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《机械原理》简答题
考研论坛 @麻花 整理
一、平面机构的结构分析
1.平面机构基本定义：
机器：可用来变换或者传递物料、能量或信息的装置
机构：能实现预期机械运动的构件的组合，包括原动件，从动件，机架
零件：机器制造单元
构件：机器运动单元
杆组：从动件系统中分解为若干不可再分，自由度为0的运动链
约束：对独立运动的限制
自由度：构件具有的独立运动的数目
运动副：由两构件直接接触形成的可运动联接
运动链：两个以上以运动副联接而成的系统
虚约束：对输出件的运动不起约束作用的约束
局部自由度：与输出件运动无关的自由度
2.在什么条件下，运动链具有运动可能性、运动确定性、可以成为机构？
自由度大于零；自由度数目等于原动件数目；运动链中某构件固定为机架
3.高副低代时，齿轮副如何处理？
齿轮副是将所引入的两个转动副分别位于相接触的两齿廓的曲率中心处，对于一对渐开线齿廓的齿轮副，曲率中心分别位于两齿轮的啮合极限点
二、平面机构的运动分析
1.什么是速度瞬心，相对瞬心与绝对瞬心的区别？
速度瞬心：两构件上相对速度为零的重合点；绝对瞬心处的绝对速度为零
2.用速度瞬心法和矢量方程图作机构速度分析有什么优缺点？
速度瞬心法：只能进行速度分析，适用于简单的平面机构
矢量方程图：作图不是很准确
3.什么是三心定理？
作平面平行运动的三个构件共有三个瞬心，它们位于一条直线上
4.机构在什么时候有哥氏加速度，如何确定？
绝对运动：动点相对于定参考系的运动
相对运动：动点相对于动参考系的运动
牵连运动：动参考系相对于定参考系的运动
相对运动为转动，牵连运动为平动时两构件重合点有哥氏加速度，它是由于相对速度方向变化产生的加速度，θωsin 2r e c v a =
三、平面机构的力分析
1.什么是摩擦角，移动副中总反力如何确定？
摩擦角：总反力和法向反力的夹角
总反力和法向反力夹角为摩擦角，偏斜方向和相对速度方向相反
2.什么是当量摩擦系数和当量摩擦角？
当量摩擦系数：摩擦力和铅锤载荷的比值
当量摩擦角：由当量摩擦系数确定的摩擦角
3.矩形螺纹和三角形螺纹副各有什么特点，适用于什么场合？
矩形螺纹：当量摩擦系数小，传动效率高，适用于传动
三角形螺纹：自锁性能好，联接强度高，适用于联接
4.什么是摩擦圆，摩擦圆的大小和什么有关？
以轴颈中心为圆心，与总反力方向相切的圆；摩擦圆半径与轴颈半径和当量摩擦系数成正比
5.为什么实际设计中采用空心轴端？
轴端压强和半径成反比，因此轴端中心部分的压强非常大，极易压溃
6.什么是机械效率，其意义是什么？
机械效率是输出功（有效功）和输入功（驱动功）的比值，它反映了输入功（有效功）的有效利用程度
7.什么是自锁和自锁性能，移动副和转动副自锁的条件是什么，自锁时阻抗力和机械效率满足什么条件？
自锁：由于摩擦力的作用，不管驱动力多大都不能使构件运动的现象
自锁性能：机构反行程自锁而正行程不自锁
移动副自锁的条件是驱动力作用在摩擦角之内，转动副自锁的条件是驱动力作用在摩擦圆之内。

自锁时，无论驱动力怎样增加，生产阻抗力和机械效率恒小于等于零
四、平面机构的平衡
1.什么是质径积和偏心距？刚性回转件平衡精度的常用定量指标是什么？
质径积：偏心质量与质心向径的乘积
偏心距：转子质心相对回转中心的偏距，也等于质径积与质量的比值
选用许用不平衡量指标时，对于具体给定的转子，用质径积衡量比较好，因为比较直观，便于操作；偏心距则适于衡量转子平衡的优劣或平衡的检测精度，因为便于比较平衡精度的常用定量指标是是偏心距与转子回转速度的乘积
2.机械平衡的目的是什么，分为哪几类？
目的：尽量消除附加动压力，减轻有害的机械振动，以改善机器工作性能和延长使用寿
命（完全或部分消除惯性力的不良影响）
3.机构进行动平衡后是否还需要静平衡？
做动平衡试验的试件多用于回转动态场合，所以当满足动平衡试验性能后即可当满足其性能要求，不需要再进行静平衡试验
4.经过平衡设计的刚性转子，在制造出来后是否还需要进行平衡实验？为什么？
设计出已平衡的转子，由于制造和装配的不精确、材质的不均匀等原因，仍会产生新的不平衡。

