机械原理习题及解答

第二章习题及解答2-1如题图2-1所示为一小型冲床，试绘制其机构运动简图，并计算机构自由度。（a）（b）题图2-1解：1)分析该小型冲床由菱形构件1、滑块2、拨叉3和圆盘4、连杆5、冲头6等构件组成，其中菱形构件1为原动件，绕固定点A作定轴转动，通过铰链B与滑块2联接，滑块2与拨叉3构成移动副，拨叉3与圆盘4固定在一起为同一个构件且绕C轴转动，圆盘通过铰链与连杆5联接，连杆带动冲头6做往复运动实现冲裁运动。2)绘制机构运动简图选定比例尺后绘制机构运动简图如图（b）所示。3)自由度计算其中n=5，PL=7,PH=0,F=3n-2PL-PH=3×5-2×7=1故该机构具有确定的运动。2-2如题图2-2所示为一齿轮齿条式活塞泵，试绘制其机构运动简图，并计算机构自由度。（a）（b）题图2-2解：1)分析该活塞泵由飞轮曲柄1、连杆2、扇形齿轮3、齿条活塞4等构件组成，其中飞轮曲柄1为原动件，绕固定点A作定轴转动，通过铰链B与连杆2联接，连杆2通过铰链与扇形齿轮3联接，扇形齿轮3通过高副接触驱动齿条活塞4作往复运动，活塞与机架之间构成移动副。2)绘制机构运动简图选定比例尺后绘制机构运动简图如图（b）所示。3)自由度计算其中n=4，PL=5,PH=1F=3n-2PL-PH=3×4-2×5-1=1故该机构具有确定的运动。2-3如图2-3所示为一简易冲床的初步设计方案，设计者的意图是电动机通过一级齿轮1和2减速后带动凸轮3旋转，然后通过摆杆4带动冲头实现上下往复冲压运动。试根据机构自由度分析该方案的合理性，并提出修改后的新方案。题图2-3解：1)分析2)绘制其机构运动简图(图2-3b)选定比例尺后绘制机构运动简图如图（b）所示。3)计算机构自由度并分析其是否能实现设计意图由图b可知，45200lhnpppF故3(2)34(2520)00lhFnpppF因此，此简易冲床根本不能运动，需增加机构的自由度。4)提出两种修改方案为了使机构能运动，应增加机构的自由度。方法可以是：在机构的适当位置，增加一个活动构件和一个低副，或者用一个高副去代替一个低副，其修改方案很多，图c图d给出其中的两种方案。新方案中：562lhnpp新方案的机构自由度：35(262)1F改进后的方案具有确定的运动。2-4如题图2-4所示为一小型压力机，试绘制其机构运动简图，并计算机构自由度。（a）（b）题图2-4解：1)分析该压力机由齿轮1、偏心轮1’、连杆2、导杆3、叉形连杆4、齿轮5、滚子6、滑块7、冲头8所组成，其中齿轮1与偏心轮1’固定连接组成一个构件，且为原动件，偏心轮1’与连杆2通过转动副联接，连杆通过铰链推动导杆移动，导杆的另外一端与连杆4构成转动副，连杆4的中部有一个滚子6，齿轮5的端面加工有一个凹槽，形成一个端面槽形凸轮，滚子6嵌入凸轮槽中，叉形连杆4另外一端与滑块7构成移动副，滑块7通过铰链与冲头联接，驱动冲头滑块作往复上下冲压运动。2)作机构运动简图选定比例尺后绘制机构运动简图如图（b）所示。3)计算该机构的自由度810201(D)lhnpppF处滚子的转动3(2)38(21020)11lhFnpppF故该机构具有确定的运动。2-5如题图2-5所示为一人体义腿膝关节机构，若以胫骨1为机架，试绘制其机构运动简图，并计算机构自由度。（a）（b）题图2-5解：1)分析该机构所有构件均为杆状，且都是通过转动副相联接，2)绘制机构运动简图选定比例尺后绘制机构运动简图如图（b）所示。3)计算自由度57000lhnpppF3(2)35271lhFnpppF故该机构具有确定的运动。2-6计算图2-6所示压榨机机的机构自由度。（a）（b）题图2-6解：该机构中存在结构对称部分，构件4、5、6和构件8、9、10。