機械設(shè)計基礎(chǔ)習題解答(1-5)

1、機械設(shè)計基礎(chǔ)教材習題參考解答（第一章第五章 ）2012.8目錄第1章機械設(shè)計概論2第2章機械零件尺寸的確定3第3章平面機構(gòu)運動簡圖及平面機構(gòu)自由度4第4章平面連桿機構(gòu)6第5章凸輪機構(gòu)11第1章機械設(shè)計概論思考題和練習題1-1舉例說明什么是新型設(shè)計、繼承設(shè)計和變型設(shè)計。解：新型設(shè)計通常人們指應(yīng)用成熟的科學(xué)技術(shù)或經(jīng)過實驗證明是可行的新技術(shù)，設(shè)計過去沒有過的新型機械，如：新型機械手、動車、撲翼飛機、電動汽車等；繼承設(shè)計通常指人們根據(jù)使用經(jīng)驗和技術(shù)發(fā)展對已有的機械進行設(shè)計更新，以提高其性能、降低其制造成本或減少其運用費用，如：大眾系列汽車、大家電產(chǎn)品等。變型設(shè)計通常指人們?yōu)檫m應(yīng)新的需要對已有的機械作部

2、分的修改或增刪而發(fā)展出不同于標準型的變型產(chǎn)品，如：。各種工程機械、農(nóng)田作業(yè)機械等。1-2解：評價產(chǎn)品的優(yōu)劣的指標有哪些？解：產(chǎn)品的性能、產(chǎn)品的1-3機械零件常用的材料有哪些？為零件選材時應(yīng)考慮哪些主要要求？解：制造機械零件的材料目前用得最多的是金屬材料，其又分為鋼鐵材料和非鐵材料（如銅、鋁及其合金等）；其次是非金屬材料（如工程塑料、橡膠、玻璃、皮革、紙板、木材及纖維制品等）和復(fù)合材料（如纖維增強塑料、金屬陶瓷等）。從各種各樣的材料中選擇出合用的材料是一項受到多方面因素制約的工作，通常應(yīng)考慮下面的原則：1)載荷的大小和性質(zhì)，應(yīng)力的大小、性質(zhì)及其分布狀況2)零件的工作條件3)零件的尺寸及質(zhì)量4)經(jīng)

3、濟性1-4解：機械設(shè)計的內(nèi)容和步驟？解：機械設(shè)計的內(nèi)容包括：構(gòu)思和方案設(shè)計、強度分析、材料的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計等。機械設(shè)計的步驟：明確設(shè)計任務(wù)，總體設(shè)計，技術(shù)設(shè)計，樣機試制等。第2章機械零件尺寸的確定思考題和練習題2-1 什么是失效，列舉失效的三種形式？解：由于種種原因，零件不能正常工作，都稱為失效。常見的失效形式有：(1)應(yīng)力過大；(2)變形過大；(3)磨損嚴重；(4)產(chǎn)生打滑；(5)產(chǎn)生共振；(6)聯(lián)接松脫。2- 2設(shè)計人員為什么要研究產(chǎn)品失效？解：通過產(chǎn)品失效分析，設(shè)計中保證產(chǎn)品在預(yù)期的使用壽命內(nèi)不發(fā)生失效。2-3 載荷和應(yīng)力分別有哪兩大類？解：載荷大體可分兩類，(1)靜載荷逐漸加到一定數(shù)值

4、后，大小和方向都不變化或變化很小的載荷；(2)動載荷突然加的、大小和方向隨時問變化的或沖擊性的載荷。工作應(yīng)力可分靜應(yīng)力和變應(yīng)力： 應(yīng)力的大小或方向不隨時間變化或隨時間變化緩慢的應(yīng)力叫靜應(yīng)力，應(yīng)力的大小或方向隨時間變化的應(yīng)力叫變應(yīng)力。2-4 設(shè)計人員為什么需要熟悉材料機械性質(zhì)？解：設(shè)計人員只有熟悉材料機械性質(zhì)，才能根據(jù)零件的要求正確的選擇材料。2-5 劃分脆性材料和塑性材料的判據(jù)是什么？列舉這兩類材料在機械性質(zhì)方面的三點區(qū)別？2-6 有一用碳鋼制成的軸，發(fā)現(xiàn)剛度不夠，改用合金鋼能否提高軸的整體剛度？2-7 屈服極限、強度極限、疲勞極限都是材料的應(yīng)力極限，它們的區(qū)別在哪里？第3章平面機構(gòu)