这时已无法用计算来进行平衡，而只能借助于平衡实验。

平衡实验就是用实验的方法来确定出其不平衡量的大小和方位，然后利用增加或除去平衡质量的方法予以平衡。

五、平面机构的速度波动调节
1.一般机械的运转过程分为哪三个阶段？每个阶段各有什么特点？
启动阶段：驱动功大于阻抗功，机械原动件的角速度由零逐渐上升
稳定运转阶段：在一个运动循环内，总驱动功与总阻抗功相等，原动件角速度出现周期性速度波动，但平均角速度保持不变（周期变速稳定运转）PS：等速稳定运转停车阶段：驱动功为零，阻抗功将机械动能消耗完后机械便停车
2.为什么要建立机器等效动力学模型，建立机器等效动力学模型时的原则是什么？
目的：研究机械系统的真实运动，必须首先建立外力和运动参数间的函数表达式即机械动力学方程。

对于单自由度的机械系统，只要知道其中一个构件的运动规律，其余所有构件的运动规律可随之求得，因此将机械系统简化为一个构件即等效构件
转化原则：转化前后系统的动力学效果保持不变
a.等效构件的质量和转动惯量所具有的动能，应等于整个系统的总动能
b.等效构件上的等效力和等效力矩所做功或产生的功率，应等于整个系统的力和力矩所做功或产生的功率
3.机器波动原因的原因是什么？为什么要进行调节，调节的类型和方法？
原因：作用在机械上的驱动力与阻抗力通常是变化的，在某一瞬时，由于驱动功与阻抗
功不等出现盈亏功，从而产生速度波动
目的：使速度波动限制在允许的范围内，以减少对运动副的附加动压力和弹性振动；防止非周期性速度波动引起的机器停车和破坏
类型：周期性与非周期性
方法：周期性安装飞轮，非周期性利用电机的自调性或安装调速器
4.飞轮调速的原理是什么？有什么特点？
飞轮调速是利用它的储能作用，其实质是一个能量存储器。

