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、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
2
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，
螺栓、过盈联接等；形闭合
联接又可分为力闭合 (摩擦 )、形闭合 (非摩擦 )和材料锁
(摩擦力 )来传递载荷， 如受拉
如粘接、 焊接等。
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
(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，
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 tan(
v )
v
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：
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
能构成轴向动联接。
(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
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。 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。
两者均已标准化。
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
)3 类。 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
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。
V 带传动、圆带传动和多楔带
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、
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。 (齿面点蚀 ) 、齿面胶合、齿面磨
(锻钢、铸钢等 )，钢的
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
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
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间用链条作为挠性拉曳元件的一种啮合传动，
链条与链轮齿的啮合来传递运动或动力。
链传动具有工作可靠、传动效率高、适于远距离传动、运动平稳性较差 动力传动中。
根据工作性质不同，链可分为传动链、起重链和曳引链
主要用于起重机械和运输机械。
链传动的主要失效形式是链条元件的疲劳破坏、铰链磨损、胶合、冲击破坏、过载拉 断和链轮轮齿磨损等。
(5)螺旋传动。
螺旋传动主要用来实现变回转运动为直线运动，同时传递能量或力，也可用以调整零 件的相互位置。螺旋传动由螺杆
(或称螺旋 )、螺母和机架组成。
3 种类型。传力螺旋传动以传递力为主，可用
螺旋传动按螺纹副的摩擦情况分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋；按其用途分为传 力螺旋传动、传导螺旋传动和调整螺旋传动
较小的力矩转动产生轴向运动和大的轴向力；传导螺旋传动以传递运动为主，要求有较高 的传动精度，可在较长时间内连续、高速工作；调整螺旋传动主要用于调整或固定零部件 间的相对位置，一般不经常转动。
(6)摩擦轮传动。
摩擦轮传动是由两个或多个相互压紧的摩擦轮组成的一种摩擦传动， 摩擦轮传动按照摩擦轮形状不同分为圆柱摩擦轮传动、
工作时靠摩擦轮
接的摩擦力来传递运动或动力。摩擦轮传动一般由主动摩擦轮、从动摩擦轮和机架组成。
圆锥摩擦轮传动和平盘摩擦轮
j 不能
传动。圆柱摩擦轮传动又有圆柱平摩擦轮传动和圆柱槽摩擦轮传动之分。
摩擦轮传动具有制造简单、运转平稳、无冲击和噪声、能无级变速及过载保护
保持准确的传动比 (存在弹性滑动、几何滑动 置等特点。
3．润滑剂及密封装置 (1)润滑剂。
润滑剂的主要作用是降低摩擦、减小磨损、提高效率、延长机件的使用寿命，同时还起到冷却、缓冲、吸振、防尘、防锈、排污等作用。机械中常用的润滑剂主要有润滑油、润滑脂和固体润滑剂。
)、效率较低、压轴力较大、必须采用压紧装
工作时靠
链传动一般由主动链轮、 从动链轮和传动链组成。
(多边形效应 )、振
动和噪音较大等特点，广泛应用于农业、采矿、冶金、起重、运输、化工以及其他机械的
3 种。传动链按结构不同分为
滚子链、套筒链、齿形链、成型链等类型，主要用作一般机械传动；起重链和曳引链分别
①润滑油。
目前工业常用的润滑油为矿物润滑油和合成润滑油。 矿物润滑油是由多种烃类的混合物加入添加剂组成的，其原料充足、成本低廉、性能稳定，应用广泛；合成润滑油是由具
有特定分子结构的单体聚合后加入添加剂配成的，其具有突出的特性，如耐氧化性、耐高低温、抗燃等，但价格昂贵，在航空工业中应用较多。
润滑油的主要性能指标是：粘度、粘度指数、粘压特性、极压性能、抗氧化安定性、闪点、凝固点、倾点等，其中粘度是最重要的质量指标，是衡量润滑油粘性的指标，也是
大多数润滑油牌号区分的标志。
②润滑脂。
润滑脂是由润滑油、稠化剂和添加剂等制成的一种凝胶状分散体系，是一种半固体润 滑材料。 使用润滑脂最大优越性是不需要经常更换， 其稠度大、 粘附性好、 受温度影响小、承载力较强，但其流动性差、启动阻力大、不能循环使用。
润滑脂的主要性能指标是：锥入度、滴点、氧化安定性等，其中锥入度是最重要的性能指标，它表示润滑脂内的阻力大小和流动性的强弱。
③固体润滑剂。
固体润滑剂是在两摩擦表面间用固体粉末、 薄膜或固体复合材料等代替润滑油或润滑脂，以达到减少摩擦与磨损的目艇其特点为：使用温度高、承载能力强、边界润滑优异、
耐化学腐蚀性好，但导热散热性差、摩擦系数大。
固体润滑剂的材料有无机化合物 (石墨、二硫化钼等 )、有机化合物 (聚四氟乙烯、酚醛树脂等 )和金属 (Pb、 Sn、Zn 等 )以及金属化合物。
(2)密封装置。
密封装置是机器和设备的重要组成部分。 其主要目的是防止润滑剂的泄漏以及防止灰尘、水分及其他杂物浸入机器和设备内部。
密封的分类方法较多，按密封流体状态分类有气体密封、液体密封；按设备种类分类 有压缩机密封、泵用密封、釜用密封；按密封面的运动状态分类有静密封和动密封，动密 封件又可分为接触式和非接触式密封等。 五、实验步骤与方法
(1) 认真观察西南交通大学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、现代机械产品等，聆听内容解说、观看工作过程。
(2) 认真观察 TVT-99C 立体仓库模型、 TVT- 99D 机械手模型等现代机械装置的运动、工作过程。
(3) 根据实验要求，完成实验报告。 思考题
1．常用机械联接的基本类型有哪些
?各适用于什么场合 ?
?常用防松装置的原理有哪些
?
?
2．螺纹联接防松的意义与基本原理是什么 4．轴承的基本功用及类型有哪些 5．联轴器与离合器的功用是什么
3．轴的作用是什么 ?转轴、心轴、传动轴有什么区别
?各有何特点 ? ?基本类型有哪些 ?
?
6．简述带传动的基本组成与分类方式 8．蜗杆传动的主要类型有哪些 9．链传动的工作原理是什么 10．螺旋传动有哪些特点
?
7．齿轮传动有哪些类型 ?各有何特点 ?齿轮传动的主要失效形式有哪些
?与齿轮传动相比，蜗杆传动有何特点 ?其特点和应用场合怎样
?
? ?
11．摩擦轮传动的工作原理是什么 12．润滑剂的基本功用是什么
?主要有哪些特点 ?
?
?
