机械设计基础习题集附解答.docx

1、目录绪 论1平面机构的自由度3平面连杆机构8凸轮机构14齿轮机构18轮系23机械零件设计概论28联接30齿轮传动41蜗杆传动51带、链传动60轴69滑动轴承75滚动轴承78联轴器和离合器91I绪 论1. 简述机构与机器的异同及其相互关系。2. 简述机械的基本含义。3. 简述构件和零件的区别与联系。4. 简述“机械运动”的基本含义。5. 简述“机械设计基础”课程的主要研究对象和内容。6. 简述“机械设计基础”课程在专业学习中的性质。93【参考答案】1. 共同点：人为的实物组合体；各组成部分之间具有确定的相对运动；不 同点：机器的主要功能是做有用功、变换能量或传递能量、物料、信息等；机构 的主要功

2、能是传递运动和力、或变换运动形式。相互关系：机器一般由一个或若 干个机构组合而成。2. 从结构和运动的角度看，机构和机器是相同的，一般统称为机械。3. 构件是机械中的运动单元，零件是机械中的制造单元；构件是由一个或若干 个零件刚性组合而成。4. 所谓“机械运动”是指宏观的、有确定规律的刚体运动。5. 研究对象：常用机构（平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等）和通用零（部） 件（螺栓、键、齿轮、带、链、轴、轴承、联轴器、离合器等）。研究内容：机 构的组成及其工作原理、结构分析、运动分析等；零（部）件结构、设计计算、 类型选择、使用维护等。6. “机械设计基础”课程着重研究各类机械中的共性问题，为进

3、一步深入研究 各种专门机械奠定基础；同时，“机械设计基础”课程的学习又涉及到高等数学、 机械制图、工程力学、工程材料以及机械制造基础等知识的综合运用。因此，“机 械设计基础”是课程体系中的一门专业技术基础课程。平面机构的自由度1. 什么是机构中的原动件、从动件、输出构件和机架？2. 机构中的运动副具有哪些必要条件？3. 运动副是如何进行分类的？4. 平面低副有哪两种类型？5. 简述机构运动简图的主要作用，它能表示出原机构哪些方面的特征？6. 机构自由度的定义是什么？一个平面自由构件的自由度为多少？7. 平面运动副中，低副和高副各引入几个约束？8. 机构具有确定运动的条件是什么？当机构的原动件数

4、少于或多于机构的自由 度时，机构的运动将发生什么情况？9. 运动链和机构关系如何？10. 画出下列机构的示意图，并计算其自由度。(a)(b)11. 计算下列机构的自由度，若有虚约束、复合铰链和局部自由度，需指出。（1）齿轮连杆机构（2）凸轮连杆机构（3）发动机机构（4）压缩机机构（5）滚动杠杆机构（6）凸轮拨杆机构（7）电锯机构（8）发动机配气机构（9）冲压机构（10）挖掘机机构【参考答案】1. 原动件：运动参数由外界输入的活动构件；从动件：除原动件外的其余活动 构件；输出构件：输出预期运动的从动件；机架：机构运动的参考物，视作相对 固定的构件。2. 三个条件：两个构件；直接接触；相对运动。3

5、 按两构件运动平面的相互关系分：平面运动副、空间运动副；按两构件 接触方式分：低副（面接触）、高副（点、线接触）。4. 转动副和移动副。5. 机构运动简图主要用于进行机构的结构分析和运动分析。机构运动简图反映 了原机构中的构件类型和数目、运动副类型、数目及其相互位置关系等特征。6. 使机构具有确定运动所需输入的独立运动参数的数目称机构自由度。平面自 由构件的自由度为3。7. 每个低副引入2 个约束；每个高副引入1 个约束。8. 机构具有确定运动条件：自由度原动件数目。原动件数目自由度，机构无法运动甚至构件破坏。9. 运动链：由一系列构件通过运动副联接组成的可动的构件系统；机构：各构 件运动确

6、定的运动链。3AO12BO 1A423B410. (a)机构示意图如图所示。 自由度计算n=3, PL=4, PH=0 F=3n-2PL-PH=33-24-0=1该机构自由度为1。(b) 机构示意图如图所示。 自由度计算n=3, PL=4, PH=0 F=3n-2PL-PH=33-24-0=1该机构自由度为1。11. 解：（1）复合铰链：1n=4, PL=5, PH=1F=3n-2PL-PH=34-25-11=1（2）局部自由度：2，虚约束：2 n=5, PL=6, PH=2F=3n-2PL-PH=35-26-12=1（3）无复合铰链、局部自由度和虚约束n=7, PL=10, PH=0F=3n

