取B＝

    125mm。

    图3-4-2特性曲线上的A点是轴承由混合润滑向流体润滑转变的临界

    点。此点的摩擦因数为最小，此点相对应的轴承特性系数称为临界特性系数，以λ0 表示。A点之右，即λ>λ0 区域为流体润滑状态；A点之

    左，即λ<λ0 区域称为边界润滑状态。

    根据不同条件所测得的f和λ之值，我们就可以作出f-λ曲线，用

    以判别轴承的润滑状态，能否实现在流体润滑状态下工作。

    图3-4-2 摩擦特性曲线(tribeck曲线)

    四、实验台的结构与工作原理

    滑动轴承实验台的结构如图3-4-3所示。

    图3-4-3 滑动轴承实验台示意图

    1.实验台的传动装置

    由直流电动机②通过V带①带动轴沿顺时针(面对实验台面板)方

    向转动，由无级调速器实现轴4的无级调速。本实验台的转速范围是0～

    390转分，轴的转速由四位LED数码管直接读出。

    2.轴与轴瓦间的油膜压力测量装置轴的材料为45号钢，经表面淬火、磨光，由滚动轴承支承在箱体3

    上，轴的下半部浸泡在润滑油中，本实验台采用的润滑油的牌号为

    N68(即旧牌号的40号机械油)，该油在20℃时的动力粘度为

    0.34Pa·S。轴瓦的材料为铸锡铅青铜，牌号为ZCuSnPb5Zn5(即旧牌号

    ZQSn6-6-3)。在轴瓦的一个径向平面内沿圆周钻了7个小孔，每个小孔

    沿圆周相隔20°，每个小孔连接一个压力表，用来测量该径向平面内相

    应点的油膜压力，由此可绘出径向油膜压力分布曲线。沿轴瓦的一个轴

    向剖面装有两个压力表，用来观察有限长滑动轴承沿轴向的油膜压力分

    布情况。

    3.加载装置

    本实验台采用螺旋加载，转动螺旋即可改变载荷的大小，所加载荷

    之值通过传感器数字显示，直接在实验的操作板上读出(取中间值)。

    这种加载方式的主要优点是结构简单、可靠，使用方便，载荷的大小可

    任意调节。

    4.摩擦因数f的测量装置

    径向滑动轴承的摩擦因数f随轴承的特性系数 值的改变而变化，其中η是润滑油的动力粘度，n是轴的转速，p是轴承中的平均压强、即

    ，Fr 是轴上的径向载荷，B是轴瓦的宽度，d为轴的直径，本实验

    台B是125mm，d为70mm。

    在边界摩擦时，摩擦因数f随轴承的特性系数 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， 值的改

    变引起摩擦因数f的急剧变化，在刚形成液体摩擦时，摩擦因数f达到最

    小值，此后随 的增大油膜厚度亦随之增大，摩擦因数f亦有所增大。

    摩擦因数f之值可通过测量滑动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Ff ，其摩擦力矩为Ff d2，这导致轴瓦5

    翻转，其翻转力矩通过固定在弹簧片上的百分表9测出弹簧片的变形

    Δ，并经以下计算就可得到摩擦因数f之值。根据力矩平衡条件，得到

    (3-4-2)

    式中，L是测力杆的长度，本实验中L＝120mm；Q为作用在A处的反力。

    设作用在轴上的外载荷为Fr ，则

    (3-4-3)

    而Q＝KΔ，其中Δ是百分表读数；K为测力计的刚度系数(0.098N

    格)，详见实验台上的说明。可得

    (3-4-4)

    5.摩擦状态指示装置

    图3-4-4 灯泡电路图

    指示装置的原理如图3-4-4所示。当轴不转动时，可看到灯泡很

    亮；当轴在很低的转速下转动时，轴将润滑油带入轴和轴瓦之间的收敛

    性间隙内，但由于此时的油膜厚度很薄，轴与轴瓦之间部分微观不平度

    的凸峰高峰处仍在接触，故灯忽亮忽暗；当轴的转速达到一定值时，轴

    与轴瓦之间形成的压力油膜厚度完全覆盖轴与轴瓦两零件表面的微观不

    平度的凸峰高度，油膜完全将轴与轴瓦隔开，灯泡就不亮了。

    6.测定滑动轴承油膜压力分布曲线与承载量曲线。

    起动电机，控制主轴转速，当轴承中形成压力油膜后，压力表指针

    稳定在某一位置上，由左向右依次记录各压力表上显示的压力值。根据

    测出的油压大小按一定比例绘制油压分布曲线，如图3-4-5所示。图3-4-5 径向压力分布与承载量曲线

    具体画法是沿着圆周表面从左向右画出角度分别为30°，50°，70°，90°，110°，130°，150°，得出压力表1、2、3、4、5、6、7

    的位置，通过这些点与圆心连线，在它们的延长线上，将压力表测出的

    压力值，按0.1MPa∶5mm的比例画出压力向量1-1′，2-2′…7-

    7′。实验台压力表显示数值的单位是大气压。(1大气压＝1kgfmm2)，换算成国际单位制的压力值。(1kgfmm2 ＝0.1MPa)。经1′，2′…7′各点连成平滑曲线，这就是位于轴承宽度中部的油膜中压力在

