機械工程基礎實驗指導書黃志誠 編景德鎮陶瓷學院機電學院機設教研室2008年9月目 錄實驗一、低碳鋼拉伸時力學性能的測定2實驗二、漸開線齒廓的范成實驗6實驗三、減速器的拆裝10實驗四、軸系結構組合設計14實驗一、低碳鋼拉伸時力學性能的測定一、 實驗目的1、觀察低碳鋼拉伸過程中的彈性、屈服、強化、頸縮、斷裂等物理現象。2、測定低碳鋼的屈服極限（屈服點）s，強度極限（抗拉強度）b，斷后伸長率和斷面收縮率。二、 實驗設備及工具a) WE型液壓式萬能試驗機；b) SH-350試樣分劃器；c) 游標卡尺；d) 低碳鋼長試樣（l=100mm，d=10mm）。 拉伸試件按國標GB/T63971986制作。如圖21所示，拉伸試件采用啞鈴狀，由工作部分、圓弧過渡部分和夾持部分組成。若以L表示試件工作部分標距，d 表示試件直徑，則拉伸試件有短試件（L5d）和長試件（L10d）兩種。本試驗采用長試件。圖2-1 圓形拉伸試件圖2-2 低碳鋼的拉伸曲線三、實驗原理及方法將試件安裝于試驗機的夾頭內，之后勻速緩慢加載（加載速度對力學性能是有影響的，速度越快，所測的強度值就越高），直至將試件拉斷。低碳鋼試件在靜拉伸試驗中，通常可直接得到拉伸曲線，即FL曲線，如實2-2圖所示。用準確的拉伸曲線可直接換算出應力應變曲線。觀察拉伸曲線可見試件依次經過彈性階段、屈服階段、強化階段和縮頸階段等四個階段，其中前三個階段是均勻變形的。 彈性階段 是指拉伸圖上的OA段。在彈性階段，存在一比例極限點A，對應的應力為比例極限,此部分載荷與變形是成比例的，材料的彈性模量E應在此范圍內測定。屈服階段 對應拉伸圖上的BC段。在低碳鋼的拉伸曲線上，當載荷增加到一定數值時出現的鋸齒現象。屈服階段中一個重要的力學性能就是屈服點。低碳鋼材料存在上屈服點和下屈服點，不加說明，一般都是指下屈服點。上屈服點對應拉伸圖中的B點，記為FSU，即試件發生屈服而力首次下降前的最大力值。下屈服點記為FSL，是指不計初始瞬時效應的屈服階段中的最小力值。金屬材料的屈服是宏觀塑性變形開始的一種標志。一般通過指針法或圖示法來確定屈服點，綜合起來具體做法可概括為：當屈服出現一對峰谷時，則對應于谷低點的位置就是屈服點；當屈服階段出現多個波動峰谷時，則除去第一個谷值后所余最小谷值點就是屈服點。用上述方法測得屈服載荷，然后計算出屈服點、下屈服點和上屈服點：FS/A ，=FSL /A ，FSU/A（2.1）強化階段 對應于拉伸圖中的CD段。變形強化標志著材料抵抗繼續變形的能力在增強。這也表明材料要繼續變形，就要不斷增加載荷。在強化階段如果卸載，彈性變形會隨之消失，塑性變形將會永久保留下來。強化階段的卸載路徑與彈性階段平行。卸載后重新加載時，加載線仍與彈性階段平行。重新加載后，材料的比例極限明顯提高，而塑性性能會相應下降。這種現象稱之為形變硬化或冷作硬化。冷作硬化是金屬材料的寶貴性質之一。工程中利用冷作硬化工藝的例子很多，如擠壓、冷拔、噴丸等。D點是拉伸曲線的最高點，載荷為Fb，對應的應力是材料的強度極限或抗拉極限，記為，Fb/A（2.2）縮頸階段 對應于拉伸圖的DE段。載荷達到最大值后，由于材料本身存在缺陷，于是均勻變形轉化為集中變形，導致形成縮頸。