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第二章 机构的结构分析题2-11 图a所示为一简易冲床的初拟设计方案。设计者的思路是：动力由齿轮1输入，使轴A连续回转；而固装在轴A上的凸轮2与杠杆3组成的凸轮机构使冲头4上下运动，以达到冲压的目的。试绘出其机构运动简图（各尺寸由图上量取），分析是否能实现设计意图，并提出修改方案。解：1)取比例尺,绘制机构运动简图。(图2-11a)2)要分析是否能实现设计意图,首先要计算机构的自由度。尽管此机构有4个活动件，但齿轮1和凸轮2是固装在轴A上，只能作为一个活动件，故 原动件数不等于自由度数，此简易冲床不能运动，即不能实现设计意图。分析：因构件3、4与机架5和运动副B、C、D组成不能运动的刚性桁架。故需增加构件的自由度。3)提出修改方案：可以在机构的适当位置增加一个活动构件和一个低副，或用一个高副来代替一个低副。(1) 在构件3、4之间加一连杆及一个转动副(图2-11b)。(2) 在构件3、4之间加一滑块及一个移动副(图2-11c)。(3) 在构件3、4之间加一滚子(局部自由度)及一个平面高副(图2-11d)。讨论：增加机构自由度的方法一般是在适当位置上添加一个构件（相当于增加3个自由度）和1个低副（相当于引入2个约束），如图2-1（b）（c）所示，这样就相当于给机构增加了一个自由度。用一个高副代替一个低副也可以增加机构自由度，如图2-1（d）所示。题2-12 图a所示为一小型压力机。图上，齿轮1与偏心轮1为同一构件，绕固定轴心O连续转动。在齿轮5上开有凸轮轮凹槽，摆杆4上的滚子6嵌在凹槽中，从而使摆杆4绕C轴上下摆动。同时，又通过偏心轮1、连杆2、滑杆3使C轴上下移动。最后通过在摆杆4的叉槽中的滑块7和铰链G使冲头8实现冲压运动。试绘制其机构运动简图，并计算自由度。解：分析机构的组成：此机构由偏心轮1（与齿轮1固结）、连杆2、滑杆3、摆杆4、齿轮5、滚子6、滑块7、冲头8和机架9组成。偏心轮1与机架9、连杆2与滑杆3、滑杆3与摆杆4、摆杆4与滚子6、齿轮5与机架9、滑块7与冲头8均组成转动副，滑杆3与机架9、摆杆4与滑块7、冲头8与机架9均组成移动副，齿轮1与齿轮5、凸轮(槽)5与滚子6组成高副。故解法一： 解法二： 局部自由度 题2-13如图a所示为一新型偏心轮滑阀式真空泵。其偏心轮1绕固定轴A转动，与外环2固连在一起的滑阀3在可绕固定轴心C转动的圆柱4中滑动。当偏心轮1按图示方向连续转动时，可将设备中的空气按图示空气流动方向从阀5中排出，从而形成真空。由于外环2与泵腔6有一小间隙，故可抽含有微小尘埃的气体。试绘制其机构的运动简图，并计算其自由度。解：1)取比例尺,绘制机构运动简图。(如图题2-3所示)2) 题2-14 图a所示是为高位截肢的人所设计的一种假肢膝关节机构，该机构能保持人行走的稳定性。若以颈骨1为机架，试绘制其机构运动简图和计算其自由度，并作出大腿弯曲90度时的机构运动简图。解：1)取比例尺,绘制机构运动简图。大腿弯曲90度时的机构运动简图如虚线所示。(如图2-5所示)2) 弯曲90 时的机构运动简图题2-15 使绘制图a所示仿人手型机械手的食指机构的机构运动简图（以手指8作为相对固定的机架），并计算其自由度。解：1)取比例尺,绘制机构运动简图。(如图2-4所示)2) 题2-16 试计算如图所示各机构的自由度。图a、d为齿轮-连杆组合机构；图b为凸轮-连杆组合机构（图中在D处为铰接在一起的两个滑块）；图c为一精压机机构。并问在图d所示机构中，齿轮3与5和齿条7与齿轮5的啮合高副所提供的约束数目是否相同？