機械設計基礎后習題答案詳解

1、前 言機械設計基礎課程是高等工科學校近機類、非機類專業(yè)開設的一門技術基礎課。楊可楨、程光蘊主編的機械設計基礎, 因其內容精煉、深度適中、重點突出、知識面寬而被眾多高等學校作為主要教材在教學中采用。本書是根據(jù)原國家教委頒布的“高等工業(yè)學校機械設計基礎課程基本要求”, 匯集了編者多年來的教學經(jīng)驗, 在深刻理解機械設計基礎課程內容的基礎上編寫而成的, 是楊可楨、程光蘊主編機械設計基礎的配套輔導書, 章節(jié)順序和內容體系與教材完全一致, 并涵蓋了國內同類教材的重點內容。本書特點:1 .明確每章的教學基本要求和重點教學內容。重點介紹基本概念、基本理論、基本分析方法和設計方法。2 . 建立明晰的知識結構框架

2、。3 . 考點及經(jīng)典題型精解。介紹考點的具體內容,并詳盡剖析, 總結解題規(guī)律、解題思路、解題技巧。4 . 詳細的課后習題解答。5 . 自測試題及答案符合考點精神, 便于學習總結和自我檢驗。書后附有模擬試題五套。參加本書編寫工作的有: 西安電子科技大學李團結( 第1 , 14章)、西安石油大學秦彥斌(第3 章) 、西安石油大學陸品( 第13章)、西安建筑科技大學史麗晨(第2 , 5 , 7 , 8 , 12 章)、西安建筑科技大學郭瑞峰(第4 , 6 , 9 , 10 , 11 , 15 , 16 , 17 , 18 章及模擬試題)。全書由郭瑞峰、史麗晨主編。本書可作為近機類、非機類大學生學習機

3、械設計基礎課程的參考書, 也可供電大、職大、函大、夜大等相關專業(yè)的學生學習使用, 也可作為考研輔導書, 還可供有關教師及工程技術人員參考。由于編者水平有限, 書中難免有謬誤和不妥之處, 敬請讀者批評指正。編者2005 年8 月于西安2 機械設計基礎導教· 導學·導考目錄第 1 章平面機構的自由度和速度分析 11 .1 重點內容提要 1 1 .2 重點知識結構圖 61 .3 考點及常見題型精解 61 .4 課后習題詳解 111 .5 學習效果測試題及答案 16第2 章平面連桿機構 202 .1 重點內容提要 202 .2 重點知識結構圖 262 .3 考點及常見題型精解 27

4、2 .4 課后習題詳解 322 .5 學習效果測試題及答案 42第3 章凸輪機構 503 .1 重點內容提要 503 .2 重點知識結構圖 573 .3 考點及常見題型精解 583 .4 課后習題詳解 673 .5 學習效果測試題及答案 79第4 章齒輪機構 844 .1 重點內容提要 844 .2 重點知識結構圖 934 .3 考點及常見題型精解 954 .4 課后習題詳解 1014 .5 學習效果測試題及答案 108第5 章輪系 1115 .1 重點內容提要 1115 .2 重點知識結構圖 1145 .3 考點及常見題型精解 1155 .4 課后習題詳解 1185 .5 學習效果測試題及答

5、案 131第6 章間歇運動機構 1376 .1 重點內容提要 1376 .2 重點知識結構圖 1406 .3 考點及常見題型精解 1406 .4 課后習題詳解 1426 .5 學習效果測試題及答案 144第7 章機械運轉速度波動的調節(jié) 1467 .1 重點內容提要 1467 .2 重點知識結構圖 1497 .3 考點及常見題型精解 1497 .4 課后習題詳解 153 機械設計基礎導教· 導學·導考7 .5 學習效果測試題及答案 161第8 章回轉件的平衡 1658 .1 重點內容提要 1658 .2 重點知識結構圖 1688 .3 考點及常見題型精解 1688 .4 課后

6、習題詳解 1728 .5 學習效果測試題及答案 183第9 章機械零件設計概論 1879 .1 重點內容提要 1879 .2 重點知識結構圖 1949 .3 考點及常見題型精解 1959 .4 課后習題詳解 1969 .5 學習效果測試題及答案 206第10 章聯(lián)接 20910 .1 重點內容提要 20910 .2 重點知識結構圖 21710 .3 考點及常見題型精解 21810 .4 課后習題詳解 22410 .5 學習效果測試題及答案 240第11 章齒輪傳動 24311 .1 重點內容提要 24311 .2 重點知識結構圖 25411 .3 考點及常見題型精解 25511 .4 課后習題

7、詳解 258目錄 11 .5 學習效果測試題及答案 274第12 章蝸桿傳動 27712 .1 重點內容提要 27712 .2 重點知識結構圖 28112 .3 考點及常見題型精解 . . . . . .28212 .4 課后習題詳解 28612 .5 學習效果測試題及答案 293第13 章帶傳動和鏈傳動 29713 .1 重點內容提要 29713 .2 重點知識結構圖 30613 .3 考點及常見題型精解 30713 .4 課后習題詳解 31613 .5 學習效果測試題及答案 324第14 章軸 32914 .1 重點內容提要 32914 .2 重點知識結構圖 33314 .3 考點及常見題

