机械原理考研习题解答

共61页第1页机械原理习题解答1.绘制题1图所示液压泵机构的机构运动简图。解：该机构由机架1、原动件2和从动件3、4组成，共4个构件，属于平面四杆机构。机构中构件1、2，构件2、3，构件4、1之间的相对运动为转动，即两构件间形成转动副，转动副中心分别位于A、B、C点处；构件3、4之间的相对运动为移动，即两构件间形成移动副，移动副导路方向与构件3的中心线平行。构件1的运动尺寸为A、C两点间距离，构件2的运动尺寸为A、B两点之间的距离，构件3从B点出发，沿移动副导路方向与构件4在C点形成移动副，构件4同时又在C点与构件1形成转动副。选择与各构件运动平面平行的平面作为绘制机构运动简图的视图平面。选择比例尺lµ=0.001m/mm，分别量出各构件的运动尺寸，绘出机构运动简图，并标明原动件及其转动方向，如题１图所示。2.绘制题２图所示简易冲床的机构运动简图。解：图示机构中已标明原动件，构件6为机架，其余构件为从动件。需要注意的是，在区分构件时应正确判断图中各构件都包括哪些部分，例如：构件3就包括两部分，如图所示。该机构中构件1与机架以转动副连接，转动副中心位于固定轴的几何中心A点处；构件2除与构件1形成回转中心位于C点的转动副外，又与构件3形成移动副，移动副导路沿题２图简易冲床机构lµ=0.001m/mm共61页第2页BC方向；构件3也绕固定轴上一点B转动，即构件3与机架形成的转动副位于B点，同时构件3与构件2形成移动副，又与构件4形成中心位于D点的转动副；构件4与构件5形成中心位于E点的转动副；构件5与机架6形成沿垂直方向的移动副。该机构属于平面机构，因此选择与各构件运动平面平行的平面作为绘制机构运动简图的视图平面。选择比例尺lµ=0.001m/mm，量出各构件的运动尺寸，绘出机构运动简图，并标明原动件及其转动方向，如题２图所示。3.题３图为外科手术用剪刀。其中弹簧的作用是保持剪刀口张开，并且便于医生单手操作。忽略弹簧，并以构件1为机架，分析机构的工作原理，画出机构的示意图，写出机构的关联矩阵和邻接矩阵，并说明机构的类型。解：若以构件1为机架，则该手术用剪刀由机架１、原动件２、从动件３、４组成，共４个构件。属于平面四杆机构。当用手握住剪刀，即构件１(固定钳口)不动时，驱动构件２，使构件２绕构件１转动的同时，通过构件３带动构件４(活动钳口)也沿构件１(固定钳口)上下移动，从而使剪刀的刀口张开或闭合。其机构示意图和机构拓扑图如上图所示。其关联矩阵为：邻接矩阵为：110001100011100143214321vvvveeeeLM=；010110100101101043214321vvvvvvvvAM=；4.计算题4图所示压榨机机构的自由度。解：机构为平面机构。题３图43211机构示意图4e2e1e4v3v1v2v3e机构的拓扑图共61页第3页机构中构件1为偏心轮，构件2绕构件1的几何中心发生相对转动，即形成中心位于偏心轮几何中心的转动副，因此偏心轮相当于一个有两个转动副的构件，一个转动副是在点A与机架11形成的，另外一个是在偏心轮几何中心处与构件2形成的。该机构中存在结构对称部分，构件8、9、10和构件4、5、6。如果去掉一个对称部分，机构仍能够正常工作，所以可以将构件8、9、10以及其上的转动副G、H、I和C处的一个转动副视为虚约束；构件7与构件11在左右两边同时形成导路平行的移动副，只有其中一个起作用，另一个是虚约束；构件4、5、6在D点处形成复合铰链。机构中没有局部自由度和高副。去掉机构中的虚约束，则机构中活动构件数为7=n，机构中低副数10====lP，得11027323====××××−−−−××××====−−−−−−−−====hlPPnF5.计算题5图所示自动驾驶仪操纵机构的自由度。解：自动驾驶仪操纵机构为空间机构，机构中共有3个活动构件，其中构件1、2之间形成圆柱副，属Ⅳ级副；构件2、3形成转动副，属Ⅴ级副；构件3、4形成球面副，属Ⅲ级副；构件4、1形成转动副，属Ⅴ级副。