機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)習(xí)題解答(1-5)

1、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教材習(xí)題參考解答（第一章第五章 ）2012.8目錄第1章機(jī)械設(shè)計(jì)概論2第2章機(jī)械零件尺寸的確定3第3章平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及平面機(jī)構(gòu)自由度4第4章平面連桿機(jī)構(gòu)6第5章凸輪機(jī)構(gòu)11第1章機(jī)械設(shè)計(jì)概論思考題和練習(xí)題1-1舉例說(shuō)明什么是新型設(shè)計(jì)、繼承設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)。解：新型設(shè)計(jì)通常人們指應(yīng)用成熟的科學(xué)技術(shù)或經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明是可行的新技術(shù)，設(shè)計(jì)過(guò)去沒(méi)有過(guò)的新型機(jī)械，如：新型機(jī)械手、動(dòng)車(chē)、撲翼飛機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)等；繼承設(shè)計(jì)通常指人們根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)發(fā)展對(duì)已有的機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)更新，以提高其性能、降低其制造成本或減少其運(yùn)用費(fèi)用，如：大眾系列汽車(chē)、大家電產(chǎn)品等。變型設(shè)計(jì)通常指人們?yōu)檫m應(yīng)新的需要對(duì)已有的機(jī)械作部

2、分的修改或增刪而發(fā)展出不同于標(biāo)準(zhǔn)型的變型產(chǎn)品，如：。各種工程機(jī)械、農(nóng)田作業(yè)機(jī)械等。1-2解：評(píng)價(jià)產(chǎn)品的優(yōu)劣的指標(biāo)有哪些？解：產(chǎn)品的性能、產(chǎn)品的1-3機(jī)械零件常用的材料有哪些？為零件選材時(shí)應(yīng)考慮哪些主要要求？解：制造機(jī)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(qiáng)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(xiàng)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(jì)性1-4解：機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟？解：機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：構(gòu)思和方案設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、材料的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。機(jī)械設(shè)計(jì)的步驟：明確設(shè)計(jì)任務(wù)，總體設(shè)計(jì)，技術(shù)設(shè)計(jì)，樣機(jī)試制等。第2章機(jī)械零件尺寸的確定思考題和練習(xí)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(jiàn)的失效形式有：(1)應(yīng)力過(guò)大；(2)變形過(guò)大；(3)磨損嚴(yán)重；(4)產(chǎn)生打滑；(5)產(chǎn)生共振；(6)聯(lián)接松脫。2- 2設(shè)計(jì)人員為什么要研究產(chǎn)品失效？解：通過(guò)產(chǎn)品失效分析，設(shè)計(jì)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(dòng)載荷突然加的、大小和方向隨時(shí)問(wèn)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(shí)間變化或隨時(shí)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(shí)間變化的應(yīng)力叫變應(yīng)力。2-4 設(shè)計(jì)人員為什么需要熟悉材料機(jī)械性質(zhì)？解：設(shè)計(jì)人員只有熟悉材料機(jī)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(jī)械性質(zhì)方面的三點(diǎn)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(qiáng)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(jī)構(gòu)

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

6、遇障礙能自動(dòng)轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)輪，就是采用具有兩個(gè)自由度的輪系，而驅(qū)動(dòng)所用的原動(dòng)件只有一個(gè)，來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能的。若機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目大于機(jī)構(gòu)的自由度目時(shí)，則機(jī)構(gòu)就根本不能運(yùn)動(dòng)或機(jī)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)將發(fā)生損壞，故此時(shí)機(jī)構(gòu)是時(shí)不能應(yīng)用的。2-3計(jì)算題2-3圖所示各機(jī)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(jī)送布機(jī)構(gòu) (b)篩料機(jī)機(jī)構(gòu)(c)推土機(jī)鏟土機(jī)構(gòu) (d)儀表機(jī)構(gòu)(e)壓力機(jī)機(jī)構(gòu) (f)凸輪連桿機(jī)構(gòu)題2-3圖解： (a)縫紉機(jī)送布機(jī)構(gòu)F=3X4-2X4-1X2=2；(b)篩料機(jī)機(jī)構(gòu)F=3 X 7-2 X 9-1=2；(c)推土機(jī)鏟土機(jī)構(gòu)F=3 X 5-2 X 7=1 ；(d)儀表機(jī)構(gòu)F=3

