第三部分：機械設計
實驗一帶傳動實驗
一、實驗目的
1．觀察帶傳動中的彈性滑動和打滑現象以及它們與帶傳遞的載荷之間的關係。
2．測定彈性滑動率與所傳遞的載荷和帶傳動效率之間的關係，繪製帶傳動的彈性滑動曲線和效率曲線。
3．了解帶傳動實驗台的設計原理與扭矩、轉速的測量方法。
二、實驗台的構造和工作原理
由於彈性滑動率之值與打滑現象的出現以及帶傳動的效率都和帶傳遞的載荷的大小有密切關係，本實驗台用燈泡作負載。本實驗台由主機和測量系統兩大部分組成如下圖所示。
1．主機
主機是乙個裝有平帶的傳動裝置。
主電機是直流電動機，裝在滑座上，可沿滑座滑動，電機軸上裝有主動輪，通過皮帶帶動從動輪，從動輪裝在直流發電機的軸上。在直流發電機的輸出電路上，併聯了八個燈泡，每個40瓦（即圖3上的負載燈泡），作為帶傳動的載入裝置。砝碼通過鋼絲繩、定滑輪拉緊滑座，從而使帶張緊，並保證一定的初拉力。
開啟燈泡，以改變發電機的負載電阻，隨著開啟燈泡的增多，發電機的負載增大，帶的受力增大，兩邊拉力差也增大，帶的彈性滑動逐步增加。當帶端傳遞的載荷剛好達到所能傳遞的最大有效圓周力時，帶開始打滑，當負載繼續增加時則完全打滑。
2．測量系統
測量系統由轉速測定裝置和電機的測扭矩裝置兩部分組成。
a．光電測轉速裝置
在主動輪和從動輪的軸上分別安裝一同步轉盤，在轉盤的同一半徑上鑽有乙個小孔，在小孔一側固定有光電感測器，並使感測器的測頭正對小孔。帶輪轉動時，就可在數碼管上直接讀出帶輪的轉速。
b．扭矩測量裝置
主動輪的扭矩 t1和從動輪的扭矩 t2均通過電機外殼來測定。
電動機和發電機的外殼支承在支座的滾動軸承中，並可繞與轉子相重合的軸線擺動。當電動機啟動和發電機負載後，由於定子磁場和轉子磁場的相互作用，電動機的外殼將向轉子旋轉的反向傾倒，發電機的外殼將向轉子旋轉的同向傾倒，它們的傾倒力矩可分別通過固定在定子外殼上的測力計所測得的力矩來平衡。即：
主動輪上的扭矩t1＝q1k1l1（n·mm）
從動輪上的扭矩t2＝q2k2l2（n·mm）
式中q1，q2——測力計上百分表的讀數。
k1，k2——測力計標定值。k1=k2=0.224
l1，l2——測力計的力臂。l1= l2=120mm。
帶傳動的效率
我們只要測得不同負載下主動輪的轉速和從動輪的轉速以及主動輪的扭矩t1，和從動輪的扭矩t2，就可算出在不同的有效拉力下的彈性滑動率（，在兩帶輪的直徑相同時，）以及效率之值。以有效拉力f為橫座標，分別以不同載荷下的和之值為縱座標，就可畫出帶傳動的彈性滑動曲線和效率曲線，如上圖所示。
三、實驗步驟
1．接通電源，實驗台的指示燈亮，檢查一下測力計的測力杆是否處於平衡狀態，若不平衡則調整到平衡。
2．加砝碼3kg，使帶具有初拉力。
3．慢慢地沿順時針方向旋轉調速按扭，使電機從開始運轉逐漸加速到1000轉／分左右，記錄，q1，q2一組資料。
4．開啟乙個燈泡（即載入），記錄一組、、q1和q2一組資料，注意此時和之間的差值，即觀察帶的彈性滑動現象。
5．逐漸增加負載（即每次開啟乙個40瓦的燈泡），重複第4步，直到≥3％左右，即圖上的臨界點，帶傳動開始進人打滑區。若再開啟燈泡，則和之差值迅速增大。
6．完成實驗報告（即繪製彈性滑動和效率曲線）。
