机械设计基础第五版答案.doc

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) 0 0.734 2.865 6.183 10.365 15 19.635 23.817 速度 (mm/s) 0 19.416 36.931 50.832 59.757 62.832 59.757 50.832 加速度（ mm/s 2 ） 65.797 62.577 53.231 38.675 20.333 0 -20.333 -38.675 总转角 120 135 150 165 180 195 210 225 位移 (mm) 27.135 29.266 30 30 30 29.066 26.250 21.563 速度 (mm/s) 36.932 19.416 0 0 0 -25 -50 -75 加速度（ mm/s 2 ） -53.231 -62.577 -65.797 0 -83.333 -83.333 -83.333 -83.333 总转角 240 255 270 285 300 315 330 345 位移 (mm) 15 8.438 3.75 0.938 0 0 0 0 速度 (mm/s) -100 -75 -50 -25 0 0 0 0 加速度（ mm/s 2 ） -83.333 -83.333 83.333 83.333 83.333 0 0 0 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s 2 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。 S 2 =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。 S 2 =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 49.301 8.333 180 -79.223 -8.885 10 47.421 16.843 190 -76.070 -22.421 20 44.668 25.185 200 -69.858 -34.840 30 40.943 33.381 210 -60.965 -45.369 40 36.089 41.370 220 -49.964 -53.356 50 29.934 48.985 230 -37.588 -58.312 60 22.347 55.943 240 -24.684 -59.949 70 13.284 61.868 250 -12.409 -59.002 80 2.829 66.326 260 -1.394 -56.566 90 -8.778 68.871 270 8.392 -53.041 100 -21.139 69.110 280 17.074 -48.740 110 -33.714 66.760 290 24.833 -43.870 120 -45.862 61.695 300 31.867 -38.529 130 -56.895 53.985 310 38.074 -32.410 140 -66.151 43.904 320 43.123 -25.306 150 -73.052 31.917 330 46.862 -17.433 160 -77.484 18.746 340 49.178 -9.031 170 -79.562 5.007 350 49.999 -0.354 180 -79.223 -8.885 360 49.301 8.333 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（ ） 0 15 30 45 60 75 90 105 角位移（ ） 0 0.367 1.432 3.092 5.182 7.5 9.818 11.908 总转角（ ） 120 135 150 165 180 195 210 225 角位移（ ） 13.568 14.633 15 15 15 14.429 12.803 0.370 总转角（ ） 240 255 270 285 300 315 330 345 角位移（ ） 7.5 4.630 2.197 0.571 0 0 0 0 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，齿顶圆齿厚和齿根圆齿厚均为大值。 