?机械中常用的润滑剂主要有哪几种
13．密封装置的基本功用和类型有哪些
第二章 滑动轴承实验
实验三 滑动轴承基本性能实验 ( 验证型 )
一、概述
滑动轴承用于支承转动零件，是一种在机械中被广泛应用的重要零部件。根据轴承的工作原理，滑动轴承属于滑动摩擦类型。滑动轴承中的润滑油若能形成一定的油膜厚度而将作相对转动的轴承与轴颈表面分开，则运动副表面就不发生接触，从而降低摩擦、减少磨损，延长轴承的使用寿命。
根据流体润滑形成原理的不同，润滑油膜分为流体静压润滑
(外部供压式 )及流体动压
润滑 (内部自生式 )，本章讨论流体动压轴承实验。 流体动压润滑轴承其工作原理是通过轴颈旋转， 借助流体粘性将润滑油带入轴颈与轴瓦配合表面的收敛楔形间隙内，由于润滑油由大端入口至小端出口的流动过程中必须满足
流体流动连续性条件， 从而润滑油在间隙内就自然形成周向油膜压力 (见图 2-1)，在油膜压力作用下，轴颈由图 2-1(a) 所示的位置被推向图 2-1(b) 所示的位置。
当动压油膜的压力
应稳定的平衡位置
p 在载荷 F 方向分力的合力与载荷
F 平衡时，轴颈中心处于某一相
O1， O1 位置的坐标为 O1(e， φ)。其中 e=OO1，称为偏心距； φ为偏位
角 (轴承中心 0 与轴颈中心 0l 连线与外载荷 F 作用线间的夹角 )。 随着轴承载荷、 转速、润滑油种类等参数的变化以及轴承几何参数 (如宽径比、 相对间 隙 )的不同， 轴颈中心的位置也随之发生变化。 对处于工况参数随时间变化下工作的非稳态
滑动轴承，轴心的轨迹将形成一条轴心轨迹图。
为了保证形成完全的液体摩擦状态‘对于实际的工程表面，最小油膜厚度必须满足下列条件：
(2— 1) 式中， S 为安全系数， 通常取 S≥ 2；Rzl、Rz2 盈分别为轴颈和轴瓦孔表面粗糙度的十点高度。
minZ 1Z 2
hS(R R)
滑动轴承实验是分析滑动轴承承载机理的基本实验，它是分析与研究轴承的润滑特性以及进行滑动轴承创新性设计的重要实践基础。
根据要求不同，滑动轴承实验分为基本型、综合设计型和研究创新型三种类型。
二、实验目的
(1) 掌握实验装置的结构原理， 了解滑动轴承的润滑方式、 轴承实验台的加载方法以及轴承实验台主轴的驱动方式及调速的原理。
(2) 掌握实验台所采用的测试用传感器的工作原理。
(3) 通过实验测试的周向油膜压力分布及轴向油膜压力分布， 掌握滑动轴承中流体动压油膜形成的机理及滑动轴承承载机理。
(4) 通过实验掌握工况参数和轴承参数的变化对滑动轴承润滑性能及承载能力的影响。
三、实验内容
对于基本型实验，实验内容如下：
(1) 轴承中间平面上周向油膜压力分布曲线图 [见图 2-2(a)] 和轴向油膜压力分布曲线图 [( 见图 2-2(c)] 。
(2) 周向油膜压力分布曲线图的承载分量的曲线图
响系数 K 。
考虑有限宽轴承在宽度
求出：
[ 见图 2— 2。 (b)]，求轴承的端泄影
B 方向的端泄对油膜承载量的影响，其影响系数 K 可由下式
K
F pm Bd
(2— 2)
式中， F 为轴承外载荷， N； B 为轴承有效工作宽度，
mm； d 为轴颈直径， mm； pm 为根
2— 2(b)所示。 据油膜压力承载分量的曲线图求出的动压油膜的平均压力，如图
图 2—2(a)为实测上轴瓦上均布测点 1～ 7 位置处的油膜压力形成的周向油膜压力分
布曲线；图 (b) 为过这 7 个分点分别弓 l 垂线段 l 一 1”、 2—2”、?、 7— 7”，使之分别等于 图 (a)中的油膜压力值的垂直分量后连成的光滑曲线， 该曲线被称为动压油膜的承载分量曲线；
图 (c)为轴向油膜压力分布曲线。
根据承载分量曲线和直径所围成的图形面积等于平均压力 相等的条件， 通过数方格数的方法即可求出 出 K 。
pm 与直径围成的矩形面积
pm 大小。再将求出的 pm 值代入式 2— 2 即可求
四、实验装置
实验装置采用西南交通大学研制的 zHS20 系列滑动轴承综合实验台 (见书后彩页 )。该
实验台主要由主轴驱动系统、静压加载系统、轴承润滑系统、油膜压力测试系统、油温测试
系统、摩擦因素测试系统以及数据采集与处理系统等组成。 1．主轴驱动系统及电机选择
实验台的主轴支承在实验台箱体上的一对滚动轴承上。该主轴的驱动电机需满足无极调速、低速大转矩及实验过程中能快速启停等要求。
驱动电机主要有交流异步电动机、直流电动机、步进电机、交流 (直流 )伺服电动机等类型。
交流伺服电动机的工作原理与普通交流异步电动机相似，但交流伺服电动机的转子电 阻比异步电机的大得多，其转矩特性 (转矩 T 与转差率 S 的关系 )也因此较普通电机有很大区别 (见图 2-3)。。它可使临界转差率大于 1，这样不仅使转矩特性更接近于线性，而且具有较大的起动转矩，因此，伺服电机具有起动快、灵敏度高的特点。
目前，基于稀土永磁体的交流永磁伺服驱动系统，能提供最高水平的动态响应和扭矩密度。所以用交流伺服驱动取替传统交流调速、直流和步进调速驱动，以便使系统性能达到一个全新的控制水平，从而获得更宽的调速范围和更大的低速扭矩。因此，本实验台选用了交流伺服电动机，其优点归纳如下：
(1) 控制精度高。
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证，因此，交流伺服具有极高的控制精度。
(2) 低频特性好。 步进电机在低速时易出 现低频振动现象；普通交流 电机由变频器进行调速，在 低频时的力矩小；直流电机 在低速的控制极不稳定。而 交流伺服电机运转非常平 稳，即使在低速时也不会出 现振动现象。交流伺服系统 具有共振抑制功能，可以克 服机械的刚性不足缺点，并 且系统内部具有频率解析功 能 (FI 叮 )，。可检测出机械的 共振点，便于调整系统。
(3) 矩频特性好。
交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速
额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
(4) 过载能力强。
交流伺服电机具有较强的过载能力。它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的 3 倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。
(一般为 1 000 r'／ rain) 以内，都能输出
(5) 运行稳定。
交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部 构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲现象，控制性能更为可靠。