8、型精解 33414 .4 課后習題詳解 33814 .5 學習效果測試題及答案 347第15 章滑動軸承 35015 .1 重點內容提要 35015 .2 重點知識結構圖 35615 .3 考點及常見題型精解 35715 .4 課后習題詳解 359 機械設計基礎導教· 導學·導考15 .5 學習效果測試題及答案 361第16 章滾動軸承 36316 .1 重點內容提要 36316 .2 重點知識結構圖 37216 .3 考點及常見題型精解 37316 .4 課后習題詳解 37916 .5 學習效果測試題及答案 386第17 章聯(lián)軸器、離合器和制動器 39017 .1 重點內

9、容提要 39017 .2 重點知識結構圖 39217 .3 考點及常見題型精解 39317 .4 課后習題詳解 39617 .5 學習效果測試題及答案 400第18 章彈簧 40318 .1 重點內容提要 40318 .2 重點知識結構圖 40818 .3 考點及常見題型精解 40918 .4 課后習題詳解 41118 .5 學習效果測試題及答案 418附錄模擬試題及參考解答 420附錄A 模擬試題 420附錄B 模擬試題參考解答 439參考文獻 449目錄 第1 章平面機構的自由度和速度分析1. 1 重點內容提要1 .1 .1 教學基本要求( 1) 掌握運動副的概念及其分類。( 2) 掌握繪

10、制機構運動簡圖的方法。( 3) 掌握平面機構的自由度計算公式。( 4) 掌握速度瞬心的概念, 能正確計算機構的瞬心數(shù)。( 5) 掌握三心定理并能確定平面機構各瞬心的位置。( 6) 能用瞬心法對簡單高、低副機構進行速度分析。1 .1 .2 構件和運動副及其分類1. 構件構_件是機器中獨立的運動單元體, 是組成機構的基本要素之一。零件是機器中加工制造的單元體, 一個構件可以是一個零件, 也可以是由若干個零件剛性聯(lián)接在一起的一個獨立運動的整體。構件在圖形表達上是用規(guī)定的最簡單的線條或幾何圖形來表示的, 但從運動學的角度看, 構件又可視為任意大的平面剛體。機構中的構件可分為三類:( 1) 固定構件(

11、機架)。用來支承活動構件(運動構件) 的構件, 作為研究機構運動時的參考坐標系。( 2) 原動件( 主動件)。又稱為輸入構件, 是運動規(guī)律已知的活動構件, 即作用有驅動力的構件。( 3) 從動件。其余隨主動件的運動而運動的活動構件。( 4) 輸出構件。輸出預期運動的從動件。其他從動件則起傳遞運動的作用。2. 運動副運動副是由兩構件組成的相對可動的聯(lián)接部分, 是組成機構的又一基本要素。由運動副的定義可以看出運動副的基本特征如下:( 1) 具有一定的接觸表面, 并把兩構件參與接觸的表面稱為運動副元素。( 2) 能產生一定的相對運動。因此, 運動副可按下述情況分類:( 1) 根據(jù)兩構件的接觸情況分為

12、高副和低副, 其中通過點或線接觸的運動副稱為高副, 以面接觸的運動副稱為低副。( 2) 按構成運動副兩構件之間所能產生相對運動的形式分為轉動副(又稱為鉸鏈) 、移動副、螺旋副和球面副等。( 3) 因為運動副起著限制兩構件之間某些相對運動的作用, 所以運動副可根據(jù)其所引入約束的數(shù)目分為 級副、 級副、 級副、 級副和 級副。在實際機械中, 經(jīng)常出現(xiàn)某一構件與其他構件在多處接觸的聯(lián)接情況, 這時應注意分析各處接觸所引入的約束情況, 并根據(jù)所引入獨立約束的數(shù)目來判定兩構件形成運動副的類別及數(shù)目。總之, 兩構件構成的運動副應至少要引入一個約束, 也至少要具有一個自由度。因此, 平面運動副的最大約束數(shù)為

13、2 , 最小約束數(shù)為1。至于運動副的圖形表達則應按照國家標準規(guī)定的符號來繪制。1 .1 .3 機構運動簡圖及其繪制機構各部分的相對運動只決定于各構件間組成的運動副類型( 轉動副、移動副及高副等) 和各構件的運動尺寸(即確定各運動副相對位置的尺寸) , 而與構件的形狀和外形尺寸等因素無關。所以, 描述機構運動原理的圖形, 可以根據(jù)機構的運動尺寸, 按一定的比例尺定出各運動副的位置, 再用規(guī)定的運動副的代表符號和代表構件的簡單線條或幾何圖形將機構的運動情況表示出來, 這種與實際機構位置相同或尺寸成比例繪出的簡單圖形稱為機構運動簡圖。可以看出, 機構運動簡圖是剔除了與運動無關的因素而畫出來的簡圖,