由于飞轮具有很大的转动惯量，故其转速略有变化就能储存或释放很大的能量。

当机械出现盈功或者亏功时，飞轮分别将能量储存和释放，从而降低速度波动的幅度。

a.过分追求机械运转速度的均匀性，将会使飞轮过于笨重
b.安装飞轮后机械的速度仍有波动，只是幅度有所减小
c.为减小飞轮的转动惯量，最好将飞轮安装在机械的高速轴上
5.等效动力学模型
等效力：∑∑==±+=k i B i i k
i B i i i v M v v F F 11cos ωθ 等效力矩：∑∑==±+=k i i i k i i i i M v F M 11cos ωωωθ 等效质量：2112)()(∑∑==+=k i B i si k
i B si i v j v v m m ω 等效转动惯量：2112)()(∑∑==+=k i i si k i si i j v m J ωωω
六、连杆机构及其设计
1.连杆机构的特点是什么？
a.运动副一般为低副，面接触压力小，方便润滑，容易加工
b.可通过演化获得不同的运动规律和丰富的连杆曲线
c.传动路线长，易产生误差累积
d.惯性力不易消除，不宜用于高速运动
2.平面四杆机构基本型式是什么，有哪些演化型式？
基本形式：平面铰链四杆机构（曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构）
演化方法：
a.改变构件形状及运动尺寸（曲柄摇杆机构→曲柄滑块机构）
b.改变运动副尺寸（曲柄滑块机构→偏心轮机构）
c.选择不同的构件为机架（曲柄滑块机构→导杆机构、曲柄摇块机构、直动滑杆机构）
d.运动副元素的互换（摆动导杆机构→曲柄摇块机构）
3.什么是曲柄和摇杆，铰链四杆机构有曲柄的条件是什么，曲柄是否为最短杆？
连架杆：与机架相连的杆件
曲柄：能作整周回转运动的连架杆
摇杆：不能做整周转动的连架杆
周转副：两构件作整周相对转动的转动副
摆动副：不能作整周相对转动的转动副
铰链四杆机构有曲柄的条件：
a.杆长条件：最短杆和最长杆长度之和小于等于其他两杆长度之和
b.组成周转副的两杆中有一杆为最短杆
若连架杆为最短杆则为曲柄摇杆机构，若机架为最短杆则为双曲柄机构，若不满足杆长条件则一定是双摇杆机构
4.什么是极位夹角、急回特性、行程比系数，它们有什么关系？
极位夹角：当机构从动件处于两极限位置时，主动件在两相应位置时所夹角度，θ>0时有急回特性，θ越大急回运动越明显，θ=180*（K-1）/（K+1）
急回特性：当连杆机构的主动件为等速回转时，从动件空回行程的平均速度大于从动件工作行程的平均速度
行程比系数：K=（θ+180）/（θ-180）=快行程平均速度/ 慢行程平均速度
5.什么是压力角和传动角，研究其有什么意义？
压力角：不计摩擦力的情况下，构件受力方向与运动方向所夹的锐角，反映了力的利用程度
传动角：压力角的余角，衡量机构传力性能好坏（曲柄摇杆机构中，最小传动角出现在曲柄与机架共线的位置之一）
6.什么是极位和死点，他们各自的特点，有什么不同？
极位：当原动件与连杆共线时为极位。

在极位附近，由于从动件的速度接近于零，故可获得很大的增力效果
死点：当从动件与连杆共线时为死点。

此时传动角为零，主动件通过连杆作用于从动件上的力通过其回转中心，而不能使从动件转动，出现顶死现象。

机构在死点时本不能运动，可借助惯性或采用机构错位排列的方法使机构能顺利通过死点位置而正常运转。

如因冲击、振动等原因使机构离开死点而继续运动时，这时从动件的运动方向是不确定的，故机构的死点位置也是机构运动的转折点。

机构的极位和死点实际上是机构的同一位置，所不同的仅是机构的原动件不同。

七、凸轮机构及其设计
1.凸轮机构的特点是什么？
a.结构紧凑，响应迅速，运动规律灵活多样
b.易磨损，加工困难
2.凸轮存在冲击时，其速度线图和加速度线图各有什么特点？
柔性冲击：速度线图存在尖点，加速度线图存在有限跳跃
刚性冲击：速度线图有间断点，加速度线图出现无穷大跳跃
3.推杆常用的运动规律有哪些，各有什么特点？
等速运动：刚性冲击
等加速等减速：柔性冲击，有最大速度
余弦加速度（简谐）：柔性冲击
正弦加速度（摆线）：无冲击，有最大速度和最大加速度
五次多项式：无冲击
4.凸轮力锁合和几何锁合各有什么特点？
力锁合：结构简单，设计自由，但有附加阻力，造成机械效率下降；高速时磨损加剧几何锁合：外廓尺寸大，加工精度高，对运动规律的采用有限制
5.什么是凸轮的理论廓线和实际廓线，二者有何区别和联系？
理论廓线：用滚子推杆与凸轮配合时产生的廓线
实际廓线：用尖顶推杆与凸轮对心配合时产生的廓线
以理论廓线上一系列点为圆心，以滚子半径为半径作一系列的圆，再作该圆族的包络线，即为凸轮的实际廓线
6.什么是凸轮机构压力角，在凸轮设计中有什么意义，如何处理？
压力角：推杆与凸轮接触点处所受正压力方向（凸轮轮廓线接触点法线方向）与推杆上对应点速度方向所夹锐角（平底垂直于导路的直动推杆盘形凸轮机构的压力角为零）意义：影响凸轮机构受力情况，压力角过大时，凸轮将自锁
处理方法：
a.增大导轨长度l和减小悬臂尺寸b可使临界压力角数值提高
b.采用正偏置方式和增大基圆半径可减小压力角
7.什么是凸轮的变尖和失真现象？
对于外凸的凸轮轮廓曲线，其工作廓线的曲率半径等于理论廓线的曲率半径与滚子半径之差。