(6) 响应速度快。
交流伺服系统的加速性能较好， 从静止加速到其额定转速 1 000 t．／ min 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
2．液压系统
实验台的液压系统功能，一是为实验轴承提供循环润滑系统，二是为轴承静压加载系 统提供压力供油。液压系统框图如图 2—4 所示。
为了保证液压加载系统的稳定性，该系统采用变频恒压的控制方式。变频恒压供油系 统主要由油泵、变频器、压力传感器组成，如图
2— 5 所示。通过压力传感器对加载系统
的压力监测， 实时调节油泵电机的转速使电机一油泵一液压油路系统组成一个闭环控制系统。由于在各种转速下形成的油膜压力和端泄情况有一定的差别，通过变频恒压系统能真
正地实现在各种转速下的加载压力保持不变。
若液压加载系统向固定于箱座上的加载盖板内的油腔输送的供油压力为
即施加在轴瓦上，则轴承载荷为：
p0 时，载荷
F
9.81( p0 A G0 ) (2 —3)
A=60 cm ． 2；Go
式中， p0 为油腔供油压力， ~,f ／ cm2； A 为油腔在水平面上投影面积，
为初始载荷 ( 包括轴瓦自重、压力变送器重量等
)， Go； 7． 5 k 西。
注：由于实际需要，本书保留了一些非国际标准制单位，
l kgf ； O．980 665 N 。
3．油膜压力变送系统
在轴瓦上半部承载区轴承宽度的中间剖面上，沿周向均布钻有
1～ 7
共 7 个小孔，分
别在小孔处安装压力变送器。当轴旋转到一定转速后，在轴承内形成动压油膜，通过压力变送器测出油膜压力值，并在计算机上显示周向油膜压力分布曲线 (见图 2— 2)o 有效宽度 B 的 1／ 4 处，安装轴向油膜压力变送器 8，测出位置 8 处的油膜压力轴向油膜压力分布对称原理，可以测得轴向油膜压力分布曲线 [见图 2— 2(c)] 。
在轴瓦的P8，根据
本实验台采甩压阻式压力变送器，它由压力敏感部件与压力变送器部件组成。 (1) 压力敏感部件。
扩散硅压阻式压力传感器的工作原理：以扩散硅材料制成的膜片作为弹性敏感元件， 其硅晶片上通过微机加工工艺构成一个惠斯通电桥，如图 2— 6 所示，图中，表示恒流源， R 表示电桥阻值， U 表示激励电压， vo 表示电桥输出电压。当有外部压力作用时，膜片发 生弹性变形，膜片的一部分受压缩，另一部分则受拉伸。两个电阻位于膜片的压缩区，另两个位于位伸区，并联成惠斯通全桥形式，以使输出信号最大。
(2) 压力变送器部件 (性能参数见表 2— 1)。
因压力传感器是一个在硅晶片上通过加工工艺构成的一个惠斯通电桥， 该电桥桥阻的变化与作用在其上的外部作用力大小成正比例关系。为了将电阻变化量转换为电压信号， 给电桥提供最大 2 mA DC 的恒流源， 用于激励压力传感器工作。 输出构成压力变送器。其主要性能特点如下。 ． ～
①稳定性高。每年漂移优于 0． 2％满量程。②温度系数小。由于在生产过程中对产品精密地校准及补偿，使其温度误差极小。③适应性强。产品量程宽，过程连接形式、制造材料、结构具有多样化特征，因而可 适应工业测量中的各种场合及不同的介质。
④安装维护方便。产品可任意安装在各测量点而不影响其性能。
表 2— 1 压力变送器的性能参数表
┏━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━┓
信号放大和转换处理电路
将惠斯通电桥产生的电压信号线性放大处理后， 将其转换为 4～ 20 mA DC 的工业标准信号变送
┃ ┃
量 程 ┃ ┃
O～ 1．2Mpa 200％
┃ ┃
┣━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
允许过载
┣━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
┃ ┃
供电电压 输出信号
┃
24 VDC ，范围电源： 12~30 VDC ┃ 4～20mADC( 二线制 )
± 0．5％
┣━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
┃
┃
┣━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃
精 度
┃
┃
┣━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
┃ 补偿温度范围 ┃ 工作温度范围
┃
0～ +60℃
一 10～ +80 ℃
┃
┣━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
┃
┃
┗━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━┛
4．油温测试系统
在轴承的入口处和出口处分别安装温度传感器各一只，￡ l 和出口处的油温￡ 2，则可得到润滑油的平均温度￡。不大于 75℃。
5．滑动轴承控制系统
分别采集轴承入口处的润滑油油温
t。[ ￡。=(￡ l+ ￡ 2)／ 2]，一般情况下
实验台的 8 个油膜压力传感器、液压加载传感器、测摩擦因数用的拉压负荷传感器以
及油温传感器采集的测试数据通过
A ／ D 转换器， 以 RS485 总线方式传送到计算机的实验
数据采集及处理软件系统，直接在屏幕上显示出来，或由打印机打印输出实验结果。
主轴电机的转速大小通过计算机进行设置，
设置值通过 RS485 总线送到伺服电机驱动
器，由伺服电机驱动器控制电机的转速。
油压加载系统的压力是由实验人员在电脑上设置加载压力 p0 与液压加载压力传感器
的反馈值进行比较，再通过 PID 调节运算，将动态地改变变频器的输出频率，使其液压加 载压力保持恒定。
实验台的控制原理框图如图
2— 7 所示。
五、实验装置的操作步骤及方法
(1) 网上预习“滑动轴承实验”课件。
(2) 观察实验台的各部分结构、检查油路及电路是否可靠连接. (3) 用手转动轴瓦，使其摆动灵活、无阻滞现象。
(4) 根据实验台操纵面板 (见图 2— 8)，按图示按钮功能使总电源、油压系统及主轴系统处于接通位置，这时系统进入工作状态。
电源按钮 1 一此按钮旋转至“开”的位置，接通装置电源；油压系统启动按钮于启动油压系统电机；
2·用
油压系统停止按钮 3 一用于停止油压系统电机；主轴系统启动按钮 4 一用于启动伺服
电机 (主轴驱动电机 )；主轴系统停止按钮 5 一用于停止伺服电机；急停旋钮 6_在应急情况
下，压下此旋钮可切断整个系统的电源；按箭头方向旋转后，旋钮弹起即可恢复供电
.