为什么？解： a) A处为复合铰链b) 解法一： 解法二： 虚约束 局部自由度 2、4处存在局部自由度c) 解法一： 解法二： 虚约束 局部自由度 C、F、K 处存在复合铰链d) 齿轮3与齿轮5的啮合为高副（因两齿轮中心距己被约束，故应为单侧接触）将提供1个约束。齿条7与齿轮5的啮合为高副（因中心距未被约束，故应为双侧接触）将提供2个约束。题2-18 图示为一刹车机构。刹车时，操作杆1向右拉，通过构件2、3、4、5、6使两闸瓦刹住车轮。试计算机构的自由度，并就刹车过程说明此机构自由度的变化情况。（注：车轮不属于刹车机构中的构件。）解：1)未刹车时，刹车机构的自由度 2)闸瓦G、J之一刹紧车轮时，刹车机构的自由度 3)闸瓦G、J同时刹紧车轮时，刹车机构的自由度 题2-20试绘制图a所示凸轮驱动式四缸活塞空气压缩机的机构运动简图。并计算其机构的自由度（图中凸轮1原动件，当其转动时，分别推动装于四个活塞上A、B、C、D处的滚子，使活塞在相应得气缸内往复运动。图上AB=BC=CD=AD）。解：1)取比例尺,绘制机构运动简图。(如图2-7(b)所示)2) 此机构由1个凸轮、4个滚子、4个连杆、4个活塞和机架组成。凸轮与4个滚子组成高副，4个连杆、4个滚子和4个活塞分别在A、B、C、D处组成三副复合铰链。4个活塞与4个缸（机架）均组成移动副。解法一： 虚约束：因为，4和5，6和7、8和9为不影响机构传递运动的重复部分，与连杆10、11、12、13所带入的约束为虚约束。机构可简化为图2-7（b）重复部分中的构件数 低副数 高副数 局部自由度局部自由度 解法二：如图2-7（b）局部自由度 题2-21 图a所示为一收放式折叠支架机构。该支架中的件1和5分别用木螺钉联接于固定台板1和活动台板5上，两者在D处铰接，使活动台板能相对于固定台板转动。又通过件1、2、3、4组成的铰链四杆机构及连杆3上E点处销子与件5上的连杆曲线槽组成的销槽联接使活动台板实现收放动作。在图示位置时，虽在活动台板上放有较重的重物，活动台板也不会自动收起，必须沿箭头方向推动件2，使铰链B、D重合时，活动台板才可收起（如图中双点划线所示）。现已知机构尺寸lAB=lAD=90mm,lBC=lCD=25mm，试绘制机构的运动简图，并计算其自由度。解：1)取比例尺,绘制机构运动简图。(如图2-11所示)2) E处为销槽副，销槽两接触点公法线重合，只能算作一个高副。 题2-23 图示为以内燃机的机构运动简图，试计算自由度，并分析组成此机构的基本杆组。如在该机构中改选EG为原动件，试问组成此机构的基本杆组是否与前者不同。解：1)计算此机构的自由度 2)取构件AB为原动件时机构的基本杆组图2-10（b）所示。此机构为二级机构。3)取构件GE为原动件时机构的基本杆组图2-10（c）所示。此机构为三级机构。题2-24试计算如图所示平面高副机构的自由度解：1）计算自由度F = 3n - ( 2Pl + Ph p )-F =35 - (26+1 -0)-1 =1高副低代：拆组: 级组解：1）计算自由度F = 3n - ( 2Pl + Ph p )-F =37 - (29+1 -0)-1 =1高副低代:拆组: 级组 级组题2-26 试确定图示各机构的公共约束m和族别虚约束p，并人说明如何来消除或减少共族别虚约束。解：(a)楔形滑块机构的楔形块1、2相对机架只能在该平面的x、y方向移动，而其余方向的相对独立运动都被约束，故公共约束数,为4族平面机构。 将移动副改为圆柱下刨，可减少虚约束。 (b) 由于齿轮1、2只能在平行平面内运动，故为公共约束数,为3族平面机构。 