7、2PL-PH=37-210-0=1（4）复合铰链：1n=7, PL=10, PH=0F=3n-2PL-PH=37-210-0=1（5）无复合铰链、局部自由度和虚约束n=4, PL=5, PH=1F=3n-2PL-PH=34-25-11=1（6）局部自由度：1 n=3, PL=3, PH=2F=3n-2PL-PH=33-23-12=1（7）局部自由度：1 n=8, PL=11, PH=1F=3n-2PL-PH=38-211-11=1（8）局部自由度：1，虚约束：1 n=6, PL=8, PH=1F=3n-2PL-PH=36-28-11=1（9）复合铰链：1，局部自由度：1 n=9, PL=12

8、 PH=2F=3n-2PL-PH=39-212-12=1（10）复合铰链：1 n=11, PL=15, PH=0F=3n-2PL-PH=311-215-0=3平面连杆机构1. 从运动副类型的角度看，什么是连杆机构？机构中的连杆一般做什么运动？2. 铰链四杆机构有哪几种基本型式？3. 铰链四杆机构可以通过哪几种方式演化成其他型式的四杆机构？试说明曲柄 摇块机构是如何演化而来的？4. 何谓偏心轮机构？它主要用于什么场合？5. 何谓连杆机构的压力角、传动角？它们的大小对连杆机构的工作有何影响？ 以曲柄为原动件的偏置曲柄滑块机构的最小传动角gmin 发生在什么位置？6. 如图所示，设已知四杆机构各构

9、件的长度为a = 240mm ， b = 600mm ， c=400mm，d=500mm。试问：1）当取杆4为机架时，是否有曲柄存在？2） 若各杆长度不变，能否以选不同杆为机架的办法获得双曲柄机构和双摇杆机构？ 如何获得？3）若a、b、c三杆的长度不变，取杆4为机架，要获得曲柄摇杆机 构，d的取值范围应为何值？题6图 7. 如图所示的铰链四杆机构中，各杆的长度为 l1 = 28mm ，l2 = 52mm ，l3 = 50mm ，l4 = 72mm ，试求：1）当取杆4为机架时，该机构的极位夹角q、 杆3的最大摆角j、最小传动角gmin 和行程速比 系数K；2）当取杆 1为机架时，将演化成何种类

10、型的机构？为什么？并说明这时 C、D 两个转动副是 整转副还是摆转副；题7图3）当取杆3为机架时，又将演化成何种机构？这时A、B两个转动副是否仍 为整转副？8. 图示曲柄摇杆机构，已知l AB = 55 mm，lBC = 100mm ，l AD = 125mm 。试求：（1）摇杆3的最小长度(lCD )min ；（2）取lCD =1.1(lCD)min，计算曲柄1等速转动时机构的行程速比系数K；（3）取lCD =1.1(lCD)min，计算曲柄1为主动时，机构的最小传动角gmin。9. 在图示的曲柄摇杆机构中，l AB = 15mm ，l AD = 130mm ，lCD = 90mm 。试证

11、明连杆长度只能限定在55mm 205mm 内。题8 图题9 图10. 如图所示一偏置曲柄滑块机构，曲柄AB 为原动件，长度为l AB = 25mm ，偏距e=10mm，已知最大压力角amax（1）滑块行程H；= 300 。试求：（2）机构的极位夹角q和行程速比系数K。11. 设计一偏置曲柄滑块机构，已知滑块的行程速度变化系数 K=1.5，滑块的冲 程lC1C 2 = 50mm ，导路的偏距e = 20mm ，求曲柄长度a 和连杆长度b 。ACeB题10图题11图12. 在图示曲柄摇块机构中，AB 杆等角 速转动。若l AB =l AC / 2 ，证明其摇块摆角为60，且摇块的行程速度变化系 数

12、为2。题12 图13. 设计一铰链四杆机构，已知摇杆 CD的长度lCD=150 mm，摇杆的两极 限位置与机架AD所成的角度j1 = 30o ,j2 = 90o ，机构的行程速比系K=1，试确定曲柄AB和连杆BC的 长度。【参考答案】1. 所有运动副均为低副的机构称连杆机构。机构中的连杆一般做平面复杂运动。2. 三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。转动副演化为移动副变更机架3. 演化方式：转动副演化为移动副、扩大转动副半径、变更机架、变更杆件尺 寸等。曲柄摇杆机构曲柄滑块机构曲柄摇块机 构。4. 偏心轮是由曲柄通过扩大转动副半径方式演化得到，曲柄长度即为偏心距。 偏心轮的强度和