图 2— 8 实验台操纵面板布置图
统处于接通位置，这时系统进入工作状态。
电源按钮 l 一此按钮旋转至“开”的位置，接通装置电源；油压系统启动按钮 动油压系统电机；
油庠桑缔僖 i}# 钾气一用千僖 lb 浦闫；桑缔由加．丰铀泰缔直商擗翎
2 一用于启 A-- 田千直高佃
导老师”等，点击 [返回 ] 。
③点击 [ 实验分类 ] 菜单，将会显示出可供选择的“径向滑动轴承油膜压力分布曲线”
“ f- λ曲线”及“ p-f-n 曲线” 3 种类型实验。选择“径向滑动轴承油墨压力分布曲线”菜单，开始本章实验 1“滑动轴承基本性能（基本型） ”（见图 2-11 ）。
该界面显示有：主轴的转速、油压以及周向的
7 个油墨压力等。
④点击 “静压加载” 数字框， 弹出键盘， 设置加载压力 (建议用户 o=0．1～0．15 MPa)。 ⑤点击 [ 油泵控制 ] 菜单，选择“启动” ，启动油压系统。
⑥油压升起后， 点击“当前转速” 数字框，设置主轴转速 (建议用咒 =200 ～ 500：r／．min) 。
、
⑦观察油膜周向和轴向压力的分布曲线，
同时观察右边的油膜压力数值显示窗口内的 如果曲线模糊， 请点击 ‘‘稳定取值 ?’按钮。 8 个点的油膜压力值。
⑧曲线稳定后，点击 [ 暂停采样 ] ，再点击 [ 打印 ]按钮打印当前窗口。
⑨实验完成后，根据周向油膜压力分布曲线承载图，求出油膜平均压力 Pm 值，并计算 K 值。
停止系统运行时，务必先关闭主轴驱动电机 (按“轴停止”键 ) ，等主轴驱动电机停止转动后再卸载轴承静压载荷 (调“静压加载”键 )，最后关闭液压系统电机，以减轻轴瓦磨损。
停止主轴：点击“轴停止” 。 停止油压系统：选择 [油泵控制 ] 菜单下的“停止”即可。
思考题
1．哪些因素影响液体动压轴承的承载能力及其动压油膜的形成 2．当栽荷增加或转速升高时，油膜压力分布曲线有什么变化 3．轴向压力分布曲线与轴承宽径比
方程时又有何不同。
两种情况下，它们的轴向油膜压力分布有何明显差异
?
?
B／ d 之间有什么关系 ?当 B ／ d≥ 4 及 B／ d≤ 1／4
?求解流体动力润滑雷诺方程的简化
第三章 机械传动性能参数测试与分析实 验
实验四 单级机械传动装置性能参数测试实验
( 验证型 )
一、实验目的
(1) 掌握转速、 转矩、传动功率、 传动效率等机械传动性能参数测试的基本原理和万法。 (2)通过实验， 了解各种单级机械传动装置的特点， 对各种单级机械传动装置的传动功率大小范围有定量的认识。
(3)通过实验， 了解带传动中的弹性滑动现象、 打滑现象及其与带传动工作能力之间的天糸。
(4) 通过实验，了解链传动的动态特性(多边形效应 )及其对链传动的影响。 (5)了解 ZJS50 系列综合设计型机械设计实验装置的基本构造及其工作原理。
容
、实验内
二、实验内容
1．摩擦传动性能参数测试实验 (1) 观察带传动的弹性滑动及打滑现象。 (2) 绘制带传动效率曲线及滑动率曲线。 2．啮合传动性能参数测试实验 (1) 绘制齿轮传动的效率曲线。 (2) 绘制蜗杆传动的效率曲线。
(3) 观察链传动的动态特性 (多边形效应 )，绘制链传动效率曲线。
三、实验装置与工作原理
实验装置采用西南交通大学研制的 zJS50 系列综合设计型机械设计实验装置。该实验装置是一种模块化、多功能、开放式的，具有工程背景的教学与科研兼用的新型机械设计 综合实验装置，其主要由动力模块 (库 )、传动模块 (库 )、支承联接及调节模块 (库 ) 、加载模块 (库) 、测试模块 (库 )、工具模块 (库 )及控制与数据处理模块 (库)等组成， 通过对各模块 (库 ) 的选择及装配搭接，实现“带传动” 、“链传动” 、“齿轮传动” 、“蜗杆传动” 、等典型的单级机械传动装置性能测试，以及其他新型传动装置性能测试等的基本型实验，更可进行多
级组合机械传动装置性能测试等的基本实验，形成如“带一齿轮传动” 、“齿轮一链传动” 、“带一链传动” 、“带一齿轮一链传动”等多种组合传动系统的性能比较、布置优化等综合 设计型实验及分析、研究相关参数变化对机械传动系统基本特性的影响、机械传动系统方案评价等研究创新型实验。
实验装置的基本组成如下： 1．动力模块 (库 )
(1)Y90I 。一 4 电动机：额定功率 1。 5 kW ；同步转速 1 500 r／ 'min ；额定电压下，最大转矩与额定转矩之比为 2.3。
(2)MM420 — 15073 变频器：用于控制三相交流电动机的速度；输入电压 (380～ 480)v ± 10％；功率范围 1．5 kW ；输入频率 47～ 63 Hz ；输出频率 0～ 650 Hz；功率因数 0．98；
控制方法：线性． V ∥控制，带磁通电流控制 (FCC) 的线性 V ／ f 控制，平方 V ／ f 控制，
多点 V ／ f 控制。 2．传动模块 (库 )
。 ddl=da2=106 mm 。
(1)v 带传动：带及带轮， z 型带，带轮基准直径
(2) 链传动：链及链轮，链号： 08B，链节距户 =12． 70 1Ttrfl ，链轮齿数： z1=z2=21。 (3)JSQ—XC — 120 齿轮减速器 (斜齿 )：减速比 1： 1． 5，齿数 Z1=38 、 z2=57，螺旋角 β =8o16'38”，中心距 a=120 mm，法面模数 mn=2． 5。
(4)NRV063 蜗杆减速器：蜗杆类型 ZA ， _，轴向模数优 =3． 250，蜗杆头数 z1=4，蜗轮齿数 Z2=30 ，减速比 1：7．5，中心距口 =63 nUTI ；松开弹簧卡圈可改变输出轴的方向。
3．支承联接及调节模块 (库 )
基础工作平台、标准导轨、专用导轨、电机一小传感器垫块一 01、电机一小传感器垫块一 02、小传感器垫块、大传感器垫块一 01、大传感器垫块一 02、蜗杆垫块一 01、蜗杆垫块一 02、磁粉制动器垫块、专用轴承座、新型联轴器 (F'lexible Jaw Couplings) 、带轮及
