机械原理实验指导书 兰州交通大学机电工程学院 机械设计教研室 2004年9月
机械原理实验指导书 兰州交通大学机电工程学院 机械设计教研室 2004 年 9 月
目录 学生实验守则… 实验一机构运动简图测绘……… 实验二机构演示 实验三平面机构组装及运动参数测定… 实验四铰链四杆机构特性……23 实验五平面连杆机构创意设计
1 目 录 学生实验守则………………………………………………………2 实验一 机构运动简图测绘………………………………………3 实验二 机构演示…………………………………………………8 实验三 平面机构组装及运动参数测定……………………10 实验四 铰链四杆机构特性……………………………………23 实验五 平面连杆机构创意设计……………………………27
兰州交通大学 学生实验守则 、学生实验前应认真预习相关实验内容,明确实验目的、内容、步骤,对指导教师 的抽查提问回答不合要求者,须重新预习,否则不准其做实验。 、学生在实验中,应听从指导教师及实验人员的安排,在使用精密、贵重仪器时, 必须按要求操作以确保设备的安全使用,禁止随意动用与本实验无关的仪器设备 若对实验内容持有创见性的改革,实施前必须经指导人员同意后方可进行 学生应认真地进行实验,严格按操作规程办事,正确记录实验数据,不准抄袭别 组数据,不得擅自离开操作岗位。实验后要认真做好实验报告,认真分析实验结 果、处理实验数据 四、严格考勤,对无故缺席实验的学生以旷课论处,不得补做:对请假的学生,须另 行安排时间予以补做。 五、实验完毕后,学生必须按规定断电、关水、关气、整理设备、清扫场地,经指导 教师检查合格后方可离开。如发现有损坏仪器设备、偷盗公物者,一经查实,须 追究责任,视情节按有关规定论处 六、实验室内应保持安静,不准高声喧哗、吸烟,注意环境卫生。实验时应注意安全, 节约水、电、气,遇到事故应切断电(气)源,并向指导教师报告
2 兰 州 交 通 大 学 学生实验守则 一、学生实验前应认真预习相关实验内容，明确实验目的、内容、步骤，对指导教师 的抽查提问回答不合要求者，须重新预习，否则不准其做实验。 二、学生在实验中，应听从指导教师及实验人员的安排，在使用精密、贵重仪器时， 必须按要求操作以确保设备的安全使用，禁止随意动用与本实验无关的仪器设备， 若对实验内容持有创见性的改革，实施前必须经指导人员同意后方可进行。 三、学生应认真地进行实验，严格按操作规程办事，正确记录实验数据，不准抄袭别 组数据，不得擅自离开操作岗位。实验后要认真做好实验报告，认真分析实验结 果、处理实验数据。 四、严格考勤，对无故缺席实验的学生以旷课论处，不得补做；对请假的学生，须另 行安排时间予以补做。 五、实验完毕后，学生必须按规定断电、关水、关气、整理设备、清扫场地，经指导 教师检查合格后方可离开。如发现有损坏仪器设备、偷盗公物者，一经查实，须 追究责任，视情节按有关规定论处。 六、实验室内应保持安静，不准高声喧哗、吸烟，注意环境卫生。实验时应注意安全， 节约水、电、气，遇到事故应切断电（气）源，并向指导教师报告
实验一机构运动简图测绘 、实验目的 1.熟悉机构运动简图的绘制方法,掌握从实际机构中测绘机构运动简图的技能; 2.巩固机构结构分析原理及自由度计算方法 3.加深理解机构自由度、复合铰链、虚约束及局部自由度的概念。 实验设备及工具 1.各类典型的机械实物及机构实物模型; 2.测量用尺、三角板、铅笔、橡皮、草稿纸(自备) 三、实验内容及要求 1.任选两个不同的机构模型,量取相关尺寸,按确定的比例尺绘制出其机构运动 简图,并计算机构自由度 2.任选三个不同的机构模型,绘制出其机构示意图,并计算机构的自由度 3.认真完成实验报告所要求的各项内容 四、实验原理及步骤 1.实验原理 机构简图是反映机构运动情况的一种简单图形,由于机构的运动仅与机构中所有 构件的数目和构件所组成的运动副的数目、类型、相对位置有关,因此,在绘制机构运 动简图时,可以撤开构件的形状和运动副的具体构造,而用一些简略的符号来代替构件 和运动副,并按一定的比例尺表示运动副的相对位置,以此表明机构的运动特征。表1 1为常用运动副符号示例。 机构各部分的运动,是由其原动件的运动规律、该机构中各运动副的类型(高副 低副)和机构的运动尺寸来决定的,而与构件的外形、断面尺寸、组成构件的零件数 目等无关。所以,只要根据机构的运动尺寸,按一定的比例尺定出各运动副的位置,就 可以用运动副的代表符号和简单的线条把机构的运动简图做出来 正确的机构运动简图中各构件的尺寸、运动副的类型和相对位置以及机构组成形
