机械设计基础

1-1至1-4解机构运动简图如下图所示。图1.11题1-1解图图1.12题1-2解图图1.13题1-3解图图1.14题1-4解图1-5解1-6解1-7解1-8解1-9解1-10解1-11解1-12解1-13解该导杆机构的全部瞬心如图所示，构件1、3的角速比为：1-14解该正切机构的全部瞬心如图所示，构件3的速度为：，方向垂直向上。1-15解要求轮1与轮2的角速度之比，首先确定轮1、轮2和机架4三个构件的三个瞬心，即，和，如图所示。则：，轮2与轮1的转向相反。1-16解（1）图a中的构件组合的自由度为：自由度为零，为一刚性桁架，所以构件之间不能产生相对运动。（2）图b中的CD杆是虚约束，去掉与否不影响机构的运动。故图b中机构的自由度为：所以构件之间能产生相对运动。题2-1答:a），且最短杆为机架，因此是双曲柄机构。b），且最短杆的邻边为机架，因此是曲柄摇杆机构。c），不满足杆长条件，因此是双摇杆机构。d），且最短杆的对边为机架，因此是双摇杆机构。题2-2解:要想成为转动导杆机构，则要求与均为周转副。（1）当为周转副时，要求能通过两次与机架共线的位置。见图2-15中位置和。在中，直角边小于斜边，故有：（极限情况取等号）；在中，直角边小于斜边，故有：（极限情况取等号）。综合这二者，要求即可。（2）当为周转副时，要求能通过两次与机架共线的位置。见图2-15中位置和。在位置时，从线段来看，要能绕过点要求：（极限情况取等号）；在位置时，因为导杆是无限长的，故没有过多条件限制。（3）综合（1）、（2）两点可知，图示偏置导杆机构成为转动导杆机构的条件是：题2-3见图2.16。图2.16题2-4解:（1）由公式，并带入已知数据列方程有：因此空回行程所需时间；（2）因为曲柄空回行程用时，转过的角度为，因此其转速为：转/分钟题2-5解:（1）由题意踏板在水平位置上下摆动，就是曲柄摇杆机构中摇杆的极限位置，此时曲柄与连杆处于两次共线位置。取适当比例图尺，作出两次极限位置和（见图2.17）。由图量得：，。解得：由已知和上步求解可知：，，，（2）因最小传动角位于曲柄与机架两次共线位置，因此取和代入公式（2-3）计算可得：或：代入公式（2-3）′，可知题2-6解：因为本题属于设计题，只要步骤正确，答案不唯一。这里给出基本的作图步骤，不给出具体数值答案。作图步骤如下（见图2.18）：（1）求，；并确定比例尺。（2）作，。（即摇杆的两极限位置）（3）以为底作直角三角形，，。（4）作的外接圆，在圆上取点即可。在图上量取，和机架长度。则曲柄长度，摇杆长度。在得到具体各杆数据之后，代入公式（2—3）和（2-3）′求最小传动角，能满足即可。图2.18题2-7图2.19解:作图步骤如下（见图2.19）：（1）求，；并确定比例尺。（2）作，顶角，。（3）作的外接圆，则圆周上任一点都可能成为曲柄中心。（4）作一水平线，于相距，交圆周于点。（5）由图量得，。解得：曲柄长度：连杆长度：题2-8解:见图2.20，作图步骤如下：（1）。（2）取，选定，作和，。（3）定另一机架位置：角平分线，。（4），。杆即是曲柄，由图量得曲柄长度：题2-9解：见图2.21，作图步骤如下：（1）求，，由此可知该机构没有急回特性。（2）选定比例尺，作，。（即摇杆的两极限位置）（3）做，与交于点。（4）在图上量取，和机架长度。曲柄长度：连杆长度：题2-10解:见图2.22。这是已知两个活动铰链两对位置设计四杆机构，可以用圆心法。连接，，作图2.22的中垂线与交于点。然后连接，，作的中垂线与交于点。图中画出了一个位置。从图中量取各杆的长度，得到：，，题2-11解:（1）以为中心，设连架杆长度为，根据作出，，。（2）取连杆长度，以，，为圆心，作弧。（3）另作以点为中心，、，的另一连架杆的几个位置，并作出不同半径的许多同心圆弧。（4）进行试凑，最后得到结果如下：，，，。机构运动简图如图2.23。题2-12解:将已知条件代入公式（2-10）可得到方程组：联立求解得到：，，。