5、運動簡圖及平面機構(gòu)自由度思考題和練習題2-1機構(gòu)運動簡圖能表示出原機構(gòu)哪些方面的特性？解：能夠表達機構(gòu)運動特征，如：各個構(gòu)件的位移、機構(gòu)的運動原理等。2-2當機構(gòu)的原動件數(shù)少于或多于機構(gòu)的自由度時，機構(gòu)的運動將發(fā)生何種情況？解：機構(gòu)具有確定運動的條件是機構(gòu)原動件的數(shù)目等于機構(gòu)自由度的數(shù)目。該條件是在機構(gòu)可動的前提下獲得的。機構(gòu)可動的條件是機構(gòu)的自由度數(shù)目必須大于零或大于等于1。 當機構(gòu)不滿足確定運動條件時，若機構(gòu)原動件數(shù)目小于機構(gòu)的自由度數(shù)目時，則該機構(gòu)的運動將不完全確定。這時機構(gòu)的運動將遵循最小摩擦定律，而首先沿阻力最小的方向運動。這時此種機構(gòu)常用于具有自適應(yīng)要求的情況，如玩具車的

6、遇障礙能自動轉(zhuǎn)向的驅(qū)動輪，就是采用具有兩個自由度的輪系，而驅(qū)動所用的原動件只有一個，來實現(xiàn)這一功能的。若機構(gòu)的原動件數(shù)目大于機構(gòu)的自由度目時，則機構(gòu)就根本不能運動或機構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)將發(fā)生損壞，故此時機構(gòu)是時不能應(yīng)用的。2-3計算題2-3圖所示各機構(gòu)的自由度，并指出復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束。(a)縫紉機送布機構(gòu) (b)篩料機機構(gòu)(c)推土機鏟土機構(gòu) (d)儀表機構(gòu)(e)壓力機機構(gòu) (f)凸輪連桿機構(gòu)題2-3圖解： (a)縫紉機送布機構(gòu)F=3X4-2X4-1X2=2；(b)篩料機機構(gòu)F=3 X 7-2 X 9-1=2；(c)推土機鏟土機構(gòu)F=3 X 5-2 X 7=1 ；(d)儀表機構(gòu)F=3

7、 X 6-2 X 8-1=1 ；(e)壓力機機構(gòu)F=3 X 5-2 X 7=1 ；(f)凸輪連桿機構(gòu)F=3 X 4-2 X 5-1=1。第4章平面連桿機構(gòu)思考題和練習題4-1為什么連桿機構(gòu)又稱低副機構(gòu)？它有哪些特點？解：連桿機構(gòu)是剛性構(gòu)件通過轉(zhuǎn)動副或移動副聯(lián)接而成的。其特點：1、優(yōu)點 運動幅是低副，面接觸，所以承受壓強小、便于潤滑、磨損較輕，可承受較大載荷；結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，成本低，構(gòu)件之間的接觸是有構(gòu)件本身的幾何約束來保持的，所以構(gòu)件工作可靠；可使從動件實現(xiàn)多種形式的運動，滿足多種運動規(guī)律的要求；利用平面連桿機構(gòu)中的連桿可滿足多種運動軌跡的要求；2、缺點 根據(jù)從動件所需要的運動規(guī)律或軌跡來

8、設(shè)計連桿機構(gòu)比較復(fù)雜；只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律，綜合運動精度較低；運動時產(chǎn)生的慣性難以平衡，不適用于高速場合。4-2鉸鏈四桿機構(gòu)有哪幾種主要型式？它們之間主要區(qū)別在哪里？解：根據(jù)連架桿運動形式的不同，可分為三種基本形式：1.曲柄搖桿機構(gòu)：在兩連架桿中，一個為曲柄，另一個為搖桿；2.雙曲柄機構(gòu)：兩連桿架均為曲柄的四桿機構(gòu)；3.雙搖桿機構(gòu)：兩連桿架均為搖桿的四桿機構(gòu)。4-3何謂“曲柄”？鉸鏈四桿機構(gòu)中曲柄存在的條件是什么？解：作整周轉(zhuǎn)動的連架桿稱謂曲柄。鉸鏈四桿機構(gòu)有曲柄的條件：(1) 最短桿與最長桿之和小于或等于其余兩桿長度之和；(2) 最短桿為連架桿或機架。4-4何謂連桿機構(gòu)的壓力角和傳動角

9、？其大小對連桿機構(gòu)的工作有何影響？在四桿機構(gòu)中最小傳動角出現(xiàn)在何位置？解：壓力角在不計摩擦力、慣性力和重力時，從動件所受的力 F 與 受力點速度 V c 所夾的銳角。壓力角愈小，機構(gòu)傳動性能愈好。傳動角連桿與從動件所夾的銳角；傳動角是連桿機構(gòu)的重要動力指標；傳動角越大，機構(gòu)的傳動性能越好。傳動角在機構(gòu)運轉(zhuǎn)時是變化的。鉸鏈四桿機構(gòu)在曲柄與機架共線的兩位置出現(xiàn)最小傳動角。4-5試根據(jù)題4-5圖中注明的尺寸判斷下列鉸鏈四桿機構(gòu)是曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)還是雙搖桿機構(gòu)。題4-5圖解：a）雙曲柄機構(gòu)；40+110<70+90，最短桿為機架。b)曲柄搖桿機構(gòu)；45+120<100+70，最短桿

