第4章作业
4-1何谓机构的动态静力分析?对机构进行动态静力分析的步骤如何?
4-2何谓质量代换法?进行质量代换的目的何在?动代换和静代换各应满足什么条件?各有何优缺点?静代换两代换点与构件质心不在一直线上可以吗?
4-3何谓平衡力与平衡力矩?平衡力是否总是驱动力?
4-4构件组的静定条件是什么?基本杆组都是静定杆组吗?
4-5采用当量摩擦系数f v及当量摩擦角φv，的意义何在?当量摩擦系数f v与实际摩擦系数f 不同，是因为两物体接触面几何形状改变，从而引起摩擦系数改变的结果，对吗?
4-6在转动副中，无论什么情况，总反力始终应与摩擦圆相切的论断正确否?为什么?
4-7机械效益△是衡量机构力放大程度的一个重要指标。其定义为在不考虑摩擦的条件下机构的输出
4-13图示为一曲柄滑块机构的三个位置，F为作用在活塞上的力，转动副A及曰上所画的虚线小圆为摩擦圆。试决定在此三个位置时作用在连杆AB上的作用力的真实方向(构件重量及惯性力略去不计)。
解: 图（a）中，在不考虑摩擦时，R12和R3 2应通过AB连线，且AB杆受压。在记及摩擦时，作用力应切于摩擦圆。因在转动副A处构件1．2之间的夹角逐渐减小，故为逆时针转向。又由于杆2受压，因此R12切于摩擦圆的下方；而在转动副B处，构件2、3之间的夹角逐渐减小，ω32为逆时针转向，R32应切于摩擦圆的上方。构件2在R12和R32作用下仍处于平衡状态，故此二力共线，即它们的作用线应切于A点摩擦圆的下方和B点摩擦圆的上方。
图(b)中分析同(a)。
图(c)中在不考虑摩擦时AB扦受拉。构件l、2之间的夹角逐渐增大ω12为逆时针转向，杆2受拉R12切于A点摩擦圆的上方；ω32为逆时针转向．杆2受拉R32切于B点摩擦圆的下方，R12和R32共线，如图(c)所示。
3 凸轮机构 1．【答】 根据形状，可分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮三类。 基本组成部分有凸轮、从动件和机架三个部分。 凸轮与从动件之间的接触可以通过弹簧力、重力或凹槽来实现。 2．【答】 从动件采用等速运动规律时，运动开始时，速度由零突变为一常数，运动终止时，速度由常数突变为零，因此从动件加速度及惯性力在理论上为无穷大（由于材料有弹性变形，实际上不可能达到无穷大），使机构受到强烈的冲击。这种由于惯性力无穷大突变而引起的冲击，称为刚性冲击。 从动件运动时加速度出现有限值的突然变化，产生惯性力的突变，但突变是有限的，其引起的冲击也是有限的，这种由于加速度发生有限值突变而引起的冲击称为柔性冲击。等加速等减速运动规律和简谐运动规律都会产生柔性冲击。 3．【答】应注意的问题有： 1）滚子半径：必须保证滚子半径小于理论轮廓外凸部分的最小曲率半径；在确保运动不失真的情况下，可以适当增大滚子半径，以减小凸轮与滚子之间的接触应力； 2）校核压力角：进行为了确保凸轮机构的运动性能，应对凸轮轮廓各处的压力角进行校核，检查其最大压力角是否超过许用值。如果最大压力角超过许用值，一般可以通过增加基圆半径或重新选择从动件运动规律； 3）合理选择基圆半径：凸轮的基圆半径应尽可能小些，以使所设计的凸轮机构可能紧凑，但基圆半径越小，凸轮推程轮廓越陡峻，压力角也越大，致使机构工作情况变坏。基圆半径过小，压力角就会超过许用值，使机构效率太低，甚至发生自锁。 4．【答】绘制滚子从动件凸轮轮廓时，按反转法绘制的尖顶从动件的凸轮轮廓曲线称为凸轮的理论轮廓。由于滚子从动件的中心真实反映了从动件的运动规律和受力状况，因此基圆半径和压力角应在理论轮廓上量取。
第四章 摩擦、磨损及润滑概述 4－1（略） 4－2答： 膜厚比λ是指两滑动表面间的最小公称油膜厚度与两表面轮廓的均方根偏差的比值，边界摩擦状态时λ≤1，流体摩擦状态时λ＞3，混合摩擦状态时1≤λ≤3。 4－3（略） 4－4答： 润滑剂的极性分子吸附在金属表面上形成的分子膜称为边界膜。边界膜按其形成机理的不同分为吸附膜和反应膜，吸附膜是由润滑剂的极性分子力（或分子的化学键和力）吸附于金属表面形成的膜，反应膜是由润滑剂中的元素与金属起化学反应形成的薄膜。 在润滑剂中加入适量的油性添加剂或极压添加剂，都能提高边界膜强度。 4－5答： 零件的磨损过程大致分为三个阶段，即磨合阶段、稳定磨损阶段以及剧烈磨损阶段。 磨合阶段使接触轮廓峰压碎或塑性变形，形成稳定的最佳粗糙面。磨合是磨损的不稳定阶段，在零件的整个工作时间内所占比率很小。稳定磨损阶段磨损缓慢，这一阶段的长短代表了零件使用寿命的长短。剧烈磨损阶段零件的运动副间隙增大，动载荷增大，噪声和振动增大，需更换零件。 4－6答： 根据磨损机理的不同，磨损分为粘附磨损，磨粒磨损，疲劳磨损，冲蚀磨损，腐蚀磨损和微动磨损等，主要特点略。 4－7答： 润滑油的粘度即为润滑油的流动阻力。润滑油的粘性定律：在液体中任何点处的切应力均与该处流体的速度梯度成正比（即y u ??=ητ－ ）。 在摩擦学中，把凡是服从粘性定律的流体都称为牛顿液体。 4－8答： 粘度通常分为以下几种：动力粘度、运动粘度、条件粘度。 按国际单位制，动力粘度的单位为Pa ·s （帕·秒），运动粘度的单位为m 2/s ，在我国条件粘度的单位为E t （恩氏度）。运动粘度νt 与条件粘度ηE 的换算关系见式（4－5）；动力粘度η与运动粘度νt 的关系见式（4－4）。 4－9答： 润滑油的主要性能指标有：粘度，润滑性，极压性，闪点，凝点，氧化稳定性。润滑脂的主要性能指标有：锥入度（稠度），滴点。 4－10答： 在润滑油和润滑脂中加入添加剂的作用如下： 1） 提高润滑油的油性、极压性和在极端工作条件下更有效工作的能力。 2） 推迟润滑剂的老化变质，延长润滑剂的正常使用寿命。 3） 改善润滑剂的物理性能，例如降低凝点，消除泡沫，提高粘度，改善其粘－温特性等。 4－11答： 流体动力润滑是利用摩擦面间的相对运动而自动形成承载油膜的润滑。 流体静力润滑是从外部将加压的油送入摩擦面间，强迫形成承载油膜的润滑。 流体静力润滑的承载能力不依赖于流体粘度，故能用低粘度的润滑油，使摩擦副既有高的承载能力，又有低的摩擦力矩。流体静力润滑能在各种转速情况下建立稳定的承载油膜。