将该解代入公式（2-8）求解得到：，，，。又因为实际，因此每个杆件应放大的比例尺为：，故每个杆件的实际长度是：，，，。题2-13证明:见图2.25。在上任取一点，下面求证点的运动轨迹为一椭圆。见图可知点将分为两部分，其中，。又由图可知，，二式平方相加得可见点的运动轨迹为一椭圆。3-1解图3.10题3-1解图如图3.10所示，以O为圆心作圆并与导路相切，此即为偏距圆。过B点作偏距圆的下切线，此线为凸轮与从动件在B点接触时，导路的方向线。推程运动角如图所示。3-2解图3.12题3-2解图如图3.12所示，以O为圆心作圆并与导路相切，此即为偏距圆。过D点作偏距圆的下切线，此线为凸轮与从动件在D点接触时，导路的方向线。凸轮与从动件在D点接触时的压力角如图所示。3-3解：从动件在推程及回程段运动规律的位移、速度以及加速度方程分别为：（1）推程：0°≤≤150°（2）回程：等加速段0°≤≤60°等减速段60°≤≤120°为了计算从动件速度和加速度，设。计算各分点的位移、速度以及加速度值如下：总转角0°15°30°45°60°75°90°105°位移(mm)00.7342.8656.18310.3651519.63523.817速度(mm/s)019.41636.93150.83259.75762.83259.75750.832加速度（mm/s2）65.79762.57753.23138.67520.3330-20.333-38.675总转角120°135°150°165°180°195°210°225°位移(mm)27.13529.26630303029.06626.25021.563速度(mm/s)36.93219.416000-25-50-75加速度（mm/s2）-53.231-62.577-65.7970-83.333-83.333-83.333-83.333总转角240°255°270°285°300°315°330°345°位移(mm)158.4383.750.9380000速度(mm/s)-100-75-50-250000加速度（mm/s2）-83.333-83.33383.33383.33383.333000根据上表作图如下（注：为了图形大小协调，将位移曲线沿纵轴放大了5倍。）：图3-13题3-3解图3-4解：图3-14题3-4图根据3-3题解作图如图3-15所示。根据(3.1)式可知，取最大，同时s2取最小时，凸轮机构的压力角最大。从图3-15可知，这点可能在推程段的开始处或在推程的中点处。由图量得在推程的开始处凸轮机构的压力角最大，此时＜[]=30°。图3-15题3-4解图3-5解：（1）计算从动件的位移并对凸轮转角求导当凸轮转角在0≤≤过程中，从动件按简谐运动规律上升h=30mm。根据教材(3-7)式可得：0≤≤0≤≤当凸轮转角在≤≤过程中，从动件远休。S2=50≤≤≤≤当凸轮转角在≤≤过程中，从动件按等加速度运动规律下降到升程的一半。根据教材(3-5)式可得：≤≤≤≤当凸轮转角在≤≤过程中，从动件按等减速度运动规律下降到起始位置。根据教材(3-6)式可得：≤≤≤≤当凸轮转角在≤≤过程中，从动件近休。S2=50≤≤≤≤（2）计算凸轮的理论轮廓和实际轮廓本题的计算简图及坐标系如图3-16所示，由图可知，凸轮理论轮廓上B点(即滚子中心)的直角坐标为图3-16式中。由图3-16可知，凸轮实际轮廓的方程即B′点的坐标方程式为因为所以故由上述公式可得理论轮廓曲线和实际轮廓的直角坐标，计算结果如下表，凸轮廓线如图3-17所示。