资源描述
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( °)
0
15
30
45
60
75
90
105
位移( mm)
0
0.761
2.929
6.173
10
13.827
17.071
19.239
总转角( °)
120
135
150
165
180
195
210
225
位移( mm)
20
20
20
19.239
17.071
13.827
10
6.173
总转角( °)
240
255
270
285
300
315
330
345
位移( mm)
2.929
0.761
0
0
0
0
0
0
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: 6→5→4→3,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: 9→10→11→12,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、2′3、 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
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