机械基础实验指导书(正稿)

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1、 机械工程基础实 验 指 导 书黄志诚黄志诚 编编景德镇陶瓷学院机电学院机设教研室景德镇陶瓷学院机电学院机设教研室 2008 年年 9 月月1目目 录录实验一、低碳钢拉伸时力学性能的测定2实验二、渐开线齿廓的范成实验6实验三、减速器的拆装10实验四、轴系结构组合设计142实验一、低碳钢拉伸时力学性能的测定实验一、低碳钢拉伸时力学性能的测定一、一、实验目的实验目的1、观察低碳钢拉伸过程中的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。 2、测定低碳钢的屈服极限（屈服点）s，强度极限（抗拉强度）b，断后 伸长率 和断面收缩率 。二、二、实验设备及工具实验设备及工具a)WE 型液压式万能试验机； b)SH

2、-350 试样分划器； c)游标卡尺； d)低碳钢长试样（l=100mm，d=10mm） 。 拉伸试件按国标 GB/T63971986 制作。如图 21 所示，拉伸试件采用哑铃状，由工作部分、圆弧过渡部分和夹持部分组成。若以 L 表示试件工作部分标距，d 表示试件直径，则拉伸试件有短试件（L5d）和长试件（L10d）两种。本试验采用长试件。图 2-1 圆形拉伸试件 图 2-2 低碳钢的拉伸曲线三、实验原理及方法三、实验原理及方法将试件安装于试验机的夹头内，之后匀速缓慢加载（加载速度对力学性能是有影响的，速度越快，所测的强度值就越高），直至将试件拉断。低碳钢试件在静拉伸试验中，通常可直接得到拉伸

3、曲线，即 FL 曲线，如实 2-2 图所示。用准确的拉伸曲线可直接换算出应力应变曲线。观察拉伸曲线可见试件依次经过弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段等四个阶段，其中前三个阶段是均匀变形的。 弹性阶段 是指拉伸图上的 OA段。在弹性阶段，存在一比例极限点A，对应的应力为比例极限p,此部分载荷与变形是成比例的，材料的弹性模量3E 应在此范围内测定。屈服阶段 对应拉伸图上的 BC 段。在低碳钢的拉伸曲线上，当载荷增加到一定数值时出现的锯齿现象。屈服阶段中一个重要的力学性能就是屈服点。低碳钢材料存在上屈服点和下屈服点，不加说明，一般都是指下屈服点。上屈服点对应拉伸图中的 B 点，记为 FSU，即试

4、件发生屈服而力首次下降前的最大力值。下屈服点记为 FSL，是指不计初始瞬时效应的屈服阶段中的最小力值。金属材料的屈服是宏观塑性变形开始的一种标志。一般通过指针法或图示法来确定屈服点，综合起来具体做法可概括为：当屈服出现一对峰谷时，则对应于谷低点的位置就是屈服点；当屈服阶段出现多个波动峰谷时，则除去第一个谷值后所余最小谷值点就是屈服点。用上述方法测得屈服载荷，然后计算出屈服点、下屈服点和上屈服点：sFS/A ，SL=FSL /A ，SUFSU/A （2.1）强化阶段 对应于拉伸图中的 CD 段。变形强化标志着材料抵抗继续变形的能力在增强。这也表明材料要继续变形，就要不断增加载荷。在强化阶段如果卸

5、载，弹性变形会随之消失，塑性变形将会永久保留下来。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后重新加载时，加载线仍与弹性阶段平行。重新加载后，材料的比例极限明显提高，而塑性性能会相应下降。这种现象称之为形变硬化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料的宝贵性质之一。工程中利用冷作硬化工艺的例子很多，如挤压、冷拔、喷丸等。D 点是拉伸曲线的最高点，载荷为 Fb，对应的应力是材料的强度极限或抗拉极限，记为b，bFb/A （2.2） 缩颈阶段 对应于拉伸图的 DE 段。载荷达到最大值后，由于材料本身存在 缺陷，于是均匀变形转化为集中变形，导致形成缩颈。缩颈阶段，承载面积急剧 减小，试件承受的载荷也不断下降，直至断