将直齿轮改为鼓形齿轮，可消除虚约束。(c) 由于凸轮机构中各构件只能在平行平面内运动，故为的3族平面机构。 将平面高副改为空间高副，可消除虚约束。第3章课后习题参考答案31 何谓速度瞬心?相对瞬心与绝对瞬心有何异同点?答：参考教材3031页。32 何谓三心定理?何种情况下的瞬心需用三心定理来确定?答：参考教材31页。3-3试求图示各机构在图示位置时全部瞬心的位置(用符号P，直接标注在图上)(a) (b)答：答： （10分）(d) （10分）3-4标出图示的齿轮一连杆组合机构中所有瞬心，并用瞬心法求齿轮1与齿轮3的传动比1/3。（2分）答：1)瞬新的数目：K=N(N-1)/2=6(6-1)/2=152)为求1/3需求3个瞬心P16、P36、P13的位置3）1/3= P36P13/P16P13=DK/AK由构件1、3在K点的速度方向相同，可知3与1同向。3-6在图示的四杆机构中，LAB=60mm，LCD=90mm,LAD=LBC=120mm, 2=10rad/s,试用瞬心法求： 1)当=165时，点的速度vc； 2)当=165时，构件3的BC线上速度最小的一点E的位置及速度的大小； 3)当VC=0时，角之值(有两个解)。解：1）以选定的比例尺机械运动简图（图b） 2）（3分）（3分）求vc定出瞬心p12的位置（图b）因p13为构件3的绝对瞬心，则有3=vB/lBp13=2lAB/l.Bp13=100.06/0.00378=2.56(rad/s)vc=c p133=0.003522.56=0.4(m/s)3)定出构件3的BC线上速度最小的点E的位置,因BC线上速度最小的点必与p13点的距离最近，故丛p13引BC线的垂线交于点E，由图可得 vE=l.p13E3=0.00346.52.56=0.357(m/s)4)定出vc=0时机构的两个位置（图c）量出1=26.4 2=226.63-8机构中，设已知构件的尺寸及点B的速度vB(即速度矢量pb)，试作出各机构在图示位置时的速度多边形。答： （10分）（b）答： 答： 311 速度多边形和加速度多边彤有哪些特性?试标出图中的方向。 答 速度多边形和加速度多边形特性参见下图，各速度方向在图中用箭头标出。 3-12在图示的机构中，设已知构件的尺寸及原动件1的角速度1 (顺时针)，试用图解法求机构在图示位置时C点的速度和加速度。(a)答： （1分）（1分）Vc3=VB+VC3B=VC2+VC3C2 （2分） aC3=aB+anC3B+atC3B=aC2+akC3C2+arC3C2 （3分） VC2=0 aC2=0 （2分） VC3B=0 3=0 akC3C2=0 （3分）(b)答： （2分）（2分） VC2=VB+VC2B=VC3+Vc2C3 （2分） 3=2=0 （1分） aB+anC2B+atC2B=aC3+akC2C3+arC2C3 （3分）(c)答： （2分）VB3=VB2+VB3B2 （2分）VC=VB3+VCB3 （2分） （1分）a n B3+a t B3=aB2+akB3B2+arB3B2 （3分）3- 13 试判断在图示的两机构中B点足否都存在哥氏加速度？又在何位置哥氏加速度为零?怍出相应的机构位置图。并思考下列问题。(1)什么条件下存在氏加速度?(2)根椐上一条请检查一下所有哥氏加速度为零的位置是否已全部找出。(3)图 (a)中，akB2B3=22vB2B3对吗?为什么。 解 1)图 (a)存在哥氏加速度，图 (b)不存在。 (2)由于akB2B3=22vB2B3故3，vB2B3中只要有一项为零，则哥氏加速度为零。