《机械设计基础》作业答案 第一章平面机构的自由度和速度分析1－1 1－2 1－3 1－4 1－5
自由度为： 1 1 19 21 1 )0 1 9 2( 7 3 ' )' 2( 3 = -- = - - + ? - ? = - - + - =F P P P n F H L 或： 1 1 8 2 6 3 2 3 = - ? - ? = - - = H L P P n F 1－6 自由度为 1 1 )0 1 12 2( 9 3 ' )' 2( 3 = - - + ? - ? = - - + - =F P P P n F H L 或： 1 1 22 24 1 11 2 8 3 2 3 = -- = - ? - ? = - - = H L P P n F 1－10
自由度为： 1 128301)221142(103')'2(3=--=--?+?-?=--+-=F P P P n F H L 或： 1 22427211229323=--=?-?-?=--=H L P P n F 1－11 2 2424323=-?-?=--=H L P P n F 1－13：求出题1-13图导杆机构的全部瞬心和构件1、3的角速度比。 1334313141P P P P ?=?ωω
1 1314133431==P P ω 1－14：求出题1-14图正切机构的全部瞬心。设s rad /101=ω，求构件3的速度3v 。 s mm P P v v P /20002001013141133=?===ω 1－15：题1-15图所示为摩擦行星传动机构，设行星轮2与构件1、4保持纯滚动接触，试用瞬心法求轮1与轮2的角速度比21/ωω。 构件1、2的瞬心为P 12 P 24、P 14分别为构件2与构件1相对于机架的绝对瞬心 1224212141P P P P ?=?ωω
精品 机械设计基础课后习题解答参考 1-2题 ,7,5===h l P P n 107253=-?-?=F 机构有1个主动构件，所以机构有确定运动。 1-3题 1,11, 8===h l P P n 1111283=-?-?=F 机构有1个主动构件，所以机构有确定运动。 1-4题 0,11, 8===h l P P n 2011283=-?-?=F 机构有2个主动构件，所以机构有确定运动。 1-5题 1,8, 6===h l P P n 118263=-?-?=F 机构有1个主动构件，所以机构有确定运动。 2-1题 （a ）双曲柄机构； （b ）曲柄摇杆机构； （c ）双摇杆机构； （d ）双摇杆机构。 2-2题 0≠e 时，曲柄条件：e l l BC AB -<； 0=e 时， 曲柄条件：BC AB l l <。 2-4题
精品 极位夹角 ?=+-??=+-?=3636.161 2.11 2.118011180K K θ
精品 2-7题 极位夹角?=+-??=+-? =361 5.11 5.118011180K K θ 3-2题
精品 4-1题 m z m h z d a a )2()2(* +=+= 所以 25.2100 225 2== +=z d m a mm 主要几何尺寸计算（略）。 4-2题略 4-3题 分锥角 "43'25684287.6817 43arctan arctan 122?=?===z z δ "17'34215713.2190221?=?=-?=-∑=δδδ 分度圆 5117311=?==mz d mm ； 12943322=?==mz d mm 齿顶圆 580.565713.21cos 3251cos 2111=???+=+=δm d d a mm 206.1314287.68cos 32129cos 2222=???+=+=δm d d a mm 齿根圆 304 .445713.21cos 34.251cos 4.2111=???-=-=δm d d f mm 353.1264287.68cos 34.2129cos 4.2222=???-=-=δm d d f mm 锥距 358.6943172 32222 221=+?=+= z z m R mm 齿顶角 "44'4237122.3358.693 arctan arctan ?=?===R h a a θ 齿根角 " 7'2744519.4358 .696 .3arctan arctan ?=?===R h f f θ
