合工大机械设计基础作业部分答案

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。

5．【解】
6．【解】
①选择合适的比例绘制从动件位移线图，
如图所示
②以基圆半径绘作基圆，绘制从动件尖顶
的起始位置
③将位移线图的推程和回程所对应的转
角分成若干等份
④按照反方向（顺时针方向），与从动件
位移线图各等分相对应，得各个点。

连
结这些点得到机构反转后从动件导路
的各个位置
⑤量取对应的各位移量，得反转后尖顶的
一系列位置点
⑥将各个位置点连成光滑的曲线，得到所
要求的凸轮轮廓。

如图所示。

（注：答案中所绘制图形不准确，供参考。

）
4 齿轮机构
1．【答】
渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件是两轮的模数和压力角必须分别相等。

渐开线斜齿圆柱齿轮的正确啮合条件是两轮的模数和压力角必须分别相等，此外，外啮合时螺旋角大小相同、方向相反；内啮合时螺旋角大小和方向均相同。

2．【答】
用范成法加工齿轮时，若刀具的齿顶线或齿顶圆与啮合线的交点超过被切齿轮的极限点，则刀具的齿顶将切去齿轮齿根渐开线齿廓的一部分，这种现象称为根切现象。

标准齿轮为了避免根切，其齿数z 必须大于或等于不根切的最少齿数min z =2h *a /sin 2α。

标准齿轮为了避免根切，其齿数min z 必须大于或等于不根切的最少齿数。

3．【答】
常见的渐开线齿廓的切齿方法有成形法和范成法两种。

成形法其方法简单，不需要专用机床，但生产率低，精度差，只适用于单件及精度要求不高的齿轮加工。

范成法中广泛采用齿轮滚刀，能连续切削，生产率较高。

4．【答】
沿斜齿轮分度圆上齿廓的任一点切齿轮的法面，该分度圆柱在切面上呈一椭圆。

取标准压力角作一直齿圆柱齿轮，其齿形即可认为近似于斜齿轮的法向齿形。

该直齿圆柱齿轮称为斜齿轮圆柱齿轮的当量齿轮，其齿数称为当量齿数，用z v 表示，计算公式为
β
ρ3cos 2z
m z n v ==
5．【解】
11
7
5535cos ===
k b k r r α 48.5011
7
arccos
==k α 43.4248.50tan 35tan =⨯=⨯= k b k r αρ mm
（或 43.4248.50sin 55sin =⨯=⨯= k k k r αρ mm ） 6．【解】
125525=⨯==mz d mm
33.01000
6050
1251000
60=⨯⨯⨯=
⨯=
ππdn
v m/s
7．【解】
75325=⨯==mz d mm
48.7020cos 25320cos cos =⨯⨯=== mz d d b α mm
3*==m h h a a mm ；75.3)(**=+=m c h h a f mm
8132752=⨯+=+=a a h d d mm ；5.6775.32752=⨯-=-=f f h d d mm
8148.70cos ==
a b a d d α ； 53.2981
48
.70arccos ==a α 96.1953.29sin 2
81
sin 2===
a a a d αρ mm 8．【解】
1）由 )(cos 221z z m a n
+=
β
得 9926.0)3618(68
25.2)(2cos 21=+⨯=+=
z z a m n β 95.6=β
2）两齿轮的分度圆、齿顶圆和齿根圆直径 34.4595.6cos 185.2cos 11=⨯==
βz m d n mm ；67.9095.6cos 365.2cos 22
=⨯==
βz m d n mm 5.2*==n an a m h h mm ；125.325.1)(**==+=n n n an f m m c h h mm 34
.50211=+=a a h d d mm ；67.95222=+=a a h d d mm 09
.39211=-=f f h d d mm ；42.84222=-=f f h d d mm
3）当量齿数1v z 和2v z 4.1895.6cos 18cos 3311==
=
β
z z v ；8.3695.6cos 36
cos 3322
===
βz z v
5 轮 系
1、【答】
定轴轮系传动时每个齿轮的几何轴线都是固定的，周转轮系传动时至少有一个齿轮的几何轴线绕另一齿轮的几何轴线转动。

2、【答】
一个齿轮与两齿轮同时啮合，对前一级齿轮传动来说它是从动轮，对后一级传动来说它是主动轮，它的齿数不影响传动比的大小，但却使轮系中增加了一对外啮合齿轮，从而改变了传动比的符号，即改变了最终齿轮的转向。

这种齿轮称为惰轮。

惰轮的作用为在不改变传动比的情况下改变齿轮的转向。

3、【答】
行星轮系的自由度为1，只有一个中心轮可以转动，需要1个原动件。

差动轮系的自由度为2，两个中心轮均可转动，需要2个原动件。

4、【解】
14.209215151560
3331234321543215=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=='''z z z z z z z z i
39.214
.2095001515===
i n n r/min 8020455=⨯==''mz d mm
齿条6线速度
01.010006039.28010006055=⨯⨯⨯=⨯='ππυn d m/s
方向向右。