    圆周方向的分布曲线。

    为了确定轴承的承载量，用pi sinφi (i＝1，2…7)求出压力分

    布向量1-1′，2-2′…7-7′在载荷方向上(y轴)的投影值。

    然后，将pisinφi 这些平行于y轴的向量移到圆周等分点0—8上，为清楚起见，先画出轴承圆周表面上压力表油孔位置在横坐标的投影点

    1′，2′…7′。然后通过这些点画出上述相应的各点压力在载荷方向

    上的分量，即1″，2″…7″点位置，将各点平滑地连接起来，所形成

    的曲线即为在载荷方向上的油膜压力分布。

    在横坐标0′～8′上作一矩形，采用方格坐标纸，使其面积与油膜

    压力分布曲线所包围的面积近似相等，则该矩形的边长Pa v即为轴承中

    该截面上的油膜径向平均压力。滑动轴承处于流体摩擦(液体摩擦)状态工作时，其油膜承载量与

    外载荷相平衡，轴承内油膜的承载量可用下式求出

    Fr ＝W＝ψPa vBd (3-4-5)

    式中，W—轴承内油膜承载能力

    Fr —外加径向载荷

    ψ—轴承端泄对其承载能力的影响系数

    Pa v—轴承的径向平均压力

    B—轴瓦长度

    d—轴瓦内径

    润滑油的端泄对轴承内的压力分布及轴承的承载能力影响较大，通

    过实验可以观察其影响，具体方法如下。

    由实验测得的每只压力表的压力代入下式，可求出在轴瓦中心截面

    上的平均压力：

    (3-4-6)

    轴承端泄对轴承承载能力的影响系数，由公式(3-4-7)求得

    (3-4-7)

    7.测定滑动轴承的特性曲线

    滑动轴承的特性曲线见图3-4-2。参数η为润滑油的动力粘度，润

    滑油的粘度受到压力与温度的影响，由于实验过程时间短，润滑油的温

    度变化不大；润滑油的压力一般低于20MPa，因此可以认为润滑油的动

    力粘度是一个近似常数。根据查表可得L-AN46号机械油在20℃时的动

    力粘度为0.34Pas。n为轴的转速，是一个实验中可调节的参数。轴承中

    的平均比压可用下式计算

    (3-4-8)

    在实验中，通过调节轴的转速n，从而改变ηnp，将各种转速所对应的摩擦力矩和摩擦因数求出，即可画出λ-f曲线

    五、实验步骤及注意事项

    1.启动电机，开机前应使调速电位器置在最低极限位置并空载起

    动；

    2.调节电机速度，逐渐加速至适当值；

    3.加载，观察记录各压力表的读数值；

    4.改变载荷，重复上一项步骤；

    5.改变转速，重复上一项步骤，并观察各压力表的读数值；

    6.摩擦特性曲线的测定：

    在载荷一定的情况下，调节轴的转速，依次从高到低调节转速；对

    应每一转速，在测力计上读出相应的读数值，并记录；

    7.改变载荷，重复上一项步骤，比较λ-f曲线的重合情况；

    8.卸去载荷，然后停车；并注意把调节电机转速的按钮由最大回转

    到“零”位。

    图3-4-6 滑动轴承压力分布曲线六、实验结果分析

    1.写出实验条件，实验台型号与规格；

    2.记录滑动轴承中油膜压力的分布；

    3.绘制油膜压力分布曲线与承载量曲线；图3-4-6

    图3-4-7 滑动轴承摩擦特性曲线

    4.滑动轴承的摩擦特性曲线的实测数据与计算结果；

    5.绘制滑动轴承的摩擦特性曲线。图3-4-7

    表3-4-1 压力分布

    表3-4-2 滑动轴承摩擦因数

    七、分析思考题1.为什么油膜压力曲线会随转速的改变而改变？

    2.为什么摩擦因数会随转速的改变而改变？

    3.哪些因素会引起滑动轴承摩擦因数测定的误差？

    4.参见图3-4-8所示的滑动轴承的压力分布，讨论轴承端泄对滑动

    轴承承载能力的影响。

    图3-4-8 滑动轴承的压力分布

    八、供进一步探讨的参考文献

    [1]O.平克斯，B.斯德因李希特.流体润滑理论.北京：机械工业

    出版社，1980年。

    [2]全永昕.工程摩擦学.杭州：浙江大学出版社，1994

    [3]郭大威.徐桢基，顾敦清，祝文傲，滑动轴承的失效分析.北

    京：机械工业出版社，1985

    [4]张桂芳.滑动轴承.北京：高等教育出版社，1985

    [5]F.T.巴威尔.轴承系统—理论和实践.北京：机械工业出版

    社，1983

    [6]B.A.沃斯克列辛斯基著.陈金宝，包传福译，滑动轴承计算和

    设计.北京：国防工业出版社，1986[7]V.N.Constantinescu，A.Nica，M.D.Pascovici，G.Ceptureanu，S.Nedelcu Sliding bearing，New York：Allerton

    Press，Inc.，1985.