14、最清楚地揭示了機構的運動特性。而設計機構, 也就是要確定機構方案和與運動有關的尺寸,即設計機構運動簡圖。機構運動簡圖繪制的步驟如下:第一步: 認清機架、輸入構件和輸出構件。第二步: 分清構件并編號。首先使主動件運動起來, 然后從主動件開始, 按2 機械設計基礎導教· 導學·導考構件是運動單元體的概念分清機構中有幾個構件, 并將構件(包括機架) 按聯(lián)接順序編號為1 , 2 , 3 , 。第三步: 認清運動副類型并編號。根據(jù)兩構件間的相對運動形態(tài)或運動副元素的形狀, 認清運動副的類型并依次編號, 如A, B , C, 。第四步: 恰當?shù)剡x擇作圖的投影平面。選擇時應以能最簡單、清

15、楚地把機構的運動情況表示出來為原則。一般選機構中的多數(shù)構件的運動平面為投影面。第五步: 以機架為參考坐標系, 將主動件置于一個適當?shù)奈恢? 按比例定出各運動副的位置, 并畫出各運動副的符號及注出編號。以機架為參考坐標系, 就是可先定出機架上運動副的位置, 并以此位置作為基準, 畫出機構中各構件相對于機架的位置關系, 所以機架本身是否水平或傾斜是不必考慮的。將主動件置于適當位置的目的是使畫出的機構運動簡圖清晰, 就是代表構件的線條盡量不交叉、不重疊。第六步: 將同一構件的運動副用簡單的線條連起來代表構件, 并注出構件編號和原動件的轉向箭頭, 便繪出了機構的運動簡圖。1 .1 .4 平面機構自由度

16、的計算1. 平面一般機構自由度的計算其公式為F = 3 n - 2 pl - ph (1 .1)式( 1 .1) 中, F 為機構的自由度, n為機構中活動構件的數(shù)目, pl 為機構中低副的數(shù)目, ph 為機構中高副的數(shù)目。為了使F 計算正確, 必須正確判斷機構中n, pl 和ph 的數(shù)目, 因此, 應特別注意處理好下列三種情況:( 1) 要正確判定機構中構件的數(shù)目和運動副的數(shù)目。構件是機構中的運動單元體, 所以, 不論構件的結構如何復雜, 只要是同一個運動單元體, 它就是一個構件。對于運動副數(shù)目的確定, 應注意復合鉸鏈的存在, 即當m( m > 2) 個構件同在一處以轉動副聯(lián)接時, 則

17、構成復合鉸鏈, 其轉動副數(shù)應為( m - 1 ) 個。( 2) 要除去局部自由度。局部自由度是在有些機構中某些構件所產生的不影響機構其他構件運動的局部運動的自由度。在計算機構的自由度時, 應將機構中的局部自由度除去不計( 例如認為凸輪機構中從動件的滾子與從動件相第1 章平面機構的自由度和速度分析3固結) 。( 3) 要除去虛約束。虛約束是機構中某些對機構的運動實際上不起約束作用的約束。在大多數(shù)情況下, 虛約束用來改善機構的受力狀況, 但虛約束的存在總是使機構自由度的名義數(shù)目降低, 因此, 在計算機構的自由度時, 應將引入虛約束的運動副和構件除去不計, 以達到正確計算機構自由度的目的。虛約束常出

18、現(xiàn)在下列場合:( 1) 當兩構件在幾處接觸而構成移動副, 且各接觸處兩構件相對移動的方向彼此平行, 或者兩構件在幾處配合而構成轉動副, 且轉動軸線重合時, 則應視為一個低副( 其余低副處的約束可以認為是虛約束) 。( 2) 當兩構件在幾處接觸而構成平面高副時, 若各接觸點處的公法線重合,應視為一個高副; 若各接觸點處的公法線不相重合, 這時各接觸點處提供的約束已不再是同一約束。例如若兩構件在兩處接觸而形成平面高副, 兩個接觸點處公法線方向并不彼此重合, 而是相交或平行, 則應視為兩個平面高副或相當于一個平面低副。( 3) 機構中傳遞運動不起獨立作用的對稱部分。總之, 在計算機構的自由度時, 先

19、要正確分析并明確指出機構中存在的復合鉸鏈、局部自由度和虛約束, 并將局部自由度和虛約束除去不計, 再利用式(1 .1) 來計算機構的自由度。最后還應檢驗計算得到的自由度是否與機構中原動件的數(shù)目相等。2. 移動副平面機構自由度的計算對于僅有移動副組成的平面機構, 由于每一個構件不存在轉動的運動, 只有移動運動, 所以每一個沒有裝配起來的構件的自由度為2 , 因此, 純移動副平面機構自由度的計算不能用式( 1 .1 ) , 可用下面的公式計算全移動副平面機構的自由度, 即F = 2 n - pl (1 .2)式( 1 .2) 中, n 為機構中活動構件的數(shù)目, pl 為機構中移動副的數(shù)目。1 .1