13、刚度都比曲柄好，因此适用于转速不高而载荷较大场合。5. 压力角：机构输出构件（从动件）上作用力方向与力作用点速度方向所夹 之锐角；传动角：压力角的余角。900。压力角（传动角）越小（越大），机构传力性能越好。偏置曲柄滑块机构的最小传动角gmin 发生在曲柄与滑块移 动导路垂直的位置。6. 1）Lmin=a，Lmax=b。a+b=240+600=840mm；c+d=400+500=900mm。即： a+bc+d，且以最短杆邻边为机架，杆1 为曲柄。2）取杆1 为机架，得双曲柄机构；取杆3 为机架，得双摇杆机构。3）分两种情况讨论：杆4 不是最长杆（db）。此时应有：a+ba+b-c=240+60

14、0-400=440mm， 即：440mmd600mm；杆4 为最长杆（db）。此时应有：a+db+cdb+c-a=600+400-240=760mm， 即：600mmd760mm。综上：440mmd760mm。7. 1）提示：运用相关概念、通过作图或解析方法可确定极位夹角q、最大摆角j和最小传动角gmin ，并利用公式求出行程速比系数 K。答案：q= 18.5617 0 ，minj= 70.55820，g= 22.73420，K=1.23。2）Lmin=l1，Lmax=l4，l1+l4=28+72=100，l2+l3=52+50=102，即：l1+l4l2+l3；当 取最短杆（l1）为机架时，

15、为双曲柄机构，C、D不与最短杆关联，均为摆转副。 3）取杆3为机架时，为双摇杆机构，A、B 与最短杆关联，均为整转副。8. （1）依题意，机架4 为最长杆。应有：l AB +l AD lBC +lCD lCD l AB +l AD -lBC= 55 + 125 - 100 = 80mm从而得：lCD min = 80mm（2）lCD = 1.1 80 = 88mm ， 计算得：K=1.0723（3）gmin= 33.620109. 分两种情况讨论：LBC为最长杆时，应有：LAB+LBCLCD+LADLBCLCD+LAD-LAB=90+130-15=205mm，即：130mmLBC205mmLA

16、D为最长杆时，应有：LAB+LADLAB+LAD-LCD=15+130-90=55mm，即：55mmLBC130mm综上：55mmLBCd、2a a、a d1 +d 2 。27. 传动连续条件：重合度（）1。 越大，同时啮合的齿数越多，传动平稳性 越好、承载能力也越大。8. 标准齿条为直线齿廓，齿廓上任意一点的压力角恒定（等于齿形角，aa）、任意一点的齿距恒定（p=pm）。齿轮齿条啮合时，无论安装位置如何，齿轮 的分度圆始终与节圆重合、啮合角始终等于压力角。9. 采用范成法加工齿轮时，刀具齿顶线（圆）超过被加工齿轮的啮合极限点时， 齿根渐开线齿廓被切去一部分，该现象称为根切。根切使重合度下降、

17、齿根强度 减弱。通过使刀具远离轮坯中心或增加被加工齿轮的齿数可避免根切。10. 斜齿轮传动主要特点：齿廓接触线变化短长短、重合度大、不发生根切 的最少齿数小，使其传动平稳性好、承载能力大、结构紧凑。正确啮合条件：除 两轮模数、压力角相等外，两轮螺旋角大小相等、旋向相反（外啮合）或相同（内 啮合）。连续传动条件与直齿轮相同。11. 斜齿轮的当量齿轮为假想的直齿轮，其齿形与斜齿轮法面齿形相当，其齿数（当量齿数）是选择加工刀具（铣刀）和查取齿形系数的依据。12.dar=d sin a/ 2 =mz sin a/ 2 = 3 26 sin 200 / 2 = 13.3388 mma=(z + 2h*

18、)m =(26 + 2 1) 3 = 84 mm ，0db =d cosa= 3 26 cos 20 = 73.296 mm(da/2)-(d /2)22b(84/2)2-(73.296/2)2ra= 20.5164 mm0aa=arccos(db/da)=arccos(73.296/84)=29.2412m(z +z )13. 由：a=12 = 350 2z29i12= z15联立求解即得：z1 = 50 ，z2 = 90小齿轮：d1 = 250 mm ，da1 = 260 mm ，db1 = 234.9232 mm ，s1 =e1 = 7.854 mm ； 大齿轮计算略。m(z +z )2