3 实验一 机构运动简图测绘 一、实验目的 1．熟悉机构运动简图的绘制方法，掌握从实际机构中测绘机构运动简图的技能； 2．巩固机构结构分析原理及自由度计算方法； 3．加深理解机构自由度、复合铰链、虚约束及局部自由度的概念。 二、实验设备及工具 1．各类典型的机械实物及机构实物模型； 2． 测量用尺、三角板、铅笔、橡皮、草稿纸（自备）； 三、实验内容及要求 1． 任选两个不同的机构模型，量取相关尺寸，按确定的比例尺绘制出其机构运动 简图，并计算机构自由度； 2． 任选三个不同的机构模型，绘制出其机构示意图，并计算机构的自由度 3． 认真完成实验报告所要求的各项内容。 四、实验原理及步骤 １．实验原理 机构简图是反映机构运动情况的一种简单图形， 由于机构的运动仅与机构中所有 构件的数目和构件所组成的运动副的数目、类型、相对位置有关，因此，在绘制机构运 动简图时，可以撇开构件的形状和运动副的具体构造，而用一些简略的符号来代替构件 和运动副，并按一定的比例尺表示运动副的相对位置，以此表明机构的运动特征。表１ －１为常用运动副符号示例。 机构各部分的运动，是由其原动件的运动规律、该机构中各运动副的类型（高副、 低副 ）和机构的运动尺寸来决定的，而与构件的外形、断面尺寸、组成构件的零件数 目等无关。所以，只要根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，就 可以用运动副的代表符号和简单的线条把机构的运动简图做出来。 正确的机构运动简图中各构件的尺寸、运动副的类型和相对位置以及机构组成形
式应与原机构保持一致,从而保证机构运动简图与原机构具有完全相同的运动特性,以 便根据该图对机构进行运动及动力分析。 所谓机构运动简图就是从运动的观点出发,用规定的符号和简单的线条按一定的 尺寸比例来表示实际机构的组成及各构件间相对运动关系, 机构示意图是指不用比例尺仅凭目测方法绘出的简图,它只能表示出构件的相对 位置,定性地表明运动情况 2.绘制机构运动简图的方法及步骤 (1)分析机构的实际构造和运动情况 测绘时使被测绘的机械缓慢地运动,根据各构件之间有无相对运动,分清机构是 由哪些构件组成的;从原动构件开始仔细观察机构的运动,分清各个运动单元,从而确 定组成机构的构件数目。按照机构运动的传递顺序,仔细观察各构件之间相对运动的性 质,从而确定运动副的类型和数目,并根据相互连接的两构件间的接触情况及相对运动 的特点,确定各个运动副的种类。在草稿纸上徒手按规定的符号及构件的连接次序, 从原动构件开始,逐步画出机构运动简图的草图。用数字1、2、3、…分别标注各构 件,用拉丁字母A、B、C、…分别标注运动副。 (2)合理选择投影面和原动件位置,作机构示意草图 选择恰当的投影面,一般选择与大多数构件的运动平面相平行的平面为视图平面 合理选择原动件的一个位置,以便简单清楚地将机构的运动情况正确地表达出来。 撇开各构件的具体结构形状,找出每个构件上的所有运动副,用简单的线条联接 该构件上的所有运动副元素来表示每一个构件。即用简单的线条和规定符号来代表构件 和运动副,从而在所选投影面上做出机构的示意图 (3)计算机构的自由度并检验机构示意图是否正确 a、机构自由度计算公式:F=3n-2P-P 式中:n-一机构活动构件数 P1——平面低副个数 P—平面高副个数 b、核对计算结果 机构具有确定运动的条件为:机构的自由度大于零且等于原动件数。若发现机构的 自由度与实际模型不符时,说明所作示意图有误,应对机构重新进行分析、作示意图
