机械设计基础习题解答(1-5)

机械设计基础教材习题参考解答
（第一章~第五章）
2012.8
目录
第1章机械设计概论_______________________________ 2第2章机械零件尺寸的确定_________________________ 3第3章平面机构运动简图及平面机构自由度___________ 4第4章平面连杆机构_______________________________ 6第5章凸轮机构__________________________________ 11
第1章机械设计概论
思考题和练习题
1-1举例说明什么是新型设计、继承设计和变型设计。

解：新型设计通常人们指应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计过去没有过的新型机械，如：新型机械手、动车、扑翼飞机、电动汽车等；
继承设计通常指人们根据使用经验和技术发展对已有的机械进行设计更新，以提高其性能、降低其制造成本或减少其运用费用，如：大众系列汽车、大家电产品等。

变型设计通常指人们为适应新的需要对已有的机械作部分的修改或增删而发展出不同于标准型的变型产品，如：。

各种工程机械、农田作业机械等。

1-2解：评价产品的优劣的指标有哪些？
解：产品的性能、产品的
1-3机械零件常用的材料有哪些？为零件选材时应考虑哪些主要要求？
解：制造机械零件的材料目前用得最多的是金属材料，其又分为钢铁材料和非铁材料（如铜、铝及其合金等）；其次是非金属材料（如工程塑料、橡胶、玻璃、皮革、纸板、木材及纤维制品等）和复合材料（如纤维增强塑料、金属陶瓷等）。

从各种各样的材料中选择出合用的材料是一项受到多方面因素制约的工作，通常应考虑下面的原则：
1)载荷的大小和性质，应力的大小、性质及其分布状况
2)零件的工作条件
3)零件的尺寸及质量
4)经济性
1-4解：机械设计的内容和步骤？
解：机械设计的内容包括：构思和方案设计、强度分析、材料的选择、结构设计等。

机械设计的步骤：明确设计任务，总体设计，技术设计，样机试制等。

第2章机械零件尺寸的确定
思考题和练习题
2-1 什么是失效，列举失效的三种形式？
解：由于种种原因，零件不能正常工作，都称为失效。

常见的失效形式有：(1)应力过大；(2)变形过大；(3)磨损严重；(4)产生打滑；(5)产生共振；(6)联接松脱。

2- 2设计人员为什么要研究产品失效？
解：通过产品失效分析，设计中保证产品在预期的使用寿命内不发生失效。

2-3 载荷和应力分别有哪两大类？
解：载荷大体可分两类，
(1)静载荷——逐渐加到一定数值后，大小和方向都不变化或变化很小的载荷；
(2)动载荷——突然加的、大小和方向随时问变化的或冲击性的载荷。

工作应力可分静应力和变应力：应力的大小或方向不随时间变化或随时间变化缓慢的应力叫静应力，应力的大小或方向随时间变化的应力叫变应力。

2-4 设计人员为什么需要熟悉材料机械性质？
解：设计人员只有熟悉材料机械性质，才能根据零件的要求正确的选择材料。

2-5 划分脆性材料和塑性材料的判据是什么？列举这两类材料在机械性质方面的三点区别？
2-6 有一用碳钢制成的轴，发现刚度不够，改用合金钢能否提高轴的整体刚度？
2-7 屈服极限、强度极限、疲劳极限都是材料的应力极限，它们的区别在哪里？
第3章平面机构运动简图及平面机构自由度
思考题和练习题
2-1机构运动简图能表示出原机构哪些方面的特性？
解：能够表达机构运动特征，如：各个构件的位移、机构的运动原理等。

2-2当机构的原动件数少于或多于机构的自由度时，机构的运动将发生何种情况？
解：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的数目。