10、為連架桿。c）雙搖桿機構(gòu)；50+100>50+70，不滿足桿長條件。d）雙搖桿機構(gòu)。50+100<70+90，最短桿為連桿。4-6試確定題4-6圖兩機構(gòu)從動件的擺角j和機構(gòu)的最小傳動角。題4-6圖解：a）從動件的擺角y=74º，機構(gòu)的最小傳動角=15º；題4-6圖a）b）從動件的擺角y=60º，機構(gòu)的最小傳動角=35º；題4-6圖b）4-7題4-7圖所示為一偏置曲柄滑塊機構(gòu)，試求構(gòu)件1能整周轉(zhuǎn)動的條件。解：構(gòu)件1能整周轉(zhuǎn)動的條件為。4-8題4-8圖所示為某機械踏板機構(gòu)，設(shè)已知LCD=500mm，LAD=1000mm，踏板3在水平位置上下各擺動

11、10°，試確定曲柄1和連桿2的長度LAB和LBC。題4-7圖題4-8圖解：曲柄1的長度LAB=77.85mm，連桿2的長度LBC=1115.58mm。題4-8圖4-9題4-9圖所示為一曲柄搖桿機構(gòu)，已知曲柄長度LAB=80mm，連桿長度LBC=390mm，搖桿長度LCD=300mm，機架長度LAD=380mm，試求：（1）搖桿的擺角y；（2）機構(gòu)的極位夾角q；（3）機構(gòu)的行程速比系數(shù)K。解：（1）搖桿的擺角y=49º；（2）機構(gòu)的極位夾角q=13º；（3）機構(gòu)的行程速比系數(shù)，K=1.156。C題4-9圖題4-9圖4-10設(shè)計一偏置曲柄滑塊機構(gòu)。已知滑塊的行程s=5

12、0mm，偏距e=20mm（如題4-10圖），行程速比系數(shù)K=1.5，試用作圖法求曲柄的長度LAB和連桿的長度LBC。題4-10圖解：曲柄的長度LAB=21.51mm，連桿的長度LBC=46.51mm。題4-10圖4-11設(shè)計一鉸鏈四桿機構(gòu)作為加熱爐爐門的啟閉機構(gòu)。已知爐門上兩活動鉸鏈的中心距為50mm，爐門打開后成水平位置時，要求爐門溫度較低的一面朝上（如虛線所示），設(shè)固定鉸鏈安裝在y-y軸線上，其相關(guān)尺寸如題4-11圖所示，求此鉸鏈四桿機構(gòu)其余三桿的長度。 題4-11圖解：鉸鏈四桿機構(gòu)的機架長度=90.36mm，上連架桿的長度=64.75mm，下連架桿的長度=104.61mm。4-12已知某

13、操縱裝置采用鉸鏈四桿機構(gòu)，要求兩連架桿的對應(yīng)位置為f1=35°，y1=50°；f2=80°，y2=75°；f3=125°，y3=105°，機架長度LAD=80mm，試用解析法求其余三桿長度。解：cosf1=P0 cosy1 +P1 cos(y1-f1)+P2 cosf2=P0 cosy2 +P1 cos(y2-f2)+P2 cosf3=P0 cosy3 +P1 cos(y3-f3)+P2各桿的長度：LAD=80mm；LAB=63.923，LBC =101.197，LCD =101.094。題4-12圖第5章凸輪機構(gòu)思考題和練習題5-1

14、凸輪和推桿有哪些型式？應(yīng)如何選用？解：凸輪機構(gòu)的類型很多，常就凸輪和推桿的形狀及其運動形式的不同來分類。(1) 按凸輪的形狀分1) 盤形凸輪2）移動凸輪3) 圓柱凸輪盤形凸輪是一個具有變化向徑的盤形構(gòu)件繞固定軸線回轉(zhuǎn)。移動凸輪可看作是轉(zhuǎn)軸在無窮遠處的盤形凸輪的一部分，它作往復(fù)直線移動。圓柱凸輪是一個在圓柱面上開有曲線凹槽，或是在圓柱端面上作出曲線輪廓的構(gòu)件，它可看作是將移動凸輪卷于圓柱體上形成的。盤形凸輪機構(gòu)和移動凸輪機構(gòu)為平面凸輪機構(gòu)，而圓柱凸輪機構(gòu)是一種空間凸輪機構(gòu)。盤形凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較簡單，應(yīng)用也最廣泛，但其推桿的行程不能太大，否則將使凸輪的尺寸過大。(2) 按推桿的形狀分1) 尖頂推