链轮快速张紧装置 (S；tock’ raper’Bushings)，以及各种规格的联接件 (键、螺钉、螺栓、垫片、螺母等 )等。
4．加载模块 (库 )
(1)CZ 一 5 型磁粉制动 (加载 )器：额定转矩 4 kW 。
(2)WI- 一 1A 稳流电源：输入电压： 稳流精度： 1％。
5．测试模块 (库 )
(1) 实验数据测试及处理软件：实验教学专用软件。 (2)ZJ0D 型转矩转速传感器：额定转矩 (3)NJlD 型转矩转速传感器：额定转矩 (4)JX 一 1A 机械效率仪：转矩测量范围 ／ min 。
50N·m，激磁电流 0．8A ，允许滑差功率
AC220 V ± 10％， 50／60 Hz ；输出电流： 0～ 1 A； 20 N · m；转速范围： O_10 000 r ／ min ；转矩 50 N · m；转速范围： O～ 6 000 r ／ min ；转矩
测量精度： 0． 1～ 0． 2 级；转速测量精度：± 1 r／vain。 测量精度： 0． 1～ 0． 2 级；转速测量精度：± 1 r／min 。 0～ 99 999 N·m；转速测量范围： 0～ 30 000 r
6．工具模块 (库 )
配套齐全的装拆调节工具。
7．控制与数据处理模块 (库 )
实验装置的控制模块、数据采集、处理模块
将传感器采集的实验测试数据通过
(除传感器外 )及加载模块等集中配置于一
数据采集、 处理及加载等控制，
个分置式实验控制柜内。 通过对被测实验传动装置的动力、
A ／ D 转换器以 RS232 的方式传送到测试模块， 再由测
控模块计算机系统的专用实验教学软件进行实验数据分析与处理，实验结果可直接在计算 机屏幕上显示，或由打印机打印输出实验结果，完成实验。
实验装置的基本构造框图如图
1— 1 所示、实验装置的控制原理框图如图
1— 3 所示。
1— 2 所示、
实验装置的数据采集及加载原理框图如图
四、实验原理和方法
1．传动效率叩及其测定方法
效率叩表示能量的利用程度。在机械传动中，输入功率
功率 Pf 之和，即
Pi 应等于输出功率 P。与损耗
Pi
P0
Pf
(1— 1)
式中， Pi 为输入功率， kW ；P。为输出功率， kW ；Pf 为损耗功率， kW 。则传动效率η定义为
P0 Pi
(1-2)
由力学知识知，轴传递的功率可按轴的角速度和作用于轴上的力矩由下式求得：
P
M
2 nP0
M
n 30000
M
(1— 3)
60 1000
式中， P 为轴传递的功率， kW?； M 为作用于轴上的力矩， N ·m；ω为轴的角速度， rad； n 为轴的转速， r／ min 。 则传动效率η可改写为
M o n0 M i ni
(1—4)
由此可见，若能利用仪器测出机械传动装置的输入转矩和转速以及输出转矩和转速，就可以通过式 (1— 4)计算出传动装置的传动效率刁。
在本实验中，采用转矩转速传感器来测量输入转矩和转速以及输出转矩和转速。 2．带传动的滑动率测定及预紧力控制与测定
带传动是以带作为挠性拉曳元件并借助带与带轮间的摩擦力来传递运动或动力的一种摩擦传动。其主要特点是能缓和冲击、吸收振动、运转平稳、噪声小、结构简单，过载
时将引起带在带轮上打滑，因而具有过载保护作用，适用于中心距较大的工作条件。但由于带传动工作时存在弹性滑动，导致其传动效率降低，并造成速度损失，而不能保持准确的传动比，而且带传动的外廓尺寸较大，工作前需要张紧，故其轴上受力较大。
(1) 带传动的弹性滑动、打滑现象及其滑动率的测定。
由于带是弹性体，它在受力不同时的变形(伸长 )量不等；而带在工作时，紧边和松边
的拉力不同，这就形成了拉力差及相应的变形差，进而造成带在绕过带轮时，在摩擦力的作用下，其在主动轮部位出现带轮的线速度大于带的线速度，而在从动轮部位出现带轮的线速度小于带的线速度的现象，这种现象称为带的弹性滑动。由于带传动是摩擦传动，摩擦力是这类传动所必需的，所以弹性滑动是不可避免的，是带传动的固有特性。
带的弹性滑动通常以滑动率￡来衡量，其定义为
v1 v2 v1 n1 D1 n2 D 2 n1 D1
(1— 5)
式中， vl 、 v2 为主、从动轮的圆周速度， m/s； n1、 n2 为主、从动轮的抟速， r/min, ； D1 、 D2 为主、从动轮的直径， m。
因此，只要能测得带传动主、从动轮的转速以及带轮直径，就可以通过式 出带传动的滑动率ε。
带传动的滑动率ε一般为 1％～ 2％；当￡ >3％时，带传动将开始打滑。
(1 一 5)计算
带传动工作过程中，当载荷大到使弹性滑动扩展到整个带与带轮的接触弧时，带在带
轮上开始全面滑动， 这种现象就称为打滑。 打滑时带的磨损急速加剧， 传动效率急剧下降， 从动轮转速急剧降低甚至停止转动，致使传动失效。打滑现象对于正常工作的带传动来说
是不希望发生的，应予以避免 (用作过载保护时除外 )。
带传动的主要失效形式是带的磨损、疲劳破坏和打滑。带的磨损是由于带与带轮间的 弹性滑动引起的， 是不可避免的； 带的疲劳破坏是由于带在工作中所受的交变应力引起的，与带传动的载荷大小、工作状况、运行时间、带轮直径等因素有关，也是不可避免的；而
带的打滑是由于载荷超过带的极限工作能力而产生的，是可以避免的。
(2) 带的预紧力控制与测定。
带传动在工作前需进行张紧，而预紧力的大小是保证带传动能否正常工作的重要条件。预紧力不足，则带与带轮间的极限摩擦力小、传动能力低、容易发生打滑；预紧力过大，又会使带的寿命降低、轴和轴承上的压力增大。
单根 V 带最合适的预紧力
Fn 可按下式计算： F0 500
2.5 K
1
Pd zv
mv
2 （1-6）
式中， K α为小带轮包角修正系数；
Pd 为设计功率， kW ； z 为 V 带的根数； m 为 V 带每
米长的质量， kg／ m；可为带速， m／s。 载荷 G，使其产生规定的挠度厂 图 l 一 4 所示。
在带传动中， 为了测定预紧力 F0，通常是在带与带轮的切边中点处加一垂直于带边的
(使切边长每 100 mrn 产生 1． 6 mn 的挠度 f) 来控制，如
图中切边长￡可以实测，或用下式计算：
t
a2