縮頸階段，承載面積急劇減小，試件承受的載荷也不斷下降，直至斷裂。斷裂后，試件的彈性變形消失，塑性變形則永久保留在破斷的試件上。材料的塑性性能通常用試件斷后殘留的變形來衡量。軸向拉伸的塑性性能通常用伸長率和斷面收縮率來表示。塑性材料縮頸部分的變形在總變形中占很大比例，研究表明，低碳鋼試件縮頸部分的變形占塑性變形的80左右。測定斷后伸長率時，縮頸部分及其影響區的塑性變形都包含在內，這就要求斷口位置到最鄰近的標距端線的距離不小于L/3，此時可直接測量試件標距兩端的距離得到L1。否則就要用移位法（見）使斷口居于標距的中央附近。若斷口落在標距之外則試驗無效。 試件標距對伸長率的影響把試件斷裂后的塑性伸長量L分成均勻變形階段的伸長量L1和縮頸階段的伸長量L2兩部分。研究表明，L1沿試件標距長度均勻分布，L2主要集中于縮頸附近。遠離縮頸處的變形較小，L1要比L2小得多，一般L1不會超過L2的5。實驗與理論研究表明，L1與試件初始標距長度L成正比，而L2與試樣橫截面面積的大小A有關，伸長率為，其中、是材料常數。則對于同一種材料，只有在試件的值為常數的條件下，其斷后伸長率才是常數。若面積A相同時，L大，則小；反之，則大。故有。延伸率和斷面收縮率的測定試件的原始標距為，拉斷后將兩段試件緊密對接在一起，量出拉斷后的標距長，延伸率應為 （2.3）式中 試件原始標距，試件拉斷后標距長度。對于塑性材料，斷裂前變形集中在緊縮處，該部分變形最大，距離斷口位置越遠，變形越小，即斷裂位置對延伸率是有影響的。為了便于比較，規定斷口在標距中央三分之一范圍內測出的延伸率為測量標準。如斷口不在此范圍內，則需進行折算，也稱斷口移中。具體方法如下：以斷口O為起點，在長度上取基本等于短段格數得到B點，當長段所剩格數為偶數時（見圖2.2a），則由所剩格數的一半得到C點，取BC段長度將其移至短段邊，則得斷口移中得標距長，其計算式為圖2.2斷口移中示意圖如果長段取B點后所剩格數為奇數（見圖2.2b），則取所剩格數加一格之半得C1點和減一格之半得C點，移中后標距長為 將計算所得的代入式中，可求得折算后的延伸率。為了測定低碳鋼的斷面收縮率，試件拉斷后，在斷口處兩端沿互相垂直的方向各測一次直徑，取平均值計算斷口處橫截面面積，再按下式計算面積收縮率 （2.4）式中 A0試件原始橫截面面積 A1試件拉斷后斷口處最小面積四、 實驗步驟1、測量試樣尺寸 將試樣在劃線器上分成十等份并測量出l0，在標距l0 的兩端及中部三個位置上，沿兩個相互垂直的方向，測量試樣直徑，取其均值，再以三者的最小值計算A 0 。 2、加載 將試樣安裝在試驗機上均勻、緩慢加載注意讀出FS，最后直到將試樣拉斷，計下最大載荷Fb。3、取下試樣，試驗機恢復原狀。測量斷后試樣尺寸。五、 實驗數據記錄及處理試樣尺寸實驗前實驗后原標距l0 （mm）斷后標距l1（mm）最小直徑d0（mm）上斷裂處最小直徑d1（mm）1中2下平均原始截面積A 0（mm2）最小斷裂處截面積A1（mm2）材料的強度指標s、b屈服載荷Fs（KN）屈服極限s（MPa）最大載荷Fb（KN）強度極限b（MPa）材料的塑性指標、= 100%=100%六、 實驗分析及思考題a) 材料相同，直徑相等的長試樣l0=10d0和短試樣l0=5d0其斷后伸長率是否相同？