12 带 传 动13 链 传 动14 轴15 滑 动 轴 承16 滚 动 轴 承 17 联轴器、离合器及制动器 1、【答】由公式 αα f f ec e e F F /11/1120+-= 影响带传动工作能力的因素有： （1） 预紧力：预紧力越大，工作能力越强，但应适度，以避免过大拉应力； （2） 包角：包角越大越好，一般不小于120度； （3） 摩擦系数：摩擦系数越大越好。 2、【答】由公式A c 2 υσ=可知，为避免过大的离心拉应力，带速不宜太高； 1） 由公式（12-6），带传动的圆周力 υP F 1000= 由公式（12-8），紧边拉力 υ P F F F F 10002001+=+= 因此，为避免紧边的拉应力 A F 11= σ 过大，带速不宜太低。 3、【答】 带传动中的弹性滑动是由于带松边和紧边拉力不同，导致带的弹性变形并引起带与带轮之间发生相对微小滑动产生的，是带传动固有的物理现象。弹性滑动会使带产生磨损，并且使从动轮转速小于主动轮转速。 带传动中由于工作载荷超过临界值并进一步增大时，带与带轮间将产生显著的相对滑动，这种现象称为打滑。打滑将使带的磨损加剧，从动轮转速急剧降低，甚至使传动失效，这种情况应当避免。 4、【答】带传动的主要失效形式是打滑和疲劳破坏。 带传动的设计准则是在保证带传动不打滑的条件下，具有一定的疲劳强度和寿命。 13 链 传 动
2 1、【答】链传动优点与属于摩擦传动的带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保证准确的平均传动比，传动效率较高；又因链条不需要像带那样张得很，所以作用于轴上的径向压力较小；在同样的条件下，链传动结构较为紧凑。同时链传动能在高温和低温的情况下工作。 2、【答】链传动运动中由于链条围绕在链轮上形成了正多边形，造成了运动的不均匀性，称为链传动的多边形效应。这是链传动固有的特性。 减轻链传动多边形效应的主要措施有： 1） 减小链条节距； 2） 增加链轮齿数； 3） 降低链速。 3、【答】滚子链传动的主要失效形式为： 1）链的疲劳破坏：链在工作时，周而复始地由松边到紧边不断运动着，因而它的各个元件都是在变应力作用下工作，经过一定循环次数后，链板将会出现疲劳断裂，或者套筒、滚子表面将会出现疲劳点蚀（多边形效应引起的冲击疲劳）。 2）链条铰链的磨损：链条在工作过程中，由于铰链的销轴与套筒间承受较大的压力，传动时彼此又产生相对转动,导致铰链磨损,使链条总长伸长,从而使链的松边垂度变化,增大动载荷,发生振动,引起跳齿,加大噪声以及其它破坏,如销轴因磨损削弱而断裂等。 3）链条铰链的胶合：当链轮转速高达一定数值时，链节啮入时受到的冲击能量增大，销轴和套筒间润滑油被破坏，使两者的工作表面在很高的温度和压力下直接接触，从而导致胶合。因此，胶合在一定程度上限制了链的传动的极限转速。 4）链条静力拉断：低速（6.0<υm/s ）的链条过载，并超过了链条静力强度的情况下，链条就会被拉断。 14 轴 1、【答】 工作中只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴称为传动轴。只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴。既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴。 自行车的前轴和后轴属于心轴，中轴属于转轴。 2、【答】轴的常用周向定位方式有：键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等。 轴的常用轴向定位方式有：轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等。 3、【答】轴的强度不足时，可采取：增大轴的直径；改变材料类型；增大过渡圆角半径；对轴的表面进行热处理和表面硬化加工处理；提高表面加工质量；用开卸载槽等方法降低过盈配合处的应力集中程度；改进轴的结构形状等措施。 刚度不足时只能采取增大轴径，改变轴外形等措施。 6、
机械设计第四章作业 姓名：学号：成绩： 一、选择题： 1、零件受对称循环应力时，对于塑性材料应取作为材料的极限。 A.材料的抗拉强度 B.材料的屈服极限 C.材料的疲劳极限 D.屈服极限除以安全系数 2、零件的截面形状一定时，当截面尺寸增大，其疲劳极限将随之。 A,增高B,不变C,降低D,无法判断 3、由试验知，有效应力集中、绝对尺寸和表面状态只对有影响。 A.应力幅 B.平均应力 C.应力幅和平均应力 4、两相对滑动的接触表面，依靠吸附油膜进行润滑的摩擦状态称为 A,干摩擦B,边界摩擦C,混合摩擦D,液体摩擦 5、现在把研究有关摩擦，磨损与润滑的科学与技术统称为_____。 A 摩擦理论 B 磨损理论 C 润滑理论D摩擦学 6. 两相对滑动的接触表面，依靠吸附的油膜进行润滑的摩擦状态称为______。A液体摩擦B 干摩擦C混合摩擦D边界摩擦 7.为了减轻摩擦副的表面疲劳磨损，下列措施中________不是正确的措施。 A 合理选择表面粗糙度 B 合理选择润滑油粘度 C 合理选择表面硬度 D合理控制相对滑动速度 8.当压力加大时，润滑油的粘度_____。 A 随之加大 B 随之降低 C 保持不变D升高或降低视润滑油性质而定 9 运动粘度ν的c·g·s制（绝对单位制）单位为_________。 A.m2/s B.斯（St） C.厘泊（cP） D.帕·秒（Pa·s） 10 我国常用的相对粘度（条件粘度）的单位为_________。 A.m2/s B.厘斯（cSt） C.厘泊（cP） D.恩氏粘度（oE） 11 当压力加大时，润滑油的粘度_________。 A随之加大B保持不变C随之减小 D增大还是减小或不变，视润滑油性质而定
7-1解：（1）先求解该图功的比例尺。 （2 ）求最大盈亏功。根据图7.5做能量指示图。将和曲线的交点标注， ，，，，，，，。将各区间所围的面积分为盈功和亏功，并标注“+”号或“-” 号，然后根据各自区间盈亏功的数值大小按比例作出能量指示图（图7.6）如下：首先自向上做 ，表示区间的盈功；其次作向下表示区间的亏功；依次类推，直到画完最后一个封闭 矢量。由图知该机械系统在区间出现最大盈亏功，其绝对值为： （3 ）求飞轮的转动惯量 曲轴的平均角速度：； 系统的运转不均匀系数：； 则飞轮的转动惯量：