(D 2 D1 )2 （ mm）
4
式中，盘为两轮轴间距， mm。
切边长 t 在载荷 G 作用下产生的挠度 f 为
1.6t
f
(mm)
100
载荷 G 值可由下式计算：
新安装的 V 带：
F G 1.5F0 0
（ N）
16
运转后的 V 带：
G 1.3FF 0 0
（ N）
16
最小极限值：
G FF0
0
（ N）
16
式中， F0 为预紧力修正值 (见表 1—3) ，N 。
表 1—3 V 带的预紧力修正值
F0
┏━━━━━━━━━━┳━━━━━━┓ ┃
带
型
┃
ZXFo(N) ┃
┣━━━━━━┳━━━╋━━━━━━┫
（ 1-7）（ 1-8） 1-9）
1-10 ） 1-10）
（
（
（
┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┃ 普通 V 带 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
Y ┃ Z ┃ A ┃ B ┃ C ┃ D ┃ E ┃
6 10 15 20 29 59 108
┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┣━━━╋━━━━━━┫ ┣━━━╋━━━━━━┫ ┣━━━╋━━━━━━┫ ┣━━━╋━━━━━━┫ ┣━━━╋━━━━━━┫ ┣━━━╋━━━━━━┫
┗━━━━━━┻━━━┻━━━━━━┛
G 值亦可以参考表 1— 4，其中 G 值的上限用于新 V 带。
五、实验步骤与方法
(1) 点击进入“西南交通大学机械基础实验教学示范中心”网站，网上预习“单级传动
装置性能参数测试实验”课件。
(2) 观察相关实验平台的各部分结构， 检查实验平台上各设备、 电路及各测试仪器间的信号线、连接线是否可靠连接。
(3) 用手转动被测传动装置，检查其是否转动灵活及有无阻滞现象。
(4) 实验数据测试前， 应对测试设备进行调零。 调零时， 应将传感器负载侧联轴器脱开，启动主电动机，调节 JX 一 1A 机械效率仪的零点，以保证测量精度；在负载不便脱开时， 启动传感器顶部的小电动机， 并使其转向与实验时传感器输出轴的转向相反，按仪器 (或实 验测试软件 )的“清零”键，使仪器转矩显示为零；停止传感器顶部的小电动机转动，调零结束，即可开始实验。
(5) 启动主电动机进行实验数据测试。实验测量应从空载开始，无论进行何种实验，均 应先启动电机，后施加载荷，严禁先加载后开机。在施加实验载荷时，应平稳旋动 一 1A 稳流电源的激磁旋扭，并注意输入传感器的最大转矩不应超过其额定值的
(6) 在实验过程中， 如遇电机及其他设备的转速突然下降或者出现不正常的噪音、
或温升时，必须卸载或紧急停车，以防电机突然转速过高而烧坏电机、设备及其他意外事故的发生。
WLY
120％。
振动
(7) 实验测试完毕后，关闭控制柜主电源及各测试设备电源。 (8) 根据实验要求，完成实验报告。
☆ ZJS50 系列“综合设计型机械设计实验装置实验教学测试软件系统”简介
运行 experimentmachine ． exe，进入“综合设计型机械设计实验装置实验教学测试软
件系统”，其主菜单包含： 、
[实验管理 ] 、[ 变量设置 ] 、 [实验报告 ]、 [ 系统设置 ] 、 [帮助 ]、 [ 退出 ]功能。 1．系统设置
‘
其子菜单有 [串口设置 ]、 [ 参数设置 ] 与[ 机械效率仪调零 ]。 (1) 串口设置。
点击 [ 系统设置 ] 下的 [ 串口 ]子菜单，进入“串口参数选择”对话框。首先根据实际情
况进行串口选择，接下来的波特率、数据位、停止位及通道地址的设置则如图
1— 5 所示。
机械效率仪输出通道地址设置为 入测试计算机的串口
10，输入通道地址设置为 9。将机械效率仪的输出信号接
1(C0~IVll) 或串口 2(∞ M2) 。
(2)参数设置
点击 [ 系统设置 ] 下的 [参数 ] 子菜单，进入‘参数选择”对话框，如图
l 一 6 所示。
根据使用的转矩转速传感器的说明书 (铭牌 )进行扭矩系数设置，根据空载时的数据进行扭矩零点编辑． (参见相关的机械效率仪使用说明书 ) 。
(3) 调零。
点击 [ 系统设置 ] 下的 [调零 ] 子菜单，按照上一步输入的扭矩零点数据调整机械效率仪的零点。
2．变量设置
点击 [ 变量设置 ] ，进入“变量设置”对话框 传动效率 =输出功率／输入功率 滑动率； (主动轮线速度一从动轮线速度
)／主动轮线速度
+”按钮增加一行，录入“参数 T1、输出转矩 T2；输入转速
若实验需要，可自行定义测量参数，方法是：点击“ 【注意】计算公式中所引用的测量数据只能是输入转矩
nl 、输出转速 n2；输入功率 P1 和输出功率 P2。
(见图 1— 7)。测量参数与系统预置参数均
不能被修改，前者是直接测量，后者是根据直接测量的数据经过计算得到的。其中：
名称”、“参数符号”和“计算公式” ，点击“√”按钮完成参数添加。
3．实验数据测试系统 (1) 录入实验的基本信息。
点击 [ 实验管理 ] 菜单，选择“新建实验”项，进入“实验记录基本信息”对话框，如
图 1—8 所示。实验记录号是由系统自动生成的
成的。
12 位 (8 位年月日编码 +4 位流水号 )数字构
使用者在相应的编辑栏中录入实验分组编号、实验人员名单、指导教师姓名后，点击“确定”按钮进入“实验参数设置”对话框。
(2) 设置实验参数 (见图 1—9)。
①选择实验类型。 ②录入相应的实验参数。
其中最大输入功率。 (kW) 、最高输入转速’ (r／ min) 是用于计算转矩 (或工作拉力 )的量程。在调速实验中，最高输入转速也是第一条效率曲线的转速默认值。建议实验时第一条
曲线在此最高转速下测试。
(3) 横、纵坐标与量程选择。
“横、纵坐标与量程选择”对话框如图
1— 10 所示，其操作方式为：
①点击“▼”按钮，从下拉菜单中选择合适的横坐标。②点击“?”按钮，进入“选择纵坐标”对话框，最多可选择③点击“量程”按钮，进入“量程修改”对话框，设置纵坐标量程。(4)实验数据采集。