    [8]张直明.滑动轴承的流体动力润滑理论.北京：高等教育出版

    社，1986

    §3-5 滚动轴承载荷分布实验

    一、实验问题的提出

    图3-5-1

    滚动轴承是重要的机械基础件，滚动轴承是最精密的机械产品之

    —，其尺寸公差和旋转精度一般均是以微米来设计和制造的。滚动轴承

    的尺寸范围跨度很大，内径可小至0.6mm。最大者外径已达8m。现代滚

    动轴承在低摩擦性能、高速性能、抗重载、耐冲击、耐磨损、耐腐蚀、耐温性能、低振动与低噪声、抗辐射、防磁化等方面，也已达到相当高

    的水平。

    一般的滚动轴承是由内圈、外圈、滚动体和保持架组成，内、外圈

    分别与轴颈及轴承座孔装配在一起。滚动轴承工作时，内、外圈间有相

    对运动，滚动体既有自转又有围绕轴承中心的公转，在载荷作用下，内、外圈与滚动体分别受到不同的脉动循环接触应力。1.轴承元件上的载荷分布

    向心轴承在径向力的作用下，轴承工作的某一瞬间，滚动体处于图

    3-5-1所示的位置，径向载荷Fr 通过轴径作用于内圈，位于上半圈的滚

    动体不会受力，而由下半圈的滚动体将此载荷传到外圈上。接触载荷是

    处于Fr 作用线上的接触点处最大，向两边逐渐减小。因此，轴承的下

    半部分是承载区。

    根据力的平衡原理，所有滚动体作用在内圈上的反力FN i的向量和

    必定等于径向载荷Fr 。

    实际上由于轴承内存在游隙，故由径向载荷Fr 产生的承载范围将

    小于180°。也就是说，不是下半部滚动体全部受载。这时，如果同时

    作用有一定的轴向载荷，可以使承载区扩大。

    2.滚动轴承内部应力

    轴承工作时，各个元件上所受的载荷及产生的应力是随时间变化

    的。当滚动体进入承载区后，所受载荷即由零逐渐增加到最大值FN 0，然后再逐渐降低直至零(图3-5-1)。就滚动体上某一点而言，它的载

    荷及应力是周期性地不稳定变化的(图3-5-2(a))。

    滚动轴承工作时，可以是外圈固定、内圈转动，也可以是内圈固

    定、外圈转动。对于固定套圈，处在承载区内的各接触点，按其所在位

    置的不同，将受到不同的载荷。对于每一个具体的点，每当一个滚动体

    滚过时，便承受一次载荷，其大小是不变的，也就是承受稳定的脉动循

    环载荷的作用，如图3-5-2(b)所示。

    图3-5-2转动套圈上各点的受载情况，类似于滚动体的受载情况，可用图3-

    5-2(a)示意地描述。

    3.滚动轴承的当量动载荷

    实际上，轴承在许多应用场合，常常同时承受径向载荷Fr 和轴向

    载荷Fa 。因此，在进行轴承寿命计算时，必须把实际载荷转换为与确

    定基本额定动载荷的载荷条件相一致的当量动载荷，用P表示。这个当

    量动载荷，对于以承受径向载荷为主的轴承，称为径向当量动载荷，用

    Pr 表示；对于以承受轴向载荷为主的轴承，称为轴向当量动载荷，用

    Pa 表示。当量动载荷P(Pr 或Pa )的一般计算公式为

    P＝XFr +YFa (3-5-1)

    式中，X、Y分别为径向动载荷系数和轴向动载荷系数(见有关教

    材)。

    按式(3-5-1)求得的当量动载荷仅为一理论值。实际上，在许多

    支承中还会出现一些附加载荷，如冲击力、不平衡作用力、惯性力以及

    轴挠曲或轴承座变形产生的附加力等等，这些因素很难以理论精确计

    算。为了计及这些影响，可对当量动载荷乘上一个根据经验而定的载荷

    系数fp ，其值参见相应教材。故实际计算时，轴承的当量动载荷为：

    P＝fp (XFr +YFa ) (3-5-2)

