《机械设计基础》实验指导书

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1、机械设计基础实验指导书吕晓军 编2003年8月目目 录录实验一、低碳钢、铸铁的拉伸和压缩实验实验一、低碳钢、铸铁的拉伸和压缩实验实验二、扭转实验实验二、扭转实验实验三、实验三、弯曲实验弯曲实验实验四、平面机构和机械传动的陈列演示实验四、平面机构和机械传动的陈列演示实验五、平面机构运动简图实验五、平面机构运动简图实验六、渐开线直齿圆柱齿轮的参数测定实验六、渐开线直齿圆柱齿轮的参数测定实验七、渐开线齿廓的范成实验实验七、渐开线齿廓的范成实验实验八、减速器的拆装及其轴系的结构分析实验八、减速器的拆装及其轴系的结构分析实验九、回转体动平衡实验实验九、回转体动平衡实验实验十、皮带传动实验实验十、皮带传动

2、实验实验一、低碳钢、铸铁的拉伸和压缩实验实验一、低碳钢、铸铁的拉伸和压缩实验1.实验目的实验目的（1）观察分析低碳钢的拉伸过程和铸铁的拉伸、压缩过程，比较其力学性能。（2）测定低碳钢材料的、；测定铸铁材料的和。（3）了解万能材料试验机的结构原理，能正确独立操作使用。2.实验设备及工具实验设备及工具（1）液压摆式万能材料试验机。（2）xy 记录仪。（3）游标卡尺。（4）拉伸和压缩试件。3.拉伸和压缩试件拉伸和压缩试件为了便于比较各种材料在拉伸和压缩时的力学性能，拉伸试件按国标 GB/T63971986制作，压缩试件按国标 GB/T7314-1987制作。如实11图所示，拉伸试件采用哑铃状，由工作

3、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。实1-1图 圆形拉伸试件 实1-3图 低碳钢的拉伸曲线 实1-2图 圆形压缩试件 压缩试件通常为圆柱状，如实1-2图所示。试件受压时，两端面与试验机压头间的摩擦力很大，约束了试件的横向变形，试件越短，影响越大，实验结果越不准确。因此，试件应有一定的长度。但是，试件太长又容易产生纵向弯曲而失稳。铸铁压缩实验时取L(12) d。4.实验原理和方法实验原理和方法（1）低碳钢拉伸实验）低碳钢拉伸实验 实验中试件变形3D 动画演示将试件安装于试验机的

4、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曲线，即 FL 曲线，如实1-3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,此部分载荷与变形是成比例的，材料的弹性模量 E 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

5、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：FS/A，=FSL/A，FSU/A。强化阶段 对应于拉伸

6、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，Fb/A。 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

7、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 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，计算公式见第四章。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（见有关资料）使断口居于标距的中

8、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，其中、是材料常数。则对于同一种材料，只有在试件的值为常数的条件下，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。（2）铸铁拉伸实验）铸铁拉伸实验 实验中试件变形3D 动画演示铸铁是典型的脆

9、性材料，拉伸曲线如实1-4图所示，可以近似认为经弹性阶段直接断裂。断裂面平齐且为闪光的结晶状组织，说明是由拉应力引起的。其强度指标也只有抗拉强度，用实验测得的最大力值 Fb，除以试样的原始面积 A，就得到铸铁的抗拉强度，即=Fb/A。图图 1-7 实实 1-4 图图 铸铁的拉伸曲线铸铁的拉伸曲线实实1-5图图 铸铁压缩试验铸铁压缩试验a)压缩试验时球形支承垫 b)铸铁压缩图 c)铸铁试样在压缩下的破坏图（3）铸铁压缩实验）铸铁压缩实验 铸铁压缩铸铁压缩3D 动画动画铸铁在压缩实验过程中，压缩曲线有明显的非线性。试件在到达最大压缩载荷时有明显的塑性变形，圆柱形被压缩成鼓形，最后破坏。测出压缩破坏

10、载荷 Fb，按式=Fb/A 计算铸铁的抗压强度。进行压缩试验时，常用球面支承加载，以保证试件端面与垫板均匀接触、均匀受压和压力通过试件轴线。实 l-5图给出了铸铁压缩试验的支承、曲线和断口情况。5.实验步骤实验步骤(1)试件准备 在低碳钢试件上划出长度为 L 的标距线，并把 L分成 n 等份（一般10等份） 。对于拉伸试件，在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向测量直径，以其平均值计算各横截面面积，再取三者中的最小值为试件的 A。对于压缩试件，以试件中间截面相互垂直方向直径的平均值计算 A。(2)试验机准备 对于液压试验机，根据试件的材料和尺寸选择合适的示力盘和相应的摆锤。对于电子拉