7、 X 6-2 X 8-1=1 ；(e)壓力機(jī)機(jī)構(gòu)F=3 X 5-2 X 7=1 ；(f)凸輪連桿機(jī)構(gòu)F=3 X 4-2 X 5-1=1。第4章平面連桿機(jī)構(gòu)思考題和練習(xí)題4-1為什么連桿機(jī)構(gòu)又稱低副機(jī)構(gòu)？它有哪些特點(diǎn)？解：連桿機(jī)構(gòu)是剛性構(gòu)件通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副聯(lián)接而成的。其特點(diǎn)：1、優(yōu)點(diǎn) 運(yùn)動(dòng)幅是低副，面接觸，所以承受壓強(qiáng)小、便于潤(rùn)滑、磨損較輕，可承受較大載荷；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(lái)保持的，所以構(gòu)件工作可靠；可使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)多種形式的運(yùn)動(dòng)，滿足多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求；利用平面連桿機(jī)構(gòu)中的連桿可滿足多種運(yùn)動(dòng)軌跡的要求；2、缺點(diǎn) 根據(jù)從動(dòng)件所需要的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或軌跡來(lái)

8、設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜；只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，綜合運(yùn)動(dòng)精度較低；運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性難以平衡，不適用于高速場(chǎng)合。4-2鉸鏈四桿機(jī)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(yùn)動(dòng)形式的不同，可分為三種基本形式：1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：在兩連架桿中，一個(gè)為曲柄，另一個(gè)為搖桿；2.雙曲柄機(jī)構(gòu)：兩連桿架均為曲柄的四桿機(jī)構(gòu)；3.雙搖桿機(jī)構(gòu)：兩連桿架均為搖桿的四桿機(jī)構(gòu)。4-3何謂“曲柄”？鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中曲柄存在的條件是什么？解：作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的連架桿稱謂曲柄。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件：(1) 最短桿與最長(zhǎng)桿之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和；(2) 最短桿為連架桿或機(jī)架。4-4何謂連桿機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動(dòng)角

9、？其大小對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的工作有何影響？在四桿機(jī)構(gòu)中最小傳動(dòng)角出現(xiàn)在何位置？解：壓力角在不計(jì)摩擦力、慣性力和重力時(shí)，從動(dòng)件所受的力 F 與 受力點(diǎn)速度 V c 所夾的銳角。壓力角愈小，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能愈好。傳動(dòng)角連桿與從動(dòng)件所夾的銳角；傳動(dòng)角是連桿機(jī)構(gòu)的重要?jiǎng)恿χ笜?biāo)；傳動(dòng)角越大，機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能越好。傳動(dòng)角在機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是變化的。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)在曲柄與機(jī)架共線的兩位置出現(xiàn)最小傳動(dòng)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(jī)構(gòu)是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)還是雙搖桿機(jī)構(gòu)。題4-5圖解：a）雙曲柄機(jī)構(gòu)；40+110<70+90，最短桿為機(jī)架。b)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；45+120<100+70，最短桿

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

11、10°，試確定曲柄1和連桿2的長(zhǎng)度LAB和LBC。題4-7圖題4-8圖解：曲柄1的長(zhǎng)度LAB=77.85mm，連桿2的長(zhǎng)度LBC=1115.58mm。題4-8圖4-9題4-9圖所示為一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，已知曲柄長(zhǎng)度LAB=80mm，連桿長(zhǎng)度LBC=390mm，搖桿長(zhǎng)度LCD=300mm，機(jī)架長(zhǎng)度LAD=380mm，試求：（1）搖桿的擺角y；（2）機(jī)構(gòu)的極位夾角q；（3）機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)K。解：（1）搖桿的擺角y=49º；（2）機(jī)構(gòu)的極位夾角q=13º；（3）機(jī)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(jì)一偏置曲柄滑塊機(jī)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(zhǎng)度LAB和連桿的長(zhǎng)度LBC。題4-10圖解：曲柄的長(zhǎng)度LAB=21.51mm，連桿的長(zhǎng)度LBC=46.51mm。題4-10圖4-11設(shè)計(jì)一鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)作為加熱爐爐門(mén)的啟閉機(jī)構(gòu)。已知爐門(mén)上兩活動(dòng)鉸鏈的中心距為50mm，爐門(mén)打開(kāi)后成水平位置時(shí)，要求爐門(mén)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(jī)構(gòu)其余三桿的長(zhǎng)度。 題4-11圖解：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架長(zhǎng)度=90.36mm，上連架桿的長(zhǎng)度=64.75mm，下連架桿的長(zhǎng)度=104.61mm。4-12已知某

13、操縱裝置采用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，要求兩連架桿的對(duì)應(yīng)位置為f1=35°，y1=50°；f2=80°，y2=75°；f3=125°，y3=105°，機(jī)架長(zhǎng)度LAD=80mm，試用解析法求其余三桿長(zhǎng)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(zhǎng)度：LAD=80mm；LAB=63.923，LBC =101.197，LCD =101.094。題4-12圖第5章凸輪機(jī)構(gòu)思考題和練習(xí)題5-1