4-10解 切制变位齿轮与切制标准齿轮用同一把刀具，只是刀具的位置不同。因此，它们的模数、压力角、齿距均分别与刀具相同，从而变位齿轮与标准齿轮的分度圆直径和基圆直径也相同。故参数 、 、 不变。 变位齿轮分度圆不变，但正变位齿轮的齿顶圆和齿根圆增大，且齿厚增大、齿槽宽变窄。因此 、 变大， 变小。 啮合角 与节圆直径 是一对齿轮啮合传动的范畴。 4-11解 因 螺旋角 端面模数 端面压力角 当量齿数 分度圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 4-12解 （1）若采用标准直齿圆柱齿轮，则标准中心距应 说明采用标准直齿圆柱齿轮传动时，实际中心距大于标准中心距，齿轮传动有齿侧间隙，传动不连续、传动精度低，产生振动和噪声。 （ 2）采用标准斜齿圆柱齿轮传动时，因 螺旋角 分度圆直径 节圆与分度圆重合 ， 4-13解 4-14解分度圆锥角 分度圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 外锥距 齿顶角、齿根角 顶锥角 根锥角 当量齿数 4-15答： 一对直齿圆柱齿轮正确啮合的条件是：两齿轮的模数和压力角必须分别相等，即 、。 一对斜齿圆柱齿轮正确啮合的条件是：两齿轮的模数和压力角分别相等，螺旋角大小相等、方向相反（外啮合），即 、 、 。 一对直齿圆锥齿轮正确啮合的条件是：两齿轮的大端模数和压力角分别相等，即 、 。5-1解： 蜗轮 2和蜗轮3的转向如图粗箭头所示，即 和 。图 5.5 图5.6 5-2解： 这是一个定轴轮系，依题意有： 齿条 6 的线速度和齿轮 5 分度圆上的线速度相等；而齿轮 5 的转速和齿轮 5 的转速相等，因此有： 通过箭头法判断得到齿轮 5 的转向顺时针，齿条 6 方向水平向右。 5-3解：秒针到分针的传递路线为： 6543，齿轮3上带着分针，齿轮6上带着秒针，因此有： 。 分针到时针的传递路线为： 9101112，齿轮9上带着分针，齿轮12上带着时针，因此有： 。 图 5.7 图5.8 5-4解： 从图上分析这是一个周转轮系，其中齿轮 1、3为中心轮，齿轮2为行星轮，构件 为行星架。则有： 当手柄转过 ，即 时，转盘转过的角度 ，方向与手柄方向相同。 5-5解： 这是一个周转轮系，其中齿轮 1、3为中心轮，齿轮2、2为行星轮，构件 为行星架。 则有： ， 传动比 为10，构件 与 的转向相同。 图 5.9 图5.10 5-6解： 这是一个周转轮系，其中齿轮 1为中心轮，齿轮2为行星轮，构件 为行星架。 则有： ， ， 5-7解： 这是由四组完全一样的周转轮系组成的轮系，因此只需要计算一组即可。取其中一组作分析，齿轮 4、3为中心轮，齿轮2为行星轮，构件1为行星架。这里行星轮2是惰轮，因此它的齿数 与传动比大小无关，可以自由选取。（1） 由图知 （2） 又挖叉固定在齿轮上，要使其始终保持一定的方向应有： （3） 联立（ 1）、（2）、（3）式得： 图 5.11 图5.12 5-8解： 这是一个周转轮系，其中齿轮 1、3为中心轮，齿轮2、2为行星轮， 为行星架。 ， 与 方向相同 5-9解： 这是一个周转轮系，其中齿轮 1、3为中心轮，齿轮2、2为行星轮， 为行星架。 设齿轮 1方向为正，则 ， 与 方向相同 图 5.13 图5.14 5-10解： 这是一个混合轮系。其中齿轮 1、2、23、 组成周转轮系，其中齿轮1、3为中心轮，齿轮2、2为行星轮， 为行星架。而齿轮4和行星架 组成定轴轮系。 在周转轮系中： （1） 在定轴轮系中： （2） 又因为： （3） 联立（ 1）、（2）、（3）式可得： 5-11解： 这是一个混合轮系。其中齿轮 4、5、6、7和由齿轮3引出的杆件组成周转轮系，其中齿轮4、7为中心轮，齿轮5、6为行星轮，齿轮3引出的杆件为行星架 。而齿轮1、2、3组成定轴轮系。在周转轮系中： （1） 在定轴轮系中： （2） 又因为： ， 联立（ 1）、（2）、（3）式可得： （ 1）当 ， 时， ， 的转向与齿轮1和4的转向相同。 （ 2）当 时， （ 3）当 ， 时， ， 的转向与齿轮1和4的转向相反。 图 5.15 图5.16 5-12解： 这是一个混合轮系。其中齿轮 4、5、6和构件 组成周转轮系，其中齿轮4、6为中心轮，齿轮5为行星轮， 是行星架。齿轮1、2、3组成定轴轮系。 