机械原理习题集解答

机械原理习题集解答刘冠阳郭卫东北京航空航天大学机器人研究所2013年1月1机构的组成原理1、什么是构件，什么是运动副？解答：独立运动的单元体称为构件。由两个构件直接接触组成的可动的连接称为运动副。2、运动链是怎样形成的？它与机构有什么关系？解答：把若干个构件用运动副连接起来所形成的构件系统称为运动链。如果取运动链中的某个构件为机架，当运动链中的一个或若干个构件相对于机架（参考坐标系）按规定的运动规律做相对独立的运动时，而该运动链中的其余构件能够随之按确定的规律运动，则就把这样的运动链称为机构。3、机构具有确定运动的条件是什么？当机构的原动件数少于或多于机构的自由度时，机构的运动将发生什么情况？解答：机构具有确定运动的条件是机构原动件的数目等于机构自由度。当机构的原动件数少于机构的自由度时，机构的运动不确定；当机构的原动件数多于机构的自由度时，机构将不能运动，或在机构中最薄弱环节处损坏。4、什么是机构的运动简图？绘制机构运动简图的目的是什么？它能表示出原机构哪些方面的特征？解答：利用简单线条表示的构件和规定的运动副的表示方法绘制的机构图就是机构运动简图。绘制机构运动简图的目的是在对机构进行运动分析和动力分析时，可以忽略掉那些无关的因素而只考虑那些只与运动有关的因素，并用最为简洁明了的方式，把构件和运动副所形成的机构图形画出来。机构运动简图与实际机构应具有完全相同的运动特性，即它们的所有构件的运动形式是完全相同的，因此机构运动简图必须根据机构的实际尺寸按比例绘制。5、试绘出如图所示偏心轮传动机构的机构运动简图，并计算其自由度。解答：绘制机构运动简图（右上）。偏心轮传动机构由六个构件组成。根据机构的工作原理，构件5是机架，原动件为偏心轮1，它与机架5组成转动副，其回转中心为A点。构件2是一个三副构件，它与构件1、构件3、构件4分别组成转动副，它们的回转中心分别为B、C和E点。构件3与机架5、构件6与机架5分别在D、F点组成转动副。构件4与构件6在E点组成移动副。在选定长度比例尺和投影面后，定出各转动副的回转中心点A、B、C、D、E、F的位置及移动副导路E的位置，并用运动副符号表示，用直线把各运动副连接起来，标明机架和原动件，即得右上图所示的机构运动简图。26、如图所示的活塞泵有曲柄1、连杆2、扇形齿轮3、齿条活塞4和机架5共5个构件所组成。曲柄1是原动件，2、3、4为从动件。当原动件1回转时，活塞在气缸中作往复运动。试绘出机构运动简图，计算其自由度，并判断机构运动是否确定。解答：绘制机构运动简图。各构件之间的连接如下：构件1和构件5、构件2和构件1、构件3和构件5之间有相对转动，分别构成转动副A、B、C、D。构件3的轮齿与构件4的轮齿构成平面高副E。构件4与构件5之间为相对移动，构成移动副F。选取适当的比例，用构件和运动副的规定符号画出机构运动简图，如左图所示。计算自由度：10725323HLPPnF因为该机构的自由度等于原动件数目，所以此机构具有确定的运动。7、试计算图示运动链的自由度，并判断该运动链是否具有确定的运动。若有复合铰链，局部自由度和虚约束，应明确指出。解答：5n，7LP（其中转动副D是三构件构成的复合铰链），0HP，因此该运动链的自由度为10725323HLPPnF该运动链的自由度等于原动件数目，因此具有确定的运动。8、试计算图示运动链的自由度，并判断该运动链是否具有确定的运动。若有复合铰链，局部自由度和虚约束，应明确指出。解答：7n，10LP（其中转动副C是三构件的复合铰链），0HP，因此该运动链的自由度为：101027323HLPPnF该运动链的自由度等于原动件数目，因此具有确定的运动。39、试计算图示运动链的自由度，并判断该运动链是否具有确定的运动。若有复合铰链，局部自由度和虚约束，应明确指出。解答：滚子3和11的转动为局部自由度，没有复合铰链和虚约束，因此9n，12LP，2HP，于是该运动链的自由度为：121229323HLPPnF该运动链的自由度等于原动件数目，因此具有确定的运动。