機(jī)械力學(xué)及機(jī)械設(shè)計(jì)

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機(jī)械力學(xué)及機(jī)械設(shè)計(jì)課程作業(yè)1（共3次作業(yè)）學(xué)習(xí)層次：?？粕婕罢鹿?jié)：第一章——第五章

第一章機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1-1構(gòu)件和零件有何不同？機(jī)器和機(jī)構(gòu)的異同點(diǎn)是什么？

答：零件是制造的最小單元，構(gòu)件是運(yùn)動(dòng)的最小單元，不同構(gòu)件之間必需具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)構(gòu)件可以由若干個(gè)零件組成，這些零件剛性地連接在一起，機(jī)器運(yùn)動(dòng)時(shí)作為一個(gè)整體來(lái)運(yùn)動(dòng)。

機(jī)構(gòu)是由若干個(gè)構(gòu)件組成的一個(gè)人為組合體，功用在于傳遞運(yùn)動(dòng)或改變運(yùn)動(dòng)的形式。機(jī)器是由若干機(jī)構(gòu)組成的，用來(lái)變換或傳遞能量、物料和信息。機(jī)器雖然類型好多，但組成機(jī)器的常用機(jī)構(gòu)類型并不多。

1-3什么是機(jī)械零件的工作能力？常用的計(jì)算準(zhǔn)則有哪幾種？

答：機(jī)械零件的工作能力是指在一定的運(yùn)動(dòng)、載荷和環(huán)境狀況下，在預(yù)定的使用期限內(nèi)，不發(fā)生失效的安全工作限度。

衡量零件工作能力的指標(biāo)稱為零件的工作能力準(zhǔn)則。常用的計(jì)算準(zhǔn)則有：強(qiáng)度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則、耐磨性準(zhǔn)則、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則和耐熱性準(zhǔn)則等。

1-6試說(shuō)明以下材料牌號(hào)的意義:

Q235,45,40Cr,65Mn,ZG230-450,HT200,ZCuSn10P1,LC4答：Q235：普通碳素鋼，屈服點(diǎn)235Mpa；

45：優(yōu)質(zhì)碳素鋼，含碳量大約0.45%;

40Cr:合金鋼，含碳量0.40%左右，含Cr量1％左右；65Mn：合金鋼，含碳量0.65%左右，含Mn量1％左右；ZG230-450:鑄鋼，屈服點(diǎn)230Mpa，抗拉強(qiáng)度450Mpa；HT200：灰鑄鐵，抗拉強(qiáng)度200Mpa；

ZCuSn10Pb1：鑄造錫青銅，含錫量10％左右；LC4：超硬鋁

其次章機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及平面機(jī)構(gòu)自由度

2-4計(jì)算題2-4圖所示(a)、（c）、（d）、（f）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)推土機(jī)鏟土機(jī)構(gòu)(c)縫紉機(jī)送布機(jī)構(gòu)

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(d)篩料機(jī)機(jī)構(gòu)(f)凸輪連桿機(jī)構(gòu)

解：（a）該機(jī)構(gòu)有5個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，7個(gè)低副，其中6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、一個(gè)移動(dòng)副，沒有高副，沒有復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束，所以自由度F為：

F=3n-2PL－PH＝3×5－2×7＝1

有一個(gè)原動(dòng)件，所以機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

（c）該機(jī)構(gòu)有4個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，4個(gè)低副均為6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，2個(gè)高副，沒有復(fù)合鉸鏈，在滾子處有局部自由度，凸輪和從動(dòng)件處兩處接觸構(gòu)成虛約束，所以自由度F為：

F=3n-2PL－PH＝3×4－2×4－2＝2

有2個(gè)原動(dòng)件，所以機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

(d)該機(jī)構(gòu)有7個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，9個(gè)低副，其中7個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，2個(gè)移動(dòng)副，1個(gè)高副，C處有復(fù)合鉸鏈，滾子G處存在局部自由度，沒有虛約束，所以自由度F為：

F=3n-2PL－PH＝3×7－2×(7+2)－1＝2

有2個(gè)原動(dòng)件，所以機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

(f)該機(jī)構(gòu)有4個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，5個(gè)低副，其中3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，2個(gè)移動(dòng)副，1個(gè)高副，滾子B處存在局部自由度，沒有復(fù)合鉸鏈和虛約束，所以自由度F為：

F=3n-2PL－PH＝3×4－2×(3+2)－1＝1

有1個(gè)原動(dòng)件，所以機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

2-5題2-5圖所示為一簡(jiǎn)易沖床的初擬設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)者的思路是動(dòng)力由齒輪輸入，使軸A連續(xù)回轉(zhuǎn)，而固定在軸A上的凸輪2和杠桿3組成的凸輪機(jī)構(gòu)使沖頭4上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到?jīng)_壓的目的。試?yán)L制其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，并分析其運(yùn)動(dòng)是否確定，如運(yùn)動(dòng)不確定，試提出修改措施。解：機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下所示：