该条件是在机构可动的前提下获得的。

机构可动的条件是机构的自由度数目必须大于零或大于等于1。

当机构不满足确定运动条件时，若机构原动件数目小于机构的自由度数目时，则该机构的运动将不完全确定。

这时机构的运动将遵循最小摩擦定律，而首先沿阻力最小的方向运动。

这时此种机构常用于具有自适应要求的情况，如玩具车的遇障碍能自动转向的驱动轮，就是采用具有两个自由度的轮系，而驱动所用的原动件只有一个，来实现这一功能的。

若机构的原动件数目大于机构的自由度目时，则机构就根本不能运动或机构中最薄弱的环节将发生损坏，故此时机构是时不能应用的。

2-3计算题2-3图所示各机构的自由度，并指出复合铰链、局部自由度和虚约束。

(a)缝纫机送布机构(b)筛料机机构
(c)推土机铲土机构(d)仪表机构
(e)压力机机构(f)凸轮连杆机构
题2-3图
解：(a)缝纫机送布机构F=3X4-2X4-1X2=2；
(b)筛料机机构F=3 X 7-2 X 9-1=2；
(c)推土机铲土机构F=3 X 5-2 X 7=1；
(d)仪表机构F=3 X 6-2 X 8-1=1；
(e)压力机机构F=3 X 5-2 X 7=1；
(f)凸轮连杆机构F=3 X 4-2 X 5-1=1。

第4章平面连杆机构
思考题和练习题
4-1为什么连杆机构又称低副机构？它有哪些特点？
解：连杆机构是刚性构件通过转动副或移动副联接而成的。

其特点：
1、优点
⑴运动幅是低副，面接触，所以承受压强小、便于润滑、磨损较轻，可承受较大载荷；
⑵结构简单，加工方便，成本低，构件之间的接触是有构件本身的几何约束来保持的，所以构件工作可靠；
⑶可使从动件实现多种形式的运动，满足多种运动规律的要求；
⑷利用平面连杆机构中的连杆可满足多种运动轨迹的要求；
2、缺点
⑴根据从动件所需要的运动规律或轨迹来设计连杆机构比较复杂；
⑵只能近似实现给定的运动规律，综合运动精度较低；
⑶运动时产生的惯性难以平衡，不适用于高速场合。

4-2铰链四杆机构有哪几种主要型式？它们之间主要区别在哪里？
解：根据连架杆运动形式的不同，可分为三种基本形式：
1.曲柄摇杆机构：在两连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆；
2.双曲柄机构：两连杆架均为曲柄的四杆机构；
3.双摇杆机构：两连杆架均为摇杆的四杆机构。

4-3何谓“曲柄”？铰链四杆机构中曲柄存在的条件是什么？
解：作整周转动的连架杆称谓曲柄。

铰链四杆机构有曲柄的条件：
(1) 最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆长度之和；
(2) 最短杆为连架杆或机架。

4-4何谓连杆机构的压力角和传动角？其大小对连杆机构的工作有何影响？在四杆机构中最小传动角出现在何位置？
解：压力角—在不计摩擦力、惯性力和重力时，从动件所受的力 F 与受力点速度V c 所夹的锐角。

压力角愈小，机构传动性能愈好。

传动角—连杆与从动件所夹的锐角；传动角是连杆机构的重要动力指标；传动角越大，机构的传动性能越好。

传动角在机构运转时是变化的。

铰链四杆机构在曲柄与机架共线的两位置出现最小传动角。

4-5试根据题4-5图中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。

题4-5图
解：a）双曲柄机构；40+110<70+90，最短杆为机架。

b)曲柄摇杆机构；45+120<100+70，最短杆为连架杆。

c）双摇杆机构；50+100>50+70，不满足杆长条件。

d）双摇杆机构。

50+100<70+90，最短杆为连杆。

4-6试确定题4-6图两机构从动件的摆角ϕ和机构的最小传动角。

题4-6图
解：a）从动件的摆角ψ=74º，机构的最小传动角γ=15º；
题4-6图a）
b）从动件的摆角ψ=60º，机构的最小传动角γ=35º；
题4-6图b）
4-7题4-7图所示为一偏置曲柄滑块机构，试求构件1能整周转动的条件。

解：构件1能整周转动的条件为BC e AB ≤+。

4-8题4-8图所示为某机械踏板机构，设已知L CD =500mm ，L AD =1000mm ，踏板3在水平位置上下各摆动10︒，试确定曲柄1和连杆2的长度L AB 和L BC 。

题4-7图 题4-8图
解：曲柄1的长度L AB =77.85mm ，连杆2的长度L BC =1115.58mm 。

题4-8图
4-9题4-9图所示为一曲柄摇杆机构，已知曲柄长度L AB =80mm ，连杆长度L BC =390mm ，摇杆长度L CD =300mm ，机架长度L AD =380mm ，试求：
（1）摇杆的摆角ψ；
（2）机构的极位夹角θ；
（3）机构的行程速比系数K 。