20、 .5 速度瞬心及其應用1. 速度瞬心速度瞬心是作相對平面運動的兩構件上瞬時相對速度為零( 即絕對速度相等) 的重合點, 即同速點。在機構中, 如果這兩個構件都是運動的, 即其同速點處4 機械設計基礎導教· 導學·導考的絕對速度不等于零, 則其瞬心稱為相對瞬心。如果這兩個構件之一是靜止的,即其同速點處的絕對速度為零, 則其瞬心稱為絕對瞬心。2. 瞬心總數(shù)每兩個構件有一個瞬心, 因此由N 個構件(含機架) 組成的機構, 其瞬心數(shù)目按組合關系可得K = N( N - 1)/ 2 (1 .3)3. 瞬心位置的確定機構中直接以運動副聯(lián)接的兩構件, 其瞬心位置的確定方法如下:( 1)

21、 若兩構件組成轉動副, 則轉動副中心即是它們的瞬心。( 2) 若兩構件組成移動副, 則其瞬心位于移動方向的垂線的無窮遠處。( 3) 若兩構件形成純滾動的高副時, 則其高副接觸點就是它們的瞬心。( 4) 若兩構件組成滾動兼滑動的高副時, 其瞬心應位于過接觸點的公法線上。上述前三種直接形成低副或純滾動高副的兩構件瞬心, 其位置可以直接觀察出來, 至于滾動兼滑動的高副和那些不直接形成運動副的兩構件瞬心, 則要利用三心定理來確定其具體位置。三心定理: 作平面運動的三個構件之間共有三個瞬心, 它們位于同一直線上。4. 瞬心在速度分析上的應用應用速度瞬心法作機構的速度分析, 其任務是確定其中某兩個構件的角

22、速比( 或速比) , 或者已知一構件的角速度( 或速度) , 需求另一構件的角速度( 或速度) 及其上點的速度。應用速度瞬心法解決上述問題的關鍵在于確定這兩個構件與機架之間的三個速度瞬心。在用速度瞬心法作機構的速度分析時, 應掌握構件擴大的概念, 能夠設想以線條表示的兩構件, 向它們的同速點擴大, 實現(xiàn)重合之后來求解。速度瞬心法可以跳躍式地由主動件立即求出最后從動件上任何點的線速度和它的角速度, 且不受機構級別的限制; 但瞬心法只能用來求速度而不能用來求加速度, 且當機構復雜時, 某些必要的瞬心位置可能超出圖紙之外。第1 章平面機構的自由度和速度分析51. 2 重點知識結構圖平面機構的自由度和

23、速度分析組成構件固定構件( 機架)原動件( 主動件)從動件運動副低副回轉副移動副高副機構運動簡圖定義運動副、構件、常用機構表達方法機構運動簡圖繪制機構具有確定運動的條件: 自由度等于原動件數(shù)機構自由度的計算平面機構自由度的計算: F = 3n - 2 pl - ph計算自由度應注意的事項正確計算運動副的數(shù)量( 復合鉸鏈等)局部自由度:滾子繞其中心的轉動虛約束存在的幾種情況平面機構的速度分析: 速度瞬心法瞬心絕對瞬心相對瞬心機構瞬心總數(shù)K = N( N - 1 )/ 2瞬心位置的確定兩構件直接以運動副聯(lián)接兩構件不直接聯(lián)接:三_心定理機構的速度分析求兩構件的角速度之比求構件的角速度和速度1 .3

24、考點及常見題型精解1 .3 .1 本章考點本章考點有以下幾個方面:( 1) 機構中的構件、運動副、復合鉸鏈、局部自由度和虛約束等基本概念。6 機械設計基礎導教· 導學·導考( 2) 運用規(guī)定的符號, 繪制常用機構的機構運動簡圖。( 3) 平面機構自由度的正確計算。( 4) 速度瞬心的概念和三心定理的正確運用。( 5) 用速度瞬心法作機構的速度分析。1 .3 .2 常見題型精解例1 .1 試繪制圖1 .1 ( a ) 所示偏心回轉油泵機構的運動簡圖(其各部分尺寸可由圖中直接量取) , 并判斷該機構是否具有確定的運動。圖中偏心輪1 繞固定軸心A 轉動, 外環(huán)2 上的葉片a 在可

25、繞軸心C轉動的圓柱3 中滑動。當偏心輪1 按圖示方向連續(xù)回轉時, 可將低壓油由右端吸入, 高壓油從左端排出。圖1 .1解( 1) 選取合適的長度比例尺(l ) 繪制此機構的運動簡圖, 如圖1 .1( b)所示。( 2) 計算機構的自由度。此機構為曲柄搖塊機構。由圖1 .1 ( b) 可知n = 3 , pl = 4 , ph = 0 , 由式(1 .1)計算該機構的自由度為F = 3 n - 2 pl - ph = 3 × 3 - 2 × 4 - 0 = 1由于該機構有一個原動件, 所以此機構具有確定的運動。【評注】繪制機構運動簡圖時, 關鍵是分析相連兩個構件的約束關系,