    4.角接触球轴承和圆锥滚子轴承的径向载荷Fr 与轴向载荷Fa

    角接触球轴承或圆锥滚子轴承(现以圆锥滚子轴承为例)承受径向

    载荷Fr 时，如图3-5-3所示，由于滚动体与滚道的接触线与轴承轴线之

    间夹一个接触角，因而各滚动体的反力并不指向半径方向，它可以分解

    为一个径向分力和一个轴向分力(派生轴向力)。所有径向分力FN i的

    向量和与径向载荷Fr 相平衡；所有的轴向分力Fd i之和组成轴承的内

    部派生轴向力Fd 。

    由于角接触球轴承和圆锥滚子轴承受径向载荷时，要产生内部轴向

    力，为了保证这类轴承正常工作，通常是成对使用的。在按式(3-5-

    2)计算各轴承的当量动载荷P时，其中的轴向载荷Fa 是由外界的轴向

    作用力Fa e和轴承径向载荷Fr 产生的派生轴向力Fd 之间的平衡条件得出。

    图3-5-3 圆锥滚子轴承的受力

    二、实验内容

    1.通过实验，了解和掌握滚动轴承径向载荷分布及变化。测试在总

    径向载荷和轴向载荷作用下，滚动轴承径向载荷分布及变化情况，特别

    是轴向载荷对滚动轴承径向载荷分布的影响；并作出载荷分布曲线。

    2.通过实验，了解和掌握滚动轴承元件上载荷动态变化。测试滚动

    轴承元件上的载荷随时间的变化情况，并作出变化曲线。

    3.通过实验，了解和掌握滚动轴承组合设计。测试滚动轴承组内部

    轴向载荷、轴向载荷和总轴向载荷的关系，并进行滚动轴承组合设计计

    算。

    三、实验设备

    图3-5-4 实验台系统框图实验台工作过程：

    如图3-5-5，启动电机1(静态测试时不启动电机)，径向加载装置

    5调节至设定作用点且逐步加载，左、右传感器座4中的滚动轴承处于工

    作状态。施加于主轴6上的径向载荷传输至滚动轴承的滚动体，滚动体

    所受之力，通过传感活塞传输给传感器座4中的径向载荷传感器，经控

    制器到计算机，通过计算机屏幕显示受力状态的数据、曲线和图表；同

    时，左、右轴向载荷传感器10与13测量出由径向载荷产生的内部轴向载

    荷。移动径向加载装置5，改变径向载荷作用点，左、右传感器座4中的

    滚动轴承受力状态将随之改变，由此可测试出各种不同工况下的技术参

    数与变化曲线。

    1-电机 2-限位顶杆 3-左支座 4-左、右传感器座 5-径向加

    载装置 6-主轴

    7-导杆 8-右支座 9-轴向加载装置 10、13-左右轴向载荷传感

    器 11-机座 12-联轴器

    图3-5-5 实验台总体示意图

    当轴向加载装置(9)加载时，左传感器座4中的径向载荷传感器测

    量出由轴向加载时产生的径向分力信号，左、右轴向载荷传感器(10，13)测量出滚动轴承所受轴向载荷和总轴向载荷。

    根据所测各种技术参数、曲线和图形，可分析出滚动轴承最佳受力

    状态，从而更进一步理解滚动轴承组合设计与轴系的结构设计。

    四、实验步骤及注意事项1.实验之前，检查径向分布传感器紧定螺栓及轴向载荷传感器是否

    松动，将每路传感器施加适当的预紧力，确保各传感器受载状态正常，预紧程度以传感器不动即可。

    2.检查电源插头，信号电缆插头是否固牢，按下控制面板上“电

    源”按键，检查电压表是否有电显示；按下“信号”按键(此键按下电

    脑屏幕中才能有传感信号数据显示)。

    3.打开电脑，点击测试软件图标，打开程序，输入密码，安要求操

    作。(每做一项实验之前，必须空载调零，做完一项实验之后，必须及

    时卸载，避免传感器长时间受载而影响性能和使用寿命)。

    4.测试静态径向载荷分布：

    (1)轴承滚动体之一必须位于正下方，才能测试出正确的分布规

    律和分布曲线，如果电脑中显示的数据不正确，即是未对准，按“点

    动”按钮或用手辅助旋转主轴重新操作至对准为止。

    (2)软件主界面如图3-5-6所示，将径向加载装置调至设定的轴向

    位置，并与界面中原始数据对应。点击开始实验、空载调零，逐渐增加

    径向载荷(测试静态加载时，总径向载荷最大加至1000(10N)为

    限)，此时轴承各滚动体上所受载荷显示在图中。

    图3-5-6(3)点击径向分布，出现图3-5-7界面，再点击开始实验、无轴向

    载荷径向分布，出现界面如图3-5-7左。再加轴向载荷(一般

    500(10N))左右，点击有轴向载荷径向分布，出现界面如图3-5-7

    右，可以观察到有无轴向载荷对径向载荷分布的变化。

    图3-5-7

    5.测试载荷动态变化曲线：

    (1)返回图3-5-6界面。把径向、轴向载荷卸载，将径向加载装置

    调至设定轴向位置，点击开始实验、空载调零，启动电机，逐渐径向加

    载至500(10N)左右，且不能同时施加轴向载荷。点击动载曲线，出现

    图3-5-8界面，点击外圈载荷变化曲线(如图3-5-8上)；当出现外圈载

    荷变化曲线最大值，再点击滚动体载荷变化曲线(如图3-5-8下)。图3-5-8

    6.测试轴承组合设计计算