解：（1）摇杆的摆角ψ=49º；
（2）机构的极位夹角θ=13º；
（3）机构的行程速比系数13
18013+180=180+180=θθK ，K=1.156。

C
题4-9图
题4-9图
4-10设计一偏置曲柄滑块机构。

已知滑块的行程s=50mm，偏距e=20mm（如题4-10图），行程速比系数K=1.5，试用作图法求曲柄的长度L AB和连杆的长度L BC。

题4-10图
解：曲柄的长度L AB=21.51mm，连杆的长度L BC=46.51mm。

题4-10图
4-11设计一铰链四杆机构作为加热炉炉门的启闭机构。

已知炉门上两活动铰链的中心距为50mm，炉门打开后成水平位置时，要求炉门温度较低的一面朝上（如虚线所示），设固定
铰链安装在y-y轴线上，其相关尺寸如题4-11图所示，求此铰链四杆机构其余三杆的长度。

题4-11图
解：铰链四杆机构的机架长度=90.36mm，上连架杆的长度=64.75mm，下连架杆的长度=104.61mm。

4-12已知某操纵装置采用铰链四杆机构，要求两连架杆的对应位置为φ1=35︒，ψ1=50︒；φ2=80︒，ψ2=75︒；φ3=125︒，ψ3=105︒，机架长度L AD=80mm，，试用解析法求其余三杆长度。

解：cosφ1=P0 cosψ1 +P1 cos(ψ1-φ1)+P2
cosφ2=P0 cosψ2 +P1 cos(ψ2-φ2)+P2
cosφ3=P0 cosψ3 +P1 cos(ψ3-φ3)+P2
各杆的长度：L AD=80mm；L AB=63.923，L BC =101.197，L CD =101.094。

题4-12图
第5章凸轮机构
思考题和练习题
5-1凸轮和推杆有哪些型式？应如何选用？
解：凸轮机构的类型很多，常就凸轮和推杆的形状及其运动形式的不同来分类。

(1) 按凸轮的形状分
1) 盘形凸轮
2）移动凸轮
3) 圆柱凸轮
盘形凸轮是一个具有变化向径的盘形构件绕固定轴线回转。

移动凸轮可看作是转轴在无穷远处的盘形凸轮的一部分，它作往复直线移动。

圆柱凸轮是一个在圆柱面上开有曲线凹槽，或是在圆柱端面上作出曲线轮廓的构件，它可看作是将移动凸轮卷于圆柱体上形成的。

盘形凸轮机构和移动凸轮机构为平面凸轮机构，而圆柱凸轮机构是一种空间凸轮机构。

盘形凸轮机构的结构比较简单，应用也最广泛，但其推杆的行程不能太大，否则将使凸轮的尺寸过大。

(2) 按推杆的形状分
1) 尖顶推杆。

这种推杆的构造最简单，但易磨损，所以只适用于作用力不大和速度较低的场合(如用于仪表等机构中)。

2) 滚子推杆。

滚子推杆由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，所以磨损较小，故可用来传递较大的动力，因而应用较广。

3) 平底推杆。

平底推杆的优点是凸轮与平底的接触面间易形成油膜，润滑较好，所以常用于高速传动中。

(3)按推杆的运动形式分
1)直动推杆。

即往复直线运动的推杆。

在直动推杆中，若其轴线通过凸轮的回转轴心，则称其为对心直动推杆，否则称为偏置直动推杆。

2)摆动推杆。

即作往复摆动的推杆,分为：摆动尖顶推杆、摆动滚子推杆和摆动平底推杆。

(4)按凸轮与推杆保持接触的方法分
1) 力封闭的凸轮机构，即利用推杆的重力、弹簧力或其他外力使推杆与凸轮保持接触的。

2) 几何封闭的凸轮机构，即利用凸轮或推杆的特殊几何结构使凸轮与推杆保持接触。

例如凹槽滚子式凸轮机构、等宽凸轮机构、等径凸轮机构和共轭凸轮(或主回凸轮)机构。

5-2常用的推杆运动规律各有何特点？各适用于何种场合？什么是刚性冲击和柔性冲击？
解：所谓推杆的运动规律是指推杆在运动时，其位移s、速度v 和加速度a 随时间t 变化的规律。

