机械原理思考题.doc

机械原理思考题
1. 何谓机器，何谓机构？它们有什么区别与联系？
2. 参照内燃机的机构分析，试对机械手进行分解，说明它是由哪些机构组成的。
3． 何谓零件和构件？两者的区别是什么？
4． 何谓运动副？满足什么条件两个构件之间才能构成运动副？
5． 何谓“高副”和“低副”？在平面机构中高副和低副一般各带入几个约束？
6． 具备什么条件，运动链才具有运动的可能性？
7． 具备什么条件，运动链才具有运动的确定性？
8． 具备什么条件，运动链才能成为机构？
9．机构运动分析包括哪些内容？对机构进行运动分析的目的是什么？
10．什么叫速度瞬心？相对速度瞬心和绝对速度瞬心有什么区别？
11．在进行机构运动分析时，速度瞬心法的优点及局限是什么？
12．什么叫三心定理？
13．什么是摩擦角？移动副中总反力是如何定的？
14．何谓当量摩擦系数及当量摩擦角？引入它们的目的是什么？
15．矩形螺纹和三角形螺纹螺旋副各有何特点？各适用于何种场合？
16．何谓摩擦圆？摩擦圆的大小与哪些因素有关？
17．为什么实际设计中采用空心的轴端？
18．何谓机械效率？效率高低的实际意义是什么？
19．何谓实际机械、理想机械？两者有何区别？
20．什么叫自锁？在什么情况下移动副、转动副会发生自锁？
21．机械效率小于零的物理意义是什么？
22．工作阻力小于零的物理意义是什么？从受力的观点来看，机械自锁的条件是什么？
23．机械系统正行程、反行程的机械效率是否相等？为什么？
24．什么是连杆、连架杆、连杆机构？连杆机构适用于什么场合？不适用于什么场合？
25．平面四杆机构的基本形式是什么？它有哪几种演化方法？其演化的目的何在？
26．什么叫整转副、摆转副？什么叫曲柄？曲柄一定是最短构件吗？机构中有整转副的条件是什么？
27．什么叫低副运动可逆性？它在连杆机构研究中有何具体应用？
28．什么是连杆机构的急回特性？它用什么来表达？什么叫极位夹角？它与机构的急回特性有何关系？
29． 什么叫连杆机构的压力角、传动角？四杆机构的最大压力角发生在什么位置？研究传动角的意义是什么？
30． 什么叫"死点"？它在什么情况下发生？与"自锁"有何本质区别？如何利用和避免"死点"位置？
31． 平面连杆机构设计的基本命题有哪些？设计方法有哪些？它们分别适用在什么设计条件下？
32．在用图解法进行函数生成机构的设计时，刚化、反转的目的何在？其依据是什么？
33．用反转法设计盘形凸轮的廓线时，应注意哪些问题？移动从动件盘形凸轮机构和摆动从动件盘形凸轮机构的设计方法各有什么特点？
34．何谓凸轮的偏距圆？
35．何谓凸轮的理论廓线？何谓凸轮的实际廓线？两者有何区别与联系？
36．理论廓线相同而实际廓线不同的两个对心移动从动件盘形凸轮机构，其从动件的运动规律是否相同？
37．一个齿轮不同圆上的压力角和模数是否相同？是否都是标准值？
38．为什么模数值要标准化？      
39．标准为什么规定压力角为20°？
40．如果齿轮的五个基本参数中，除模数以外其余四个基本参数都相同，齿轮的几何尺寸有何不同？
41．确定蜗杆头数和蜗轮的齿数要考虑哪些问题？
42．何谓蜗杆蜗轮机构的中间平面？在中间平面内，蜗杆蜗轮传动相当于什么传动？
43．确定蜗杆直径系数的目的是什么？的大小对蜗杆蜗轮机构有什么影响？它与蜗杆分度圆直径是什么关系？
44．何谓圆锥齿轮的背锥和当量齿轮？引入背锥和当量齿轮的目的是什么？当量齿数如何计算？
45．在直齿圆锥齿轮中何处为标准值？
46．什么是惰轮？它在轮系中起什么作用？
47．在定轴轮系中，如何来确定首、末两轮转向间的关系？
48．什么叫周转轮系的"转化机构"？它在计算周转轮系传动比中起什么作用？
49．在差动轮系中，若已知两个基本构件的转向，如何确定第三个基本构件的转向？
50．周转轮系中两轮传动比的正负号与该周转轮系转化机构中两轮传动比的正负号相同吗？为什么？
51．计算混合轮系传动比的基本思路是什么？能否通过给整个轮系加上一个公共的角速度的方法来计算整个轮系的传动比？为什么？
52．如何从复杂的混合轮系中划分出各个基本轮系？
53．定轴轮系有哪些功能？设计定轴轮系时，应考虑哪几方面的问题？
54．什么样的轮系可以进行运动的合成和分解？
55．棘轮机构有几种类型，它们分别有什么特点，适用于什么场合？
56．内槽轮机构与外槽轮机构相比有何优点？
57．平面槽轮机构中主动销轮上的圆柱销进入或退出槽轮上的滑槽时，它们的相对位置关系如何？
58．在槽轮机构中，当主动件与从动件脱离接触之后，如何保证从动件静止？
59．一般机械的运转过程分为哪三个阶段?在这三个阶段中,输入功、总耗功、动能及速度之间的关系各有什么特点？
60．为什么要建立机器等效动力学模型？建立时应遵循的原则是什么？ 
61．在机械系统的真实运动规律尚属未知的情况下，能否求出其等效力矩和等效转动惯量？为什么？
62．飞轮的调速原理是什么？为什么说飞轮在调速的同时还能起到节约能源的作用？
63．何谓机械运转的"平均速度"和"不均匀系数"？ 
64．飞轮设计的基本原则是什么？为什么飞轮应尽量装在机械系统的高速轴上？系统上装上飞轮后是否可以得到绝对的匀速运动？
65．机械系统在加飞轮前后的运动特性和动力特性有何异同（比较主轴的ωm，ωmax，选用的原动机功率、启动时间、停车时间，系统中主轴的运动循环周期、系统的总动能）？ 
66．何谓最大盈亏功？如何确定其值？
67．如何确定机械系统一个运动周期最大角速度Wmax与最小角速度Wmin 所在位置？
68．为什么机械会出现非周期性速度波动，如何进行调节？
69．机械的自调性及其条件是什么？
70．离心调速器的工作原理是什么？ 
71．机械平衡分为哪几类？何谓刚性转子与挠性转子？
72．对于作往复移动或平面运动的构件，能否在构件本身将其惯性力平衡？
73．机械的平衡包括哪两种方法？它们的目的各是什么？
74．刚性转子的平衡设计包括哪两种设计？它们各需要满足的条件是什么？
75．经过平衡设计后的刚性转子，在制造出来后是否还要进行平衡试验？为什么？
76．简述机械执行系统方案设计的过程，并说明各设计阶段的具体内容。
【典型习题】
习题1．  在右图所示机构中，构件AB, EF, CD相互平行且相等，试计算该机构的自由度。
分析：注意机构中的复合铰链、局部自由度及虚约束。
解：去掉机构中的局部自由度和虚约束，则
,
通过公式计算得