图 (a)中B点到达最高和最低点时构件1，34重合，此时vB2B3=0，当构件1与构件3相互垂直即_f=；点到达最左及最右位置时2=3=0故在此四个位置无哥氏加速度。图 (b)中无论在什么位置都有2=3=0，故该机构在任何位置哥矢加速度都为零。 (3)对。因为32。3-14 在图示的摇块机构中，已知lAB=30mm，lAC=100mm，lBD=50 mm,lDE=40 mm，曲柄以等角速度l=40radS回转，试用图解法求机构在1=45位置时，点D及E的速度和加速度，以及构件2的角速度和角加速度。 解 (1)以l作机构运动简图 (a)所示。 (2)速度分析： 以C为重合点，有 vC2 = vB + vC2B = vC3 + vC2C3 大小 ?1lAB ? 0 方向 ? AB BC /BC以l作速度多边形图 (b)，再根据速度影像原理，作bdeBDE求得d及e，由图可得vD=vpd=023 ms vE=vpe=0.173m/s2=vbc2/lBC=2 rad/s(顺时针)(3)加速度分析：以C为重合点，有 aC2 = aB + anC2B + atC2B = aC3 + akC2C3 + arC2C3 大小 12lAB 22lBC ? 0 23vC2C3 ? 方向 BA CB BC BC /BC其中anC2B=22lBC=0.49 ms2，akC2C3=23vC2C3=0.7ms2，以a作加速度多边形如图 (c)所示，由图可得 aD=apd=0.6 4m/S2 aE=ape=2.8m/s2 2=atC2B/lBC=an2C2/lBC=8.36rad/s2(顺时针) i 3- l5 在图（ a）示的机构中，已知lAE=70 mm,；lAB=40mm，lEF=60mm,lDE=35 mm,lCD=75mm,lBC=50mm原动件以等角速度1=10rad/s回转试以图解法求机构在1=50。位置时点C的速度Vc和加速度a c解： 1）速度分析：以F为重合点有 vF4=vF5=vF1+vF5F1 以l作速度多边形图如图(b)得，f4(f5)点，再利用速度影像求得b及d点根据vC=vB+vCB=vD+vCD继续作速度图，矢量pc就代表了vC 2）加速度分析：根据 a F4= an F4+ a tF4= a F1+ ak F5F1+ ar F5F1以a作加速度多边形图 (c)，得f4(f5)点，再利用加速度影像求得b及d点。 根据 aC=aB+anCB+atCB=aD+anCD+atCD 继续作图，则矢量p c就代表了aC则求得 vC=vpc=0.69 ms aC=apc=3ms23-16 在图示凸轮机构中，已知凸轮1以等角速度1=10 rads转动，凸轮为一偏心圆，其半径R=25 mm，lAB=15mmlAD=50 mm，1=90，试用图解法求构件2的角速度2与角加速度2。提示：可先将机构进行高副低代，然后对其替代机构进行运动分析。解 (1)以l作机构运动简图如图 (a)所示。 (2)速度分析：先将机构进行高副低代，其替代机构如图 (a)所示，并以B为重合点。有VB2 = vB4 + vB2B4 大小 ? 1 lAB ? 方向 BD AB /|CD以v=0.005 rns2作速度多边形图如图 (b)，由图可得 2=vB2lBD=vpb2(lBD)=2.333 rads(逆时针) (3)加速度分析： aB2 = anB2 + atB2 = aB4 + akB2B4 + arB2B4 大小 22lBD ? 12lAB 24vB2B4 ? 