b) 為消除加載偏心的影響應采取什么措施？c) 實驗時如何觀察低碳鋼的屈服極限？測定s時為何要限制加載速度？實驗二、 漸開線齒廓的范成實驗一、實驗目的（1）掌握展成法加工漸開線齒廓的原理。（2）了解齒輪的根切現象及采用變位修正來避免根切的方法。（3）了解變位后對輪齒尺寸產生的影響。二、實驗設備與工具（1）齒輪展成儀。（2）鋼直尺、圓規、剪刀。（3）鉛筆、三角板、繪圖紙。三、實驗原理齒輪在實際加工中，看不到輪齒齒廓漸開線的形成過程。本實驗通過齒輪展成儀來實現輪坯與刀具之間的相對運動過程，并用鉛筆將刀具相對輪坯的各個位置記錄在圖紙上，這樣就能清楚地觀察到漸開線齒廓的展成過程。齒輪展成儀所用的刀具模型為齒條插刀，儀器構造如圖4-1所示。圖4-1 齒輪展成儀結構示意圖1托盤；2輪坯分度圓；3滑架；4支座；5齒條（刀具）；6調節螺旋；7、9螺釘；8刀架；10壓環繪圖紙做成圓形輪坯，用壓環10固定在托盤1上，托盤可繞固定軸轉動。代表齒條刀具的齒條5通過螺釘7固定在刀架8上，刀架裝在滑架3上的徑向導槽內，旋轉螺旋6，可使刀架帶著齒條刀具相對于托盤中心作徑向移動。因此，齒條刀具5既可以隨滑架3作水平左右移動，又可以隨刀架一起作徑向移動。滑架3與托盤1之間采用齒輪齒條嚙合傳動，保證輪坯分度圓與滑架基準刻線作純滾動，當齒條刀具5的分度線與基準刻線對齊時，能展成標準齒輪齒廓。調節齒條刀具相對齒坯中心的徑向位置，可以展成變位齒輪齒廓。四、實驗步驟（1）展成標準齒輪根據所用展成儀的模數和托盤中心至刀具中線的距離（輪坯分度圓半徑），求出被加工標準齒輪的齒數，齒頂圓直徑，齒根圓直徑和基圓直徑。在一張圖紙上，分別以、和分度圓直徑畫出4個同心圓，并將圖紙剪成直徑為的圓形輪坯。將圓形紙片（輪坯）放在展成儀的托盤1上，使二者圓心重合，然后用壓環10和螺釘9將紙片夾緊在托盤上。將展成儀上的齒條5的中線與滑架3上的標尺刻度零線對準（此時齒條刀具的分度線應與圓形紙片上所畫的分度圓相切）。將滑架3推至左（或右）極限位置，用削尖的鉛筆在圓形紙片（代表被加工輪坯）上畫下齒條刀具5的齒廓在該位置上的投影線（代表齒條刀具插齒加工每次切削所形成的痕跡）。然后將滑架向右（或左）移動一個很小的距離，此時通過嚙合傳動帶動托盤1也相應轉過一個小角度，再將齒條刀具的齒廓在該位置上的投影線畫在圓形紙片上。連續重復上述工作，繪出齒條刀具的齒廓在各個位置上的投影線，這些投影線的包絡線即為被加工齒輪的漸開線齒廓。按上述方法，繪出23個完整的齒形，如圖4-2所示。圖4-2 標準漸形線齒輪齒廓的展成過程（2）展成正變位齒輪根據所用展成儀的參數，計算出不發生根切現象時的最小變位系數。然后確定變位系數（），計算變位齒輪的齒頂圓直徑和齒根圓直徑（和由指導教師計算）。在另一張圖紙上，分別以、和分度圓直徑畫出四個同心圓，并將圖紙剪成直徑為的圓形輪坯。同展成標準齒輪步驟。將齒條5向離開齒坯中心的方向移動一段距離。同展成標準齒輪步驟。同展成標準齒輪步驟，繪出的齒廓如圖4-3所示。