如果去掉一个对称部分，机构仍能够正常工作，故可将构件8、9、10上转动副G、H、I、D处带来约束视为虚约束；构件7与构件11在左右两边同时形成导路平行的移动副，只有其中一个起作用，另一个是虚约束；构件4、5、6在E点处形成复合铰链。机构中没有局部自由度和高副。去掉机构中的虚约束，则得到图(b)中实线所示的八杆机构，其中活动构件数为7n，机构中低副数10lP，于是求得机构的自由度为：11027323hlPPnF故该机构具有确定的运动。2-7计算题图2-7所示测量仪表机构的自由度。题图2-7解：1)分析该机构包括6个活动构件，其中导杆与扇形齿轮固联在一起组成构件5，齿轮与指针固联在一起组成构件6。2)计算自由度活动构件数为6n，机构中低副数L8P，高副数H1P于是求得机构的自由度为：LH32362811FnPP故该机构具有确定的运动。2-8如题图2-8所示为一物料输送机构，试绘制机构运动简图，并计算机构的自由度。（a）（b）题图2-8解1）分析该机构中共包含有8个构件，且所有构件均通过转动副联接，其中曲柄为原动件。2）绘制机构运动简图选定比例尺后绘制机构运动简图如图2-8（b）所示。3)计算自由度活动构件数为7n，机构中低副数L10P，高副数H0P于是求得机构的自由度为：LH323721001FnPP故该机构具有确定的运动。2-9如题图2-8所示为一拟人食指机械手，试绘制该机构的运动简图，并计算机构的自由度。（a）（b）题图2-9解：1)分析该机构共有8个构件，其中手掌体为机架，活塞A作直线移动，为原动件，其余运动副均为转动副。2）绘制运动简图选定比例尺后绘制机构运动简图如图2-9（b）所示。3）自由度计算机构中活动构件数：710000lhnpppF3(2)372101lhFnpppF故该机构具有确定的运动。2-9如题图2-9所示为某一机械中制动器的机构运动简图，工作中当活塞杆1被向右拉时，通过各构件传递运动迫使摆杆4、6作相向摆动，制动块压紧制动轮实现制动；当活塞杆1被向左拉时，迫使构件4、6作反相摆动，此时制动块与制动轮脱离接触，不起制动作用。试分析该机构由不制动状态过渡到制动状态时机构自由度变化情况。解：1）分析工作过程制动过程中闸瓦经历了不接触制动轮，到单边闸瓦接触制动轮，再到两侧闸瓦全部压紧制动轮三种情况。闸瓦接触到制动轮之后，摆杆停止摆动，此时的摆杆可认为变成了机架的一部分，因此，制动过程中机构的构件数目会发生变化。1)未刹车时，刹车机构的自由度68000lhnpppF3(2)36282lhFnpppF2)闸瓦,GJ之一刹紧车轮时，刹车机构的自由度57000lhnpppF3(2)35271lhFnpppF3)闸瓦,GJ同时刹紧车轮时，刹车机构的自由度46000lhnpppF3(2)34260lhFnpppF2-10题4-３图为外科手术用剪刀。其中弹簧的作用是保持剪刀口张开，并且便于医生单手操作。忽略弹簧，并以构件1为机架，分析机构的工作原理，画出该机构的运动简图。（a）（b）题图2-10解：1）工作原理分析若以构件1为机架，则该手术用剪刀由机架１、原动件２、从动件３、４组成，共４个构件。属于平面四杆机构。当用手握住剪刀，即构件１(固定钳口)不动时，驱动构件２，使构件２绕构件１转动的同时，通过构件３带动构件４(活动钳口)也沿构件１(固定钳口)上下移动，从而使剪刀的刀口张开或闭合。2）绘制运动简图选定比例尺后绘制机构运动简图如图2-10（b）所示。3）自由度计算34000lhnpppF3(2)33240lhFnpppF2-11如题图2-11所示为一内燃机简图，试计算该机构的自由度，并确定该机构的级别，若选构件5为原动件，该机构又是几级机构。（a）（b）（c）题图2-11解：1)计算此机构的自由度3(2)372101lhFnpppF2)取构件AB为原动件时，机构的基本杆组图如图b所示，此机构为Ⅱ级机构。