方向 B-D BD B-A CD /CD其中anB2=22lBD =0.286 m/s2，akB2B4 =0.746 ms2作图 (c)得 = atB2 /lBD=an2b2/lBD=9.143 rads2：(顺时针)3-18 在图（a)所示的牛头刨机构中lAB=200 mnl，lCD=960 mm，lDE=160 mm, 设曲柄以等角速度1=5 rads逆时针方向回转试以图解法求机构在1=135位置时刨头点的速度vC。 解 1）以l作机构运动简图如图 (a)。 2）利用瞬心多边形图 (b)依次定出瞬心P36,P13.P15 vC=vP15=1AP15l=1.24 m/S3 -19 图示齿轮一连杆组合机构中，MM为固定齿条，齿轮3的直径为齿轮4的2倍设已知原动件1以等角速度1顺时针方向回转，试以图解法求机构在图示位置时E点的速度vE以及齿轮3，4的速度影像。 解：(1)以l作机构运动简图如(a)所示。 (2)速度分斫： 此齿轮连杆机构可看作，ABCD受DCEF两个机构串联而成，则可写出： vC=vB+vCB vE=vC+vEC以v作速度多边形如图 (b)所示由图得 vE=vpe m/S取齿轮3与齿轮4的啮合点为k，根据速度影像原理，作dckDCK求得k点。然后分别以c，e为圆心，以ckek为半径作圆得圆g3和圆g4。圆g3代表齿轮3的速度影像，圆g4代表齿轮4的速度影像。3-21 图示为一汽车雨刷机构。其构件l绕固定轴心A转动，齿条2与构件1在B点处铰接，并与绕固定轴心D转动的齿轮3啮合(滚子5用来保征两者始终啮合)，固连于轮3上的雨刷3作往复摆动。设机构的尺寸为lAB=18 mm, 轮3的分度圆半径r3=12 mm，原动件1以等角速度=l rad/s顺时针回转，试以图解法确定雨刷的摆程角和图示位置时雨刷的角速度和角加速度。解： (1)以l作机构运动简图 (a)。在图作出齿条2与齿轮3啮合摆动时占据的两个极限位置C，C”可知摆程角如图所示： (2)速度分析： 将构件6扩大到B点，以B为重合点，有 vB6 = vB2 + vB6B2大小 ? 1lAB ? 方向 BD AB BC vB2=llAB= 0.01 8 ms 以v作速度多边形图 (b)，有 2=6=vB6/lBD=vpb6/lBD=0.059rad/s(逆时针) vB2B6=vb2b6=0.018 45 rns (3)加速度分析： aB5 = anB6 + atB6 = anB2 + akB6B2 + arB6B2 大小 26lBD ? 12lAB 22vB6B2 ? 方向 B-D BD B-A BC BC其中，anB2=12lAB=0.08m/s2，anB6=62lBD=0.000 1 8ms2，akB2B6=26vB2B6=0.00217ms2以a作速度多边形图 (c)。有 6=atB6/lBD=a b6r/lBD=1,71 rads2(顺时针)3-22图示为一缝纫机针头及其挑线器机构，设已知机构的尺寸lAB=32mm，lBC=100 mm，lBE=28mm，lFG=90mm，原动件1以等角速度1=5 rad/ s逆时针方向回转试用图解法求机构在图示位置时缝纫机针头和挑线器摆杆FG上点G的速度及加速度。 解： （1）以l作机构运动简图如图 (a)所示。 (2)速度分析： vC2 = vB2 + vC2B2 大小 ? lAB ? 方向 /AC AB BC以v作速度多边形图如图(b)，再根据速度影像原理；作b2c2e2BCE求得e2，即e1。由图得2=vC2B2/lBC=ac2b2/lBC=0.44 rads(逆时针) 以E为重合点 vE5=vE4+vE5E4 大小 ? ? 