习题2．
1）找出图中六杆机构的所有瞬心位置。
2）角速度比 w 4/ w 2 是多少？
3）角速度比 w 5/w 2 是多少？
4）求点 C 的速度。

   解 1）找瞬心位置时，首先分析此六杆机构的瞬心数N =15。它们是：P16，P15，P14，P13，P12，P26，P25，P24，P23，P36，P35，P34，P46，P45，P56。为确保找对以上瞬心，可以利用下图所示的瞬心多边形。图中，多边形各顶点上的数字代表机构中各构件的编号，两顶点之间的连线代表一个瞬心。各瞬心位置可用所学知识定出：两构件直接组成转动副时，转动副中心即为两构件的瞬心；两构件组成移动副时，瞬心位于垂直于导路的无穷远处；两构件不直接构成运动副时，可运用“三心定理”。所求瞬心位置如上图所示。
2）求w4w2
   因P24即构件2与构件4上的等速重合点，故有
w2··mi=  w4··mi
所以 w4/w2= / 
 3）求w5w2
 找出构件2与构件5的等速重合点即P25，则：
   w2· ·mi=w5· · mi 
  w 5 /w 2 =  /
4）求点C的速度
    C 为杆 5 上的点，故
uc=w5 · v ·mi
w5 = ( / )·w2
故      uc=   · / ·w2 ·mi
另外由于 C 点亦为滑块 6 上的点，滑块 6 上各点速度相等，故也可用 P26 求得。
uc =uP26  = ·w2·mi
由以上求解过程可知，当用瞬心法求某两构件之角速度比或某点速度时，用到的仅为几个与求解有关的瞬心，故在题目中不要求找所有的瞬心时，则用哪个瞬心找哪个瞬心。此外求构件上某点速度时，可能有多种求解方法，在进行分析时应力求简便。
瞬心法最大的特点是直观，从上题分析中可知，构件间的速度瞬心与构件所处位置有关，瞬心法求出的构件间的角速比或构件的速度具有瞬时性，当机构运动至下一瞬时后，构件间的瞬心位置将发生变化，构件间的角速比及构件上某点的速度亦相应发生变化。