又因凸轮一般为等速运动，即其转角δ与时间t 成正比，所以推杆的运动规律更常表示为推杆的运动参数随凸轮转角δ变化的规律。

推杆常用运动规律主要有如下三类：
1)一次多项式运动规律，推杆等速运动，故这种运动规律又称为等速运动规律。

适用于低速。

2) 等加速等减速运动规律。

适用于低速。

3）简谐运动规律。

适用于低速。

选择推杆运动规律，首先须满足机器的工作要求，其次还应凸轮机构具有良好的动力特性；此外，还应使所设计的凸轮便于加工，等等。

刚性冲击：由加速度产生的惯性力突变为无穷大，致使机械产生的强烈冲击。

柔性冲击：从动件在某瞬时加速度发生有限大值的突变时所引起的冲击。

5-3何谓凸轮机构的反转法设计？它对于凸轮廓线的设计有何意义？
解：在设计凸轮廓线时，可假设凸轮静止不动，而使推杆相对于凸轮作反转运动；同时又在其导轨内作预期运动，作出推杆在这种复合运动中的一系列位置，则其尖顶的轨迹就是所要求的凸轮廓线。

5-4何谓凸轮机构的压力角？为什么要规定许用压力角？
解：杆所受正压力的方向(沿凸轮廓线在接触点的法线方向)与推杆上作用点的速度方向之间所夹之锐角，称为凸轮机构在图示位置的压力角，用α表示。

在凸轮机构中，压力角α是影响凸轮机构受力情况的一个重要参数。

在其他条件相同的情况下，压力角愈大，则作用力F将愈大；在生产实际中，为了提高机构的效率、改善其受力情况，通常规定凸轮机构的最大压力角αmax应小于某一许用压力角[α]。

5-5何谓凸轮机构的运动失真？它是如何产生的？怎样才能避免运动失真？
当凸轮的理论轮廓曲线为外凸时，其工作廓线的曲率半径ρa等于理论廓线的曲率半径ρ与滚子半径r T之差。

此时若ρ＝r T，工作廓线的曲率半径为零，则工作廓线将出现尖点，这种现象称为变尖现象；若ρ<r T，则工作廓线的曲率半径为负值，这时，工作廓线出现交叉，致使推杆不能按预期的运动规律运动，这种现象称为失真现象。

因此，对于外凸的凸轮轮廓曲线，应使滚子半径小于理论廓线的最小曲率半径ρmin 。

5-6盘形凸轮基圆半径的选择与哪些因素有关？
解：对于一定型式的凸轮机构，在推杆的运动规律选定后，该凸轮机构的压力角与凸轮基圆半径的大小直接相关。

在设计凸轮机构时，凸轮的基圆半径取得越小，所设计的机构越紧凑。

基圆半径过小会引起压力角增大，致使机构工作情况变坏。

凸轮基圆半径的确定的原则为：在满足αmax≤[α]的条件下，合理地确定凸轮的基圆半径，使凸轮机构的尺寸不至过大。

在实际设计工作中，凸轮的基圆半径r。

的确定，不仅要受到αmax≤[α]的限制，还要考虑到凸轮的结构及强度的要求等。

因此在实际设计工作中，凸轮的基圆半径常是根据具体结构条件来选择的。

必要时再检查所设计的凸轮是否满足αmax≤[α]的要求。

5-7写出题5-7图所示凸轮机构的名称，并在图中作出（或指出）：1）基圓r o；2）理论廓线；3）实际廓线；4）行程h；5）图示位置从动件的位移量s；6）推杆与凸轮上A点接触时的压力角。

题5-7图
5-8如题5-8图示为一偏置直动从动件盘形凸轮机构。

已知AB段为凸轮的推程廓线，试在图上标注推程运动角δt。

5-9题5-9图所示为一偏置直动从动件盘形凸轮机构。

已知凸轮为一以C为中心的圆盘，问轮廓上D点与尖顶接触时其压力角为多少？试作图加以表示。

题5-8图题5-9图题5-10图
题5-8图题5-9图
题5-10图
5-10题5-10图示为一对心尖顶推杆单元弧凸轮（偏心轮），其几何中心O 与凸轮转轴O的距离为L oo’=15mm，偏心轮半径R=30mm，凸轮以等角速度ω顺时针转动，试作出推杆的位移线图s-δ。