    (1)返回图3-5-6界面，保持主轴静止，不能作动态运行。且滚动

    体不要对准底部准线；点击设计计算，出现图3-5-9界面。径向加载至

    500(10N)左右。在施加总轴向载荷之前，先要空载保存由总径向载荷

    派生的内部轴向载荷数据；

    (2)施加轴向载荷，总轴向载荷加至300(10N)左右，点击实测

    计算，同时点击理论计算进行结果对比分析。

    以上实验数据与曲线可以打印输出，可以点击结果保存，再点击打

    印预览，按提示操作。

    7.实验结束，退出软件界面，实验台卸载，关机。图3-5-9

    五、实验结果分析

    表3-5-1 静态径向载荷分布实验报告

    六、思考题1.主轴运转时滚动轴承的滚动体、内外圈上的载荷均随时间而发生

    变化，由此而发生的轴承主要失效形式是什么？如果主轴转速很低或基

    本不转，轴承的主要失效形式又是什么？

    2.当主轴同时作用径向与轴向载荷，主轴两端的轴承所受当量载荷

    是否相同？为什么？

    七、供进一步探讨的参考文献

    [1]濮良贵等.机械设计(第八版).高等教育出版社，2008

    [2]王红军等.滚动轴承测试技术.机械工业出版社，2008

    §3-6 轴系结构分析设计实验

    一、实验问题的提出

    任何回转机械都有轴系，因而轴系结构设计是机器设计中最丰富、最需具有创新意识的内容之一，轴系性能的优劣直接决定了机器的性能

    与使用寿命。如何根据轴的回转转速、轴上零件的受力情况，决定轴承

    的类型；再根据机器的工作环境决定轴系的总体结构及轴上零件的轴

    向、周向的定位与固定等，是机械设计的重要环节。只有熟悉了常见的

    轴系结构，在此基础上才能设计出正确的轴系结构。

    二、实验目的

    1.熟悉和掌握轴的结构与其设计；

    2.熟悉轴上零件常用的定位与固定方法；

    3.熟悉和掌握轴系结构设计的要求与常用轴系结构的基本形式。

    三、实验原理轴系结构设计主要是根据轴的回转速度，轴上零件的受力情况等不

    同工况来确定轴的结构以及轴上零件的定位方式、轴承类型的选择等。

    由于轴承的类型很多，轴上零件的定位与固定方式多样，具体的轴系的

    种类很多，概况起来主要有：(1)两端单向固定结构；(2)一端双向

    固定、一端游动结构；(3)两端游动结构(一般用于人字齿轮传动中

    的其中一根轴)。

    本实验主要进行轴的结构设计，对轴的工作能力计算不作要求。

    轴的结构设计主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形

    式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接方式；载荷的性

    质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因

    素较多，设计时，必须具体情况具体分析，但轴的结构都应满足：轴和

    轴上零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整相对位

    置；轴具有良好的制造工艺性等。设计中首先要拟定轴上零件的装配方

    案，这是轴的结构设计的前提，也决定着轴的基本形式。其次是确定轴

    上零件的轴向、周向定位方式，常用的轴向定位方式有轴肩、套筒、轴

    端挡圈、轴承端盖、圆螺母等，应合理选用。周向定位方式常用的有

    键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等。最后确定各轴段的直径和长

    度。确定直径时，有配合要求的轴段应尽量采用标准直径，确定长度

    时，尽可能使结构紧凑。同时轴的结构形式应考虑便于加工和装配轴上

    零件，生产率高，成本低。

    四、实验装置

    根据给定的实验设计方案设计轴系结构草图，利用设备中提供的模

    块化轴段、轴上零件(齿轮、蜗杆、带轮、联轴器、轴承、轴承座、端

    盖、套杯、套筒、圆螺母、轴端挡板、止动垫圈、轴用弹性挡圈、孔用

    弹性挡圈、螺钉、螺母等)，结合在“机械设计”课程中学到的相关知

    识，在理解上述实验原理的基础上，根据结构草图，用活络扳手、游标

    卡尺、胀钳等工具，进行轴系结构搭接组装。并对不合理的结构进行修

    改。

    五、实验步骤及注意事项1.从轴系结构设计实验方案表中选择设计实验方案号；

    2.根据实验方案规定的设计条件，确定需要哪些轴上零件；

    3.绘出轴系结构设计装配草图，并应使设计结构满足轴承组合设计

    的基本要求，即采用何种轴系基本结构；

    4.考虑轴上零件的固定、装拆、轴承游隙的调整、轴承的润滑、密

    封、轴的结构工艺性等；

    5.滚动轴承与轴、滚动轴承与轴承座的配合如何选择；

    6.利用模块化轴段组装阶梯轴，该轴应与装配草图中轴的结构尺寸

    一致或接近一致；

    7.根据轴系结构设计装配草图，按装配工艺要求顺序地装到轴上，完成轴系结构设计；

    8.检查轴系结构设计是否合理，并对不合理的结构进行修改。合理