习题3．
在图中已知 lBC =100mm, lCD =70mm, lAD =50mm,AD为固定件。
（1） 如果该机构能成为曲柄摇杆机构，且AB 为曲柄，求 lAB的值；
（2） 如果该机构能成为双曲柄机构，求lAB 的值；
（3） 如果该机构能成为双摇杆机构，求lAB
 解： 这是一个需要灵活运用格拉霍夫（Grashoff）定律的题目。
    （1） 如果能成为曲柄摇杆机构，则机构必须满足“最长杆与最短杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和，且AB为最短杆”。则有
lAB + lBC ≤lCD + lAD
    代入各杆长度值，得
lAB ≤20mm
    （2） 如果能成为双曲柄机构，则应满足“最长杆与最短杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和，且杆AD为最短杆”。则
    1） 若BC为最长杆，即lAB ≤100mm，则
lBC+ lAD ≤ lAB + lCD
lAB ≥80mm
    所以 80mm≤lAB ≤100mm
    2） 若AB为最长杆，即lAB ≥100mm，则
lAB + lAD ≤ lBC + lCD
lAB ≤120mm
    所以 100mm≤lAB ≤120mm
    将以上两种情况进行分析综合后，lAB 的值应在以下范围内选取，即
80mm≤lAB ≤120mm
    (3) 若能成为双摇杆机构，则应分两种情况分析。第一种情况：机构各杆件长度满足“杆长之和条件”，但以最短杆的对边为机架；第二种情况：机构各杆件长度不满足“杆长之和条件”。在本题目中，AD已选定为固定件，则第一种情况不存在。下面就第二种情况进行分析。
    1） 当lAB <50mm，AB为最短杆，BC为最长杆
lAB + lBC > lCD + lAD
lAB > 20mm
    即 20mm<lAB < 50mm
    2) 当lAB ∈[50，70）以及 lAB ∈[70，100)时，AD为最短杆，BC为最长杆，则
lAD + lBC > lAB + lCD
lAB < 80mm
    即 50mm ≤ lAB < 80mm
    3） 当 lAB >100时，AB 为最长杆，AD 为最短杆，则
lAB + lAD > + lCD
lAB > 120 mm
    另外，AB增大时，还应考虑到，BC与CD成伸直共线时，需构成三角形的边长关系，即
lAB < ( lBC + lCD ) + lAD
lAB < 220 mm
    则 120 mm < lAB <220 mm
    综合以上情况，可得lAB 的取值范围为：

除以上分析方法外，机构成为双摇杆机构时，lAB 的取值范围亦可用以下方法得到：对于以上给定的杆长，若能构成一个铰链四杆机构，则它只有三种类型：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。故分析出机构为曲柄摇杆机构、双曲柄机构时lAB 的取值范围后，在0～220mm之内的其余值即为双摇杆机构时lAB 的取值范围。

习题4
图示的插床用转动导杆机构（导杆AC 可作整周转动），已知lAB =50mm， lAD =40mm，行程速度变化系数K=2。求曲柄BC的长度lBC 及插刀P的行程s。

