2011-0410-铰链机构.docx

   《机械设计基础》实验指导书 吕晓军 编      西安航空技术高等专科学校2003年8月      目 录 实验一、 低碳钢、铸铁的拉伸和压缩实验实验二、扭转实验实验三、弯曲实验实验四、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十、皮带传动实验                  实验一、 低碳钢、铸铁的拉伸和压缩实验 1.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（1）液压摆式万能材料试验机2）x—y记录仪3）游标卡尺4）拉伸和压缩试件3.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/T6397—1986制作，压缩试件按国标GB/T7314-1987制作如实1－1图所示，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（L＝5d）和长试件（L＝10d）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＝(1~2) d4.实验原理和方法（1）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F－△L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 ①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。

②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/A③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 ④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央附近若断口落在标距之外则试验无效 ⑤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2）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1-7 实1-4图 铸铁的拉伸曲线实1-5图 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3D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(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A2)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ΔL）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(1)本次实验自动绘制的低碳钢拉伸曲线中，横坐标量ΔL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1实验名称 日 期 班 级 姓 名 学号 成 绩 1.试件尺寸拉伸试件尺寸试验前试验后 材料名称  标距L/mm 直径d/mm最小截面断后标距缩颈直径缩颈面积①②③A/mm2L1/mmd1/mmA1/mm2  平均  平均  平均                                  压缩试件尺寸材料直径d/mm长度L/mm      2.实验数据及计算结果受力形式 材料强 度塑 性屈服载荷Fs/kN最大载荷Fb/kN屈服点σs/MPa抗拉(压)强度σb/MPa伸长率δ(%)断面收缩率ψ(%)拉伸              压缩               3.绘制σ一ε曲线图（在下面三图中绘制出低碳钢、铸铁的拉压σ—ε曲线图）  图1 图2 图3  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、NT—50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φ与扭矩T有如下关系. φ=TL0/GIp 式中L0、G、Ip皆为常值,T、Φ为变量;若有一扭矩T则对应一φ值,每增加同样大小的扭矩ΔT,扭转角的增量ΔΦ大致相等,这就验证了虎克定律.2、扭转破坏Tn—Φ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—Φ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Φ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45°~55°螺旋面扭断五、实验步骤将试件装在NT—50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。