圖4-3 正變位漸形線齒輪齒廓的展成過程五、注意事項（1）本實驗最好選用模數較大（）而分度圓較小的展成儀，使齒數10，以便在展成標準齒輪齒廓時能觀察到較為明顯的根切現象。（2）代表輪坯的紙片應有一定厚度（用70g以上紙），紙面應平整無明顯翹曲，以防在實驗過程中頂在齒條5的齒頂部。為了節約實驗時間與紙片，亦可將標準齒輪與變位齒輪的輪坯以直徑為界畫在同一張紙上使用。（3）輪坯紙片裝在托盤1上時應固定可靠，在實驗過程中不得隨意松開或重新固定，否則可能導致實驗失敗。（4）在做實驗步驟時，應自始至終將滑架從一個極限位沿一個方向逐漸推動直到畫出所需的全部齒廓，不得來回推動以免展成儀嚙合間隙影響實驗結果的精確性。六、思考題（1）產生根切現象的原因是什么？如何避免？（2）齒廓曲線是否全是漸開線？（3）變位后齒輪的哪些尺寸不變？輪齒尺寸將發生什么變化？ 實驗三、減速器的拆裝一、實驗目的（1）通過對減速器的拆裝與觀察，了解減速器的整體結構、功能及設計布局。（2）通過減速器的結構分析，了解其如何滿足功能要求和強度、剛度要求、工藝（加工與裝配）要求及潤滑與密封等要求。（3）通過對減速器中某軸系部件的拆裝與分析，了解軸上零件的定位方式、軸系與箱體的定位方式、軸承及其間隙調整方法、密封裝置等；觀察與分析軸的工藝結構。（4）通過對不同類型減速器的分析比較，加深對機械零、部件結構設計的感性認識，為機械零、部件設計打下基礎。二、實驗設備和工具（1）拆裝用減速器 單級直齒圓柱齒輪減速器，兩級直齒圓柱齒輪減速器，錐齒輪減速器，蝸桿減速器（下置式）。（2）觀察、比較用減速器 單級斜齒圓柱齒輪減速器，兩級斜齒圓柱齒輪減速器，蝸桿減速器（上置式），擺線針輪行星減速器。（3）活動扳手、手錘、銅棒、鋼直尺、鉛絲、軸承拆卸器、游標卡尺、百分表及表架。（4）煤油若干量、油盤若干只。三、減速器的類型與結構減速器是一種由封閉在箱體內的齒輪、蝸桿蝸輪等傳動零件組成的傳動裝置，裝在原動機和工作機之間用來改變軸的轉速和轉矩，以適應工作機的需要。由于減速器結構緊湊、傳動效率高、使用維護方便，因而在工業中應用廣泛。減速器常見類型有以下三種：圓柱齒輪減速器、錐齒輪減速器和蝸桿減速器，分別見圖5-l 、所示。）單級圓柱齒輪減速器 ）錐齒輪減速器 ）下置式蝸桿減速器圖5-1 減速器的類型在圓柱齒輪減速器中，按齒輪傳動級數可分為單級、兩級和多級。蝸桿減速器又可分為蝸桿上置式和蝸桿下置式。兩級和兩級以上的減速器的傳動布置形式有展開式、分流式和同軸式三種形式，分別見實5-2圖、所示。展開式用于載荷平穩的場合，分流式用于變載荷的場合，同軸式用于原動機與工作機同軸的特殊的工作場合。）展開式 ）分流式 ）同軸式 圖5-2 減速器傳動布置形式減速器的結構隨其類型和要求的不同而異，一般由齒輪、軸、軸承、箱體和附件等組成。圖5-3為單級圓柱齒輪減速器的結構圖。箱體為剖分式結構，由箱蓋和箱座組成，剖分面通過齒輪軸線平面。箱體應有足夠的強度和剛度，除適當的壁厚外，還要在軸承座孔處設加強肋以增加支承剛度。一般先將箱蓋與箱座的剖分面加工平整，合攏后用螺栓聯接并以定位銷定位，找正后加工軸承孔。對支承同一軸的軸承孔應一次鏜出。