解 此六杆机构由一个对心曲柄滑块机构和一个转动导杆机构组成。由于AC可作整周回转，故P点的行程 s为AD与DP伸直共线和重叠共线时P点两位置P1 与 P2 之间沿AP 线之距离（如图所示）。通过分析可知，
s =2lAD=80mm。
    由极位夹角的概念可知，当从动件上P点位于其位置P1和 P2 时，相应的主动件BC 处于 BC1和 BC2 两位置， BC1 与 BC2 所夹之锐角即为极位夹角q ，此处q 为60° ，则 lBC = lAB /cos60° =100mm。
    通过本题的分析应有两点收获：
    （1） 对心曲柄滑块机构及转动导杆机构均无急回特性，但当它们组合后就可以有急回特性，机构是否具有急回特性应具体情况具体分析；
（2） 分析机构是否具有急回特性时，应从急回特性的概念出发，找机构的极位夹角，从而确定机构是否有急回特性。

习题5
例1 可折叠式座椅的机构简图如图。已知 lAF=30mm,lFB =12mm。若图示Ⅰ位置为展开状态，此时 α1 =110 ° ， β1 =45 ° ，Ⅱ为折叠位状态，此时  α2=0° ， β2 =0°  。设计此机构。

解: 由图中可以看到，Ⅰ位置时 HK 杆的上端已经与椅背接触，即 β1 角不能再大，故可以推出 AB 与BC为伸直共线位，则铰链C 必在A，B 连线的延长线上，若令C点位于 HK 上，则可确定铰链点C 的位置 C1,C2 。  
   为求铰链点D 的位置，首先分析已知条件：已知铰链点A，B，若将椅背看作固定件，则A,B为固定铰链，BC，AD为连架杆。
现已知连架杆BC 的两个位置BC1 ，BC2 ，又知AD 两位置间夹角为110 ° ，且固定铰链A，B 给定。故此设计命题变为：给定固定铰链A，B 位置，连架杆BC长度并给出两连架杆的两组角位置，求连架杆CD上的铰链点D。可利用刚化反转法求D 点。 D1 点应位于 C1 与 C2 的转位点C2' 连线的中垂线上。考虑到实际应用，将 D1 点选在 C1C2' 中垂线与Ⅰ位置的交点 D1 处，则 ABC1D1 为满足设计命题的四杆机构在Ⅰ位置时的机构简图。
从本题可知：设计问题源于实际，用于实际，故在设计时也不能脱离开实际。有时设计命题给出的条件齐备，可以直接用所学方法求解；而有时给定的条件少，设计参数多，这时就要根据具体情况分析，设计时加入合理的条件与约束，使设计参数变少，达到求解目的。当解不唯一时，应从使机构运动学、动力学特性好、保证所设计机构能实际安装和使用入手，确定最终的设计方案。设计完成后，应从设计要求着手进行校验。

习题6
图（a）所示为用齿条型刀具范成切制齿轮时，刀具与轮坯的相对位置，作图的比例为，r为被切齿轮的分度圆半径。
已知刀具的参数，轮坯中心与刀具中线之间的距离 L=53 mm，刀具移动的线速度。
（1）试用图解法判断被切齿轮是否会产生根切现象。
（2）求轮坯转动的角速度。
（3）求被切齿轮的参数和几何尺寸。
解：
 （1）在被切齿轮的基本参数尚属未知的情况下，只能用图解法根据几何条件来判断它是否被根切。为此，应先确定节点C的位置。1)确定节点C及判断是否根切？      2）求角速度   3）求被切齿轮的参数和几何尺寸　

1)
由轮坯中心O作刀具中线的垂线，与被切齿轮的分度圆交于C点，则C即为节点（因这时被切齿轮的节圆与分度圆重合），如图所示。  
过节点C作刀具齿廓的垂线即为啮合线，由点O作啮合线的垂线得点N1。连接刀具的齿顶线（图中的虚线所示）并延长，与啮合线相交于点。从图中可以看出，因而，此齿轮将会产生根切现象。
2）从图中可量得被切齿轮的分度圆半径，根据运动条件即可求得

从图中量得齿条型刀具的齿距（可在刀具中线上量取）为，
则可计算出刀具的最大模数大致为。
    据此查标准模数表（GB1357－87）可知，其模数应为m=10，则齿距的实际值应为
由可求出被切齿轮的齿数为，根据刀具与轮坯的相对位置，可求出变位系数。
求出上述基本参数后，即可计算出被切齿轮的基圆、齿根圆、齿顶圆半径以及分度圆的齿厚分别为