    的轴系结构应满足下述要求：

    (1)轴上零件装拆方便，轴的加工工艺性良好；

    (2)轴上零件的轴向固定及周向固定可靠；

    (3)一般滚动轴承与轴过盈配合、轴承与轴承座孔间隙配合；

    (4)滚动轴承的游隙调整方便；

    (5)锥齿轮传动中，其中一锥齿轮的轴系设计要求锥齿轮的轴向

    位置可以调整。

    9.测绘各零件的实际结构尺寸(对机座不测绘、对轴承座只测量其

    轴向宽度)；

    10.将零件放回箱内，排列整齐，工具放回原处；

    11.经指导导教师检查同意方可离开。图3-6-1 轴系结构示例

    图3-6-2 轴系结构示例

    图3-6-3 轴系结构示例

    图3-6-4 轴系结构示例表3-6-1 轴系结构设计实验方案

    表3-6-2 轴系结构设计实验方案表3-6-3 轴系结构设计实验方案

    续表六、实验结果及分析

    在实验报告上，按1∶1比例绘出通过测绘轴系后的设计装配图，图

    中应标出：

    1.各段轴的直径和长度；2.滚动轴承与轴、滚动轴承与轴承座、齿轮(或带轮)与轴的配合

    符号；

    3.轴及轴上各零件的序号。

    七、分析思考题

    1.轴系结构一般采用什么形式？如工作轴的温度变化很大，则轴系

    结构一般采用什么形式？人字齿轮传动的其中一根轴应采用什么轴系结

    构形式？

    2.齿轮、带轮在轴上一般采用哪些方式进行轴向固定？

    3.滚动轴承一般采用什么润滑方式进行润滑？

    4.火车轮毂单元中，滚动轴承与轴一般采用什么配合形式？滚动轴

    承与车轮一般采用什么配合形式？

    5.轴上的两个键槽或多个键槽为什么常常设计成加工在一条直线

    上？

    八、供进一步探讨的参考文献

    [1]FAG Kugelfischer AG著，李景贤译，滚动轴承安装设计，北

    京：机械工业出版社，2004

    [2]毛振杨，陈秀宁，施高义.机械零件课程设计.杭州：浙江大

    学出版社，1985

    [3]王晓东，周鹏翔.轴系部件设计.北京：机械工业出版社，1989

    §3-7 减速器装拆及结构分析实验

    一、实验问题的提出为了提高电动机的效率，原动机提供的回转速度一般比工作机械所

    需的转速高，因此齿轮减速器、蜗杆减速器在机器设备中被广泛采用。

    例如，宝山钢铁公司就有10多万台减速器。由于功用的不同，减速器种

    类繁多，结构各异。那么在减速器结构设计中应注意些什么问题呢？作

    为机械类专业的学生有必要熟悉减速器的设计要素，通过实验并结

    合“机械设计课程设计”这一课程环节，对于减速器技术设计过程有一

    个详细的了解。

    二、实验目的

    1.熟悉减速器的基本结构，了解常用减速器的用途及特点；

    2.了解减速器各组成零件的结构及功用，并分析其结构工艺性；

    3.了解减速器中零件的装配关系及安装、调整过程；

    4.学习减速器的基本参数测定方法。

    三、实验原理

    (一)减速器的基本结构是由传动零件(齿轮、蜗杆蜗轮等)、轴

    和轴承、箱体、润滑和密封装置以及减速器附件等组成。

    1.箱体是支承和固定减速器零件和保证传动件啮合精度的重要机

    件，其重量约占减速器总重量的一半，对减速器的性能、尺寸、重量和

    成本均有很大影响。箱体的具体结构与减速器传动件、轴系和轴承部件

    以及润滑密封等密切相关，同时还应综合考虑使用要求、强度、刚度及

    铸造、机械加工和装拆工艺等多方面因素。

    2.齿轮减速器的特点是效率及可靠性高，工作寿命长，但受外廓尺

    寸及制造成本的限制，其传动比不能太大。蜗杆减速器的特点是在外廓

    尺寸不大的情况下。可以获得大的传动比，且工作平稳，噪声较小，但

    效率较低。

    3.为使轴和轴上零件在机器中有正确的位置，防止轴系轴向窜动和

    正常传递轴向力，轴系应予轴向固定。同时为防止轴受热伸长，轴系轴向游隙应可调整。

    4.减速器中传动件和轴承在工作时都需要良好的润滑。传动件通常

    采用浸油润滑，浸油深度与传动速度有关。轴承的润滑方式通常有飞溅

    润滑、刮油润滑、浸油润滑；轴承室外侧密封形式有皮碗式密封、毡圈

    式密封、间隙式密封、离心式密封、迷宫式密封、联合式密封等；轴承

    室内侧密封形式有封油环、挡油环等

    5.减速器附件主要有轴承盖、调整垫片、油标、排油孔螺塞、检查

    孔盖板、通孔气、起吊装置、定位销、起盖螺钉等。

    (二)在了解减速器基本结构、各零部件连接方式的基础上，确定

    拆卸的次序，进行合理有序的拆卸，并对传动件进行测绘，这是进行机

    械产品反求设计和创新设计以及产品零部件的改进设计和替代设计的基

    本技能。

    四、实验装置结构及工作原理

    1.单级圆柱齿轮减速器，为了避免外廓尺寸过大，其最大传动比一

    般为im ax＝5～8，当i>8时，就应采用两级的圆柱齿轮减速器。

    2.展开式二级圆柱齿轮减速器，是两级减速器中最简单、应用最广