3)取构件EG为原动件时，机构的基本杆组图如图c所示，此机构为Ⅲ级机构。第5章思考题5-1齿轮传动要匀速、连续、平稳地进行必须满足哪些条件?答齿轮传动要均匀、平稳地进行，必须满足齿廓啮合基本定律．即i12=ω1/ω2=O2P／O1P，其中P为连心线O1P2与公法线的交点。齿轮传动要连续、平稳地进行，必须满足重合度ε≥l，同时满足一对齿轮的正确啮合条件。5-2渐开线具有哪些重要的性质?渐开线齿轮传动具有哪些优点?答：参考教材。5-3具有标准中心距的标准齿轮传动具有哪些特点?答若两齿轮传动的中心距刚好等于两齿轮节圆半径之和，则称此中心距为标准中心距．按此中心距安装齿轮传动称为标准安装。（1)两齿轮的分度圆将分别与各自的节圆重合。(2)轮齿的齿侧间隙为零。(3)顶隙刚好为标准顶隙，即c=c*m=O.25m。5-4何谓重合度?重合度的大小与齿数z、模数m、压力角α、齿顶高系数ha*、顶隙系数c*及中心距a之间有何关系?答通常把一对齿轮的实际啮合线长度与齿轮的法向齿距pb的比值εα。称为齿轮传动的重合度。重合度的表达式为：εα=[z1(tanαal—tanα’)±z2(tanαa2-tanα’)/2π由重合度的计算公式可见，重合度εα与模数m无关．随着齿数z的增多而加大，对于按标准中心距安装的标准齿轮传动，当两轮的齿数趋于无穷大时的极限重合度εα=1.981此外重合度还随啮合角α’的减小和齿顶高系数ha*的增大而增大。重合度与中心距a有关(涉及啮合角α’)，与压力角α、顶隙系数c*无关。5-5齿轮齿条啮合传动有何特点?为什么说无论齿条是否为标准安装，啮合线的位置都不会改变?答由于不论齿条在任何位置，其齿廓总与原始位置的齿廓平行．而啮合线垂直于齿廓，因此，不论齿轮与齿条是否按标准安装，其啮合线的位置总是不变的，节点位置确定，齿轮的节圆确定；当齿轮与齿条按标准安装时，齿轮的分度圆应与齿条的分度线相切。这时齿轮的节圆与其分度圆重合，齿条的常节线也与其分度线重合。因此，传动啮合角α’等于分度圆压力角α，也等于齿条的齿形角α。5-6节圆与分度圆、啮合角与压力角有什么区别?答节圆是两轮啮合传动时在节点处相切的一对圆。只有当一对齿轮啮合传动时有了节点才有节圆，对于一个单一的齿轮来说是不存在节圆的，而且两齿轮节圆的大小是随两齿轮中心距的变化而变化的。而齿轮的分度圆是一个大小完全确定的圆，不论这个齿轮是否与另一齿轮啮合，也不论两轮的中心距如何变化，每个齿轮都有一个唯一的、大小完全确定的分度圆。啮合角是指两轮传动时其节点处的速度矢量与啮合线之间所夹的锐角，压力角是指单个齿轮渐开线上某一点的速度方向与该点法线方向所夹的角。根据定义可知，啮合角就是节圆的压力角。对于标准齿轮．当其按标准中心距安装时．由于节圆与分度圆重合，故其啮合角等于分度圆压力角。5-7．试问当渐开线标准齿轮的齿根圆与基圆重合时，其齿数应为多少?又当齿数大于以上求得的齿数时，试问基圆与齿根圆哪个大?答：cosbdmz，22fdmzhac，由fbdd有2210.2541.451cos1cos20hacz，当基圆与齿根圆重合时41.15z，当42z时，齿根圆大于基圆。5-8何谓根切?它有何危害，如何避免?答用展成法加工齿轮时，若刀具的齿顶线或齿顶圆与啮合线的交点超过了被切齿轮的啮合极限点时，则刀具的齿顶将切人轮齿的根部，破坏已切制好的渐开线齿廓，这种现象叫根切现象。根切将使齿根弯曲强度降低，重合度减小，应尽量避免。欲使被切齿轮不产生根切，刀具的齿顶线不得超过N1点，即ha*≤N1Q=PN1sinα=γ1sinα=(mzsin2α)/2得：*22sinahz加工标准直齿圆柱齿轮时，ha*=1,α=20º不发生根切的最少齿数Zmin=17采用变位齿