在求出基本参数以后,可用变位系数条件核验一下前面用图解法得出的结论是否正确。
齿数z=10的齿轮不产生根切现象的最小变位系数为。
此齿轮的实际变位系数x=0.3<xmin，所以会产生根切现象，表明用图解法得出的结论是正确的。

习题7
某机床上需要一对渐开线直齿圆柱齿轮机构，已知其传动比 ，齿轮的中心距 ， ， ， ， ，试设计这对齿轮机构。
设计步骤：
1． 选择两轮齿数

     因正传动具有较多优点，应优先采用正传动。
 先取 值：

 考虑到小齿轮齿顶变尖等原因,不宜取得太小。取 ，选取值，使 。
2．计算标准中心距 a

3．按中心距与啮合角关系式 计算啮合角

4．按无侧隙啮合方程式 计算两轮变位系数之和

5．分配两轮变位系数 、 （略）
6．查表计算齿轮机构的尺寸（略）
7．校验重合度和正变位齿轮的齿顶圆厚度（略）
习题8
如果已知： 请写出设计步骤。
设计步骤为：
1.选择传动类型:若 ,必须采用正传动；否则可考虑选择其它传动类型。
2.选择变位系数、 。
3.查表计算齿轮机构的几何尺寸。
4.校验重合度和正变位齿轮的齿顶圆厚度。

习题9
下图所示的轮系中，已知各轮的齿数为：试求传动比i1H
解：这是一个双排2K-H型行星轮系。
    其转化机构的传动比为

由于w3=0，故得        
计算结果i1H为正值，说明系杆与中心轮1转向相同。
习题10
如下图所示的轮系中，已知各轮的齿数为：，又n1=250r/min，转向如图所示。试求系杆的转速nH的大小和方向。

    解：这是一个由锥齿轮所组成的周转轮系。先计算其转化机构的传动比。

式中，齿数比前的"-"号表示在该轮系的转化机构中，齿轮1，3的转向相反。将已知值代入上式，由于轮1、3的实际转向相反，故一个取正值，一个取负值，则

    解该式可得 

    计算结果为正，表明系杆H的转向与齿轮1相同，与齿轮3相反。
习题11
在图所示的轮系中，设已知各轮的齿数为：。试求轴Ⅰ、轴Ⅱ之间的传动比。

    解：这是一个混合轮系。
    （1）首先区分各个基本轮系：
    由于齿轮2的几何轴线不固定，它是一个行星轮系；支承该行星轮的构件H即为系杆；而与行星轮2相啮合的定轴齿轮1，3为中心轮。因此，齿轮1、2、3和系杆组成了一个基本周转轮系，它是一个差动轮系。剩余的由定轴齿轮4-4'、5、1'、3'所组成的轮系为一个定轴轮系。计算传动比i1I ，就是求传动比i4H 。
    （2）分别列出各基本轮系传动比的计算式：
对于差动轮系，有

即 

      对于定轴轮系，有

从图中可见，定轴轮系和差动轮系是通过齿轮1-1′和齿轮3-3′联系起来的，因此有
即

得
    从而可求得

 负号表明Ⅰ、Ⅱ两轴转向相反。
习题12
如图所示为一电动卷扬机减速器的运动简图。已知各轮的齿数为：
试求传动比i15。

    解：这是一个比较复杂的轮系。首先区分出各个基本轮系。
    从图中可以看出：双联齿轮2-2′的几何轴线不固定，而是随着内齿轮5的转动绕中心轴线运动，因此它是一个双联行星轮。支承该行星轮的构件齿轮5即为系杆H，而与齿轮2、2′分别啮合的定轴齿轮1和3即为中心轮。齿轮1、2-2′、3、5（H）组成了一个差动轮系。剩余的定轴齿轮3′，4，5组成一个定轴轮系，整个轮系是一个由定轴轮系把差动轮系中系杆和中心轮3封闭起来的封闭差动轮系。
   对差动轮系来说，有

即
    对定轴轮系来说，有

即
     由于齿轮3′和3为一个构件
故
得

    整理后可得

    正号表明齿轮1和齿轮5转向相同。
 习题14
某蒸汽机 - 发电机组的等效力矩如图 (a) 所示 , 等效阻力矩 Mr 为常数，等于等效驱动力矩 Md 的平均值（ 7550N·m ）。 f1 ， f2， ··· 各块面积代表的功的绝对值如表中所示。等效构件的平均转速为 3000r/min ，运转速度不均匀系数的许用值 d=1/1000 ，忽略其它构件的转动惯量，试计算飞轮的等效转动惯量 JF，并指出最大、最小角速度出现在什么位置。