方向 EF /EF继续作图求得vE5，再根据速度影像原理，求得vG=vpg=0.077 m/ s5=vpglFG=0.86 rads(逆时针)vE5E4=ve5e4=0.165 rns (3)加速度分析： aC2 = anB2 + anC2B2 + atC2B2大小 ? 12lAB 22lBC ?方向 /AC B-A C-B BC其中anB2=12lAB =0.8 ms2 anC2B2 =anC2B2=0.02 mS2以a=0,01(rns2)mm作加速度多边形图(c)，再利用加速度影像求得e2。然后利用重合点E建立方程 anE5十atE5=aE4+akE5E4+arE5E4继续作图。则矢量pd5就代表了aE5。再利用加速度影像求得g。 aG=apg=0.53 mS2 第四章 平面机构的力分析题4-7 机械效益是衡量机构力放大程度的一个重要指标，其定义为在不考虑摩擦的条件下机构的输出力（力矩）与输入力（力矩）之比值，即=。试求图示各机构在图示位置时的机械效益。图a所示为一铆钉机，图b为一小型压力机，图c为一剪刀。计算所需各尺寸从图中量取。 （a） (b) (c)解：(a)作铆钉机的机构运动简图及受力 见下图（a）由构件3的力平衡条件有：由构件1的力平衡条件有：按上面两式作力的多边形见图（b）得（b）作压力机的机构运动简图及受力图见（c）由滑块5的力平衡条件有：由构件2的力平衡条件有： 其中 按上面两式作力的多边形见图（d），得 (c) 对A点取矩时有 其中a、b为Fr、Fd两力距离A点的力臂。题4-8 在图示的曲柄滑块机构中，设已知lAB=0.1m，lBC=0.33m，n1=1500r/min（为常数），活塞及其附件的重量G3=21N，连杆质量G2=25N，JS2=0.0425kgm2，连杆质心S2至曲柄销B的距离lBS2=lBC/3。试确定在图示位置时活塞的惯性力以及连杆的总惯性力。解：1) 选定比例尺, 绘制机构运动简图。(图(a) )2）运动分析：以比例尺作速度多边形，如图 (b)以比例尺作加速度多边形如图4-1 (c) 3) 确定惯性力活塞3： 方向与相反。连杆2： 方向与相反。 （顺时针）总惯性力： (图(a) )题4-10 图a所示导轨副为由拖板1与导轨2组成的复合移动副，拖板的运动方向垂直于纸面；图b所示为由转动轴1与轴承2组成的复合转动副，轴1绕其轴线转动。现已知各运动副的尺寸如图所示，并设G为外加总载荷，各接触面间的摩擦系数均为f。试分别求导轨副的当量摩擦系数fv和转动副的摩擦圆半径。解：1）求图a所示导轨副的当量摩擦系数，把重量G分解为G左，G右 ， ， 2）求图b所示转动副的摩擦圆半径支反力 ，假设支撑的左右两端均只在下半周上近似均匀接触。对于左端其当量摩擦系数 ，摩擦力摩擦力矩对于右端其当量摩擦系数 ，摩擦力摩擦力矩摩擦圆半径题4-11 图示为一锥面径向推力轴承。已知其几何尺寸如图所示，设轴1上受铅直总载荷G，轴承中的滑动摩擦系数为f。试求轴1上所受的摩擦力矩Mf（分别一新轴端和跑合轴端来加以分析）。解：此处为槽面接触，槽面半角为。当量摩擦系数 代入平轴端轴承的摩擦力矩公式得若为新轴端轴承，则 若为跑合轴端轴承，则 题4-13 图示为一曲柄滑块机构的三个位置，F为作用在活塞上的力，转动副A及B上所画的虚线小圆为摩擦圆，试决定在三个位置时，作用在连杆AB上的作用力的真实方向（各构件的重量及惯性力略去不计）解：图a和图b连杆为受压，图c连杆为受拉.，各相对角速度和运动副总反力方向如下图题4-14 图示为一摆动推杆盘形凸轮机构，凸轮1沿逆时针方向回转，F为作用在推杆2上的外载荷，试确定在各运动副中总反力（FR31，FR12及FR32）的方位（不考虑构件的重量及惯性力，图中虚线小圆为摩擦圆，运动副B处摩擦角为=10）。