4 式应与原机构保持一致，从而保证机构运动简图与原机构具有完全相同的运动特性，以 便根据该图对机构进行运动及动力分析。 所谓机构运动简图就是从运动的观点出发，用规定的符号和简单的线条按一定的 尺寸比例来表示实际机构的组成及各构件间相对运动关系， 机构示意图是指不用比例尺仅凭目测方法绘出的简图，它只能表示出构件的相对 位置，定性地表明运动情况。 ２．绘制机构运动简图的方法及步骤 （1）分析机构的实际构造和运动情况 测绘时使被测绘的机械缓慢地运动，根据各构件之间有无相对运动，分清机构是 由哪些构件组成的；从原动构件开始仔细观察机构的运动，分清各个运动单元，从而确 定组成机构的构件数目。按照机构运动的传递顺序，仔细观察各构件之间相对运动的性 质，从而确定运动副的类型和数目, 并根据相互连接的两构件间的接触情况及相对运动 的特点，确定各个运动副的种类。 在草稿纸上徒手按规定的符号及构件的连接次序， 从原动构件开始，逐步画出机构运动简图的草图。用数字１、２、３、…分别标注各构 件，用拉丁字母Ａ、Ｂ、Ｃ、…分别标注运动副。 （2）合理选择投影面和原动件位置，作机构示意草图 选择恰当的投影面，一般选择与大多数构件的运动平面相平行的平面为视图平面； 合理选择原动件的一个位置，以便简单清楚地将机构的运动情况正确地表达出来。 撇开各构件的具体结构形状，找出每个构件上的所有运动副，用简单的线条联接 该构件上的所有运动副元素来表示每一个构件。即用简单的线条和规定符号来代表构件 和运动副，从而在所选投影面上做出机构的示意图。 （3）计算机构的自由度并检验机构示意图是否正确 a、机构自由度计算公式：F=3n-2PL-PH 式中： n——机构活动构件数 PL——平面低副个数 PH——平面高副个数 b、核对计算结果 机构具有确定运动的条件为：机构的自由度大于零且等于原动件数。若发现机构的 自由度与实际模型不符时，说明所作示意图有误，应对机构重新进行分析、作示意图
常用运动副符号 低移 凸轮副 晑 件机
5 表 1 - 1 常用运动副符号 名 称 符 号 低副 转动副移动副螺旋副 高副 凸轮副齿轮副 构件 活动构件机架
注意:转动副和移动副虽同为低副,但因其运动性质不同,在作示意图时一定不能混淆 互换。可是仅凭自由度计算,又不能发现转动副与移动副相混淆的错误情况,故应将所 作图中的各运动副类型与原机构进行逐一核对检查 (4)绘制机构示意图 绘制机构示意图时,只需根据机构示意草图用绘图仪器绘出即可。 (5)绘制机构运动简图 运动尺寸是指与机构运动有关的、能确定各运动副相对位置的尺寸。在原机构上量 取机构的运动尺寸,并将这些尺寸标注在机构示意图上。 选取适当的长度比例尺,依照机构示意图,按一定顺序进行绘图,并将比例尺标注 在图上,即为机构运动简图 实际长度(m) 长度比例尺的意义如下:p图示长度(mm) 例如:某构件的长度LA=1m,绘在图上的长度AB=1000mm,则长度比例尺为 L A=AB 10000001m mm (6)标注比例尺和运动尺寸,画斜线表示机架,在原动件上画箭头表示运动方向。 五、例题: 绘制出偏心轮机构的运动简图,并计算其自由度 图 1.选择手柄作为原动件并缓慢转动,根据各构件之间有无相对运动,分清机构 6
6 注意：转动副和移动副虽同为低副，但因其运动性质不同，在作示意图时一定不能混淆 互换。可是仅凭自由度计算，又不能发现转动副与移动副相混淆的错误情况，故应将所 作图中的各运动副类型与原机构进行逐一核对检查。 （4）绘制机构示意图 绘制机构示意图时，只需根据机构示意草图用绘图仪器绘出即可。 （5）绘制机构运动简图 运动尺寸是指与机构运动有关的、能确定各运动副相对位置的尺寸。在原机构上量 取机构的运动尺寸，并将这些尺寸标注在机构示意图上。 选取适当的长度比例尺，依照机构示意图，按一定顺序进行绘图，并将比例尺标注 在图上，即为机构运动简图。 长度比例尺的意义如下： (mm) (m) 图示长度 实际长度 l = 例如：某构件的长度 LAB=1m，绘在图上的长度 AB=1000mm，则长度比例尺为： mm m 0.001 1000 1 = = = AB LAB l （6）标注比例尺和运动尺寸，画斜线表示机架，在原动件上画箭头表示运动方向。 五、例题： 绘制出偏心轮机构的运动简图，并计算其自由度。 （a） （b） 图 1-1 １．选择手柄作为原动件并缓慢转动，根据各构件之间有无相对运动，分清机构