4 个不同的纵坐标。
实验参数录入完成后，点击“确定”按钮进入实验数据采集界面，采样和单步采样两种方式：
①连续采样。
：数据采集有连续
点击 [ 连续采样 ] 按钮，系统将以 lHz 采样频率连续地从转矩转速传感器读取转速、转矩和功率数据，同时进行机械传动效率的计算、显示和绘图。
【注意】在实验完成后，应先点击∥采样结束”按钮停止采样，再卸载，否则传动效率曲线将会失真。
②单步采样。
在系统稳定运行时，点击一次 [单步采样 ]按钮，系统将从转矩转速传感器读取一组转速、转矩和功率数据，同时进行机械传动效率的计算、显示和绘图。多次点击便可得到多组数据，这样可得到较“连续采样”更平滑的传动效率曲线图。
③调速实验。
若要比较不同输入转速下的传动效率特性，可在采样结束后，点击： “调速实验”按钮，录入新的输入转速，重复前述采样步骤便可得到不同转速下的传动效率曲线。
(5) 数据保存。
实验完成后，点击“采样结束”按钮停止数据采集，点击“保存■按钮可将实验数据 保存，以便查询和打印。若对实验结果不满意，可点击“取消”按钮。
(6) 退出实验。
点击“退出”按钮即可退出实验。 4．实验数据的查询和打印 (1)进入查询界面。
点击 [ 实验报告 ] 菜单项，进入“实验数据查询”界面，如图
1— 11 所示。
(2) 设置查询范围。
系统默认的查询范围是所有实验记录。用户可通过选择“起始日期”和“截止日期”来设置查询范围。
(3) 查询实验结果。
点击“查询”按钮，可得到所谩范围内的所有实验记录。点击“箭头”按钮则依次显示出历次实验记录的数据和效率曲线图。
(4) 横、纵坐标与量程编辑。①点击“▼”按钮，从下拉菜单中选择合适的横坐标；
②点击“?”按钮，进入“选择纵坐标”对话框，最多可选择③点击“量程”4 个不同的纵坐标。
按钮，进入“量程修改”对话框，修改纵坐标量程。(5)打印实验报告。
点击“打印”按钮，系统将以第 (4) 步所选的纵、横坐标与量程打印当前实验记录的实验报
1 一
告。首先打印传动效率曲线，同时弹出“是否打印实验测试数据”对话框，如图 12 所示。
点击“‘ Yes'’按钮，打印实验测试数据。 点击“ No ”按钮，则不打印实验测试数据。 (6)删除历史记录。
查询并显示出要删除的历史实验记录，点击“
Cancel”按钮进行历史记录的删除。
5.退出系统
点击菜单 “退出” 按钮，退出“综合设计型机械设计实驻装置实验教学测试软件系统”
思考题
1．影响带传动的弹性滑动与传动能力的因素有哪些
t 耐传动有何影响。 2．带传动的弹性滑动现象与打滑现象有何区别
?它们产生的原因是什么
?当 D1=D2 判断打滑发生在哪个带轮上并试分析原因
?
3．啮合传动装置的效率与哪些因素有关 ?为什么 ?。
4．啮合传动中各种传动类型各有什么特点
?其应用范围如何。 5．通过实验，比较带传动与链传动的主要特点及应用范围。 6．通过实验，讨论摩擦传动与啮合传动的主要特性如何
?
实验五 减速器装拆实验（提高型） 一、实验目的
1．了解减速器的整体结构及工作要求。
2．了解减速器的箱体零件、轴、齿轮等主要零件的结构及加工工艺。 。
时
3．了解减速器主要部件及整机的装配工艺。
4．了解齿轮、轴承的润滑、冷却及密封。
5．通过自己动手拆装，了解轴承及轴上零件的调整、固定方法，及消除和防止零件
间发生干涉的方法。
6．了解拆装工具与减速器结构设计间的关系，为课程设计做好前期准备。
二、实验设备及工具
1．Ⅰ级、Ⅱ级圆柱齿轮传动减速器。
2．Ⅰ级蜗杆传动减速器。
3．活动扳手，螺丝起、木锤、钢尺等工具。
三、实验方法
在实验室首先由实验指导老师对几种不同类型的减速器现场进行结构分析、介绍，并
对其中一种减速器的主要零、部件的结构及加工工艺过程进行分析、讲解及介绍。再由学
生们分组进行拆装，指导及辅导老师解答学生们提出的各种问题。在拆装过程中学生们进
一步观察了解减速器的各零、部件的结构、相互间配合的性质、零件的精度要求、定位尺
寸、装配关系及齿轮、轴承润滑、冷却的方式及润滑系统的结构和布置；输出、输入轴与
箱体间的密封装置及轴承工作间隙调整方法及结构等。
四、减速器拆装步骤及各步骤中应考虑的问题
（一）观察外形及外部结构
1．观察外部附件，分清哪个是起吊装置，哪个是定位销、起盖螺钉、油标、油塞，
它们各起什么作用？布置在什么位置？
2．箱体、箱盖上为什么要设计筋板？筋板的作用是什么，如何布置？
3．仔细观察轴承座的结构形状，应了解轴承座两侧联接螺栓应如何布置，支承螺栓
的凸台高度及空间尺寸应如何确定？
4．铸造成型的箱体最小壁厚是多少？如何减轻其重量及表面加工面积？
5．箱盖上为什么要设置铭牌？其目的是什么？铭牌中有什么内容？
（二）拆卸观察孔盖
1．观察孔起什么作用？应布置在什么位置及设计多大才是适宜的？
2．观察孔盖上为什么要设计通气孔？孔的位置应如何确定？
（三）拆卸箱盖
1．拆卸轴承端盖紧固螺钉
( 嵌入式端盖无紧固螺钉 ) ；
2．拆卸箱体与箱盖联连螺栓，起出定位销钉，然后拧动起盖螺钉，卸下箱盖；
3．在用扳手拧紧或松开螺栓螺母时扳手至少要旋转多少度才能松紧螺母，这与螺栓
中心到外箱壁间距离有何关系？设计时距离应如何确定？
4．起盖螺钉的作用是什么？与普通螺钉结构有什么不同？
5．如果在箱体、箱盖上不设计定位销钉将会产生什么样的严重后果？为什么？
（四）观察减速器内部各零部件的结构和布置
1．箱体与箱盖接触面为什么没有密封垫？是如何解决密封？箱体的分箱面上的沟槽
有何作用？
2．看清被拆的减速器内的轴承是油剂还是脂剂润滑，若采用油剂润滑，应了解润滑
油剂是如何导入轴承内进行润滑？如果采用脂剂应了解如何防止箱内飞溅的油剂及齿轮
啮合区挤压出的热油剂冲刷轴承润滑脂？两种情况的导油槽及回油槽应如何设计？
3．轴承在轴承座上的安放位置离箱体内壁有多大距离，在采用不同的润滑方式时距
离应如何确定？
4．目测一下齿轮与箱体内壁的最近距离，设计时距离的尺寸应如何确定？
5．用手轻轻转动高速轴，观察各级啮合时齿轮有无侧隙？并了解侧隙的作用。