x′y′x′y′0°49.3018.333180°-79.223-8.88510°47.42116.843190°-76.070-22.42120°44.66825.185200°-69.858-34.84030°40.94333.381210°-60.965-45.36940°36.08941.370220°-49.964-53.35650°29.93448.985230°-37.588-58.31260°22.34755.943240°-24.684-59.94970°13.28461.868250°-12.409-59.00280°2.82966.326260°-1.394-56.56690°-8.77868.871270°8.392-53.041100°-21.13969.110280°17.074-48.740110°-33.71466.760290°24.833-43.870120°-45.86261.695300°31.867-38.529130°-56.89553.985310°38.074-32.410140°-66.15143.904320°43.123-25.306150°-73.05231.917330°46.862-17.433160°-77.48418.746340°49.178-9.031170°-79.5625.007350°49.999-0.354180°-79.223-8.885360°49.3018.333图3-17题3-5解图3-6解：图3-18题3-6图从动件在推程及回程段运动规律的角位移方程为：1.推程：0°≤≤150°2.回程：0°≤≤120°计算各分点的位移值如下：总转角（°）0153045607590105角位移（°）00.3671.4323.0925.1827.59.81811.908总转角（°）120135150165180195210225角位移（°）13.56814.63315151514.42912.8030.370总转角（°）240255270285300315330345角位移（°）7.54.6302.1970.5710000根据上表作图如下：图3-19题3-6解图3-7解：从动件在推程及回程段运动规律的位移方程为：1.推程：0°≤≤120°2.回程：0°≤≤120°计算各分点的位移值如下：总转角（°）0153045607590105位移（mm）00.7612.9296.1731013.82717.07119.239总转角（°）120135150165180195210225位移（mm）20202019.23917.07113.827106.173总转角（°）240255270285300315330345位移（mm）2.9290.761000000图3-20题3-7解图4.5课后习题详解4-1解分度圆直径齿顶高齿根高顶隙中心距齿顶圆直径齿根圆直径基圆直径齿距齿厚、齿槽宽4-2解由可得模数分度圆直径4-3解由得4-4解分度圆半径分度圆上渐开线齿廓的曲率半径分度圆上渐开线齿廓的压力角基圆半径基圆上渐开线齿廓的曲率半径为0；压力角为。齿顶圆半径齿顶圆上渐开线齿廓的曲率半径齿顶圆上渐开线齿廓的压力角4-5解正常齿制渐开线标准直齿圆柱齿轮的齿根圆直径：基圆直径假定则解得故当齿数时，正常齿制渐开线标准直齿圆柱齿轮的基圆大于齿根圆；齿数，基圆小于齿根圆。4-6解中心距内齿轮分度圆直径内齿轮齿顶圆直径内齿轮齿根圆直径4-7证明用齿条刀具加工标准渐开线直齿圆柱齿轮，不发生根切的临界位置是极限点正好在刀具的顶线上。此时有关系：正常齿制标准齿轮、，代入上式短齿制标准齿轮、，代入上式图4.7题4-7解图4-8证明如图所示，、两点为卡脚与渐开线齿廓的切点，则线段即为渐开线的法线。根据渐开线的特性：渐开线的法线必与基圆相切，切点为。再根据渐开线的特性：发生线沿基圆滚过的长度，等于基圆上被滚过的弧长，可知：AC对于任一渐开线齿轮，基圆齿厚与基圆齿距均为定值，卡尺的位置不影响测量结果。图4.8题4-8图图4.9题4-8解图4-9解模数相等、压力角相等的两个齿轮，分度圆齿厚相等。但是齿数多的齿轮分度圆直径大，所以基圆直径就大。根据渐开线的性质，渐开线的形状取决于基圆的大小，基圆小,则渐开线曲率大,基圆大，则渐开线越趋于平直。因此，齿数多的齿轮与齿数少的齿轮相比，齿顶圆齿厚和齿