是由哪些构件组成的。在图1(a)中,机构由1一机架,2一手柄(即曲柄,本例中取 为原动件),3一连杆,4一滑块(即从动件)组成 2.从原动件开始,按照机构运动的传递顺序,仔细观察各构件之间相对运动的 性质,确定运动副的类型和数目。在图1(a)中,曲柄2为原动件,则运动传递顺序 为:曲柄2,连杆3,滑块4。回转件的回转中心是相对回转表面的几何中心,而构件2 可以绕构件1的偏心轴A作相对转动,故构件3与构件2在B点处也组成转动副:构件 4与构件3在C点处又组成转动副;构件4沿X-X方向在构件1上作相对直线运动,组 成移动副 3.合理选择原动件的一个位置,以便简单清楚地将机构的运动情况正确地表达 出来,如图5(b)所示,用规定的符号和简单的线条画出机构的示意图。 4.计算机构自由度 (1)机构自由度计算公式:F=3n-2P-PB 本例所作示意图中,n=3,P=4,Pn=0,代入上式得 F=3n-2P-P=3×3-2×4-0=1 2)核对计算结果 观察各构件的运动可知该机构的运动是确定的,则机构的自由度应大于零且等于 原动件数,由计算得:F=1=原动件数,从而验证以上所作机构示意图的正确性 5.量取运动尺寸 在构件2、3上分别量取两相临转动副中心之间的距离L、Lε;量取转动副A到滑 块运动轨迹X-X之间的距离,并将所量尺寸标注在机构示意图上 6.确定比例尺,绘制机构运动简图
7 是由哪些构件组成的。在图１（a）中，机构由 1—机架，2—手柄（即曲柄，本例中取 为原动件），3—连杆，4—滑块（即从动件）组成。 ２．从原动件开始，按照机构运动的传递顺序，仔细观察各构件之间相对运动的 性质，确定运动副的类型和数目。在图１（a）中，曲柄 2 为原动件，则运动传递顺序 为：曲柄 2，连杆 3，滑块 4。回转件的回转中心是相对回转表面的几何中心，而构件 2 可以绕构件 1 的偏心轴 A 作相对转动，故构件 3 与构件 2 在 B 点处也组成转动副；构件 4 与构件 3 在 C 点处又组成转动副；构件 4 沿 X-X 方向在构件 1 上作相对直线运动，组 成移动副。 ３．合理选择原动件的一个位置，以便简单清楚地将机构的运动情况正确地表达 出来，如图 5（b）所示，用规定的符号和简单的线条画出机构的示意图。 ４．计算机构自由度 （1）机构自由度计算公式：F=3n-2PL-PH 本例所作示意图中，n=3，PL=4，PH=0，代入上式得： F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1 （2）核对计算结果 观察各构件的运动可知该机构的运动是确定的，则机构的自由度应大于零且等于 原动件数，由计算得：F=1=原动件数，从而验证以上所作机构示意图的正确性。 ５．量取运动尺寸 在构件 2、3 上分别量取两相临转动副中心之间的距离 LAB、LBC；量取转动副 A 到滑 块运动轨迹 X-X 之间的距离，并将所量尺寸标注在机构示意图上。 ６．确定比例尺，绘制机构运动简图
实验二机构演示 、实验目的 1.进一步认识机构的组成规律 2.加深对常用机构的类型、组成及运动特点的理解。 3.熟悉常用机构的应用实例。 实验设备 机构演示陈列柜是为了加强学生对机构的直观认识,配合机械原理课程理论教学 设置的。机构陈列柜由10个示教板组成。陈列有平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机 构和间歇运动机构等四大类共70余个常用机构模型,并配有录音讲解及运动简图 可实现点动或顺序控制运动演示,具有形象、直观的特点 三、实验内容与思考题 第一板机构的组成和运动副 什么是机器?什么是机构?什么是运动副? 第二板齿轮机构的基本类型 齿轮机构有哪几种形式? 第三板齿轮的基本参数 1.从实际齿轮的形状出发,指出各部分的名称、尺寸及其与基本参数之间的关系 2.齿轮的模数相同,齿数不同时,分度圆齿厚是否相同 齿轮的模数与齿数之积相同时,分度圆齿厚是否相同?为什么?渐开线形状是 否相同?为什么 第四一五板轮系的类型及功用 1.什么叫周转轮系?如何在混合轮系中划分出周转轮系? 周转轮系有哪些特性被用在机器之中? 何为行星轮系?何为差动轮系? 第六板凸轮机构 1.凸轮机构由哪些构件组成?凸轮机构的类型有几种?有哪些运动形式? 2.从动件的型式有哪几种?各适用于什么场合?