6、裂。断裂后，试件的弹性变形消失， 塑性变形则永久保留在破断的试件上。材料的塑性性能通常用试件断后残留的变 形来衡量。轴向拉伸的塑性性能通常用伸长率和断面收缩率来表示。塑性材料缩颈部分的变形在总变形中占很大比例，研究表明，低碳钢试件缩颈部分的变形占塑性变形的 80左右。测定断后伸长率时，缩颈部分及其影响区的塑性变形都包含在内，这就要求断口位置到最邻近的标距端线的距离不小于 L/3，此时可直接测量试件标距两端的距离得到 L1。否则就要用移位法（见）使断口居于标距的中央附近。若断口落在标距之外则试验无效。 试件标距对伸长率的影响把试件断裂后的塑性伸长量L 分成均匀变形阶段的伸长量L1和缩颈阶段的伸长

7、量L2两部分。研究表明，L1沿试件标距长度均匀分布，L2主要集中于缩颈附近。远离缩颈处的变形较小，L1要比L2小得多，一般L1不会超过L2的 5。实验与理论研究表明，L1与试件初始标距长度 L 成正比，而L2与试样横截面面积的大小 A 有关，伸长率为/L LA L ，其中 、是材料常数。则对于同一种材料，只有在试件的/A L值为常数的条件下，4其断后伸长率才是常数。若面积 A 相同时，L 大，则小；反之，则大。故有510。延伸率和断面收缩率的测定试件的原始标距为，拉断后将两段试件紧密对接在一起，量出拉断后的标0l距长，延伸率应为1l（2.3）%100001lll式中 试件原始标距，试件拉断后标

8、距长度。0l1l对于塑性材料，断裂前变形集中在紧缩处，该部分变形最大，距离断口位置越远，变形越小，即断裂位置对延伸率是有影响的。为了便于比较，规定断口在标距中央三分之一范围内测出的延伸率为测量标准。如断口不在此范围内，则需进行折算，也称断口移中。具体方法如下：以断口 O 为起点，在长度上取基本等于短段格数得到 B 点，当长段所剩格数为偶数时（见图 2.2a） ，则由所剩格数的一半得到 C 点，取 BC 段长度将其移至短段边，则得断口移中得标距长，其计算式为 BCABl21图 2.2 断口移中示意图如果长段取 B 点后所剩格数为奇数（见图 2.2b） ，则取所剩格数加一格之半得C1点和减一格之半

9、得 C 点，移中后标距长为 BCBCABl11 将计算所得的代入式中，可求得折算后的延伸率。1l5为了测定低碳钢的断面收缩率，试件拉断后，在断口处两端沿互相垂直的方向各测一次直径，取平均值计算断口处横截面面积，再按下式计算面积收缩率1d（2.4）%100010AAA式中 A0试件原始横截面面积 A1试件拉断后断口处最小面积四、四、实验步骤实验步骤1、测量试样尺寸 将试样在划线器上分成十等份并测量出 l0，在标距 l0 的 两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，取其均值，再 以三者的最小值计算 A 0 。 2、加载 将试样安装在试验机上均匀、缓慢加载注意读出 FS，最后直到将

10、 试样拉断，计下最大载荷 Fb。 3、取下试样，试验机恢复原状。测量断后试样尺寸。五、五、实验数据记录及处理实验数据记录及处理试样尺寸实验前实验后原标距 l0 （mm）断后标距 l1（mm） 上1 中2最小直径 d0（mm）下断裂处最小 直径 d1（mm）平均原始截面积 A 0（mm2）最小断裂处截面积 A1（mm2） 材料的强度指标 s、b屈服载荷 Fs（KN）屈服极限s（MPa）最大载荷 Fb（KN）强度极限b（MPa）材料的塑性指标 、= 100%001 lll =100%010 AAA 六、六、实验分析及思考题实验分析及思考题a)材料相同，直径相等的长试样 l0=10d0和短试样 l0

11、=5d0其断后伸长率 是 否相同？ b)为消除加载偏心的影响应采取什么措施？6c)实验时如何观察低碳钢的屈服极限？测定 s时为何要限制加载速度？实验二、实验二、 渐开线齿廓的范成实验渐开线齿廓的范成实验 一、实验目的一、实验目的（1）掌握展成法加工渐开线齿廓的原理。（2）了解齿轮的根切现象及采用变位修正来避免根切的方法。（3）了解变位后对轮齿尺寸产生的影响。二、实验设备与工具二、实验设备与工具（1）齿轮展成仪。（2）钢直尺、圆规、剪刀。（3）铅笔、三角板、绘图纸。三、实验原理三、实验原理齿轮在实际加工中，看不到轮齿齿廓渐开线的形成过程。本实验通过齿轮展 成仪来实现轮坯与刀具之间的相对运动过程，