26、確定運動副的類型, 然后再用規(guī)定的符號表示出來。例1 .2 試計算圖1 .2 所示凸輪 連桿組合機構的自由度。解在圖1 .2 中, B, E 兩處的滾子轉動為局部自由度, C, F 雖各有兩處與第1 章平面機構的自由度和速度分析7機架接觸構成移動副, 但都可視為一個移動副, 該機構在D 處雖存在軌跡重合的問題, 但由于D 處相鉸接的雙滑塊為一個自由度為零的 級桿組, 即D處未引入約束, 故機構中不存在虛約束。圖1 .2將機構中的局部自由度除去不計, 則有n = 5 , pl = 6 , ph = 2 , 于是可得該機構的自由度為F = 3 n - 2 pl - ph = 3 × 5

27、- 2 × 6 - 2 = 1【評注】如果將該機構中D處相鉸接的雙滑塊改為相固聯(lián)的十字滑塊時,則機構中就存在一個虛約束。在機構中, 兩構件構成運動副所引入的約束起著限制兩構件之間某些相對運動、使相對運動或自由度減少的作用。但在機構中,某些運動副和構件帶入的約束可能與機構所受的其他約束相重復, 因而對機構的運動實際上不起約束作用, 這種約束就是虛約束。例1 .3 試計算圖1 .3 所示的精壓機構的自由度。圖1 .3解由圖1 .3 可以看出, 該機構中存在結構對稱部分, 從傳遞運動的獨立8 機械設計基礎導教· 導學·導考性來看, 有機構ABCDE 就可以了, 而其余部

28、分為不影響機構運動傳遞的重復部分, 故引入了虛約束。將機構中引入虛約束的重復部分去掉不計, 則n = 5 , pl = 7 ( C處為復合鉸鏈) , ph = 0 , 于是可得該機構的自由度為F = 3 n - 2 pl - ph = 3 × 5 - 2 × 7 - 0 = 1【評注】存在虛約束的機構, 一般常具有相似或對稱部分的結構特征。所以, 如研究的機構在結構上具有相似或對稱部分, 就有可能存在虛約束, 因而就要注意分析, 以免發(fā)生錯誤。例1 .4 試計算圖1 .4 所示機構的自由度。圖1 .4解圖 1 .4 所示的楔塊機構全由移動副組成, 此機構中n = 3 , p

29、l = 5 , 于是由式( 1 .2) 可得該機構的自由度為F = 2 n - pl = 2 × 3 - 5 = 1【評注】這里應注意, 若機構中只存在移動副, 在各構件之間不出現(xiàn)相對轉動, 這時機構自由度的計算不能用式(1 .1) , 只能用式(1 .2) 來計算, 否則會導致計算錯誤。例1 .5 圖 1 .5 所示的凸輪機構中, 已知R = 50 mm, lOA = 20 mm, lAC =80 mm, OAC = 90°, 凸輪1 以等角速度1 = 10 rad/ s 逆時針轉動, 比例尺l = 0 .002 m/ mm。試用瞬心法求從動件2 的角速度2 。解由三心定

30、理求出所需的瞬心P12 , P13 和P23 , 則點P12 處的速度為v = 1 ( P13 P12 )l = 2 ( P23 P12 )l則2 = 1 ( P13 P12 )P23 P12=10 × 1252= 2 .31 r ad/ s (逆時針)【評注】利用速度瞬心法對某些平面機構, 特別是平面高副機構, 進行速第1 章平面機構的自由度和速度分析9度分析是比較簡便的。求兩構件的角速度之比, 一般先分別求出兩構件與機架的瞬心( 絕對瞬心) 和這兩個構件的瞬心(相對瞬心) , 然后連接三點成一直線,那么兩構件的角速度之比等于其絕對速度瞬心連線被相對速度瞬心分得的兩線段的反比。如果

31、兩構件的相對瞬心內分該連線, 則兩構件轉向相反, 反之則轉向相同。圖1 .5例1 .6 已知一牛頭刨床機構的機構運動簡圖如圖1 .6 所示, 設在圖示瞬間構件1 的角速度為1 , 機構各部分尺寸見圖。( 1) 計算此機構的自由度;( 2) 試求圖示位置滑枕的速度vC 。解( 1) 計算機構的自由度。在該機構中, n = 5 , pl = 7( F 和F處的移動副只能算一個) , ph = 0 , 因此該機構的自由度為F = 3 n - ( 2 pl + ph ) = 3 × 5 - 2 × 7 = 1( 2) 速度分析。先求出構件3 的絕對瞬心P36 的位置, 再求出瞬心P

32、13 的位置。因為P13 為構件1 和3 的等速重合點, 所以vP13 = 1 AP13l = 3 P36 P13l3 = 1 AP13/ P36 P13 ( rad/ s)3 與1 轉向相同, 因為P13 外分連線P36 P16 , 則有vC = 3 P36 Cl (m/ s ) ( 水平向左)或者求出瞬心P15 的位置, 直接利用瞬心P15 求得vC = 1 P15 Al ( m/ s) (水平向左)【評注】應用速度瞬心進行平面機構的速度分析, 就是利用瞬心是兩構件10 機械設計基礎導教·導學·導考的等速重合點這一橋梁, 將兩個構件的速度在瞬心處直接聯(lián)系起來。圖1 .6