图7.5图7.6 7-2 图7.7 图7.8 解：（1）驱动力矩。因为给定为常数，因此为一水平直线。在一个运动循环中，驱
动力矩所作的功为，它相当于一个运动循环所作的功，即： 因此求得： （2）求最大盈亏功。根据图7.7做能量指示图。将和曲线的交点标注， ，，。将各区间所围的面积分为盈功和亏功，并标注“+”号或“-”号，然后根据各自区间盈亏 功的数值大小按比例作出能量指示图（图7.8）如下：首先自向上做，表示区间的盈功； 其次作向下表示区间的亏功；然后作向上表示区间的盈功，至此应形成一个封闭区间。 由图知该机械系统在区间出现最大盈亏功。 欲求，先求图7.7中的长度。如图将图中线1和线2延长交于点，那么在中， 相当于该三角形的中位线，可知。又在中，，因此有： ，则
根据所求数据作出能量指示图，见图7.8，可知最大盈亏功出现在段，则 。 （3）求飞轮的转动惯量和质量。 7-3解：原来安装飞轮的轴的转速为，现在电动机的转速为，则若将飞轮 安装在电动机轴上，飞轮的转动惯量为： 7-4解：（1）求安装在主轴上飞轮的转动惯量。先求最大盈亏功。因为是最大动能与最小 动能之差，依题意，在通过轧辊前系统动能达到最大，通过轧辊后系统动能达到最小，因此： 则飞轮的转动惯量： （2）求飞轮的最大转速和最小转速。
4-1试述凸轮机构的工作过程？ 答：1.推程凸轮转过推程运动角δt。从动件在推程做功，称为工作行程。 2.静止在最远点凸轮继续转动，从动件停留在远离凸轮轴心的位置，称为远休止，凸轮转过远休止角。 3.回程凸轮继续转动，从动件在其重力或弹簧力作用下由最远点回到最近点，这一行程称为回程，凸轮转过回程运动角。从动件在回程中不作功，称为空回行程。 4.静止在最远点凸轮继续转动，从动件停留在离凸轮轴心最近位置A，称为近休止，凸轮转过近休止角。 4-2 凸轮机构常用的从动件运动规律中，哪些产生刚性冲击？哪些产生柔性冲击？如何选择？ 答：等速运动规律产生刚性冲击，这种运动规律不宜单独使用。 等加速等减速运动规律和简谐运动规律产生柔性冲击，这种运动规律适用于中速凸轮机构。 4-3 已知凸轮机构从动件的运动规律，如表题4-3所示，绘制从动件的位移线图。解：1.将横坐标代表δh的线段分为若干等份，等分点为3、4、5、6、7、8、9、10。 2.在δh/2处作横坐标的垂线，按一定比例取升程h，将h也分成与横坐标相同的等份，等分点为、3＇、4＇、5＇、6＇、7＇、8＇、9＇、10＇。 3.分别由始点和终点向3＇、4＇、5＇、6＇、7＇、8＇、9＇、10＇联斜线，这些斜线与横坐标各等分点的垂线的交点，即为位移线图的点。 4.将这些交点连成圆滑的曲线，即得位移线图。 4-4 已知从动件位移线图如图，设计一对心直动尖顶从动件盘形凸轮的轮廓曲线。已知其基圆半径r min=40 mm，凸轮顺时针转动。 解：1.选取适当的比例尺υ，以r min为半径作基圆。基圆与导路的交点B0为从动件尖顶的起始位置。 2.在基圆上，自开始沿的相反方向依次取推程运动角β1、远休止角β＇、回程运动角β及近休止角β＇＇，并将β1和β2各分成与位移线图对应的若干等分，得基圆上各点B‘1、2 B‘2、B‘3…。连接各径向线O B‘1、O B‘2…得到从动件导路反转后的位置。
第五章螺纹联接和螺旋传动 一、选择题 5—1 螺纹升角ψ增大，则联接的自锁性C，传动的效率A；牙型角 增大，则联接的自锁性A，传动的效率C。 A、提高 B、不变 C、降低 5—2在常用的螺旋传动中，传动效率最高的螺纹是 D 。 A、三角形螺纹 B、梯形螺纹 C、锯齿形螺纹 D、矩形螺纹 5—3 当两个被联接件之一太厚，不宜制成通孔，且需要经常装拆时，往往采用A 。 A、双头螺柱联接 B、螺栓联接 C、螺钉联接 D、紧定螺钉联接 5—4螺纹联接防松的根本问题在于C。 A、增加螺纹联接的轴向力 B、增加螺纹联接的横向力 C、防止螺纹副的相对转动 D、增加螺纹联接的刚度 5—5对顶螺母为A防松，开口销为B防松，串联钢丝为B防松。 A、摩擦 B、机械 C、不可拆 5—6在铰制孔用螺栓联接中，螺栓杆与孔的配合为B。 A、间隙配合 B、过渡配合 C、过盈配合 5—7在承受横向工作载荷或旋转力矩的普通紧螺栓联接中，螺栓杆C作用。 A、受剪切应力 B、受拉应力 C、受扭转切应力和拉应力 D、既可能只受切应力又可能只受拉应力 5—8受横向工作载荷的普通紧螺栓联接中，依靠A来承载。 A、接合面间的摩擦力 B、螺栓的剪切和挤压 C、螺栓的剪切和被联接件的挤压 5—9受横向工作载荷的普通紧螺栓联接中，螺栓所受的载荷为B；受横向工作载荷的铰制孔螺栓联接中，螺栓所受的载荷为A；受轴向工作载荷的普通松螺栓联接中，螺栓所受的载荷是A；受轴向工作载荷的普通紧螺栓联接中，螺栓所受的载荷是D。 A、工作载荷 B、预紧力 C、工作载荷+预紧力 D、工作载荷+残余预紧力 E、残余预紧力 5—10受轴向工作载荷的普通紧螺栓联接。假设螺栓的刚度C b与被联接件的刚度C 相等，联接的预紧力为F0，要求受载后接合面不分离，当工作载荷F等于预紧力F0 m 时，则D。 A、联接件分离，联接失效 B、被联接件即将分离，联接不可靠 C、联接可靠，但不能再继续加载 D、联接可靠，只要螺栓强度足够，工作载荷F还可增加到接近预紧力的两倍 5—11重要的螺栓联接直径不宜小于M12，这是因为C。 A、要求精度高 B、减少应力集中 C、防止拧紧时过载拧断 D、便于装配