5、【解】
从轮系结构可以看出 2312a a =
因此有
()()23212
1
21z z m z z m -=+ 571932213=⨯=+=z z z
()5.1320
261978
305714315432
15=⨯⨯⨯⨯=-=''z z z z z z i
6、【解】
317
51
)1(133113-=-=-=--=
z z n n n n i H H H
03=n 故
311111-=-=-=--H H
H H i n n
n n n 41=H i
而
411
==H H
i φφ 因此
5.224
9041
===φφH
7、【解】
520
1560
25)1(5020021323113
-=⨯⨯-=-=--=--='z z z z n n n n n n i H H H H H
解上式得
756
450
==H n r/min H n 转向与1n 转向相同。

7 机械的动力性能
1、【答】
题图
5-6
转子转动时，如果离心力（或力系的合力、合力偶矩）不等于零时，其方向随着回转件的转动而发生周期性的变化，同时，离心力（合力、合力偶矩）对轴承施加一个附加的动压力，并使整个机械产生周期性的振动。

这种振动往往使机械的可靠性、精度等降低，零件材料易疲劳损坏而使零件寿命缩短，振动产生的噪声对周围的设备、建筑、环境等都有较大的影响和破坏。

对于高速、重载、精密机械来说，这个问题更加突出。

因此需要调整回转件的质量分布，使回转件工作时离心力系达到平衡，以消除附加动压力，尽可能减轻由离心力而产生的机械振动。

2、【答】
静平衡的条件是：分布于该回转件上各个质量的离心力（或质径积）的向量和等于零，即回转件的质心与回转轴线重合。

动平衡的条件是：回转件上各个质量的离心力的向量和等于零，且离心力所产生的力偶矩的向量和也等于零。

显然动平衡条件中包含了静平衡条件，也就是说动平衡的转子一定也是静平衡的，但静平衡的转子不一定是动平衡的。

静平衡适用于轴向尺寸较小的零件（盘状零件），如飞轮、砂轮等，其质量分布可以近似认为在同一回转面内。

动平衡适用于轴向尺寸较大的回转件（轴类零件），如电动机的转子、机床主轴等，其质量分布不能近似地认为是位于同一回转面内。

3、【答】
机械在运转过程中的任一时间间隔内，驱动力所作的功和阻力所作的功随时会发生变化，当驱动力所作的功大于阻力所作的功时，机械作增速运动，当驱动力所作的功小于阻力所作的功时，机械作减速运动，致使机械速度产生波动。

4、【答】
周期性速度波动是周期性变化的外力引起的，非周期性速度波动则是随机变化、不规则、没有一定周期性的外力引起的。

周期性速度波动的调节方法是在机械中加入一个转动惯量很大的回转件（飞轮），以增加系统的转动惯量来减小速度变化的幅度。

机械的非周期速度波动的调节方法是调节驱动力作功和阻力作功的比值，只能采用特殊的装置（调速器）使驱动力功随阻力功的变化而变化，并使两者趋于平衡，使机械平稳运转。

8 机械零件设计概论
1、【答】
机械零件由于某种原因丧失工作能力或达不到设计要求的性能称为失效。

机械零件的主要失效形式有 1）整体断裂；
2）过大的残余变形（塑性变形）；
3）零件的表面破坏，主要是腐蚀、磨损和接触疲劳；
4）破坏正常工作条件引起的失效：有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，如果破坏了这些必要的条件，则将发生不同类型的失效，如带传动的打滑，高速转子由于共振而引起断裂，滑动轴承由于过热而引起的胶合等。

2、【答】
（1）理论设计：根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论设计。

理论设计中常采用的处理方法有设计计算和校核计算两种。

前者是指由公式直接算出所需的零件尺寸，后者是指对初步选定的零件尺寸进行校核计算；
（2）经验设计：根据从某类零件已有的设计与使用实践中归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的工作经验用类比的办法所进行的设计；
（3）模型实验设计：对于一些尺寸巨大而且结构又很复杂的重要零件件，尤其是一些重型整体机械零件，为了提高设计质量，可采用模型实验设计的方法。

3、【答】
变应力的循环特性r 是最小应力与最大应力的比值，即
max
min
σσ=
r 静应力时：1=r 对称循环应力时：1-=r 脉动循环应力时：0=r 4、【答】
滑动摩擦的四个状态是干摩擦、边界摩擦、混合摩擦和液体摩擦。

主要特征是 （1）干摩擦：表面间无任何润滑剂或保护的纯金属接触时的摩擦；
（2）边界摩擦：摩擦表面被吸附的边界膜隔开，摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦；
（3）流体摩擦：摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦；
（4）混合摩擦：摩擦状态处于边界摩擦及流体摩擦的混合状态时的摩擦。

5、【答】
机械零件的一般磨损过程大致分为磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损三个阶段。