如果理论廓线的曲率半径与滚子半径相等，则工作廓线的曲率半径为零，出现尖点现象。

如果理论廓线的曲率半径小于滚子半径，这时工作廓线出现交叉，推杆运动规律改变，出现失真现象。

八、齿轮机构及其设计
1.齿轮机构的特点是什么？
a.传动比准确，传递功率大，传递效率高
b.制造和安装精度高
2.什么是齿轮啮合基本定律，什么是共轭齿廓，要使齿轮实现定传动比齿廓曲线应满足什么条件？
齿轮啮合基本定律：互相啮合传动的一对齿轮在任一位置时的传动比，都与其连心线被其啮合齿廓在接触点公法线所分成的两段长反比
共轭齿廓：凡满足齿廓啮合基本定律的曲线都可作为共轭齿廓
定传动比条件：无论两齿廓在何位置接触，过接触点所作得齿廓公法线与两齿轮连心线都相交于一点
3.渐开线齿廓有哪些特点？
a.发生线长度等于其在基圆上滚过的弧长
b.渐开线上任意点处法线与基圆相切
c.渐开线上任意点处法线与基圆的切点，即为渐开线在该点的曲率中心
d.渐开线的形状取决于基圆大小
e.基圆以内无渐开线
4.渐开线齿廓传动有那些特点？
a.保证定传动比且有可分性：中心距略变动时，不影响两轮的传动比
b.正压力方向不变：渐开线齿廓啮合时，两啮合齿廓间的正压力始终沿啮合线方向
5.什么是齿轮模数，作用是什么，为什么要规定模数标准值，不同齿轮的标准值是怎样规定的？
模数是齿距p与pi的比值，它决定了齿轮及其轮齿大小和承载能力
模数决定渐开线齿廓形状的基本从参数，为了设计制造检验及使用方便
直齿轮只有一种模数，斜齿轮法面参数为标准值，锥齿轮大端为标准值，蜗杆轴面参数为标准值，蜗轮端面参数为标准值
6.什么是齿轮分度圆压力角，为什么要规定分度圆压力角为标准值？
齿轮分度圆上啮合点公法线方向与啮合点速度方向的夹角
因为压力角决定渐开线齿廓形状的基本从参数，为了设计制造检验及使用方便
7.什么是重合度，物理意义是什么，影响重合度有哪些参数？
重合度：实际啮合线与法向齿距或作用弧的比值
意义：衡量连续传动的条件，表示同时参与啮合的轮齿对数的平均值，反映齿轮啮合传动的的平稳性和承载能力，连续传动条件：重合度大于或等于1
重合度与模数无关，而随齿数的增多而加大，并随啮合角的减小和齿顶高系数的增大而增大。

标准齿轮传动重合度最大值为1.981，最多有2对齿轮同时啮合
8.直齿圆柱齿轮外啮合，当实际中心距大于标准中心距时，齿轮啮合参数有何变化？
中心距变大，啮合角变大；传动比不变，重合度变小；顶隙大于其标准值，侧隙大于零
9.什么是根切现象，产生的原因是什么，有何危害，如何避免？
根切：用范成法加工齿轮时，刀具的顶部过多的切入轮齿根部，因而将齿根的渐开线切去一部分
原因：被切齿轮的啮合极限点位于刀具齿顶线之下
危害：大大降低轮齿抗弯强度，当根切侵入渐开线齿廓工作段时将使重合度下降
措施：限制齿轮齿数，变位加工
10.什么是标准齿轮，什么是变位齿轮，齿轮变位修正的目的是什么，齿轮变后各尺寸如何变化？
标准齿轮：各参数都取标准值的齿轮
变位齿轮：采用变位加工成的齿轮
目的：避免根切现象、拼凑中心距、提高重合度、增强轮齿抗弯强度
变化：变位后模数、压力角没有变，但齿厚、齿顶高、齿根高变化
11.斜齿轮传动的特点是什么？
a.啮合性能好，传动平稳
b.重合度高（端面+轴向），降低了每对轮齿的载荷
c.不易根切
d.运转时会产生轴向推力
12.直齿圆锥齿轮几何尺寸的计算通常以哪端为标准值，为什么？
大端；大段尺寸较大，计算和测量的误差相对较小，便于估计机构外形尺寸
13.什么是斜齿轮当量齿轮和圆锥齿轮的当量齿轮，意义何在？
斜齿轮当量齿轮：在某一点作法面，用该点曲率半径为分度圆，相当于斜齿轮法面齿形的直齿圆柱齿轮即为斜齿轮当量齿轮
圆锥齿轮当量齿轮：与圆锥齿轮大端球面上分度圆相切的圆锥称为圆锥齿轮的背锥。