14、凸輪和推桿有哪些型式？應(yīng)如何選用？解：凸輪機(jī)構(gòu)的類型很多，常就凸輪和推桿的形狀及其運(yùn)動(dòng)形式的不同來(lái)分類。(1) 按凸輪的形狀分1) 盤(pán)形凸輪2）移動(dòng)凸輪3) 圓柱凸輪盤(pán)形凸輪是一個(gè)具有變化向徑的盤(pán)形構(gòu)件繞固定軸線回轉(zhuǎn)。移動(dòng)凸輪可看作是轉(zhuǎn)軸在無(wú)窮遠(yuǎn)處的盤(pán)形凸輪的一部分，它作往復(fù)直線移動(dòng)。圓柱凸輪是一個(gè)在圓柱面上開(kāi)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(dòng)凸輪卷于圓柱體上形成的。盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)和移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)為平面凸輪機(jī)構(gòu)，而圓柱凸輪機(jī)構(gòu)是一種空間凸輪機(jī)構(gòu)。盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(guò)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(jiǎn)單，但易磨損，所以只適用于作用力不大和速度較低的場(chǎng)合(如用于儀表等機(jī)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(dòng)摩擦，所以磨損較小，故可用來(lái)傳遞較大的動(dòng)力，因而應(yīng)用較廣。3) 平底推桿。平底推桿的優(yōu)點(diǎn)是凸輪與平底的接觸面間易形成油膜，潤(rùn)滑較好，所以常用于高速傳動(dòng)中。(3)按推桿的運(yùn)動(dòng)形式分1)直動(dòng)推桿。即往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的推桿。在直動(dòng)推桿中，若其軸線通過(guò)凸輪的回轉(zhuǎn)軸心，則稱其為對(duì)心直動(dòng)推桿，否則稱為偏置直動(dòng)推桿。2)擺動(dòng)推桿。即作往復(fù)擺動(dòng)的推桿,分為：擺動(dòng)尖頂推桿、擺動(dòng)滾子推桿和擺動(dòng)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)、等寬凸輪機(jī)構(gòu)、等徑凸輪機(jī)構(gòu)和共軛凸輪(或主回凸輪)機(jī)構(gòu)。5-2常用的推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律各有何特點(diǎn)？各適用于何種場(chǎng)合？什么是剛性沖擊和柔性沖擊？解：所謂推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指推桿在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其位移s、速度v 和加速度a 隨時(shí)間t 變化的規(guī)律。又因凸輪一般為等速運(yùn)動(dòng)，即其轉(zhuǎn)角與時(shí)間t 成正比，所以推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律更常表示為推桿的運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨凸輪轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律。推桿常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要有如下三類：1)一次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推桿等速運(yùn)動(dòng)，故這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律又稱為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。適用

17、于低速。2) 等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。適用于低速。3）簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律。適用于低速。選擇推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律，首先須滿足機(jī)器的工作要求，其次還應(yīng)凸輪機(jī)構(gòu)具有良好的動(dòng)力特性；此外，還應(yīng)使所設(shè)計(jì)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(wú)窮大，致使機(jī)械產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊。柔性沖擊：從動(dòng)件在某瞬時(shí)加速度發(fā)生有限大值的突變時(shí)所引起的沖擊。5-3何謂凸輪機(jī)構(gòu)的反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)？它對(duì)于凸輪廓線的設(shè)計(jì)有何意義？解：在設(shè)計(jì)凸輪廓線時(shí)，可假設(shè)凸輪靜止不動(dòng)，而使推桿相對(duì)于凸輪作反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)又在其導(dǎo)軌內(nèi)作預(yù)期運(yùn)動(dòng)，作出推桿在這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)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(jī)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(diǎn)的法線方向)與推桿上作用點(diǎn)的速度方向之間所夾之銳角，稱為凸輪機(jī)構(gòu)在圖示位置的壓力角，用表示。在凸輪機(jī)構(gòu)中，壓力角是影響凸輪機(jī)構(gòu)受力情況的一個(gè)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(shí)際中，為了提高機(jī)構(gòu)的效率、改善其受力情況，通常規(guī)定凸輪機(jī)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)失真？它是如何產(chǎn)生的？怎樣才能避免運(yùn)動(dòng)失真？當(dāng)凸輪的理論輪廓曲線為外凸時(shí)，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(shí)若rT，工作廓線的曲率半徑為零，則工作廓線將出現(xiàn)尖點(diǎn)，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(fù)值，這時(shí)，工作廓線出現(xiàn)交叉，致使推桿不能按預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為失真現(xiàn)象。因此，對(duì)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(pán)形凸輪基圓半徑的選擇與哪些因素有關(guān)？解：對(duì)