10、试计算示运动链的自由度。若有复合铰链，局部自由度和虚约束，应明确指出。解答：滚子2的转动为局部自由度，构件7和机架8在H和I处形成2个移动副，其中一个为虚约束。6n，8LP，1HP，于是运动链的自由度为：11826323HLPPnF11、试计算图示运动链的自由度，并判断该运动链是否具有确定的运动。若有复合铰链，局部自由度和虚约束，应明确指出。解答：构件6和9以及分别引入的转动副C、F、I为虚约束，C处为3构件的复合铰链，没有局部自由度，9n，13LP，0HP，于是可得该运动链的自由度为：11329323HLPPnF该运动链的自由度等于原动件数目，因此具有确定的运动。12、什么是机构的组成原理？什么是基本杆组？如何确定基本杆组的级别及机构的级别?解答：任何一个机构都是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上构成的，这就是机构的组成原理。不可再分的、自由度为零的构件组，称之为基本杆组；最简单的基本杆组是由2个构件3个低副组成的杆组，称之为Ⅱ级杆组。由4个构件6个低副组成，其特征是具有一个三副构件，称为Ⅲ级杆组。机构分解出的基本杆组的最高级别为机构的级别。413、对图示的机构进行组成分析，判断当分别以构件1、3、7作为原动件时，机构的级别会有何变化?解答：计算机构的自由度。此机构没有复合铰链、局部自由度和虚约束，0107HLPPn，因此机构自由度为123HLPPnF机构的结构分析：1．当以构件1作为原动件时，机构的杆组拆分如图a所示，机构的级别为Ⅱ级；2．当以构件3作为原动件时，机构的杆组拆分如图b所示，机构的级别为Ⅱ级；3．当以构件7作为原动件时，机构的杆组拆分如图c所示，机构的级别为Ⅲ级。5连杆平面连杆机构的分析与设计1、铰链四杆机构中存在曲柄的条件是什么？确定机构中是否存在曲柄的意义是什么？解答：铰链四杆机构存在曲柄需要同时满足两个条件：一是最长杆与最短杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和；二是连架杆和机架其一为最短。确定机构是否存在曲柄，就是要确定该机构是否可以用旋转电机直接驱动。2、在如图所示的铰链四杆运动链中，各杆的长度分别为lAB=55mm，lBC=40mm，lCD=50mm，lAD=25mm。试问：（1）该运动链中，是否存在双整转副构件？（2）如果具有双整转副构件，那么哪个构件为机架时，可获得曲柄摇杆机构？（3）哪个构件为机架时，可获得双曲柄机构？（4）哪个构件为机架时，可获得双摇杆机构？ADCB解答：（1）因为905040802555CDBCADABllll，满足曲柄存在的杆长条件，所以最短杆AD就是双整转副构件。（2）当以AB或CD杆为机架时，AD杆成为曲柄，BC杆成为摇杆，得到曲柄摇杆机构。（3）当以AD杆为机架时，得到双曲柄机构。（4）当以BC杆为机架时，得到双摇杆机构。3、什么是连杆机构的急回特性？如何来衡量急回特性？什么叫极位夹角，它和机构的急回特性有什么关系？解答：原动件曲柄匀速转动时，执行从动件往复运动。当执行从动件往复运动的平均速度（或角速度）不相等时，如工作行程慢，空回行程快，这种特性就称为急回特性。急回特性是用行程速比系数K来衡量的。速度角均执行从动件工作行程平速度角均执行从动件空回行程平)()(K极位夹角：执行从动件往复运动过程中，所处两个极限位置时，对应原动件曲柄相应所处两个位置所夹的锐角称为极位夹角，用来表示。它和急回特性的关系是通过它和行程速比系数K的关系来描述的：1K1-K1804、在如图所示的铰链四杆机构中，各杆件长度分别为lAB=28mm，lBC=70mm，lCD=50mm，lAD=72mm。(1)若取AD为机架，重新作图求该机构的极位夹角，杆CD的最大摆角；(2)若取AB为机架，该机构将演化为何种类型的机构？