33、1 .4 課后習題詳解1 1 至1 4 繪出圖示機構的機構運動簡圖。圖1 .7 題 1 1 圖圖1 .8 題 1 2 圖第1 章平面機構的自由度和速度分析11圖1 .9 題 1 3 圖圖1 .10 題 1 4 圖解各機構運動簡圖如下:圖1 .11 題 1 1 解圖圖1 .12 題 1 2 解圖圖1 .13 題 1 3 解圖圖1 .14 題 1 4 解圖1 5 至1 12 指出下列機構運動簡圖中的復合鉸鏈、局部自由度和虛約12 機械設計基礎導教·導學·導考束, 并計算各機構的自由度。圖1 .15 題 1 5 圖圖1 .16 題 1 6 圖圖1 .17 題 1 7 圖圖1 .1

34、8 題 1 8 圖圖1 .19 題 1 9 圖圖1 .20 題 1 10 圖第1 章平面機構的自由度和速度分析13圖1 .21 題 1 11 圖圖1 .22 題 1 12 圖1 5 解 F = 3n - 2 pl - ph = 3 × 6 - 2 × 8 - 1 = 11 6 解 F = 3n - 2 pl - ph = 3 × 8 - 2 × 11 - 1 = 11 7 解 F = 3n - 2 pl - ph = 3 × 8 - 2 × 11 - 0 = 21 8 解 F = 3n - 2 pl - ph = 3 × 6

35、 - 2 × 8 - 1 = 11 9 解 F = 3n - 2 pl - ph = 3 × 4 - 2 × 4 - 2 = 21 10 解 F = 3 n - 2 pl - ph = 3 × 9 - 2 × 12 - 2 = 11 11 解 F = 3 n - 2 pl - ph = 3 × 4 - 2 × 4 - 2 = 21 12 解 F = 3 n - 2 pl - ph = 3 × 8 - 2 × 11 - 1 = 11 13 求出圖1 .23 所示導桿機構的全部瞬心和構件1 , 3 的角速比1

36、/ 3 。圖1 .23 題 1 13 圖解該導桿機構的全部瞬心如圖1 .23 所示, 構件1 , 3 的角速比為14 機械設計基礎導教·導學·導考13=P34 P13P14 P131 14 求出圖1 .24 所示正切機構的全部瞬心。設1 = 10 rad/ s , 求構件3的速度v3 。圖1 .24 題 1 14 圖解該正切機構的全部瞬心如圖1 .24 所示, 構件3 的速度為v3 = vP13 = 1 lP14P13 = 0 .21 = 2 m/ s (方向垂直向上)1 15 如圖1 .25 所示為摩擦行星傳動機構, 設行星輪2 與構件1 , 4 保持純滾動接觸, 試用瞬

37、心法求輪1 與輪2 的角速度之比1/ 2 。圖1 .25 題 1 15 圖第1 章平面機構的自由度和速度分析15解要求輪1 與輪2 的角速度之比, 首先確定輪1、輪2 和機架4 三個構件的三個瞬心, 即P12 , P14 和P24 , 如圖1 .25 所示。則12= -P24 P12P14 P12= -2 r2r1輪2 與輪1 的轉向相反。1 16 試論證:( 1) 圖1 .26( a) 所示的構件組合是不能產生相對運動的剛性桁架;( 2) 這種構件組合若滿足圖1 .26( b) 所示尺寸關系: AB = CD = EF , BC =AD , BE = AF , 則構件之間可以產生相對運動。圖

38、1 .26 題 1 16 圖解( 1) 圖1 .26( a ) 中的構件組合的自由度為F = 3 n - 2 pl - ph = 3 × 4 - 2 × 6 - 0 = 0自由度為零, 為一剛性桁架, 所以構件之間不能產生相對運動。( 2) 圖1 .26( b) 中的CD 桿是虛約束, 去掉與否不影響機構的運動。故圖1 .26( b) 中機構的自由度為F = 3 n - 2 pl - ph = 3 × 3 - 2 × 4 - 0 = 1所以構件之間能產生相對運動。1 .5 學習效果測試題及答案1 .5 .1 學習效果測試題1 1 填空題( 1) 平面機構

39、中運動副引入的約束的數(shù)目最多為個, 而剩下的16 機械設計基礎導教·導學·導考自由度最少為個。( 2) 兩個作平面平行運動的構件之間為接觸的運動副稱為低副, 它有個約束; 而為接觸的運動副稱為高副, 它有個約束。( 3) 速度瞬心是, 相對瞬心與絕對瞬心的相同點是,而不同點是。( 4) 當兩構件組成轉動副時, 其瞬心在處; 組成移動副時, 其瞬心在處;組成純滾動的高副時, 其瞬心在處。( 5) 若一機構共由六個構件組成, 那它共有個瞬心。1 2 計算圖1 .27 所示多桿機構的自由度。圖1 .27 測 1 2 圖1 3 在圖1 .28 所示機構中, AB瓛EF瓛CD , 試