在周转轮系中： （1） 在定轴轮系中： （2） 又因为： ， （3） 联立（ 1）、（2）、（3）式可得： 即齿轮 1 和构件 的转向相反。 5-13解： 这是一个混合轮系。齿轮 1、2、3、4组成周转轮系，其中齿轮1、3为中心轮，齿轮2为行星轮，齿轮4是行星架。齿轮4、5组成定轴轮系。 在周转轮系中： ， （1） 在图 5.17中，当车身绕瞬时回转中心 转动时，左右两轮走过的弧长与它们至 点的距离成正比，即：（2） 联立（ 1）、（2）两式得到： ， （3） 在定轴轮系中： 则当： 时， 代入（ 3）式，可知汽车左右轮子的速度分别为 ， 5-14解： 这是一个混合轮系。齿轮 3、4、4、5和行星架 组成周转轮系，其中齿轮3、5为中心轮，齿轮4、4为行星轮。齿轮1、2组成定轴轮系。 在周转轮系中：（1） 在定轴轮系中： （2） 又因为： ， ， （3） 依题意，指针 转一圈即 （4） 此时轮子走了一公里，即 （5） 联立（ 1）、（2）、（3）、（4）、（5）可求得 图 5.18 图5.19 5-15解： 这个起重机系统可以分解为 3个轮系：由齿轮3、4组成的定轴轮系；由蜗轮蜗杆1和5组成的定轴轮系；以及由齿轮1、2、2、3和构件 组成的周转轮系，其中齿轮1、3是中心轮，齿轮4、2为行星轮，构件 是行星架。 一般工作情况时由于蜗杆 5不动，因此蜗轮也不动，即 （1） 在周转轮系中： （2） 在定轴齿轮轮系中： （3） 又因为： ， ， （4） 联立式（ 1）、（2）、（3）、（4）可解得： 。 当慢速吊重时，电机刹住，即 ，此时是平面定轴轮系，故有： 5-16解： 由几何关系有：又因为相啮合的齿轮模数要相等，因此有上式可以得到： 故行星轮的齿数： 图 5.20 图5.21 5-17解： 欲采用图示的大传动比行星齿轮，则应有下面关系成立： （ 1） （2） （3） 又因为齿轮 1与齿轮3共轴线，设齿轮1、2的模数为 ，齿轮2、3的模数为 ，则有： （4） 联立（ 1）、（2）、（3）、（4）式可得 （5） 当 时，（5）式可取得最大值1.0606；当 时，（5）式接近1，但不可能取到1。因此 的取值范围是（1，1.06）。而标准直齿圆柱齿轮的模数比是大于1.07的，因此，图示的大传动比行星齿轮不可能两对都采用直齿标准齿轮传动，至少有一对是采用变位齿轮。 5-18解： 这个轮系由几个部分组成，蜗轮蜗杆 1、2组成一个定轴轮系；蜗轮蜗杆5、4组成一个定轴轮系；齿轮1、5组成一个定轴轮系，齿轮4、3、3、2组成周转轮系，其中齿轮2、4是中心轮，齿轮3、3为行星轮，构件 是行星架。 在周转轮系中： （1） 在蜗轮蜗杆 1、2中： （2） 在蜗轮蜗杆 5、4中： （3） 在齿轮 1、5中： （4） 又因为： ， ， ， （5） 联立式（ 1）、（2）、（3）、（4）、（5）式可解得： ，即 。 5-19解： 这个轮系由几个部分组成，齿轮 1、2、5、组成一个周转轮系，齿轮 1、2、2、3、组成周转轮系，齿轮3、4、5组成定轴轮系。 在齿轮 1、2、5、 组成的周转轮系中： 由几何条件分析得到： ，则 （1） 在齿轮 1、2、2、3、 组成的周转轮系中： 由几何条件分析得到： ，则 （2） 在齿轮 3、4、5组成的定轴轮系中： （3） 又因为： ， （4） 联立式（ 1）、（2）、（3）、（4）式可解得： 6-1解 顶圆直径 齿高 齿顶厚 齿槽夹角 棘爪长度 图 6.1 题6-1解图 6-2解 拔盘转每转时间槽轮机构的运动特性系数 槽轮的运动时间 槽轮的静止时间 6-3解 槽轮机构的运动特性系数因： 所以 6-4解 要保证 则槽轮机构的运动特性系数应为 因 得 ，则 槽数 和拔盘的圆销数 之间的关系应为： 由此得当取槽数 8时，满足运动时间等于停歇时间的组合只有一种： ， 。 6-5 解： 机构类型 工作特点 结构、运动及动力性能 适用场合 棘轮机构 摇杆的往复摆动变成棘轮的单向间歇转动 结构简单、加工方便，运动可靠，但冲击、噪音大，运动精度低 适用于低速、转角不大场合，如转位、分度以及超越等。 槽轮机构 拨盘的连续转动变成槽轮的间歇转动 结构简单，效率高，传动较平稳，但有柔性冲击 用于转速不高的轻工机械中 不完全齿轮机构 从动轮的运动时间和静止时间的比例可在较大范围内变化 需专用设备加工，有较大冲击 用于具有特殊要求的专用机械中 凸轮式间歇运动机构 只要适当设计出凸轮的轮廓，就能获得预期的运动规律。 运转平稳、定位精度高，动荷小，但结构较复杂 可用于载荷较大的场合