19、0 (30 + 40)14. 标准中心距：a=12 =2= 700 mm2由公式：a cosa=a cosa ， 当a=725mm时，a =arccos(acosa/a)=24.86660(24052) 当a =2230 时，a =a cosa/ cosa = 711.9812 mm22222215. 由图得：ra 2 =rb 2 +N1 N 2 ，ra1 =rb1 +N1 N 2 ；a2- r=rb1a1b2从而有：r222 -r2 ；代入直齿轮直径计算公式，化简后得：2(z2+z1+4)(z2-z1)=(z2+z1)(z2-z1)cos a当：z2 z1 时，有：2z2+z1=-4/(1-

20、cosa)=-34.1945，不合理。题15 图必有： z2 =z1 。 即：两个完全相同的标准齿轮标准安装时，两轮齿顶圆正好通过对方的啮合极限点N。16.a=mn(z1+z2)2 cos b8(20+40)=2 cos150= 248.4663 mm依题意，将中心距圆整为a = 250 mm ， 螺旋角调整为：b=arccosmn(z1+z2)2a8 (20 + 40)=arccos2250=16.26020(1601537)zv1 =z1 / cos3 b= 22.6056 ， zv 2 = 45.2112轮系1. 如图所示为一手摇提升装置，其中各轮齿数均为已知，试求传动比i15 ，并指

21、出当提升重物时手柄的转向。2. 如图所示为一千分表的示意图，已知各轮齿数如图，模数m =0.11mm （为非 标准模数）。若要测量杆 1 每移动 0.001mm 时，指针尖端刚好移动一个刻度（s=1.5mm）。问指针的长度R等于多少？（图中齿轮5和游丝的作用是使各工 作齿轮始终保持单接触，以消除齿侧间隙对测量精度的影响。）题1 图题2 图3. 如图所示为一装配用电动螺丝刀的传动简图。已知各轮齿数为 z1 =z4 = 7 ，z3 =z6 = 39 。若 n1 = 3000r / min ，试求螺丝 刀的转速。4. 如图所示为收音机短波调谐微动机构。已知齿 数z1 = 99 ，z2 = 100 。

22、试问当旋钮转动一圈时，齿轮2 转过多大角度（齿轮3 为宽齿，同时与齿 轮1、2 相啮合）5. 在图示的电动三爪卡盘传动轮系中，设已知各轮齿数为：z1=6、z2=z2=25、z3 = 57 、z4 = 56 。试求传动比i14 。6. 在图示轮系中，已知z2 =z3 =z4 = 18 、z2 =z3=40 。设各轮模数相同，并为 标准齿轮传动。求轮1 的齿数z1 和传动比i1H 。题5 图题6 图7. 在图示门式起重机的旋转机构中，已知 电动机的转速n = 1440r / min ，各轮齿数z1=1（右旋），z2=40，z3 = 15 ，z4=180， 试确定该起重机房平台H 的转速nH 。【参

23、考答案】151. i=z2 z3 z4 z5z1z2z3z4=50 30 40 52 = 577.820 15 118手柄转向如图。2. 传动比i24=z3 z4z2 z3=16 12 120160= 0.01 =j2j4测量杆1 移动0.001mm 时，齿轮2转角j2 =0.002mz2(rad )，齿轮4转过角度为：j4=j2/ i24=0.002 / 0.01=mz221.129(rad )s =R j4 ，R =s / j4 = 1.5 /2 /(1.1 29)= 23.925 mm3.（提示：该机构为两个行星轮系1-2-3-H1和4-5-6-H2组成的复合轮系，nH1=n4，螺丝刀转

24、速即 nH 2 。 由行星轮系1-2-3-H1：i13H1=1-n1 nH1=-z3 z1由行星轮系4-5-6-H2：i46H 2 = 1-n4 nH 2=-z6 z4由连接条件： nH 1 =n4 联立求解，得：n4 = 69.4707 r / min ，方向同n1 。4. （提示：该机构为行星轮系1-2-3-H，n1 = 0 ）i=1-Hn2n21H=z1 z2=99 ，100即：i2H=n2 nH=j2jH=1100当旋钮转动一圈时（jH=3600），齿轮2同向转过0角度：j2 = 3.65. （提示：该机构为两个行星轮系 1-2-3-H 和4-2(2)-3-H 组成的复合轮系。） 由行