面积代号
f1
f2
f3
f4
f5
f6
等效力矩所作功的绝对值/J
1400
1900
1400
1800
930
30
解 当等效力矩为机构位置函数时，飞轮转动惯量的计算公式为

   因此，本题的关键是如何正确求出最大盈亏功[W]，其解法有以下两种：
(1) 根据已知各单元面积所代表的盈亏功 ， 首先求出 Md 与 Mr 各交点处盈亏功的累积变化量 ( 即 △ W ) 列于表中
位置
a
b
c
d
e
f
a
面积代号
0
f1
f1－f2
f1－f 2＋f3
f1－f2
＋f3－f4
f1－f2＋
f3－f4＋f5
f1-f2＋f3
-f4+f5-f6
△ W /J
0
1400
-500
900
-900
30
0
解：由此可知 ，B 点处 △ W 最大， E 点处 △ W 最小， jB 和 jE 即为此系统出现 wmax 和 wmin 的位置。最大盈亏功为
[W]= △ Wmax- △ Wmin=1400-(-900)=2300 J
（2） 用能量指示图求解 , 具体做法是 : 根据已知 Md 和 Mr 所围的各块面积判断其正负 ( 盈功为正 , 亏功为负 )， 开始可任作一水平线为基线， 并选一交点为起始点 ， 然后分别按图中最高点 b 点、最低点 e 分别表示机械系统动能最高和最低时的位置， 即 wmax 和 wmin 对应的位置 。 因此， 点 b 和 e 间的垂直距离即相当于相应区间内正、负面积代数和的绝对值， 故代表最大盈亏功 [W] ， 由题图 可知
[W]=f 1 ＋ f 5 － f 6 = 1400 ＋ 930 － 30= 2300J
   与方法 (1) 计算结果完全相同 。 将 [W]   代入飞轮转动惯量计算式， 可得
㎏·㎡
   本题重点在于说明等效力矩为机构位置函数时最大盈亏功[W]的概念和求法 , 这是求解飞轮转动惯量的核心。

习题15
在一台用电动机作原动机的剪床机械系统中，电动机的转速为 nm=1500 r/min 。已知折算得电机轴上的等效阻力矩 Mr 的曲线如图 （ a ）所示，电动机的驱动力矩为常数；机械系统本身各构件的转动惯量均忽略不计。当要求该系统的速度不均匀系数为 d≤ 0.05 时，求安装在电机轴上的飞轮所需的转动惯量 JF 。

   解 取电动机轴为等效构件
    （1）求等效驱动力矩 Md
    图中只给出了等效力矩M r 的变化曲线，并知道电动机的驱动力矩为常数，但不知其具体数值。根据一个周期内等效驱动力矩 Md 所做功等于等效阻力矩 Md 所消耗功的原则可得
求最大盈亏功[W]
在图中画出等效驱动力矩 Md =462.5 N · m 的直线，它与 Mr 曲线之间所夹的各单元面积所对应的盈功或亏功分别为
J

  =-1256.3 J
+(4625-200)×π=844 J
   根据上述结果绘出能量指示图（b ），可见，最大盈亏功即为 f2 或 f1+f2 。即
[W]=1256.3 J
    （2)求飞轮的转动惯量
    （3)将[W] 代入飞轮转动惯量计算式，可得
  kg·m2
    由此例可知，不论已知Md的规律或 Mr的规律，总可以运用在一个周期内等效驱动力矩所做的功应等于等效阻力矩所消耗的功（输入功等于输出功）的原则，求出未知的一个常数力矩，然后 求出最大盈亏功[W ] 。
习题16
下图所示为一装有皮带轮的滚筒轴。已知：皮带轮上有一不平衡质量m1=0.5kg,滚筒上具有三个不平衡质量m2=m3=m4=0.4kg,r1=80mm,r2=r3=r4=100mm各不平衡质量的分布如图所示，试对该滚筒轴进行平衡设计。 

解题思路：