40、計算其自由度。圖1 .28 測 1 3 圖第1 章平面機構的自由度和速度分析171 4 計算圖1 .29 所示凸輪 連桿閥門機構的自由度。圖1 .29 測 1 4 圖1 5 圖 1 .30 為一凸輪連桿組合機構, 設凸輪1 轉動的角速度為1 。繪出該機構的全部瞬心, 并確定在圖示位置時構件4 的角速度。圖1 .30 測 1 5 圖1 .5 .2 參考答案1 1 ( 1) 2 , 1( 2) 面, 2 , 點線, 1( 3) 兩構件的等速重合點, 等速重合點, 絕對速度是否等于零( 4) 轉動副中心, 移動副法線的無窮遠, 相切點( 5) 1518 機械設計基礎導教·導學·導

41、考1 2 F = 3 n - 2 pl - ph = 3 × 9 - 2 × 13 - 0 = 11 3 F = 3 n - 2 pl - ph = 3 × 6 - 2 × 7 - 2 = 21 4 F = 3 n - 2 pl - ph = 3 × 6 - 2 × 8 - 1 = 11 5 如圖1 .31 所示。4 = 1 P14 P15 / P14 P45圖1 .31 測 1 5 解圖第1 章平面機構的自由度和速度分析19第2 章平面連桿機構2. 1 重點內容提要2 .1 .1 教學基本要求平面連桿機構是許多構件用低副( 轉動副或

42、移動副) 連接組成的平面機構。最簡單的平面連桿機構是由四個構件組成的( 稱為平面四桿機構) , 應用廣泛,是組成多桿機構的基礎。( 1) 熟悉平面四桿機構的基本形式及其演化機構。( 2) 重點掌握平面四桿機構的特性:1 ) 急回運動和行程速度變化系數(shù)。2 ) 壓力角和傳動角。3 ) 死點位置。( 3) 掌握鉸鏈四桿機構有整轉副的條件。( 4) 熟練掌握平面四桿機構的作圖設計方法。2 .1 .2 平面四桿機構的基本型式及其演化1. 平面四桿機構的基本型式平面四桿機構的基本型式是平面鉸鏈四桿機構, 組成機構的四個運動副都是轉動副。機構的四個桿件中, 固定桿件稱為機架, 與機架相連的稱為連架桿,不與

43、機架相連的稱為連桿。其中可以整周回轉的連架桿稱為曲柄, 只能在小于360°范圍內擺動的稱為搖桿。組成轉動副的兩個構件若能作整周轉動, 則該轉動副稱為整轉副, 否則稱為擺動副。平面四桿機構根據(jù)兩連架桿運動形式分為三種基本類型, 見表2 .1。表2 .1 鉸鏈四桿機構的三種基本類型機構名稱兩連架桿運動形式應用實例曲柄搖桿機構一曲柄, 一搖桿縫紉機踏板, 牛頭刨進給機構雙曲柄機構兩個曲柄旋轉式水泵, 慣性篩雙搖桿機構兩個搖桿汽車轉向機構, 鶴式起重機2. 鉸鏈四桿機構的演化( 1) 曲柄滑塊機構。將曲柄搖桿機構ABCD( 見圖2 .1( a ) ) 中搖桿CD 變?yōu)闊o限長, 點C的軌跡就變

44、為直線(見圖2 .1( b) ) , 搖桿CD 與機架AD 組成的轉動副就演化成移動副, 此時曲柄搖桿機構演化為曲柄滑塊機構(見圖2 .1( c) )。圖2 .1( 2) 導桿機構。當將曲柄滑塊機構(見圖2 .2( a) ) 中曲柄AB 作為機架, 則曲柄滑塊機構變?yōu)閷U機構(見圖2 .2( b) )。( 3) 搖塊機構和定塊機構。在曲柄滑塊機構(見圖2 .2( a) ) 中, 若取桿2 為固定構件, 即可得到圖2 .2( c) 所示的擺動滑塊機構( 稱為搖塊機構) 。若將滑塊3作為機架, 則可得到定塊機構( 見圖2 .2 (d) )。( 4) 雙滑塊機構。若將曲柄搖桿機構中兩桿長趨于無窮,

45、可得到多種形式的雙滑塊機構 正切機構( 見圖2 .3 ( a ) ) 、正弦機構( 見圖2 .3( b) )、橢圓機構(見圖2 .3( c ) ) 等。第2 章平面連桿機構21圖2 .2圖2 .3圖2 .422 機械設計基礎導教·導學·導考( 5) 偏心輪機構。在曲柄滑塊機構中, 當曲柄AB 尺寸較小時( 見圖2 .4 ( b) ) , 常改成圖2 .4 ( a ) 的偏心輪機構, 其回轉中心A 與幾何中心B 不重合,其距離AB 等于曲柄長度。2 .1 .3 平面四桿機構的主要特性1. 急回特性( 1) 急回運動。平面連桿機構的原動件等速回轉, 而從動件空回行程的平均速度大