机械设计基础习题参考答案 机械设计基础课程组编 武汉科技大学机械自动化学院
第2章 平面机构的自由度和速度分析 2-1画运动简图。 2-2 图2-38所示为一简易冲床的初拟设计方案。设计者的思路是：动力由齿轮1输入，使轴A 连续回转；而固装在轴A 上的凸轮2与杠杆3组成的凸轮机构将使冲头4上下运动以达到冲压的目的。 4 3 5 1 2 解答：原机构自由度F=3?3- 2 ?4-1 = 0，不合理 ，
2-3 试计算图2-42所示凸轮—连杆组合机构的自由度。 b) a) A E M D F E L K J I F B C C D B A 解答：a) n=7; P l=9; P h=2，F=3?7-2 ?9-2 =1 L处存在局部自由度，D处存在虚约束 b) n=5; P l=6; P h=2，F=3?5-2 ?6-2 =1 E、B处存在局部自由度，F、C处存在虚约束2-4 试计算图2-43所示齿轮—连杆组合机构的自由度。 B D C A (a) C D B A (b) 解答：a) n=4; P l=5; P h=1，F=3?4-2 ?5-1=1 A处存在复合铰链 b) n=6; P l=7; P h=3，F=3?6-2 ?7-3=1 B、C、D处存在复合铰链 2-5 先计算如图所示平面机构的自由度。并指出图中的复合铰链、局部自由度和虚约束。
A B C D E 解答： a) n=7; P l =10; P h =0，F=3?7-2 ?10 = 1 C 处存在复合铰链。 b) n=7; P l =10; P h =0，F=3?7-2 ?10 = 1 B D E C A c) n=3; P l =3; P h =2，F=3?3 -2 ?3-2 = 1 D 处存在局部自由度。 d) n=4; P l =5; P h =1，F=3?4 -2 ?5-1 = 1 A B C D E F G G' H A B D C E F G H I J e) n=6; P l =8; P h =1，F=3?6 -2 ?8-1 = 1 B 处存在局部自由度，G 、G'处存在虚约束。 f) n=9; P l =12; P h =2，F=3?9 -2 ?12-2 = 1 C 处存在局部自由度，I 处存在复合铰链。
机械设计基础课程形成性考核作业（一） 第1章静力分析基础 1．取分离体画受力图时，__CEF__力的指向可以假定，__ABDG__力的指向不能假定。 A．光滑面约束力B．柔体约束力C．铰链约束力D．活动铰链反力E．固定端约束力F．固定端约束力偶矩G．正压力 2．列平衡方程求解平面任意力系时，坐标轴选在__B__的方向上，使投影方程简便；矩心应选在_FG_点上，使力矩方程简便。 A．与已知力垂直B．与未知力垂直C．与未知力平行D．任意 E．已知力作用点F．未知力作用点G．两未知力交点H．任意点 3．画出图示各结构中AB构件的受力图。 4．如图所示吊杆中A、B、C均为铰链连接，已知主动力F＝40kN,AB＝BC＝2m,α＝30?.求两吊杆的受力的大小。
∑=0 Fx 又因为AB=BC α α 答：当机构的原动件数等于自由度数时，机构具有确定的运动 2．什么是运动副？什么是高副？什么是低副？ 答：使两个构件直接接触并产生一定相对运动的联接，称为运动副。以点接触或线接触的运动副称为高副，以面接触的运动副称为低副。 3．计算下列机构的自由度，并指出复合铰链、局部自由度和虚约束。
（1）n ＝7，P L ＝10，P H ＝0 （2）n ＝5，P L ＝7，P H ＝0 H L P P n F --=23 H L P P n F --=23 =10273?-? =7253?-? 1= 1= C 处为复合铰链 （3）n ＝7，P L ＝10，P H ＝0 （4）n ＝7，P L ＝9，P H ＝1 H L P P n F --=23 H L P P n F --=23 =10273?-? =19273-?-? 1= 2= E 、E ’有一处为虚约束 F 为局部自由度
0 绪论 1．【答】 机器的共同特征是：（1）它们是一种人为实物的组合；（2）各部分之间形成各个运动单元，且各单元之间具有确定的相对运动；（3）在生产过程中能完成有用的机械功（如：机床的切削加工）或转换机械能（如：内燃机、电动机）。 机构的共同特征是：（1）它们是一种人为实物的组合；（2）它们各部分之间形成各个运动单元，且各单元之间具有确定的相对运动。如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构。 机器与机构的区别是前者在生产过程中能完成有用的机械功或转换机械能。 2．【答】 构件与零件的区别是：构件是运动的单元，而零件是制造的单元。 零件的实例有：齿轮，键，轴，弹簧。 构件的实例有：连杆，齿轮、键、轴组成的装配体。 3、【答】 在各种机器中经常能用到的零件称为通用零件。如螺钉、齿轮、弹簧、链轮等。 在特定类型的机器中才能用到的零件称为专用零件。如汽轮机的叶片、内燃机的活塞、曲轴等。