每个阶段的特征：
1）磨合阶段：新的摩擦副表面较粗糙，在一定载荷的作用下，摩擦表面逐渐被磨平，实际接触面积逐渐增大，磨损速度开始很快，然后减慢；
2）稳定磨损阶段：经过磨合，摩擦表面加工硬化，微观几何形状改变，从而建立了弹性接触的条件，磨损速度缓慢，处于稳定状态；
3）剧烈磨损阶段：经过较长时间的稳定磨损后，因零件表面遭到破化，湿摩擦条件发生加大的变化（如温度的急剧升高，金属组织的变化等），磨损速度急剧增加，这时机械
效率下降，精度降低，出现异常的噪声及振动，最后导致零件失效。

6、【答】
润滑油的主要质量指标有：粘度、润滑性（油性）、极压性、闪点、凝点和氧化稳定性。

润滑脂的主要质量指标有：锥（针）入度（或稠度）和滴点。

9 联接
1、【答】三角形螺纹牙型角大，故自锁性能好，而且牙根厚、强度高，故多用于紧固联接。

由公式 βρc o s
t a n f f ='=' 和 )
t a n (t a n ρλλ
η'+= 可知，矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹牙型角小，传动效率高，故多用于传动。

由公式 2
2t a n
d nP d S ππλ== 可知，螺距相同时，多线螺纹升角大，传动效率较高，故主要用于传动。

2、【答】
联接用螺纹紧固件一般都能满足自锁条件，并且拧紧后，螺母、螺栓头部等承压面处的摩擦也都有防松作用，因此在承受静载荷和工作温度变化不大时，螺纹联接一般都不会自动松脱。

但在冲击、振动、变载荷及温度变化较大的情况下，联接有可能松动，甚至松开，造成联接失效，引起机器损坏，甚至导致严重的人身事故等。

所以在设计螺纹联接时，必须考虑防松问题。

螺纹联接防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动。

具体的防松装置或方法很多，按工作原理可分为三类：
1）摩擦防松：采用各种结构措施使螺旋副中保持较大的防松阻力矩。

这种方法简单方便，但不十分可靠，多用于冲击的振动不剧烈的场合。

2）机械防松：利用各种止动零件阻止拧紧的螺纹零件相对转动。

这类防松方法相当可靠，应用很广。

3）其它方法：如端面冲点法防松、粘合法防松，防松效果良好，但仅适用于很少拆开或不拆的联接。

3、【答】螺纹联接的主要类型有螺栓联接、螺钉联接、双头螺柱联接和紧定螺钉联接四种。

主要特点是：
１、螺栓联接：有普通螺栓联接和铰制孔螺栓联接两种。

普通螺栓联接被联接件的通孔与螺栓杆之间有间隙，所以孔的加工精度可以低些，不需在被联接件上切制螺纹，同时结构简单、装拆方便，所以应用最广。

铰制孔螺栓联接螺栓杆与孔之间没有间隙，能确定被联接件的相对位置，并能承受横向载荷。

2、螺钉联接：螺钉直接旋入被联接件的螺纹孔中。

适用于被联接件之一较厚，或另一端不能装螺母的场合。

由于不用螺母，所以易于实现外观平整、结构紧凑；但要在被联接件上切制螺纹，因而其结构比螺栓联接复杂一些。

不适用于经常拆装的场合。

如经常拆装，会使螺纹孔磨损，导致被联接件过早失效。

3、双头螺柱联接：使用两端均有螺纹的螺柱，一端旋入并紧定在较厚被联接件的螺纹孔中，另一端穿过较薄被联接件的通孔，加上垫片，旋上螺母并拧紧，即成为双头螺柱联接。

这种联接在结构上较前两种复杂，但兼有前两者的特点，即便于拆装，又可用于有较厚被联接件或要求结构紧凑的场合。

４、紧定螺钉联接：将紧定螺钉拧入一零件的螺纹孔中，其末端顶住另一零件的表面，或顶入相应的凹坑中，以固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或扭矩,多用于固定轴上零件
的相对位置。

4、【解】
自锁时有 λ ≤ ρ ′
故具有自锁性螺旋传动的效率
%502
12tan 1tan 1tan 2tan 2tan tan )tan(tan 22=<-=-=≤'+=λλλλλρλλη
5、【解】
由表9.1查得，M12的小径106.101=d mm ； 由表9.5查得，Q235的240=s σMPa 由表9.6取安全系数35.1=S 故许用应力 17835.1240][===
S s σσ MPa 由公式9-13 ][2.52
1σπσ≤'
=d F e 得单个螺栓所允许的最大预紧力为 109832
.5178
106.102.5][221max =⨯⨯=='πσπd F N 由公式 R CF fm F z ≥'，取2.112===C m z ，，代入，得到允许的最大牵曳力为 75.27452.1115.0109832max max =⨯⨯⨯='=
C fm F z F R N 牵曳力F R。