注：本實驗台的主要引數：帶輪直徑d1=120mm，d2=120mm，測力杆長度 l1＝120mm，l2＝120mm。
實驗二滑動軸承實驗
一、實驗目的
1．觀察滑動軸承液體動壓潤滑油膜的形成過程和現象。
2．測定和繪製滑動軸承徑向油膜壓力曲線，求軸承的承載能力。
3．觀察載荷和轉速改變時油膜壓力的變化情況。
4．觀察滑動軸承油膜的軸向壓力分布情況。
5．了解滑動軸承的摩擦係數f的測量方法和摩擦特性曲線的繪製方法。
二、實驗台的構造與工作原理
實驗台的構造如圖一所示。
1．實驗台的傳動裝置
由直流電動機1通過v帶傳動2驅動軸沿順時針（面對實驗台面板）方向轉動，由無級調速器實現軸4的無級調速。本實驗台軸的轉速範圍3～500轉500轉／分，軸的轉速由數碼管直接讀出。
圖一2．軸與軸瓦間的油膜壓力測量裝置
在軸瓦的乙個徑向平面內沿圓周鑽有7個小孔，每個小孔沿圓周相隔20°，每個小孔聯接乙個壓力表，用來測量該徑向平面內相應點的油膜壓力，由此可繪製出徑向油膜壓力分布曲線。沿軸瓦的乙個軸向剖面裝有兩個壓力表，用來觀察有限長滑動軸承沿軸向的油膜壓力情況。
3．載入裝置
油膜的徑向壓力分布曲線是在一定的載荷和一定的轉速下繪製的。當載荷改變或軸的轉速改變時所測出的壓力值是不同的，所繪出的壓力分布曲線的形狀也是不同的。轉速的改變方法於前所述。
本實驗台採用螺旋載入（見圖1），轉動螺旋即可改變載荷的大小，所加載荷之值通過感測器數字顯示，直接在實驗的操縱板上讀出（取中間值）。這種載入方式的主要優點是結構簡單、可靠，使用方便，載荷的大小可任意調節。
4．摩擦係數測量裝置
徑向滑動軸承的摩擦係數隨軸承的特性、系數值的改變而改變(一油的動力粘度，軸的轉速，一壓力（p=）， w一軸上的載荷，b一軸瓦的寬度，d一軸的直徑，本實驗台b一125mm，d=70mm)如圖4所示。
在邊界摩擦時隨的增大而變化很小（由於 n值很小，建議用手慢慢轉動軸），進人混合摩擦後，的改變引起的急劇變化，在剛形成液體摩擦時達到最小值，此後，隨的增大油膜厚度亦隨之增大，因而亦有所增大。
摩擦係數之值可通過測量軸承的摩擦力矩而得到。軸轉動時，軸對軸瓦產生周向摩擦力f，其摩擦力矩為f·d／2，它供軸瓦5翻轉，其翻轉力矩通過固定在彈簧片上的百分表9測出彈簧片的變形量並經過以下計算就可得到摩擦係數之值。
根據力矩平衡條件得：。l一測力杆的長度（本實驗台 l＝120mm）一作用在 a處的反力。
設作用在軸上的外載荷w，則：
而(一測力計的剛度係數k＝0.098 n／格，見實驗台上的說明)。
一百分表讀數（百分表的讀數一格數）
5．摩擦狀態指示裝置
指示裝置的原理如圖5所示。當軸不轉動時，可看到燈泡很亮；當軸在很低的轉速下轉動時，軸將潤滑油帶人軸和軸瓦之間收斂性間隙內，但由於此時的油膜厚很薄，軸與軸瓦之間部分微觀不平度的凸峰高峰處仍在接觸，故燈忽亮忽暗；當軸的轉速達到一定值時，軸與軸瓦之間形成的壓力油膜厚度完全遮蓋兩表面之間微觀不平度的凸峰高度，油膜完全將軸與軸瓦隔開，燈泡就不亮了。
三、實驗準備與步驟
1． 開機前的準備：
在彈簧片8的端部安裝百分表（測力計），使其觸頭具有一定的壓力值。
（1）用汽油將油箱清理乾淨，加人 n68（40＃）機油至圓形油標中線。