15、桿。這種推桿的構(gòu)造最簡單，但易磨損，所以只適用于作用力不大和速度較低的場合(如用于儀表等機構(gòu)中)。2) 滾子推桿。滾子推桿由于滾子與凸輪輪廓之間為滾動摩擦，所以磨損較小，故可用來傳遞較大的動力，因而應(yīng)用較廣。3) 平底推桿。平底推桿的優(yōu)點是凸輪與平底的接觸面間易形成油膜，潤滑較好，所以常用于高速傳動中。(3)按推桿的運動形式分1)直動推桿。即往復(fù)直線運動的推桿。在直動推桿中，若其軸線通過凸輪的回轉(zhuǎn)軸心，則稱其為對心直動推桿，否則稱為偏置直動推桿。2)擺動推桿。即作往復(fù)擺動的推桿,分為：擺動尖頂推桿、擺動滾子推桿和擺動平底推桿。(4)按凸輪與推桿保持接觸的方法分1) 力封閉的凸輪機構(gòu)，即利用推桿

16、的重力、彈簧力或其他外力使推桿與凸輪保持接觸的。2) 幾何封閉的凸輪機構(gòu)，即利用凸輪或推桿的特殊幾何結(jié)構(gòu)使凸輪與推桿保持接觸。例如凹槽滾子式凸輪機構(gòu)、等寬凸輪機構(gòu)、等徑凸輪機構(gòu)和共軛凸輪(或主回凸輪)機構(gòu)。5-2常用的推桿運動規(guī)律各有何特點？各適用于何種場合？什么是剛性沖擊和柔性沖擊？解：所謂推桿的運動規(guī)律是指推桿在運動時，其位移s、速度v 和加速度a 隨時間t 變化的規(guī)律。又因凸輪一般為等速運動，即其轉(zhuǎn)角與時間t 成正比，所以推桿的運動規(guī)律更常表示為推桿的運動參數(shù)隨凸輪轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律。推桿常用運動規(guī)律主要有如下三類：1)一次多項式運動規(guī)律，推桿等速運動，故這種運動規(guī)律又稱為等速運動規(guī)律。適用

17、于低速。2) 等加速等減速運動規(guī)律。適用于低速。3）簡諧運動規(guī)律。適用于低速。選擇推桿運動規(guī)律，首先須滿足機器的工作要求，其次還應(yīng)凸輪機構(gòu)具有良好的動力特性；此外，還應(yīng)使所設(shè)計的凸輪便于加工，等等。剛性沖擊：由加速度產(chǎn)生的慣性力突變?yōu)闊o窮大，致使機械產(chǎn)生的強烈沖擊。柔性沖擊：從動件在某瞬時加速度發(fā)生有限大值的突變時所引起的沖擊。5-3何謂凸輪機構(gòu)的反轉(zhuǎn)法設(shè)計？它對于凸輪廓線的設(shè)計有何意義？解：在設(shè)計凸輪廓線時，可假設(shè)凸輪靜止不動，而使推桿相對于凸輪作反轉(zhuǎn)運動；同時又在其導(dǎo)軌內(nèi)作預(yù)期運動，作出推桿在這種復(fù)合運動中的一系列位置，則其尖頂?shù)能壽E就是所要求的凸輪廓線。5-4何謂凸輪機構(gòu)的壓力角？為什么

18、要規(guī)定許用壓力角？解：桿所受正壓力的方向(沿凸輪廓線在接觸點的法線方向)與推桿上作用點的速度方向之間所夾之銳角，稱為凸輪機構(gòu)在圖示位置的壓力角，用表示。在凸輪機構(gòu)中，壓力角是影響凸輪機構(gòu)受力情況的一個重要參數(shù)。在其他條件相同的情況下，壓力角愈大，則作用力 F 將愈大；在生產(chǎn)實際中，為了提高機構(gòu)的效率、改善其受力情況，通常規(guī)定凸輪機構(gòu)的最大壓力角max應(yīng)小于某一許用壓力角。5-5何謂凸輪機構(gòu)的運動失真？它是如何產(chǎn)生的？怎樣才能避免運動失真？當凸輪的理論輪廓曲線為外凸時，其工作廓線的曲率半徑ra 等于理論廓線的曲率半徑與滾子半徑rT之差。此時若rT，工作廓線的曲率半徑為零，則工作廓線將出現(xiàn)尖點，這種現(xiàn)象稱為變尖現(xiàn)象；若<rT ，則工作廓線的曲率半徑 為負值，這時，工作廓線出現(xiàn)交叉，致使推桿不能按預(yù)期的運動規(guī)律運動，這種現(xiàn)象稱為失真現(xiàn)象。因此，對于外凸的凸輪輪廓曲線，應(yīng)使?jié)L子半徑小于理論廓線的最小曲率半徑min 。5-6盤形凸輪基圓半徑的選擇與哪些因素有關(guān)？解：對