46、于工作行程的平均速度, 這種運動稱為急回運動。( 2) 行程速度變化系數(shù)K。用以衡量機構急回運動的程度, 定義為空回行程速度和工作行程速度之比, 其計算式如下:K =v2v1= 180°+ 180°- (2 .1)式中表示極位夾角, 是搖桿處于兩極限位置時, 對應的曲柄所夾的銳角。( 3) 關于行程速度變化系數(shù)和急回運動有以下幾個結論:1 ) K > 1 , 即v2 > v1 時, 機構有急回特性。2 ) 當平面連桿機構在運動過程中極位夾角> 0 , 則有K > 1 , 機構便具有急回運動特性。3 ) 越大, K 越大, 機構急回運動也越顯著。所以,

47、 可通過分析及K 的大小, 判斷機構是否有急回運動, 以及急回運動的程度。4 ) 急回運動的作用。在機械中可以用來節(jié)省動力和提高勞動生產率。5 ) 已知K, 可求極位夾角:= 180°( K - 1)/ ( K + 1) 。2. 壓力角和傳動角( 1) 壓力角。從動桿件受力點的受力方向和該點速度方向之間所夾的銳角。( 2) 傳動角。壓力角的余角, 即= 90°- 。實際就是連桿與從動桿件之間所夾的銳角。( 3) 通常傳動角用來衡量機構的傳動性能。傳動角越大, 壓力角就越小,從動件所受的有效分力就越大, 機構的傳動效率就越高。一般情況下, 平面連桿機構在運動過程中, 傳動角是

48、在不斷變化著的。因此為了保證機構傳動性能的良好, 一般規(guī)定最小傳動角min 40°。對于四桿機構來說, 最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與機架兩次共線位置之一。3. 死點位置機構在運動過程中, 如果有一點傳動角= 0°, 即壓力角= 90°, 那么這一第2 章平面連桿機構23點就是機構的死點。此時, 原動件通過連桿作用于從動件上的力( 忽略各桿的質量以及相應的摩擦力) 正好通過從動件回轉副中心, 使得驅動力矩為零。這時不管驅動力有多大, 都不能使曲柄轉動。一般在四桿機構中, 若以曲柄為從動件,都會出現(xiàn)死點。機構在死點位置可能出現(xiàn)卡死或反轉現(xiàn)象。為了消除死點位置的不良影響, 通

49、常可以對從動曲柄施加外力, 或利用飛輪或構件自身的慣性力使機構通過死點位置。當然死點位置也有有利的一面, 通常在某些夾緊裝置中利用死點位置來防松。2 .1 .4 鉸鏈四桿機構有整轉副的條件( 1) 鉸鏈四桿機構有整轉副的條件:1 ) 最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和。2 ) 整轉副是由最短桿與其鄰邊組成的。( 2) 當機構有整轉副時, 取不同構件為機架可以得到不同類型的四桿機構,通常根據(jù)以下原則進行判斷:1 ) 取最短桿為機架時, 機架上有兩個整轉副, 得雙曲柄機構。2 ) 取最短桿鄰邊為機架時, 機架上只有一個整轉副, 得曲柄搖桿機構。3 ) 取最短桿對邊為機架時, 機架上沒

50、有整轉副, 得雙搖桿機構。注意, 若鉸鏈四桿機構中的最短桿與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和, 則該機構中沒有整轉副, 無論取哪個構件為機架都只能得到雙搖桿機構。2 .1 .5 平面四桿機構的設計平面四桿機構的設計主要是根據(jù)給定的運動條件, 確定機構運動簡圖的尺寸參數(shù)。設計方法有作圖法、解析法和實驗法, 其中作圖法是重點。1. 用作圖法設計平面四桿機構根據(jù)不同的設計要求, 作圖法可以分為以下兩種:( 1) 按給定的行程速度變化系數(shù)K 設計平面四桿機構。對于曲柄搖桿機構設計, 已知條件通常有: 從動件搖桿長度l3 , 從動件擺角, 機構的行程速度變化系數(shù)K。如圖2 .5 ( a ) 所示, 作

51、圖的基本步驟如下:1 ) 通過K 求出 = 180°( K - 1)/ ( K + 1) 。2 ) 確定一個固定鉸鏈中心D, 然后根據(jù)幾何條件作出搖桿的兩個極限位置24 機械設計基礎導教·導學·導考C1 D 與C2 D。3 ) 作C2 C1 P = 90°- , C1 C2 P = 90°。4 ) 作RtC2 PC1 的外接圓, 則另一個固定鉸鏈中心A 便在該外接圓上。最后, 由其他附加條件可以把這個固定鉸鏈中心位置定下來, 從而平面四桿機構的設計就完成了。圖2 .5對于曲柄滑塊機構或導桿機構, 基本方法同上, 只是在曲柄滑塊機構中滑塊行程H與曲柄搖桿機構中搖桿的擺角作用是相對應的( 見圖2 .5( b ) ) ;在導桿機構中, 從動件導桿的擺角與機構的極位夾角大小相等(見圖2 .5( c ) ) 。( 2) 按給定的連桿位置設計四桿機構。這類設計通常是已知連桿長度, 并知道連桿在運動過程中的三個位置, 要求確定固定鉸鏈中心。由于兩個活動鉸鏈的運動軌跡是繞各自固定鉸鏈