则机构自由度为:113142536=×−×−×−×=F6.在题6图所示所有机构中，原动件数目均为1时，判断图示机构是否有确定的运动。如有局部自由度、复合铰链和虚约束请予以指出。解：（a）、11027323=×−×=−−=hlPPnF，机构有确定的运动。其中：Ｆ、D、B、C四处均为复合铰链，没有局部自由度、虚约束；（b）、211229323=−×−×=−−=hlPPnF，机构没有确定的运动。其中：Ａ处题4图压榨机机构题5图自动驾驶仪操纵机构共61页第4页为复合铰链，Ｋ处为局部自由度，没有虚约束；（C）、11027323=×−×=−−=hlPPnF，机构有确定的运动。其中：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四处均为复合铰链，AB、BC、CD、AD四杆中有一杆为虚约束，没有局部自由度；（d）、1423323=×−×=−−=hlPPnF，机构有确定的运动。没有局部自由度、复合铰链、虚约束；（e）、3625323=×−×=−−=hlPPnF，机构没有确定的运动。没有局部自由度、复合铰链、虚约束。7.计算题7图所示齿轮－连杆机构的自由度。解：（a）、11524323=−×−×=−−=hlPPnF)(a)(b)(c)(d)(e题６图题７图共61页第5页（b）、13726323=−×−×=−−=hlPPnF8.题８图所示为缝纫机中的送料机构。计算该机构的自由度，该机构在什么条件下具有确定的运动？解：22424323=−×−×=−−=hlPPnF由于该机构具有２个自由度，所以该机构在有２个原动件的条件下就具有确定的运动。9.计算题９图所示机构的自由度。解：（a）、24626323=−×−×=−−=hlPPnF（b）、21927323=−×−×=−−=hlPPnF（注：滑块Ｄ的运动轨迹与Ｃ的运动轨迹相重合，所以滑块Ｄ及其上的转动副和移动副均应视为虚约束。）10.构思出自由度分别为１、２和３的Ⅲ级机构的设计方案。题８图)(b)(a题9图)(c)(b)(a共61页第6页解：自由度分别为１、２和３的Ⅲ级机构分别如下图（a）、（b）和（c）所示。11.确定题11图所示机构当构件８为原动件时机构的级别。解：当构件８为原动件时，图示机构去掉原动件和机架后可以拆分为３个Ⅱ级杆组，如下图示，所以该机构为Ⅱ级机构。12.在题12图所示的铰链四杆机构中，已知该机构的结构参数以及构件1的转速为1ω，机构运动简图的比例尺为lµ。利用速度瞬心法，求在图示位置时，构件2和构件3的转速2ω和3ω的大小和方向。解：首先找出相关的速度瞬心：速度瞬心P10、P12、P23、P03可根据相应的构件构成转动副直接确定出来；而P02和P13需应用三心定理来确定：速度瞬心P02应在三个构件0、1、2的两个已知速度瞬心P10和P12的连线上，同时又应在三个构件0、3、2的两个已知速度瞬心P03、P23的连线上，则这两条连线的交点即为P02。速度瞬心P13的确定方法类似，它应是P12P23连线和P10P03连线的交点。由速度瞬心的概念，在速度瞬心点两构件的绝对速度相同，便可求解未知转速。在速度瞬心点P12有llPVµωµω021221210112PPPP⋅=⋅=式中1210PP和0212PP可直接从所作的图中量取。由上式可解出1021212102PPPPωω=由绝对速度→→→→12Pv方向，得出ω2方向为顺时针方向。同理，在速度瞬心点P13有llPVµωµω130331310113PPPP⋅=⋅=JHDGEFCBAI题11图题12图共61页第7页由绝对速度→→→→13Pv的方向，可知其为逆时针方向。13.题13图所示的凸轮机构，已知该机构的结构尺寸和凸轮1的角速度1ω。利用瞬心法，求机构在图示位置时从动件2的线速度2v�。机构运动简图的比例尺为lµ。解：构件1与机架0的速度瞬心P01以及从动件与机架的速度瞬心P02可根据相应的构件分别构成转动副和移动副而直接确定出来。