1 平面机构及其自由度 1．【答】 运动副是由两构件直接接触形成的一种可动联接。 面接触的运动副称为低副，点接触或线接触的运动副称为高副。 在平面机构中低副引入2个约束，高副引入1个约束。 低副容易加工制造，并且承载能力大。 2．【答】 机构具有确定运动的条件是：机构的自由度大于0，且机构的原动件数等于机构的自由度数。 若不满足这一条件，机构会出现三种情况： （1）当机构的自由度数大于原动件数时，从动件的运动不确定； （2）当机构的自由度大于0，但小于原动件数时，会发生运动干涉而破坏构件； （3）当机构的自由度小于或等于0时，不能形成机构，是不能产生相对运动的静定或超静定刚性结构。 3．【答】 机构的自由度是指机构中各构件相对于机架所具有的独立运动数目。 计算自由度时应注意：（1）复合铰链；（2）局部自由度；（3）虚约束。 4．【a解】Array活动构件数5 n,低副数量7 = P，高副数量 = L = P，故自由度为 H - ? F ? = 3= 1 - 7 2 5 该机构无复合铰链、局部自由度和虚约束。 a）
答：先按单向应力分别计算出 ：SS 第三章机械零件的强度 3—26在双向稳定变应力下工作的零件，怎样进行疲劳强度的计算 三、分析与思考题 3—23图示各零件均受静载荷作用，试判断零件上 定应力比r 的大小或范 A 点的应力是静应力还是变应力，并确 静应力 题3— 23图 r= +1 [F r A 对称 循环应 力 Fa ―n r|F I d 1 A S- 非对称 循环应力 -1 S S 再由：Sc^ -^== [S] J s2S2 四、设计计算题 3—27某材料的对称循环弯曲疲劳极限应力 7 B=750Mpa，循环基数N O=5X 10 6, X 107次时的极限应力。 检验。 解：1N1 5 106 5 104 1 (5 106 (5 106 1 1 1N2 1N3 1 350M Pa (T m=9, -1=350Mpa ,疲劳极限7 S=550Mpa ,强度极限试求对 称循环次数 583.835MPa 452.04MPa 1N i (T N分别为5X 104、5X 105、5 1N 1 s 550 MPa N3>N O,塑性材料，已进入无限寿命区，所以取 因为: 1 N 3 1 题3—28图3—28某零件如图所示，材料的强度极限7 B=650Mpa,表面精车，不进行强化处理。试确D/d 48/40 1.2 r/d 3/40 0.075 2.09 空Z 0.035 0.1 0.04 1.82 1.6724 附图3- 2 附图3-4 所以：k 1.66 1.33 1.66 ---------- 0.035 1.4675 0.1 0.44 0.73 附图3-3 0.84 1.3927 0.85 零件不强化处理q 1.6724 (0.73 1.3927 (0.85 1 0.84 1 0.84 1 ) 1) 3—29某轴只受稳定交变应力的作用，工作应力性能( T 2.4814 1.82889 max=240MPa, 7 min =-40MPa。材料的机械 7 -1=450MPa,7 s=800MPa, 7 o=7OOMpa ,轴上危险截面处的k ⑴绘制材料的简化极限应力图； < 7 ￡ 7=,3 7=1,3 q=1。 《机械设计原理》作业参考答案 作业一 一、填空题: 1.零件 2.通用零件专用零件 3.零件构件 4.直接接触可动 5.运动副构件传递运动和力 6.主动构件从动构件机架 7.平面高副平面低副 8.机器机构 二、判断题： 1.× 2.× 3.× 4.√ 5.× 6.× 7.× 三、选择题： 1.C 2.B 3.B 4.D 5.C 6.D 四、综合题： 1.答：机器基本上是由动力部分、工作部分和传动装置三部分组成。动力部分是机器动力的来源。工作 部分是直接完成机器工作任务的部分，处于整个传动装置的终端，其结构形式取决于机器的用途。 传动装置是将动力部分的运动和动力传递给工作部分的中间环节。 2.答：低副是面接触的运动副，其接触表面一般为平面或圆柱面，容易制造和维修，承受载荷时单位面 积压力较低（故称低副），因而低副比高副的承载能力大。低副属滑动磨擦，摩擦损失大，因而效率较低；此外，低副不能传递较复杂的运动。 高副是点或线接触的运动副，承受载荷时单位面积压力较高（故称高副），两构件接触处容易磨损，寿命短，制造和维修也较困难。高副的特点是能传递较复杂的运动。 3.答：机构运动简图能够表达各构件的相对运动关系、揭示机构的运动规律和特性。其绘制步骤如下： （1）分析机构运动，确定构件数目。（2）确定运动副的类型和数量。（3）确定视图平面。 （4）徒手画草图并测量各运动副之间的相对位置。 （5）选择适当的长度比例尺μl= a mm／mm，并将实长换算为图长。（6）完成机构运动简图。 作业二 一、填空题： 1.转动副 2. 2 1 1 3.曲柄摇杆双曲柄双摇杆 4.双曲柄 5.曲柄滑块 6.转动导杆 7.对心曲柄滑块偏置曲柄滑块 8.整周转动往复直线移动 9.转动导杆摆动导杆 10.工作行程比空回行程所需时间短 11.凸轮从动件机架 12.低高 13.高副预期 14.盘形凸轮移动凸轮 15.尖顶滚子平底 二、判断题： 1.× 2.× 3.√ 4.× 5.× 6.√ 7.√ 8.× 9.× 10.√ 11．√ 12.× 13.× 14.× 15.× 16.√ 17.√ 18.√ 19.√ 20.√ 三、选择题： 1.B 2.A 3.D 4.A 5.A 6.D 7.A 8.A 9.A 10.C 四、综合题： 机械设计基础 1-5至1-12 指出（题1-5图~1-12图）机构运动简图中的复合铰链、局部自由度和虚约束，计算各机构的自由度，并判断是否具有确定的运动。 1-5 解 F =H L P P n --23=18263-?-?=1 1-6 解F =H L P P n --23=111283-?-?=1 1-7 解F =H L P P n --23=011283-?