裝配時，在剖分面上不允許用墊片，否則將不能保證軸承孔的圓度誤差在允許范圍內。1起蓋螺釘；2通氣器；3視孔蓋；4箱蓋；5吊耳；6吊鉤；7箱座；8油標尺；9油塞；10油溝；11定位銷圖5-3 單級圓柱齒輪減速器結構箱蓋與箱座用一組螺栓聯接。為保證軸承孔的聯接剛度，軸承座圖安裝螺栓處做出凸臺，并使軸承座孔兩側聯接螺栓盡量靠近軸承座孔。安裝螺栓的凸臺處應留有扳手空間。為便于箱蓋與箱座加工及安裝定位，在剖分面的長度方向兩端各有一個定位圓錐銷。箱蓋上設有窺視孔，以便觀察齒輪或蝸桿蝸輪的嚙合情況。窺視孔蓋上裝有通氣器，使箱體內外氣壓平衡，否則易造成漏油。為便于拆卸箱蓋，其上裝有起蓋螺釘。為拆卸方便，箱蓋上設有吊耳或吊環螺釘。為搬運整臺減速器，在箱座上鑄有吊鉤。箱座上設有油標尺用來檢查箱內油池的油面高度。最低處有放油油塞，以便排凈污油和清洗箱體內腔底部。箱座與基座用地腳螺栓聯接，地腳螺栓孔端制成沉孔，并留出扳手空間。四、減速器的潤滑與密封減速器的潤滑主要指齒輪與軸承的潤滑，其潤滑方式及潤滑劑的選擇見課本相關章節。減速器需密封的部位很多，可根據不同的工作條件和使用要求選擇不同的密封結構。軸伸出端的密封和軸承靠箱體內側的密封見課本相關章節。箱體接合面的密封通常于裝配時在箱體接合面上涂密封膠或水玻璃。五、實驗步驟（1）觀察減速器外部結構，判斷傳動級數、輸入軸、輸出軸及安裝方式。（2）觀察減速器的外形與箱體附件，了解附件的功能、結構特點和位置，測出外廓尺寸、中心距、中心高。（3）測定軸承的軸向間隙。固定好百分表，用手推動軸至一端，然后再推動軸至另一端，百分表所指示出的量值差即是軸承軸向間隙的大小。（4）擰下箱蓋和箱座聯接螺栓，擰下端蓋螺釘（嵌入式端蓋除外），拔出定位銷，借助起蓋螺釘打開箱蓋。（5）測定齒輪副的側隙。將一段鉛絲插入齒輪間，轉動齒輪碾壓鉛絲，鉛絲變形后的厚度即是齒輪副側隙的大小，用游標卡尺測量其值。（6）仔細觀察箱體剖分面及內部結構、箱體內軸系零部件間相互位置關系，確定傳動方式。數出齒輪齒數并計算傳動比，判定斜齒輪或蝸桿的旋向及軸向力、軸承型號及安裝方式。繪制機構傳動示意圖。（7）取出軸系部件，拆零件并觀察分析各零件的作用、結構、周向定位、軸向定位、間隙調整、潤滑、密封等問題。把各零件編號并分類放置。（8）分析軸承內圈與軸的配合，軸承外圈與機座的配合情況。（9）在煤油里清洗各零件。（10）拆、量、觀察分析過程結束后，按拆卸的反順序裝配好減速器。六、注意事項（1）減速器拆裝過程中，若需搬動，必須按規則用箱座上的吊鉤緩吊輕放，并注意人身安全。（2）拆卸箱蓋時應先拆開聯接螺釘與定位銷，再用起蓋螺釘將蓋、座分離，然后利用蓋上的吊耳或環首螺釘起吊。拆開的箱蓋與箱座應注意保護其結合面，防止碰壞或擦傷。（3）拆裝軸承時須用專用工具，不得用錘子亂敲。無論是拆卸還是裝配，均不得將力施加于外圈上通過滾動體帶動內圈，否則將損壞軸承滾道。七、思考題（1）箱體結合面用什么方法密封？（2）減速器箱體上有哪些附件？各起什么作用？分別安排在什么位置？（3）測得的軸承軸向間隙如不符合要求，應如何調整？（4）軸上安裝齒輪的一端總要設計成軸肩（或軸環）結構，為什么此處不用軸套？（5）扳手空間如何考慮？正確的扳手