解: 1) 取构件2为受力体，如图4-6 。由构件2的力平衡条件有： 三力汇交可得 和2) 取构件1为受力体，题4-18 在图a所示的正切机构中，已知h=500mm，l=100mm，1=10rad/s（为常数），构件3的重量G3=10N，质心在其轴线上，生产阻力Fr=100N，其余构件的重力、惯性力及所有构件的摩擦力均略去不计。试求当1=60时，需加在构件1上的平衡力矩Mb。提示：构件3受力倾斜后，构件3、4将在C1、C2两点接触。解: 1) 选定比例尺 绘制机构运动简图。2）运动分析：以比例尺，作速度多边形和加速度多边形如图（a），(b)3) 确定构件3上的惯性力4) 动态静力分析：以构件组2,3为分离体，如图(c) ,由 有 以 作力多边形如图(d)得 以构件1为分离体，如图(e)，有 顺时针方向。题4-22 在图a所示的双缸V形发动机中，已知各构件的尺寸如图（该图系按比例尺1=0.005m/mm准确作出的）及各作用力如下：F3=200N，F5=300N，FI2=50N，FI4=80N，方向如图所示；又知曲柄以等角速度1转动，试以图解法求在图示位置时需加于曲柄1上的平衡力偶矩Mb。解: 应用虚位移原理求解，即利用当机构处于平衡状态时，其上作用的所有外力（包括惯性力）瞬时功率应等于零的原理来求解，可以不需要解出各运动副中的反力，使求解简化。1) 以比例尺作速度多边形如下图 2）求平衡力偶矩：由，顺时针方向。第五章 机械的效率和自锁题5-5解: （1）根据己知条件，摩擦圆半径 计算可得图5-5所示位置 （2）考虑摩擦时，运动副中的反力如图5-5所示。（3）构件1的平衡条件为：构件3的平衡条件为： 按上式作力多边形如图5-5所示，有（4） （5）机械效率：题5-2解: （1）根据己知条件，摩擦圆半径 作出各运动副中的总反力的方位如图5-2所示。（2）以推杆为研究对象的平衡方程式如下： （3）以凸轮为研究对象的平衡方程式如下：（4）联立以上方程解得 讨论：由于效率计算公式可知，1，2减小，L增大，则效率增大，由于是变化的，瞬时效率也是变化的。题5-3解:该系统的总效率为 电动机所需的功率为题5-7解：此传动属混联。第一种情况：PA = 5 kW, PB = 1 kW输入功率 传动总效率 电动机所需的功率第二种情况：PA = 1 kW, PB = 5 kW输入功率 传动总效率 电动机所需的功率题5-8解：此题是判断机构的自锁条件，因为该机构简单，故可选用多种方法进行求解。解法一：根据反行程时的条件来确定。反行程时（楔块3退出）取楔块3为分离体，其受工件1、1和夹具2作用的总反力FR13和FR23以及支持力F。各力方向如图5-5（a）、(b)所示 ，根据楔块3的平衡条件，作力矢量三角形如图5-5（c）所示 。由正弦定理可得 当时，于是此机构反行程的效率为 令，可得自锁条件为： 。解法二：根据反行程时生产阻力小于或等于零的条件来确定。根据楔块3的力矢量三角形如图5-5（c），由正弦定理可得 若楔块不自动松脱，则应使即得自锁条件为：解法三：根据运动副的自锁条件来确定。由于工件被夹紧后F力就被撤消，故楔块3的受力如图5-5(b)所示，楔块3就如同受到FR23（此时为驱动力）作用而沿水平面移动的滑块。故只要FR23作用在摩擦角之内，楔块3即发生自锁。即 ，由此可得自锁条件为： 。讨论：本题的关键是要弄清反行程时FR23为驱动力。用三种方法来解，可以了解求解这类问题的不同途径。