    泛的一种。它的齿轮相对于支承位置不对称，当轴产生弯扭变形时，载

    荷在齿宽上分布不均匀，因此轴应设计得具有较大的刚度，并使齿轮远

    离输入或输出端。一般用在中心距总和aΣ ≦1700mm的情况下。

    3.分流式两级圆柱齿轮减速器，有高速级分流和低速级分流两种。

    两者中以高速级分流时性能较好，在实际应用中也比低速级分流式应用

    更广。分流式减速器的外伸轴位置可由任意一边伸出，便于进行机器的

    总体配置。分流级的齿轮均做成斜齿，一边右斜，一边左斜，以抵消轴

    向力。其中的一根轴能作稍许轴向游动，以免卡死齿轮。

    4.同轴式两级圆柱齿轮减速器，由于两级齿轮的中心距必须一致，所以高速级齿轮的承载能力难以充分利用，而且位于减速器中间部分的

    轴承润滑比较困难。此外，减速器的输入输出端位于同一轴线的两端，给传动装置的总体配置带来一些限制。

    5.单级圆锥齿轮减速器，用于需要输入轴与输出轴成90°相交的传动中，传动比为i＝1～5。当传动比较大时应采用两级或三级的圆锥—

    圆柱齿轮减速器。由于大尺寸的圆锥齿轮较难精确制造，因而圆锥齿轮

    总是作为高速级，以减小其尺寸。

    6.蜗轮蜗杆减速器，根据蜗杆位置可分为上置式、下置式、侧置

    式。在蜗杆圆周速度较小时，常采用下置式，当圆周速度较大时，为了

    减少搅油损耗，可采用上置式。

    测量工具：游标卡尺、钢皮尺、活络扳手、卡尺等。

    五、实验步骤及注意事项

    1.结合挂图等，先了解减速器的使用场合、作用及其主要特点。

    2.观察减速器的外貌，用手来回推动减速器的输入输出轴，体会轴

    向窜动；再用扳手旋开箱盖上的有关螺钉，打开减速器箱盖，详细分析

    减速箱的各部分结构：

    (1)箱体结构：窥视孔，透气孔，油面指示器，放油塞，轴承座

    的加强筋的位置及结构；定位销孔的位置；螺钉凸台位置(并注意扳手

    空间是否合理)；吊耳活吊钩的型式；铸造工艺特点(如分型面、底面

    及壁厚等)以及减速器箱体的加工方法。

    (2)轴及轴系零件的结构：分析传动零件所受的径向力和轴向力

    向机体基础传递的过程，分析轴上零件的轴向和轴向定位的方法，分析

    由于轴的热胀冷缩时轴承预紧力的调整方法。

    (3)润滑与密封结构：分析齿轮与轴承的调整方法；油槽位置、形状及加工方法；加油方式、放油塞、油面指示器的位置和结构。

    (4)分析传动零件的结构及其材料，毛坯种类。

    3.利用钢皮尺、卡尺等简单工具，测量减速器各主要部分参数与尺

    寸：

    (1)测出各齿轮的齿数，求出各级分传动比及总传动比。

    (2)测出中心距，并根据公式计算出齿轮的模数，斜齿轮螺旋角

    的大小。(3)测量各齿轮的齿宽，算出齿宽系数；观察并考虑大、小齿轮

    的齿宽是否应完全一样。

    (4)齿轮与器壁间的间隙，油池深度，滚动轴承型号等。

    (5)齿轮的接触斑点试验：先擦净一对相互啮合齿轮的齿面，然

    后在一齿轮的2～3个齿面上涂上一层薄的红丹粉，再转动齿轮；由于齿

    轮轮齿的相互啮合，在另一齿轮的齿面上可观察到红丹粉的斑点。观察

    接触斑点的大小，画下简图，并分别近似求出齿面实际接触面积在齿宽

    及齿长方向的百分数。

    4.确定装配顺序，仔细装配复原。

    六、实验报告与实验结果分析

    1.画出你所装拆的减速器的机构运动简图，并标出输入、输出轴的

    转向。

    2.分析减速器的润滑方式及轴承室的密封形式，试述其是否合理。

    3.试述减速器中哪些地方在安装时需要调整？用什么方法调整？

    4.分析减速器主要传动零件的作用。

    5.测量减速器主要参数，并记录实测数据。

    6.绘制输入和输出轴轴上零件的结构示意图，并标注装配尺寸和配

    合符号。

    7.写出装拆减速器实验的体会，对所装拆的减速器设计提出改进意

    见：

    (1)传动零件、轴系与箱体结构是否合理？

    (2)对轴承选择、安装调整、固定与拆卸、润滑与密封等方面是

    否合理？

    (3)其他方面的体会和改进意见。

    表3-7-1 减速器的组成表3-7-2 减速器的主要参数

    七、分析思考题

    1.啮合传动的减速器的箱体可用哪几种机械制造方法制造？在设计

    减速器时，其结构有何差别？

    2.为什么一般对一根轴上的滚动轴承，选用的两套轴承外径大小要

    一样？

    3.在何种场合采用滚动轴承？在哪些场合又要选用滑动轴承？

    八、供进一步探讨的参考文献[1]徐灏主编.机械设计手册.北京：机械工业出版社，1991

    [2]吴宗泽主编.机械设计禁忌500例.北京：机械工业出版社，2003

    [3]濮良贵.纪名纲.机械设计.北京：高等教育出版社，2001

    [4]陈秀宁.机械设计基础.杭州：浙江大学出版社，1999

    [5]金龙尔，洪玉芳.机械零件实验指导书.浙江大学机械设计教

    研室，1990年9月

    [6]J.E.希格利，L.D.米切尔著，全永昕，余长庚，汝元功等译.