12、并用铅笔将刀具相对轮坯的各个位 置记录在图纸上，这样就能清楚地观察到渐开线齿廓的展成过程。齿轮展成仪所 用的刀具模型为齿条插刀，仪器构造如图 4-1 所示。图 4-1 齿轮展成仪结构示意图1托盘；2轮坯分度圆；3滑架；4支座；5齿条（刀具）；76调节螺旋；7、9螺钉；8刀架；10压环 绘图纸做成圆形轮坯，用压环 10 固定在托盘 1 上，托盘可绕固定轴O转动。代表齿条刀具的齿条 5 通过螺钉 7 固定在刀架 8 上，刀架装在滑架 3 上的径向导槽内，旋转螺旋 6，可使刀架带着齿条刀具相对于托盘中心O作径向移动。因此，齿条刀具 5 既可以随滑架 3 作水平左右移动，又可以随刀架一起作径向移动。滑

13、架 3 与托盘 1 之间采用齿轮齿条啮合传动，保证轮坯分度圆与滑架基准刻线作纯滚动，当齿条刀具 5 的分度线与基准刻线对齐时，能展成标准齿轮齿廓。调节齿条刀具相对齿坯中心的径向位置，可以展成变位齿轮齿廓。四、实验步骤四、实验步骤（1）展成标准齿轮根据所用展成仪的模数m和托盘中心至刀具中线的距离（轮坯分度圆半径r），求出被加工标准齿轮的齿数z，齿顶圆直径ad，齿根圆直径fd和基圆直径bd。在一张图纸上，分别以ad、fd、bd和分度圆直径d画出 4 个同心圆，并将图纸剪成直径为ad的圆形轮坯。将圆形纸片（轮坯）放在展成仪的托盘 1 上，使二者圆心重合，然后用压环 10 和螺钉 9 将纸片夹紧在托盘

14、上。将展成仪上的齿条 5 的中线与滑架 3 上的标尺刻度零线对准（此时齿条刀具的分度线应与圆形纸片上所画的分度圆相切）。将滑架 3 推至左（或右）极限位置，用削尖的铅笔在圆形纸片（代表被加工轮坯）上画下齿条刀具 5 的齿廓在该位置上的投影线（代表齿条刀具插齿加工每次切削所形成的痕迹）。然后将滑架向右（或左）移动一个很小的距离，此时通过啮合传动带动托盘 1 也相应转过一个小角度，再将齿条刀具的齿廓在该位置上的投影线画在圆形纸片上。连续重复上述工作，绘出齿条刀具的齿廓在各个位置上的投影线，这些投影线的包络线即为被加工齿轮的渐开线齿廓。按上述方法，绘出 23 个完整的齿形，如图 4-2 所示。8图

15、4-2 标准渐形线齿轮齿廓的展成过程（2）展成正变位齿轮根据所用展成仪的参数，计算出不发生根切现象时的最小变位系数minx。然后确定变位系数x（minxx），计算变位齿轮的齿顶圆直径ad和齿根圆直径fd（ad和fd由指导教师计算）。在另一张图纸上，分别以ad、fd、bd和分度圆直径d画出四个同心圆，并将图纸剪成直径为ad的圆形轮坯。同展成标准齿轮步骤。将齿条 5 向离开齿坯中心O的方向移动一段距离xm。同展成标准齿轮步骤。同展成标准齿轮步骤，绘出的齿廓如图 4-3 所示。图 4-3 正变位渐形线齿轮齿廓的展成过程五、注意事项五、注意事项（1）本实验最好选用模数较大（15mmm）而分度圆较小的展成仪，使齿数z10，以便在展成标准齿轮齿廓时能观察到较为明显的根切现象。（2）代表轮坯的纸片应有一定厚度（用 70g 以上纸），纸面应平整无明显翘曲，以防在实验过程中顶在齿条 5 的齿顶部。为了节约实验时间与纸片，亦可将标准齿轮与变位齿轮的轮坯以直径为界画在同一张纸上使用。（3）轮坯纸片装在托盘 1 上时应固定可靠，在实验过程中不得随意松开或重新固定，否则可能导致实验失败。（4）在做实验步骤时，应自始至终将滑架