6．观察箱内零件间有无干涉现象，并观察结构中是如何防止和调整零件间相互干涉。
7．观察调整轴承工作间隙 ( 周向和轴向间隙
) 结构，在减速器设计时采用不同轴承应
如何考虑调整工作间隙装置？应了解轴承内孔与轴的配合性质， 性质。
轴承外径与轴承座的配合
8．设计时应如何考虑对轴的热膨胀进行自行调节。
9．测量各级啮合齿轮的中心距。
（五）从箱体中取出各传动轴部件
1．观察轴上大、小齿轮结构，了解大齿轮上为什么要设计工艺孔？其目的是什么？
2．轴上零件是如何实现周向和轴向定位、固定？
3．各级传动轴为什么要设计成阶梯轴，不设计成光轴？设计阶梯轴时应考虑什么问
题？
4．采用直齿圆柱齿轮或斜齿圆柱齿时，各有什么特点？其轴承在选择时应考虑什么
问题？
5．计数各齿轮齿数，计算各级齿轮的传动比。高、低各级传动比是是如何分配的？
6．测量大齿轮齿顶圆直径
da，估算各级齿轮模数 m。测量最大齿轮处箱体分箱面到
内壁底部的最大距离
H，并计算大齿轮的齿顶 ( 下部 ) 与内壁底部距离 L=H-1/2d a,L 值的大
L 值？
小会影响什么？设计时应根据什么来确定
7．观察输入、输出轴的伸出端与端盖采用什么形式密封结构；
8 观察箱体内油标 ( 油尺 ) 、油塞的结构及布置。设计时应注意什么？油塞的密封是如
何处理？
（六）装配
1. 检查箱体内有无零件及其他杂物留在箱体内后，擦净箱体内部。将各传动轴部件装入箱体内；
2. 将嵌入式端盖装入轴承压槽内，并用调整垫圈调整好轴承的工作间隙。
3. 将箱内各零件，用棉纱擦净，并塗上机油防锈。再用手转动高速轴，观察有无零件
干涉。无误后，经指导老师检查后合上箱盖。
4. 松开起盖螺钉，装上定位销，并打紧。装上螺栓、螺母用手逐一拧紧后，再用扳手 分多次均匀拧紧。
5. 装好轴承小盖，观察所有附件是否都装好。用棉纱擦净减速器外部，放回原处，摆
放整齐。
6. 清点好工具，擦净后交还指导老师验收。
五、实验要求
实验前必须预习实验指导书及课程设计指导书，初步了解减速器的基本结构。多提出
实际问题，以便在实验中加以解决。
实验六 轴系拆装实验（提高型）
一、实验目的
熟悉并掌握轴系结构设计中有关轴的结构设计、滚动轴承组合设计的基本方法。
二、实验设备
1．创意组合式轴系结构设计与分析实验箱。
实验箱由 8 类 40 种 168 件零件组成，能方便的组合出数十种轴系结构方案。具有开 设轴系结构设计和轴系结构分析两大项实验功能，对培养和提高学生的机械设计能力、机
械结构能力及机构创新能力的具有明显的效果。
2．绘图工具
铅笔、三角板等。
三、实验内容与要求
1．指导教师根据下表可以选择性安排每组的实验内容
( 实验题号 )或学生自行确定实
验方案。
2．进行轴的结构设计与滚动轴承组合设计。
每组学生根据实验题号的要求， 进行轴系结构设计， 解决轴承类型选择 ,轴上零件定位固定轴承安装与调节、润滑及密封等问题。
3．绘制轴系结构装配图。
4．每人编写实验报告一份。
四、实验步骤
1．明确实验内容，理解设计要求。
2．复习有关轴的结构设计与轴承组合设计的内容与方法
(参看教材有关章节 )。
3．构思轴系结构方案
(1) 根据齿轮类型选择滚动轴承型号。
(2) 确定支承轴向固定方式 (两端固定；一端固定、一端游动)。
(3) 根据齿轮圆周速度 (高、中、低 )确定轴承润滑方式 ( 脂润滑、油润滑 )。 (4) 选择轴承端盖形式 (凸缘式、嵌入式 )并考虑透盖处密封方式 (毡圈、皮碗、油沟 等 )。
(5) 考虑轴上零件的定位与固定，轴承间隙调整等问题。 (6) 绘制轴系结构方案示意图。 4．组装轴系部件
根据轴系结构方案，从实验箱中选取合适零件并组装成轴系部件、检查所设计
组装的轴系结构是否正确。
5．绘制轴系结构草图。
6．将所有零件放入实验箱内的规定位置。
7．写出实验报告。
轴系结构拆装实验报告
设备名称
班级 日期
同组实验者姓名
1、实验目的
2、轴系结构方案示意图
3、轴系结构装配图
减速器拆装实验报告
减速器名称
班级
日期
同组实验者姓名
名
称
减速器型式及尺寸 齿轮减速器
蜗轮减速器
符号
大齿轮顶圆 ( 蜗轮外圆 ) 与箱体内壁距离
△
齿轮端面（蜗轮端面）与箱体内壁距离
△ 1 12 j t0 a1 a2 Z1
轴承安装位置离箱体内壁有多大距离
齿轮传动的齿侧间隙
第 1 级
中心距
第 2 级 1
2
齿轮齿数
3 4 第 1 级
齿轮传动比
第 2 级
Z2 Z3 Z4 i 1 i 2
第 1 级
大齿轮外径
第 2 级
Da2 Da4
第 1 级
齿轮法面模数
第 2 级
中心高
mn mn H
滑动轴承基本性能实验报告
设备名称
班级 日期
同组实验者姓名
1、 实验目的
2、 实验原型
3、 实验装置结构简图
机械发展史展示实验报告
设备名称
班级 日期
同组实验者姓名
1、 实验目的
2、 实验装置
3、 实验展示内容清单
现代设计结构展示与分析实验报告
设备名称
班级 日期
同组实验者姓名
1、 实验目的
2、实验装置
2、 实验展示内容清单
单级机械传动装置性能参数测试实验报告
设备名称
班级 日期
同组实验者姓名
一、摩擦传动性能参数测试实验 1、 实验目的
2、 实验原理
3、 实验装置结构简图
4、 实验装置原始数据 V 带：规格型号 带轮直径： D1= 电动机：型号
转矩转速传感器：
输入端：型号 输出端：型号
mm ；D2=
mm；
；额定转矩：
Nm ；同步转速
r/min
；额定转矩
Nm ；转速范围 Nm ；转速范围
r/min
；额定转矩
r/min
磁粉制动（加载）器：型号 ；额定转矩 r/min
５、测定Ｖ带传动效率及滑动率时选择的工况参数 电动机转速 n1= 加载（负载）范围： 实验数据采集方式： ６、实验步骤
～
采样
Nm ；允许滑差功率 kW;
kW
７、结果分析
（１）Ｖ带传动实验结果分析（将试验曲线打印结果附于实验报告后）
（２）通过实验，观察、描述带传动的弹性滑动及打滑现象。
机械设计方案方案模板综合实验指导书及实验报告模板.doc.doc