    机械工程设计.北京：高等教育出版社，1988

    [7]J.Hannah，M.J.Hillier.Mechanical Engineering

    Science，London∶Prentice Hall，1999

    [8]A.D.Dimarogonas.Machine Design，A CAD Approach，New

    York∶John Wiley ＆ Sons，Inc.，2001

    [9]B.J.Hamrock，B.Jacobson，S.R.Schmid.Fundamentals of

    Machine Elements，Boston∶McGraw-Hill，1999

    [10]R.L.Mott.Machine Elements in Mechanical Design，Ohio∶Prentice Hall，Inc.，1999

    [11]R.L.Norton.Design of Machinery，Boston∶McGraw

    Hill，2002

    [12]J.E.Shigley，C.R.Mischke.Mechanical Engineering

    Design，6th Edition，Boston∶McGraw Hill，2001第四章 综合与创新型实验

    §4-1 机构组合创新设计平台实验

    一、实验问题的提出

    在各项复杂机械设计中，机构运动方案设计往往是一个重要的步

    骤。机构组合创新设计平台实验就是一个基于机构的组成原理，利用若

    干个可以用于拼接的零件以及驱动电机，在平台上类似搭积木那样，通

    过运动副联接不同的零件组装出许多种不同的设计方案，可以直观方便

    地验证、调试和改进设计方案，充分发挥想像力，培养学生创新意识和

    动手能力。

    二、实验目的

    1.加深对机构组成理论的认识，为机构创新设计奠定基础；

    2.通过拼接组装不同的平面机构，培养机构运动创新设计意识及综

    合设计的能力；

    3.训练工程实践动手能力。

    三、实验原理

    机构具有确定运动的条件是其原动件数应等于其所具有的自由度

    数，如将机构的机架及与机架相连的原动件从机构中拆分开来，则由其

    余构件构成的构件组必然是一个自由度为零的构件组。而这个自由度为

    零的构件组有时还可以再拆分，把最后不可再拆的最简单的自由度为零

    的构件组称为基本杆组。图4-1-1 平面低副Ⅱ级杆组

    自由度计算公式：F＝3n-2PL -PH ，其中活动构件数n，低副数PL

    和高副数PH 都必须是整数。对于基本杆组，F＝0。当PH ＝0时，F＝3n

    -2PL ＝0，组合有n＝2，PL ＝3；n＝4，PL ＝6。可见最简单的杆组为

    n＝2，PL ＝3，称为Ⅱ级杆组，如图4-1-1所示有五种形式。

    Ⅲ级杆组n＝4，PL ＝6的形式有很多，不再一一列举，常见的有如

    图4-1-2。

    图4-1-2 平面低副Ⅲ级杆组

    任何机构都是自由度为零的若干杆组，依次连接到原动件或已经形

    成的简单机构和机架上所组成的。

    四、机构创新设计平台的基本组件

    实验台设备包括机架及组件，分别详述如下：

    1.机架：机架上有5根铅垂立柱，可沿机架水平移动，移动时请用

    双手推动，尽可能在移动过程中保持铅垂状态，到预定位置后将上、下

    端螺栓锁紧(为了安全，整个过程请不要把上、下端螺栓卸下)。立柱

    上滑块可沿立柱上下移动，将滑块移动到预定位置后用螺栓固定在立柱

    上，这样就在平台上确定了一个固定位置，活动构件相对机架的连接位

    置就确定了。2.齿轮：模数2，压力角20°，齿数34或42，两齿轮中心距76mm，各4件。

    3.齿条：模数2，压力角20°，齿条全长422mm，各4件。

    4.主动轴：动力输入用轴，轴上有平键槽，长度为5mm、20mm、35mm、50mm各4件，长度为65mm有2件。

    5.转动副轴：主要用于跨层面(即非相邻平面)的转动副或移动副

    的形成，长度为5mm、15mm、30mm分别6件、4件、3件。

    6.扁头轴：又称从动轴，轴上无键槽，主要起支撑及传递运动的作

    用，长度为5mm、20mm、35mm、50mm、65mm各16件、12件、12件、10件

    和8件。

    7.主动滑块插件：与主动滑块座配用形成主动滑块，长度为40mm、55mm各1件。

    8.主动滑块座：与直线电机齿条固连形成主动件，且随直线电机齿

    条做往复直线运动，为1件。

    9.连杆(或滑块导向杆)：其长槽与滑块形成移动副，其圆孔与轴

    形成转动副，长度为50mm、100mm、150mm、200mm、250mm ......