凸轮1和从动件之间的瞬心P12的确定方法是：一方面，P12应在构件1、2高副接触点K的公法线n-n上，另一方面，利用三心定理，它又应在瞬心P01和P02的连线上，即又应在过点P01而垂直于从动件2与机架移动副导路的直线上。因而，n-n与该直线的交点即为P12。再根据速度瞬心的概念，可得：21212011PPvvPl==⋅µω其中，1201PP可以直接从图中量出。从动件的速度v2方向如图中12Pv所示。14.在题14图所示所示的平面组合机构中，已知机构作图的比例尺μl，及构件1的角速度1ω，求图示位置构件4的线速度4v�。解：已知构件１的角速度，求构件４的线速度，因而需求出速度瞬心14P，一方面，14P应在瞬心01P和04P的连线上，另一方面，它也应在瞬心12P和24P的连线上。其中：瞬心12P题13图题14图ω02P01P04P34P04P24P23P12P14P14Pv�nn共61页第8页一方面应在构件１、２高副接触点的公法线n-n上，另一方面，它也应在瞬心01P和02P的连线上。瞬心24P一方面应在瞬心23P和34P的连线上，另一方面，它也应在瞬心02P和04P的连线上。根据速度瞬心的概念，可得41401114vvPPPl==⋅µω，其中，1401PP可以直接从图中量出。构件４的速度方向如图中14Pv所示。15.确定题15图所示机构所有的速度瞬心。如果已知构件1的角速度1ω，设图示比例为lµ，求图示位置时，题15图（a）齿轮4的角速度4ω的大小、方向和题15图（b）构件3的速度3V的大小和方向。题15图)(b)(a14P1ωo4ω3ω13Pv34Pv1o2o3o12345626P13P34P56P45P36P35P23P24P25P15P12P16P46P)(a共61页第9页解：（a）、图示机构共有6个构件，所以速度瞬心的数目为152)1(2=−=NNCN。其中：14P、16P和46P在转动副1O处；12P、15P和25P在转动副2O处；35P在转动副3O处；36P在转动副O处；23P在齿轮２和齿轮３的基圆切点处；24P在齿轮２和齿轮４的基圆切点处；13P在瞬心12P和23P的连线与瞬心16P和36P的连线的交点处；26P在瞬心24P和46P的连线与瞬心23P和36P的连线的交点处；34P在瞬心23P和24P的连线与瞬心36P和46P的连线的交点处；56P在瞬心35P和36P的连线与瞬心15P和16P的连线的交点处；45P在瞬心24P和25P的连线与瞬心34P和35P的连线的交点处。根据速度瞬心的概念，可得131336313161PllvPPPP=⋅=⋅µωµω，从而可先求出构件３的角速度1336131613PPPP⋅=ωω，其中，1316PP和1336PP可以直接从图中量出，构件３的速度方向如图中3ω所示；再根据速度瞬心的概念，可得343634346344PllvPPPP=⋅=⋅µωµω，从而可求出构件４的角速度4634363434PPPP⋅=ωω，其中，3634PP和4634PP可以直接从图中量出，构件４的速度方向如图中4ω所示。1ω2343vnn13P12P34P24P14Pn′n′23P)(b共61页第10页（b）、图示机构共有４个构件，所以速度瞬心的数目为62)1(2=−=NNCN。其中：14P和24P分别在构件１和构件４、构件２和构件４形成的转动副处；34P在垂直于移动副导路的无穷远处；12P在过高副接触点Ｂ的公法线n-n和瞬心14P、24P的连线的交点处；23P在过高副接触点Ｃ的公法线nn′−′和瞬心24P、34P的连线的交点处；13P在瞬心12P和23P的连线与瞬心14P和34P的连线的交点处。根据速度瞬心的概念，可得31413113vvPPPl==⋅µω，其中，1413PP可以直接从图中量出。构件３的速度方向如图中3v所示。16.在题16图的四杆闭运动链中，已知mma150====，mmb500====，mmc300====，mmd400====。欲设计一个铰链四杆机构，机构的输入运动为单向连续转动，确定在下列情况下，应取哪一个构件为机架