8 实验二 机构演示 一、实验目的 1．进一步认识机构的组成规律。 2．加深对常用机构的类型、组成及运动特点的理解。 3. 熟悉常用机构的应用实例。 二、实验设备 机构演示陈列柜是为了加强学生对机构的直观认识，配合机械原理课程理论教学 设置的。机构陈列柜由 10 个示教板组成。陈列有平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机 构和间歇运动机构等四大类共 70 余个常用机构模型，并配有录音讲解及运动简图。 可实现点动或顺序控制运动演示，具有形象、直观的特点。 三、实验内容与思考题 第一板 机构的组成和运动副 什么是机器？什么是机构？什么是运动副？ 第二板 齿轮机构的基本类型 齿轮机构有哪几种形式？ 第三板 齿轮的基本参数 1．从实际齿轮的形状出发，指出各部分的名称、尺寸及其与基本参数之间的关系。 2．齿轮的模数相同，齿数不同时，分度圆齿厚是否相同？ 3. 齿轮的模数与齿数之积相同时，分度圆齿厚是否相同？为什么？渐开线形状是 否相同？为什么？ 第四—五板 轮系的类型及功用 1．什么叫周转轮系？如何在混合轮系中划分出周转轮系？ 2．周转轮系有哪些特性被用在机器之中？ 3．何为行星轮系？何为差动轮系？ 第六板 凸轮机构 １. 凸轮机构由哪些构件组成？ 凸轮机构的类型有几种？有哪些运动形式？ 2. 从动件的型式有哪几种？各适用于什么场合？
第七板平面连杆机构的类型 1.四杆机构中曲柄存在的条件是什么? 2.铰链四杆机构有哪几种基本型式? 第八板平面连杆机构的应用 1.机器用运动简图表达后,运动简图表示的运动与实际机器的运动是否相当?欲 使两者运动相当关键条件是什么? 2.总结一下铰链四杆机构有哪些特征被工程上所采用? 第九板间歇运动机构 1.间歇运动机构在机器中有哪些应用? 2.常见的间歇运动机构有哪几种?它们的名称叫什么? 四、实验要求 1.实验前,学生要阅读实验指导书,复习已讲过的有关机构学的内容,明确本次 实验的目的及通过演示所学习的内容。 2.实验时要严格遵守实验纪律,集中精力观看模型演示和听讲,以保证实验效果 3.实验时要爱护室内设备,未经允许不得随意扳动设备开关,以防误动造成设备 的损坏
9 第七板 平面连杆机构的类型 1．四杆机构中曲柄存在的条件是什么? 2．铰链四杆机构有哪几种基本型式？ 第八板 平面连杆机构的应用 １．机器用运动简图表达后，运动简图表示的运动与实际机器的运动是否相当？欲 使两者运动相当关键条件是什么？ ２．总结一下铰链四杆机构有哪些特征被工程上所采用？ 第九板 间歇运动机构 1． 间歇运动机构在机器中有哪些应用？ 2． 常见的间歇运动机构有哪几种？它们的名称叫什么？ 四、实验要求 1． 实验前，学生要阅读实验指导书，复习已讲过的有关机构学的内容，明确本次 实验的目的及通过演示所学习的内容。 2． 实验时要严格遵守实验纪律，集中精力观看模型演示和听讲，以保证实验效果。 3． 实验时要爱护室内设备，未经允许不得随意扳动设备开关，以防误动造成设备 的损坏