圆锥齿轮大端面齿形平行圆锥母线向背锥上投影展开所形成的扇形称之为扇形齿轮。

将扇形齿轮补齐，相当于圆锥齿轮大端面齿形的直齿圆柱齿轮即为圆锥齿轮的当量齿轮
意义：用当量齿轮的齿形来代替理论齿形，误差很小，可以将直齿圆柱齿轮的计算公式直接应用在斜齿轮或圆锥齿轮上
14.蜗杆传动的特点是什么？
a.结构紧凑，传动平稳，啮合冲击小
b.传动磨损大，传动效率低，易发热
c.反行程常具有自锁
15.确定蜗杆头数和蜗轮齿数要考虑那些问题？
蜗杆头数通常取1-10，推荐值1、2、4、6，当需要反行程自锁时通常取1
蜗轮齿数根据蜗杆头数和传动比确定
16.什么是蜗杆机构的中间平面，中间平面上蜗杆传动相当于什么传动？
通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面；齿轮齿条传动
17.确定蜗杆直径系数的目的是什么，q 的大小对蜗杆传动有什么影响？
为了标准化蜗杆分度圆直径。

蜗杆头数一定时，q 变小则导程角变大；模数一定时，q 变大则蜗杆分度圆直径变大，蜗杆刚度增大
18.不同类型齿轮的正确啮合条件？
直齿轮，齿轮齿条，变位齿轮：m m m ==21 ααα==21
平行轴斜齿轮：n n n m m m ==21 n n n ααα==21 21ββ±=（外负内正）
锥齿轮：大端参数m m m ==21 ααα==21
涡轮蜗杆：m m m x t ==12 ααα==12x t 交错角等于90时，螺旋线旋向相同且21βγ=
九、齿轮系及其设计
1.轮系基本定义
定轴轮系：轮系转动时其各轮轴线的位置固定不动
周转轮系：轮系运动时至少有一个齿轮的轴线绕齿轮轴线转动（行星轮系自由度为1，
差动轮系自由度为2）
行星轮：绕动轴线转动的齿轮（基本构件）
太阳轮：绕固定轴线转动的齿轮（基本构件）
行星架（系杆）：支撑行星轮且绕固定轴线转动的构件
2.什么是过轮（惰轮），起什么作用
过轮：定轴轮系中，既是主动轮又是从动轮，不影响传动比大小但可以改变传动方向
3.首、末轮转向关系如何确定？
首、末两轮轴线平行时，转向相同传动比为“+”，反之为“-”
首、末两轮轴线不平行时，转向关系只能在图上用箭头标注
4.什么是周转轮系的转化机构，为什么可以用转化机构法来计算周转轮系中基本构件间传动比？
虚拟的给整个周转轮系加上一个公共角速度，使之绕行星架的固定轴线回转，此时周转轮系就转化为定轴轮系，这个定轴轮系称为周转轮系的转化机构。

转化机构为定轴轮系
5.设计行星轮系时，轮系各轮的齿数和行星轮的个数要满足什么条件？
传动比条件：尽可能近似的实现给定传动比
同心条件：行星架回转轴线应与中心轮几何轴线重合
均布条件：行星轮个数与各轮齿数应满足一定条件，以防止干涉
邻接条件：相邻的行星轮齿顶圆不能相交。