-?=2 1-8 解F =H L P P n --23=18263-?-?=1 1-9 解F =H L P P n --23=24243-?-?=2 1-10 解F =H L P P n --23=212293-?-?=1 1-11 解F =H L P P n --23=24243-?-?=2 1-12 解F =H L P P n --23=03233-?-?=3 2-1 试根据题2-1图所标注的尺寸判断下列铰链四杆机构是曲柄摇杆机构、双曲柄机构还是双摇杆机构。 题2-1图 答 : a ）160907015011040=+<=+，且最短杆为机架，因此是双曲柄机构。 b ）1707010016512045=+<=+，且最短杆的邻边为机架，因此是曲柄摇杆机构。 c ）132627016010060=+>=+，不满足杆长条件，因此是双摇杆机构。 d ）1909010015010050=+<=+，且最短杆的对边为机架，因此是双摇杆机构。 2-3 画出题2-3图所示个机构的传动角和压力角。图中标注箭头的构件为原动件。 题2-3图 解： 2-5 设计一脚踏轧棉机的曲柄摇杆机构，如题2-5图所示，要求踏板CD 在水平位置上下各摆10度，且500CD l mm =，1000AD l mm =。（1）试用图解法求曲柄AB 和连杆BC 的长度；（2）用式（2-6）和式（2-6）’计算此机构的最小传动角。 《机械设计基础》作业答案 第一章 平面机构的自由度和速度分析 1－1 1－2 1－3 1－4 1－5 自由度为： 或： 1－6 自由度为 或： 1－10 自由度为： 或： 1－11 1－13：求出题1-13图导杆机构的全部瞬心和构件1、3的角速度比。 1－14：求出题1-14图正切机构的全部瞬心。设s rad /101=ω，求构件3的速度3v 。 1－15：题1-15图所示为摩擦行星传动机构，设行星轮2与构件1、4保持纯滚动接触，试用瞬心法求轮1与轮2的角速度比21/ωω。 构件1、2的瞬心为P 12 P 24、P 14分别为构件2与构件1相对于机架的绝对瞬心 1－16：题1-16图所示曲柄滑块机构，已知：s mm l AB /100=，s mm l BC /250=， s rad /101=ω，求机构全部瞬心、滑块速度3v 和连杆角速度2ω。 在三角形ABC 中， BCA AB BC ∠= sin 45sin 0 ，52sin = ∠BCA ，5 23cos =∠BCA ， 0 45 sin sin BC ABC AC =∠，mm AC 7.310≈ 1－17：题1-17图所示平底摆动从动件凸轮1为半径20=r 的圆盘，圆盘中心C 与凸轮回转中心的距离mm l AC 15=，mm l AB 90=，s rad /101=ω，求00=θ和0180=θ时，从动件角速度2ω的数值和方向。 00=θ时 方向如图中所示 当0180=θ时 方向如图中所示 第二章 平面连杆机构 2-1 试根据题2-1图所注明的尺寸判断下列铰链四杆机构是曲柄摇杆机构、双曲柄机构还是双摇杆机构。 （1）双曲柄机构 （2）曲柄摇杆机构 （3）双摇杆机构 （4）双摇杆机构 2-3 画出题2-3图所示各机构的传动角和压力角。图中标注箭头的构件为原动件。 2-4 已知某曲柄摇杆机构的曲柄匀速转动，极位夹角θ为300，摇杆工作行程需时7s 。试问：（1）摇杆空回程需时几秒？（2）曲柄每分钟转数是多少？ 解：（1）根据题已知条件可得： 工作行程曲柄的转角01210=? 则空回程曲柄的转角02150=? 摇杆工作行程用时7s ，则可得到空回程需时： （2）由前计算可知，曲柄每转一周需时12s ，则曲柄每分钟的转数为 2-5 设计一脚踏轧棉机的曲柄摇杆机构，如题2-5图所示，要求踏板CD 在水平位置上下各摆100，且mm l mm l AD CD 1000,500==。（1）试用图解法求曲柄AB 和连杆BC 的长度；（2）用式（2-6）和式（2-6）＇计算此机构的最小传动角。 解： 以踏板为主动件，所以最小传动角为0度。 2-6 设计一曲柄摇杆机构。已知摇杆长度mm l 1003=，摆角030=ψ，摇杆的行程速比变化系数2.1=K 。（1）用图解法确定其余三杆的尺寸；（2）用式（2-6）和式（2-6）＇ 第一章绪论 1-2 现代机械系统由哪些子系统组成，各子系统具有什么功能？ 答：组成子系统及其功能如下： （1）驱动系统其功能是向机械提供运动和动力。 （2）传动系统其功能是将驱动系统的动力变换并传递给执行机构系统。 （3）执行系统其功能是利用机械能来改变左右对象的性质、状态、形状或位置，或对作业对象进行检测、度量等，按预定规律运动，进行生产或达到其他预定要 求。 （4）控制和信息处理系统其功能是控制驱动系统、传动系统、执行系统各部分协调有序地工作，并准确可靠地完成整个机械系统功能。 第二章机械设计基础知识 2-2 什么是机械零件的失效？它主要表现在哪些方面？ 答：（1）断裂失效主要表现在零件在受拉、压、弯、剪、扭等外载荷作用时，由于某一危险截面的应力超过零件的强度极限发生的断裂，如螺栓的断裂、齿轮轮齿根部的折断等。 （2）变形失效主要表现在作用在零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件产生塑性变形。 （3）表面损伤失效主要表现在零件表面的腐蚀、磨损和接触疲劳。 2-4 解释名词：静载荷、变载荷、名义载荷、计算载荷、静应力、变应力、接触应力。答：静载荷大小、位置、方向都不变或变化缓慢的载荷。 