機械設計綜合實驗指導書
及實驗報告
班級學號
姓名機械基礎實驗中心雷代明
2023年3月
第一部分機械設計
實驗一機械零件認知與分析實驗
一、實驗目的
1、熟悉常用的機械零件的基本結構，以便對所學理論知識產生一定的感性認識。
2、分析常用機械零件的基本構造及製造原理。
3、了解常用機械零件的實際使用情況。
二、實驗內容
通過觀察，掌握常用的機械零件的基本結構及應用場合。
三、實驗簡介
機械零件陳列觀摩，共包括：
(1)螺紋聯接與應用
(2)鍵、花鍵、銷、鉚、焊、鉸接
(3)帶傳動
(4)鏈傳動
(5)齒輪傳動
(6)蝸桿傳動
(7)滑動軸承與潤滑密封
(8)滾動軸承與裝置設計
(9)軸的分析與設計
(10)聯軸器與離合器。
共10個陳列櫃，羅列了機械設計內容中大多數常用的基本零件與標準件，並對相應的零件進行了結構和基本受力分析，聯接和安裝的基本方法的說明，有些常用的零件還給出了簡單的應用舉例。
通過本實驗的觀摩，學生可以對照書本所學的基本內容，初步領會機械設計的一些常用零部件的基本設計與應用原理，從而達到舉一反三的教學目的，對其所學的課本理論知識進一步鞏固和深化。
四、實驗要求
1、學生必須帶上課本，以便於與書本內容進行對照觀察。
2、進入實驗室必須保持安靜，不得大聲喧嘩，以免影響其他同學。
3、不得私自開啟陳列櫃，不得用手觸控各種機械零件模型。
4、服從實驗人員的安排，認真領會機械零件的構造原理。
五、思考題
1、常用螺紋聯接的方法有哪些?
2、說明無鍵聯結的優缺點．
3、在帶傳動中，帶張緊的方法有哪些?
4、軸上零件軸向常用的定位方法有哪些?舉例說明。
第二章滑動軸承實驗
實驗二滑動軸承基本效能實驗
一、概述
滑動軸承用於支承轉動零件，是一種在機械中被廣泛應用的重要零部件。根據軸承的工作原理，滑動軸承屬於滑動摩擦型別。滑動軸承中的潤滑油若能形成一定的油膜厚度而將作相對轉動的軸承與軸頸表面分開，則運動副表面就不發生接觸，從而降低摩擦、減少磨損，延長軸承的使用壽命。
根據流體潤滑形成原理的不同，潤滑油膜分為流體靜壓潤滑(外部供壓式)及流體動壓潤滑(內部自生式)，本章討論流體動壓軸承實驗。
流體動壓潤滑軸承其工作原理是通過軸頸旋轉，借助流體粘性將潤滑油帶入軸頸與軸瓦配合表面的收斂楔形間隙內，由於潤滑油由大端入口至小端出口的流動過程中必須滿足流體流動連續性條件，從而潤滑油在間隙內就自然形成周向油膜壓力(見圖2-1)，在油膜壓力作用下，軸頸由圖2-1(a)所示的位置被推向圖2-1(b)所示的位置。
當動壓油膜的壓力p在載荷f方向分力的合力與載荷f平衡時，軸頸中心處於某一相應穩定的平衡位置o1，o1位置的座標為o1(e，φ)。其中e=oo1，稱為偏心距；φ為偏位角(軸承中心0與軸頸中心0l連線與外載荷f作用線間的夾角)。
隨著軸承載荷、轉速、潤滑油種類等引數的變化以及軸承幾何引數(如寬徑比、相對間隙)的不同，軸頸中心的位置也隨之發生變化。對處於工況引數隨時間變化下工作的非穩態滑動軸承，軸心的軌跡將形成一條軸心軌跡圖。
為了保證形成完全的液體摩擦狀態『對於實際的工程表面，最小油膜厚度必須滿足下列條件：
2—1)
式中，s為安全係數，通常取s≥2；rzl、rz2盈分別為軸頸和軸瓦孔表面粗糙度的十點高度。
滑動軸承實驗是分析滑動軸承承載機理的基本實驗，它是分析與研究軸承的潤滑特性以及進行滑動軸承創新性設計的重要實踐基礎。
根據要求不同，滑動軸承實驗分為基本型、綜合設計型和研究創新型三種型別。
二、實驗目的
(1)掌握實驗裝置的結構原理，了解滑動軸承的潤滑方式、軸承實驗台的載入方法以及軸承實驗台主軸的驅動方式及調速的原理。