11、力试验机，要选择合适的量程和加载速度。标定记录仪的 轴（一般为变形 L）和轴（一般为拉力 F） 。(3)安装试件(4)正式实验 控制液压机的进油阀或电子拉力试验机的升降开关缓慢加载。实验过程中，注意记录 FS值。屈服阶段后，打开峰值保持开关，以便自动记录 Fb值。(5)关机取试件 试件破坏后，立即关机。取下试件，量取有关尺寸。观察断口形貌。6.实验结果处理实验结果处理以表格的形式处理实验结果。根据记录的原始数据，计算出低碳钢的、和，铸铁的抗拉强度和抗压强度。7.思考题思考题(1)本次实验自动绘制的低碳钢拉伸曲线中，横坐标量 L 与试件标距内的变形量是否一致，为什么？(2)材料和面积相同而标距长

12、短不同的两根比例试样，其断后伸长率和是否相同？(3)实验时如何观察低碳钢的屈服点？测定时为何要对加载速度提出要求？(4)比较低碳钢拉伸、铸铁拉伸和压缩的断口，分析破坏的力学原因。实验报告实验报告1实验名称日 期 班 姓 名 学号 成 绩 级1.试件尺寸试件尺寸拉伸试件尺寸试验前试验后直径 d/mm最小截面断后标距缩颈直径缩颈面积A/mm2L1/mm d1/mmA1/mm2材料名称标距L/mm平均平均 平均压缩试件尺寸材料直径 d/mm长度 L/mm2.实验数据及计算结果实验数据及计算结果强 度塑 性 受力形式材料屈服载荷最大载荷屈服点s/MPa抗拉(压)强度伸长率(%)断面收缩率Fs/kNFb

13、/kNb/MPa(%)拉伸压缩3.3.绘制绘制 一一 曲线图曲线图（在下面三图中绘制出低碳钢、铸铁的拉压 曲线图）图图1 图图2 图图3 实验二、扭转实验实验二、扭转实验一、试验目的 1、测定低碳钢的剪切弹性模量，验证扭转时的虎克定律；2、观察比较低碳钢和铸铁在扭转时的破坏现象。二 、实验设备仪器1、NT50型扭转实验机2、扭角仪3、游标卡尺三、试件 本实验铸铁、低碳钢都用圆试件，其直径 d=10，试件的其它尺寸视扭转机夹头形式而定。四、实验原理及方法 1、验证扭转时的虎克定律. 最大剪应力不超过材料的比例极限时,相对扭转角 与扭矩 T 有如下关系. =TL0/GIp 式中 L0、G、Ip皆为

14、常值,T、 为变量;若有一扭矩 T 则对应一 值,每增加同样大小的扭矩 T,扭转角的增量 大致相等,这就验证了虎克定律.2、扭转破坏 Tn 曲线.低碳钢铸铁低碳钢和铸铁试件受扭直至破坏,它们的 T 曲线如图所示.低碳钢有直线段,有明显的屈服阶段,测力指针暂时不动或摆动,而扭转角 很快增加.最终破坏时,可看到低碳钢试件的扭转角非常大,沿横截面扭断,而铸铁试件的扭转角很小,沿4555螺旋面扭断。五、实验步骤将试件装在 NT50型扭转实验机上,试件上涂以颜色线条,校正示力盘指针为零,打开(或调整)自动绘图装置开关。旋转电位器加扭矩至试件破坏。取下破坏试件,观察试件的破坏情况。低碳钢扭转实验3D 动画

15、 铸铁扭转实验3D 动画实验三、实验三、弯曲实验弯曲实验一、实验目的1.学习用电测法测量应力的方法；2.研究纯弯曲梁的应力分布；3.验证直梁弯曲正应力计算公式；4.测定弯曲时的中点挠度并与理论共识进行比较。二、实验设备及仪器1.液压万能实验机；2.电阻应变仪，预调平衡箱；3.表架、百分表。三、实验用试件机装置矩形截面梁试件，材料为 A3钢，试件尺寸及实验装置简图简下图：载荷通过副梁及两个磙子施加到试件上，应变片接线采用多点半桥式接法。R6为温度补偿片，五个工作片的粘贴位置为顶面1。底面5、中性层3及距中性层 h/4处的2、4。四、实验原理：1.纯弯曲梁衡截面上应力的测试及应力的分布规律实验采用等载荷增量法。当载荷 P 作用时利用应变仪可测出相应的应变度 ds,根据胡克定律 实=Eds，平均可求得个点正应力分布图，可看出纯弯曲梁正应力分规律。利用理论公式计算正应力 理=M/l *Y. 其中 M=Pa/2,如果 理和 实的结果基本吻合。即说明理论公式是正确的。2直梁弯曲时中点挠度测定实验采用等载荷增量法，在载荷 P 的作用下从百分表上可直接读出梁中点 C 处的挠度 Yc 实，与理论公式