25、星轮系1-2-3-H：i13H = 1 -n1nH=-z3 z1由行星轮系4-2(2)-3-H：43i H = 1 -n4nH=z2 z3 z4 z2联立求解，得：i14 =-588 （n1 、n4 方向相反）6. （提示：该机构为行星轮系。首先利用同心条件求出齿数z1。）m(z -z )m(z -z )由：a12=12 =a234=342解出：z1 = 40由行星轮系：1-2(2)-3(3)-4-H：i14H = 1 -n1nH=z2 z3 z4z1z2 z3解出：i=n1=0.9089（n 、n方向相同）n1H1HH7. （提示：该机构为行星轮系。 n =n H ，但n H n -n ）由

26、行星轮系1-2-3-4-H：111Hin HH =114nhnH=-1n=z2 z4z z4H1 3解出：nH（俯视）。=-3 r/min ，平台转向为逆时针机械零件设计概论1. 经过优选、简化、统一，并给以标准代号的零部件称为。A.通用件B.系列件C.标准件D.专用件2. 机械零件的计算分为两种。A.设计计算和校核计算B.近似计算和简化计算C.强度计算和刚度计算D.用线图计算和用公式计算3. 如图所示高压油缸缸体与缸盖结合的两种结构方案中，方案 b 被认为比较合 理，这是因为。A.结合面密封性能好B.安装较方便C.节约了原材料D.减少了精加工面4.试说明s+1 、s0 、s-1 分别表示零件

27、在什么应力状态下的极限应力？并分别写 出三种应力状态下smin的表达式（假设smax 为已知）。【参考答案】1.C2.A3.A4. s+1 静应力状态下的极限应力，smin smax ；s0 脉动循环变应力状态下的极限应力，smin 0；s-1 对称循环变应力状态下的极限应力，smin smax 。联接1. 以下几种螺纹中，自锁性最好的是。A.三角形螺纹B.梯形螺纹C.矩形螺纹D.锯齿形螺纹2.当两个被联接件之一太厚，不宜制成通孔且需经常拆装时，往往采用。 A.螺栓联接B.螺钉联接C.双头螺柱联接D.紧定螺钉联接3. 螺栓联接防松的根本问题在于。A.增加螺纹联接的刚度B.增加螺纹联接的轴向力C

28、增加螺纹联接的横向力D.防止螺纹副的相对转动4.受轴向工作载荷的紧螺栓联接，设预紧力F0，残余预紧力FR，工作载荷FE， 则螺栓所受总拉伸载荷Fa为。A. Fa =FE +FRB. Fa =FE +F0C. Fa =F0 +FRD. Fa =FE -FR5. 设某螺栓联接，要求被联接件接合面不分离。假定螺栓刚度kb 与被联接件刚 度kc 相等（kb =kc ），联接的预紧力为F0 。现开始对联接施加轴向载荷，当外载荷FE达到与预紧力F0的大小相等时，则。A.被联接件发生分离，联接失效B.被联接即将发生分离，联接不可靠C. 联接可靠，但不能继续加载D. 联接可靠，只要螺栓强度足够，还可继 续加

29、载6. 某汽缸盖螺栓联接，若汽缸内气体压力在 02Mpa 之间变化，则汽缸盖联接 螺栓的应力类型为。A.非对称循环变应力B.脉动循环变应力C.对称循环变应力D.静应力7. 采用普通螺母时，当拧紧螺母后，旋合的各圈螺纹牙受载不均匀，其原因是。A.螺栓和螺母的直径不同B.螺栓和螺母的螺距变化情况不同C.螺栓和螺母的螺纹牙数不等D.螺栓和螺母的材料不同8. 采用方法不能改善螺纹牙受力不均匀程度。A.增加旋合圈数B.悬置螺母C.内斜螺母D.钢丝螺母9. 在常用的螺旋传动中，传动效率最高的螺纹是。A.梯形螺纹B.矩形螺纹C.普通螺纹D.锯齿形螺纹10.螺纹主要用于联接，而螺纹主要用于传动。11. 螺纹的亦称为公称直径；在强度计算中常用作危险剖面的计算直径 的是螺纹的。12. 常用的螺纹联接的防松措施有（举两例）、。13. 常用的联接用螺纹的牙型、线数和旋向为、。14.螺距P，导程S和螺纹头数n三者之间的关系是。15. 用于联接的螺纹，通常其头数为。16. 普通外螺纹的公称直径（管螺纹除外）是指它的。17. 采用弹簧垫圈防止螺纹松动的原理是。18. 受拉松螺栓联接只能承受工作载荷；受拉紧螺栓联接还能承受工作载荷。19. 悬置螺母是通过使来减少螺距变化差的。20. 简述几种常用螺纹中，为什么三角形