为什么？请说明这时C，D两个转动副是整转副还是摆转副？ADCB6解答：（1）取比例尺l，画出机构的极限位置及传动角的极值位置图，分别如图（a）和（b）所示。由图上量得7113。（2）由于CDBCADABllll，故存在曲柄。又由于AB为最短杆，故机构演化为双曲柄机构，C，D都是摆转副。5、如图所示机构，已知：a=150mm，b=155mm，c=160mm，d=100mm，e=350mm。试分析当构件AB为主动件，滑块E为从动件时，机构是否有急回特性(如果存在急回特性，重新作图求出行程速比系数K)？如主动件改为构件CD时，情况有无变化？试用作图法说明之。解答：（1）铰链四杆机构ABCD为双曲柄机构。先由曲柄滑块机构DCE求得滑块E的两个极限位置1E和2E，相对应得到铰链C的两个位置为1C和2C。再由铰链四杆机构ABCD可求出相对应的铰链B的两个位置1B和2B，即得执行从动件滑块处于两个极限位置时，曲柄AB相应所处的两个位置1AB和2AB。1AB和2AB所夹的锐角，就是极位夹角，如右上图所示。因极位夹角0，因此该机构存在急回特性。（2）当构件CD为主动件时，机构为DCE对心曲柄滑块机构，所以滑块E在运动过程中无急回特性。6、什么是连杆机构的压力角和传动角？四杆机构(铰链四杆机构和曲柄滑块机构)的最大压力角发生在什么位置？解答：连杆机构的压力角a是执行从动件上某点所受驱动力与力作用点速度所夹的锐角。传动角是压力角a的余角，即a90。四杆机构的最大压力角发生在曲柄位于与两个固定铰链连线重合的位置。曲柄与固定铰链连线重合有两个位置，比较这两个位置机构的压力角，其中较大的一个就是机构的最大压力角。7、什么是连杆机构的“死点位置”，在什么情况下机构会出现“死点位置”？解答：在机构运动过程中，当机构处于某些位置时，由于作用在执行从动件上的驱动力的有效分力为零（此时机构的压力角为90°），从动件无驱动其运动的力矩或力，此时机构不能运动，称此位置为机构的死点位置。当执行从动件和连杆共线时，机构将发生“死点”。对于曲柄摇杆机构，摇杆为原动件，且处于极限位置时，机构处于“死点位置”；对于曲柄滑块机构，当以摇杆为原动件，且处于极限位置时，机构处于“死点位置”；7对于摆动导杆机构，当导杆为原动件，且处于极限位置时，机构处于“死点位置”。8、如图所示的偏置曲柄滑块机构ABC，已知偏距为e。试：(1)在题图上标出机构在该位置时的压力角和传动角；(2)重新作图标出极位夹角；(3)重新作图标出最小传动角min。解答：9、如图所示为开关的分合闸机构。试确定：(1)AB为主动件时，在图上标出机构在虚线位置时的压力角和传动角；(2)分析机构在实线位置（合闸）时，在触头接合力Q作用下机构会不会打开，为什么？解答：（1）如右图所示。（2）此时CD杆是主动件，机构处于死点位置，C点的约束反力通过B点和A点，执行从动件AB上无驱动力矩存在，因此机构不能自动打开。10、试求出图示各机构的全部瞬心。解答：811、在图所示的机构中，已知曲柄2顺时针方向匀速转动，角速度1002rad/s，长度比例尺m/mm001.0l，试求在图示位置导杆4的角速度4的大小和方向。解答：因已知曲柄2的运动，而所求构件4的运动，所以要求取构件2和4的瞬心24P。根据瞬心的性质，得142441224224PPPPP所以1424122424PPPP方向顺时针运动。12、在如图所示的机构中，已知原动件1以匀角速度102rad/s沿逆时针方向转动，长度比例尺m/mm001.0l，试确定机构在图示位置时：(1)全部瞬心；(2)构件3的速度3v。解答：因为构件1的运动为已知，而要求的是构件3的速度，所以应用瞬心13P来求得构件3的速度为lPPPvv14131313，方向向上13、在飞机起落架所用的铰链四杆机构中，已知连杆的两位置如图所示，要求连架杆AB的铰链A位于B1C1的连