(2)掌握實驗台所採用的測試用感測器的工作原理。
(3)通過實驗測試的周向油膜壓力分布及軸向油膜壓力分布，掌握滑動軸承中流體動壓油膜形成的機理及滑動軸承承載機理。
(4)通過實驗掌握工況引數和軸承引數的變化對滑動軸承潤滑性能及承載能力的影響。
三、實驗內容
對於基本型實驗，實驗內容如下：
(1)軸承中間平面上週向油膜壓力分布曲線圖[見圖2-2(a)]和軸向油膜壓力分布曲線圖[(見圖2-2(c)]。
(2)周向油膜壓力分布曲線圖的承載分量的曲線圖[見圖2—2。(b)]，求軸承的端洩影響係數k。
考慮有限寬軸承在寬度b方向的端洩對油膜承載量的影響，其影響係數k可由下式求出：
2—2)
式中，f為軸承外載荷，n；b為軸承有效工作寬度，mm；d為軸頸直徑，mm；pm為根據油膜壓力承載分量的曲線圖求出的動壓油膜的平均壓力，如圖2—2(b)所示。
圖2—2(a)為實測上軸瓦上均布測點1～7位置處的油膜壓力形成的周向油膜壓力分布曲線；圖(b)為過這7個分點分別弓l垂線段l一1」、2—2」、…、7—7」，使之分別等於圖(a)中的油膜壓力值的垂直分量後連成的光滑曲線，該曲線被稱為動壓油膜的承載分量曲線；圖(c)為軸向油膜壓力分布曲線。
根據承載分量曲線和直徑所圍成的圖形面積等於平均壓力pm與直徑圍成的矩形面積相等的條件，通過數方格數的方法即可求出pm大小。再將求出的pm值代入式2—2即可求出k。
四、實驗裝置
實驗裝置採用西南交通大學研製的zhs20系列滑動軸承綜合實驗台。該實驗台主要由主軸驅動系統、靜壓載入系統、軸承潤滑系統、油膜壓力測試系統、油溫測試系統、摩擦因素測試系統以及資料採集與處理系統等組成。
1．主軸驅動系統及電機選擇
實驗台的主軸支承在實驗台箱體上的一對滾動軸承上。該主軸的驅動電機需滿足無極調速、低速大轉矩及實驗過程中能快速啟停等要求。
驅動電機主要有交流非同步電動機、直流電動機、步進電機、交流(直流)伺服電動機等型別。
交流伺服電動機的工作原理與普通交流非同步電動機相似，但交流伺服電動機的轉子電阻比非同步電機的大得多，其轉矩特性(轉矩t與轉差率s的關係)也因此較普通電機有很大區別(見圖2-3)。。它可使臨界轉差率大於1，這樣不僅使轉矩特性更接近於線性，而且具有較大的起動轉矩，因此，伺服電機具有起動快、靈敏度高的特點。
目前，基於稀土永磁體的交流永磁伺服驅動系統，能提供最高水平的動態響應和扭矩密度。所以用交流伺服驅動取替傳統交流調速、直流和步進調速驅動，以便使系統效能達到乙個全新的控制水平，從而獲得更寬的調速範圍和更大的低速扭矩。因此，本實驗台選用了交流伺服電動機，其優點歸納如下：
(1)控制精度高。
交流伺服電機的控制精度由電機軸後端的旋轉編碼器保證，因此，交流伺服具有極高的控制精度。
(2)低頻特性好。
步進電機在低速時易出現低頻振動現象；普通交流電機由變頻器進行調速，在低頻時的力矩小；直流電機在低速的控制極不穩定。而交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可以克服機械的剛性不足缺點，並且系統內部具有頻率解析功能(fi叮)，。
可檢測出機械的共振點，便於調整系統。
(3)矩頻特性好。
交流伺服電機為恆力矩輸出，即在其額定轉速(一般為1 000 r'／rain)以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恆功率輸出。
(4)過載能力強。
交流伺服電機具有較強的過載能力。它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的3倍，可用於克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。