由圖可見，機(jī)構(gòu)有3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，4個(gè)低副，其中3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，1個(gè)移動(dòng)副，1個(gè)高副，所以自由度F為：

F=3n-2PL－PH＝3×3－2×(3+1)－1＝0

即機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)，故修改如下：

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第三章螺旋機(jī)構(gòu)

3-1試比較普通螺紋與梯形螺紋有哪些主要區(qū)別？為什么普通螺紋用于連接而梯形螺紋用于傳動(dòng)？

答：普通螺紋與梯形螺紋的主要區(qū)別在于牙型斜角β的不同。普通螺紋牙型斜角為30°，梯形螺紋牙型斜角為15°。普通螺紋因牙型斜角較大，自鎖性好，效率較低，故常用于連接；梯形螺紋因牙型斜角較小，效率較高，故常用于傳動(dòng)。

3-5在圖3-9所示的螺旋千斤頂中，若螺桿長(zhǎng)度d=24mm，中徑d2=22.5mm，導(dǎo)程s=3mm，牙型角α=30°，手柄的有效長(zhǎng)度L=200mm，螺旋副的摩擦因數(shù)f＝0.1，現(xiàn)要舉起FW=12000N的重物，需要在手柄端部施加多少作用力？其機(jī)械效率為多少？該千斤頂在重物作用下是否會(huì)自動(dòng)反轉(zhuǎn)？

解：在公式F?FW?tan(???v)中：??arctans3?arctan?2.43??d23.14?22.5?v?arctanf0.1?arctan?5.91?cos?cos15?所以：F?FW?tan(???v)?12000?tan(2.43?5.91)?1759.3又由T?d22?F?L?F得：

手柄端部施加的力：F?F?//d222.5?1759.3??99N2?L2?200機(jī)械效率：??tan?tan2.43???0.41

tan(???v)tan(2.43?5.91)由于λ=2.43≤?v?5.91?，該千斤頂自鎖，在重物作用下不會(huì)自動(dòng)反轉(zhuǎn)。

第四章平面連桿機(jī)構(gòu)

4-6畫出題4-6圖所示各機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動(dòng)角。圖中標(biāo)注箭頭的構(gòu)件為原動(dòng)件。

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題4-6圖

題解4-6圖

4-7題4-7圖所示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)l1?100mm,l2?200mm,l3?300mm,若要獲得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，試問機(jī)架長(zhǎng)度l4的范圍是多少？

題4-7圖

解：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)最短桿為連架桿，所以最短桿為l1?100mm，分兩種狀況探討：

（1）若最長(zhǎng)桿為l3?300mm,，則由桿長(zhǎng)條件：

l1?l3?l2?l4，得

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l4?100?300?200?200mm，則200mm?l4?300mm

（2）若l4為最長(zhǎng)桿，則由桿長(zhǎng)條件：

l1?l4?l2?l3，得

l4?200?300?100?400mm，則300mm?l4?400mm

綜合得：200mm?l4?400mm

第五章凸輪機(jī)構(gòu)及間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

5-2四種基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律各有何特點(diǎn)？各適用與何種場(chǎng)合？什么是剛性沖擊和柔性沖擊？答：（1）等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律：推桿在運(yùn)動(dòng)開始和終了的瞬時(shí)，因速度突變，推桿的加速度及由此產(chǎn)生的慣性力在理論上將出現(xiàn)瞬時(shí)的無(wú)窮大。實(shí)際上由于材料具有彈性，加速度和慣性力不會(huì)達(dá)到無(wú)窮大，但仍十分大，從而產(chǎn)生猛烈的沖擊。因此，等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律只適用于低速、輕載的場(chǎng)合。

理論上無(wú)窮大的慣性力產(chǎn)生的沖擊，稱為剛性沖擊。

（2）等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律：在行程的起始點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)，推桿的加速度和慣性力有有限值的突變，引起的沖擊也較為平緩。因此，適用于中速、低速的場(chǎng)合。

有限值的慣性力產(chǎn)生的沖擊，成為柔性沖擊。

（3）余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律：在行程的起始點(diǎn)和終點(diǎn)，推桿的加速度和慣性力也存在突變，一般適用于中速場(chǎng)合。

（4）正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律：推桿的加速度和慣性力沒有突變，適用與高速場(chǎng)合。

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？

答：凸輪機(jī)構(gòu)的反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)是凸輪輪廓線設(shè)計(jì)的基本方法。為了繪制凸輪輪廓線，需要凸輪相對(duì)固定。設(shè)凸輪以角速度ω繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，假設(shè)給整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)加上一個(gè)公共角速度-ω繞凸輪軸心回轉(zhuǎn)。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，這時(shí)凸輪與推桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系并未改變，但是凸輪“固定不動(dòng)〞，而推桿一方面隨導(dǎo)路以角速度-ω繞凸輪軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，另一方面相對(duì)于導(dǎo)路做預(yù)期的往復(fù)移