变载荷大小、位置、方向随时间变化的载荷。 名义载荷在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。 计算载荷计算载荷就是载荷系数K和名义载荷的乘积。 静应力不随时间变化或随时间变化很小的应力。 变应力随时间变化的应力，可以由变载荷产生，也可由静载荷产生。 2-6 机械设计中常用材料选择的基本原则是什么？ 答：机械中材料的选择是一个比较复杂的决策问题，其基本原则如下： （1）材料的使用性能应满足工作要求。使用性能包含以下几个方面： ①力学性能 ②物理性能 ③化学性能 （2）材料的工艺性能应满足加工要求。具体考虑以下几点： ①铸造性 ②可锻性 ③焊接性 ④热处理性 ⑤切削加工性 （3）力求零件生产的总成本最低。主要考虑以下因素： ①材料的相对价格 ②国家的资源状况 ③零件的总成本 2-8 润滑油和润滑脂的主要质量指标有哪几项？ 答：衡量润滑油的主要指标有：粘度（动力粘度和运动粘度）、粘度指数、闪点和倾点等。 衡量润滑脂的指标是锥入度和滴度。 绪论作业： 一、单项选择题： 1．以下四种机械零件中不是通用零件的是（） A．齿轮B．带轮C．蜗轮D．叶轮 二、填空题： 1．构件是机构中的运动单元体；零件是机器中的制造单元体。 2．机器的定义是：由零件组成的执行机械运动的装置。用来完成所赋予的功能，如变换或传递能量、物料或信息 三、简答题： 1．机械一般由哪四部分组成？ 密封件、辅助密封件、压紧件、传动件 2．机械零件设计时有哪四个主要要求？ 功能要求、可靠性要求、经济性要求、操作方便和安全要求 3．机械、机器和机构三者有何区别和联系？ 1）他们都是若干人为实体的组合 2)各实体之间具有确定的相对运动 3）能用来代替人们的劳动去实现机械能与其他形式能量之间的转换或做有用的机械功。具备以上（1）（2）两个特征的成为机构。及其与机构的主要区别在于：机器具有运动和能量（而且总包含有机械能）的转换，而机构只有运动的变换。机器由机构组成，机构是机械的运动部分，机构又是有构建组成，构件时机械运动的基本单元体。 4．构件和零件有何区别和联系？ 零件:组成机器的基本单元称为零件 零件是一个产品最小的组成单元，而构件可以是某个产品的某个组成部分，构件可以是一个零件，也可以由多个零件组成。 第一章作业 三：2、何谓运动链？如何使运动链成为机构？ 构件通过运动服连接而成的系统成为运动链。 当运动链具备以下条件时就成为机构： 具有一个机架。 具有足够的给定运动规律的构件。这种构件成为主动件。 4 、在计算机构自由度时，什么是局部自由度？什么是复合铰链？什么是虚约束？ 局部自由度使之机构中某些构件具有的并不影响其他构件运动关系的自由度。由三个或三个以上构件同时在一处用转动副连接，称此结构为复合铰链。某些情况下，机构中有些运动副引入的约束与其他运动副引入的约束相重复，此时，这些运动副对构件的约束，形式上虽然存在而实际上并不起作用，一般把这类约束成为虚约束。 6 、写出平面机构自由度计算公式，并说明式中各符号的意义 F=3n-2P5-P4；n为自由度不为零的运动构件个数；P4高副个数；P5为低副个数。 四：1．计算图1-1所示机构的自由度。（若有复合铰链、局部自由度或虚约束时请加以说明）F=3n-2P5-P4=3X5-2X6-1=2 有复合铰链和虚约束 3、计算图1-3所示机构的自由度。（若有复合铰链、局部自由度或虚约束时请加以说明）F=3n-2P5-P4=3X6-2X7-3=1 有复合铰链和虚约束 4、求图1-4所示实现直线轨迹机构的自由度（若有复合铰链、局部自由度或虚约束时请加 第一章 机械设计的基础知识 一、填空题 1、计算载荷P ca 、名义载荷P 和载荷系数K 的关系式是 ，强度计算时应用 。 2、稳定变应力的一种基本形式是 、 和 循环变应力。 3、当一零件受脉动循环变应力时，其平均应力是其最大应力的 。 4、在静强度条件下，塑性材料的极限应力是 ，而脆性材料的极限应力是 。 5、影响零件疲劳极限的主要因素有 、 ______ 、 ________ 6、某钢材在无限寿命区的对称循环疲劳极限为σ-1＝260MPa ，若此钢材的循环基数N 0=5×105，指数m =9，则循环次数为30000次时的疲劳极限为 。 二、选择题 1、机械设计课程研究的内容只限于 。 （1）专用零件和部件； （2）在高速、高压、环境温度过高或过低等特殊条件下工作的以及尺寸特大或特小的通用零件和部件； （3）在普通工作条件下工作的一般参数的通用零件和部件； （4）标准化的零件和部件。 2、下列四种叙述中 是正确的。 （1）变应力只能由变载荷产生；（2）静载荷不能产生变应力；（3）变应力是由静载荷产生；（4）变应力是由变载荷产生，也可能由静载荷产生。 3、机械零件的强度条件可以写成 。 （1） （2） （3） （4） 4、在进行疲劳强度计算时，其极限应力应为材料的 。 （1）屈服极限；（2）疲劳极限；（3）强度极限：（4）弹性极限。 5、变应力特性max 、min 、m 、a 及r 等五个参数中的任意 来描述。 （1）一个；（2）两个；（3）三个；（4）四个。 7．在图示设计零件的m —a 极限应力简图中，如工作应力点M 所在的0N 线与横轴 []σ σS S ≤[]ττS S ≤[]σσS S ≥[]τ τS S ≥[]σσS S ≥[]τ τS S ≥[]σσS S ≤[]ττS S ≤机械设计原理作业参考答案
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