(5)執行穩定。
交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋訊號進行取樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過衝現象，控制效能更為可靠。
(6)響應速度快。
交流伺服系統的加速效能較好，從靜止加速到其額定轉速1 000 t．／min僅需幾毫秒，可用於要求快速啟停的控制場合。
2．液壓系統
實驗台的液壓系統功能，一是為實驗軸承提供迴圈潤滑系統，二是為軸承靜壓載入系統提供壓力供油。液壓系統框圖如圖2—4所示。
為了保證液壓載入系統的穩定性，該系統採用變頻恆壓的控制方式。變頻恆壓供油系統主要由油幫浦、變頻器、壓力感測器組成，如圖2—5所示。通過壓力感測器對載入系統的壓力監測，實時調節油幫浦電機的轉速使電機一油幫浦一液壓油路系統組成乙個閉環控制系統。
由於在各種轉速下形成的油膜壓力和端洩情況有一定的差別，通過變頻恆壓系統能真正地實現在各種轉速下的載入壓力保持不變。
若液壓載入系統向固定於箱座上的載入蓋板內的油腔輸送的供油壓力為p0時，載荷即施加在軸瓦上，則軸承載荷為：
2—3)
式中，p0為油腔供油壓力，kqf／cm2；a為油腔在水平面上投影面積，a=60 cm2；go為初始載荷(包括軸瓦自重、壓力變送器重量等)，go=7.5 kgf。
注：由於實際需要，本書保留了一些非國際標準制單位，l kgf=0.980665 n。
3．油膜壓力變送系統
在軸瓦上半部承載區軸承寬度的中間剖面上，沿周向均勻分布鑽有1～7共7個小孔，分別在小孔處安裝壓力變送器。當軸旋轉到一定轉速後，在軸承內形成動壓油膜，通過壓力變送器測出油膜壓力值，並在計算機上顯示周向油膜壓力分布曲線(見圖2—2)。在軸瓦的有效寬度b的1／4處，安裝軸向油膜壓力變送器8，測出位置8處的油膜壓力p8，根據軸向油膜壓力分布對稱原理，可以測得軸向油膜壓力分布曲線[見圖2—2(c)]。
本實驗台採用壓阻式壓力變送器，它由壓力敏感部件與壓力變送器部件組成。
(1)壓力敏感部件。
擴散矽壓阻式壓力感測器的工作原理：以擴散矽材料製成的膜片作為彈性敏感元件，其矽晶元上通過微機加工工藝構成乙個惠斯通電橋，如圖2—6所示，圖中，表示恆流源，r表示電橋阻值，u表示激勵電壓，vo表示電橋輸出電壓。當有外部壓力作用時，膜片發生彈性變形，膜片的一部分受壓縮，另一部分則受拉伸。
兩個電阻位於膜片的壓縮區，另兩個位於位伸區，並聯成惠斯通全橋形式，以使輸出訊號最大。
(2)壓力變送器部件(效能引數見表2—1)。
因壓力感測器是乙個在矽晶元上通過加工工藝構成的乙個惠斯通電橋，該電橋橋阻的變化與作用在其上的外部作用力大小成正比例關係。為了將電阻變化量轉換為電壓訊號，給電橋提供最大2 ma dc的恆流源，用於激勵壓力感測器工作。訊號放大和轉換處理電路將惠斯通電橋產生的電壓訊號線性放大處理後，將其轉換為4～20 ma dc的工業標準訊號變送輸出構成壓力變送器。
其主要效能特點如下。
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一 實驗目的 學會撇開實際機械的具體構造而僅從運動的觀點來繪製其機構運動簡圖的技能 掌握機構自由度的計算和判定機構運動是否確定的方法 初步掌握機構構件尺寸的測量方法 二 實驗裝置和用具 若干個典型機構或機器的實物或模型。教師可根據實驗室具體情況選定 自帶直尺 鉛筆 橡皮 草稿紙。三 實驗要求 實驗前...