（2）面板上調速旋鈕逆時針旋到底**速最低咖載螺旋杆旋與負載感測器脫離接觸
（3）通電後，面板上兩組數碼管亮（左一轉速，右一負載），調節調零旋鈕使負載數碼管清零。
（4）旋轉調速旋鈕使電機在 100—200轉／rpm執行。此時油膜指示燈應熄滅。穩定執行3—4分鐘後。
2．實驗
（1）啟動電機，將軸的轉速調整到一定值（可取 200轉/分左右），注意觀察從軸開始運轉至200轉／分時燈泡亮度的變化情況，待燈泡完全熄滅，此時已處於完全液體潤滑狀態；
（2）用載入裝置載入（約400n）；
（3）待各壓力表的壓力值穩定後，由左至右依次記錄各壓力表的壓力值；
（4）解除安裝、關機；
（5）根據測出的各壓力表的壓力值按一定比例繪製出油壓分布曲線與承載曲線，
四、注意事項：
1．使用的機油必須通過過濾才能使用，使用過程中嚴禁灰塵及金屬屑混人油內。
2．由於主軸和軸瓦加工精度高，配合間隙小，潤滑油進人軸和軸瓦間隙後。不易流失，在做摩擦係數測定時，油壓表的壓力不易回零，為了使表迅速回零。需人為把軸瓦抬起，使油流出。
3．所加負載不允許超過120kg，以免損壞負載感測器元件。
4．機油牌號的選擇司「根據具體、環境，溫度，在 20＃一 40 ＃內選擇。
5．為防止主軸瓦在無油膜運轉時燒壞，在面板上裝有無油膜報警指示燈正常工作時指示燈熄滅，嚴禁在指示燈亮時主軸高速運轉。
3．繪製徑向油膜壓力分布曲線與承載曲線
①如圖6的上圖所示。此圖的具體畫法是：沿著圓周表面從左到右畫出角度分別為30°、50°、70°、90°、110°。
130°、150°、等分別得出油孔點1、2、3、4、5、6、7的位置。通過這些點與圓心o連線，在各連線的延長線上，將壓力表（比例：0.
1mp—5mm）測出的壓力值畫出壓力線1—1』、2—2』、3—3』……7—7』。將1』、2』……7』各點連成光滑曲線，此曲線就是所測軸承的乙個徑向截面的油膜徑向壓力分布曲線。
為了確定軸承的承載量，用中。（=1，2……7）求得向量1—1』、2—2』、……7—7』在載荷方向（即y軸的投影值。角度中與的數值見下表：
然後將中。這些平行於y軸的向量移到直徑0—8上。為清楚起見，將直徑0—8平移到圖3—4的下部、在直徑d」一8」上先畫出軸承表面上油孔位置的投影點1」、2」…8」，然後通過這些點畫出上述相應的各點壓力在載荷方向的分量，即1」、2」…7」等點，將各點平滑連線起來，所形成的曲線即為在載荷方向的壓力分布。
在直徑0」一8」上做乙個矩形，採用方格紙，使其面積與曲線所包圍的面積相等，那麼矩形的邊長
式中q：軸承內油膜承載量；
w：外載荷；
端洩對承載能力影響係數，一般取0.7；
徑向平均單位壓力；
b：軸瓦寬度。
②做油膜軸向壓力分布曲線
做一水平線，取其長度為軸承有效長度 l = 125mm，在中點的垂線上按一定的比例尺標出該點的壓力 p4（端點為4）在距二端 l/4（即有效長度的1/4處）沿垂線方向各標出壓力 p8的讀數，軸承兩端壓力均為0，將0、8、4、8、0五個點連成一光滑曲線，即得軸承油膜壓力軸向分布曲線，用前述方法可求出其平均壓力pa。
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