第6章课后习题参考答案61什么是静平衡?什么是动平衡?各至少需要几个平衡平面?静平衡、动平衡的力学条件各是什么? 62动平衡的构件一定是静平衡的，反之亦然，对吗?为什么?在图示 （a）（b）两根曲轴中，设各曲拐的偏心质径积均相等，且各曲拐均在同一轴平面上。试说明两者各处于何种平衡状态? 答：动平衡的构件一定是静平衡的，反之不一定。因各偏心质量产生的合惯性力为零时，合惯性力偶不一定为零。（a）图处于动平衡状态，（b）图处于静平衡状态。 6一3既然动平衡的构件一定是静平衡的，为什么一些制造精度不高的构件在作动平衡之前需先作静平衡? 64为什么作往复运动的构件和作平面复合运动的构件不能在构件本身内获得平衡，而必须在基座上平衡?机构在基座上平衡的实质是什么? 答 由于机构中作往复运动的构件不论其质量如何分布，质心和加速度瞬心总是随着机械的运动周期各沿一条封闭曲线循环变化的，因此不可能在一个构件的内部通过调整其质量分布而达到平衡，但就整个机构而言各构件产生的惯性力可合成为通过机构质心的的总惯性力和总惯性力偶矩，这个总惯性力和总惯性力偶矩全部由机座承受，所以必须在机座上平衡。机构在基座上平衡的实质是平衡机构质心的总惯性力，同时平衡作用在基座上的总惯性力偶矩、驱动力矩和阻力矩。 65图示为一钢制圆盘，盘厚b=50 mm。位置I处有一直径=50 inm的通孔，位置处有一质量m2=0.5 kg的重块。为了使圆盘平衡，拟在圆盘上r=200 mm处制一通孔，试求此孔的直径与位置。(钢的密度=7.8 gem3。) 解 根据静平衡条件有:m1rI+m2r+mbrb=0m2r=0.520=10 kg.cmm1r1=(/4) 2br1=7.8 10-3(/4)525 l0=7.66 kg.cm 取W=4(kg.cm)cm，作质径积矢量多边形如图所示，所添质量为: m b=wwbr=42.720=0.54 kg，b=72，可在相反方向挖一通孔其直径为：66图示为一风扇叶轮。已知其各偏心质量为m1=2m2=600 g，其矢径大小为r1=r2=200 mm，方位如图。今欲对此叶轮进行静平衡，试求所需的平衡质量的大小及方位(取rb=200 mm)。 (注：平衡质量只能加在叶片上，必要时可将平衡质量分解到相邻的两个叶片上。)解 根据静平衡条件有: m1r1+m2r2+mbrb=0m1r1=0.620=1 2 kg.cmm2r2=0.320=6 kg.cm取W=4(kg.cm)/cm作质径积矢量多边形如图mb=WWb/r=42.420=0.48 kg，b =45 分解到相邻两个叶片的对称轴上 67在图示的转子中，已知各偏心质量m1=10 kg，m2=15 k，m3=20 kg，m4=10 kg它们的回转半径大小分别为r1=40cm，r2=r4=30cm，r3=20cm，方位如图所示。若置于平衡基面I及中的平衡质量mbI及mb的回转半径均为50cm，试求mbI及mb的大小和方位(l12=l23=l34)。解 根据动平衡条件有 以W作质径积矢量多边形，如图所示。则 mbI=WWbI/rb=5.6 kg，bI =6mb=WWb/rb=5.6 kg，b=14568图示为一滚筒，在轴上装有带轮现已测知带轮有一偏心质量。另外，根据该滚筒的结构知其具有两个偏心质量m2=3 kg，m3=4，各偏心质量的方位如图所示（长度单位为）。若将平衡基面选在滚筒的两端面上，两平衡基面中平衡质量的回转半径均取为，试求两平衡质量的大小和方位。若将平衡基面改选在带轮宽度的中截面上，其他条件不变，两平衡质量的大小和方位作何改变？解 (1)以滚筒两端面为平衡基面时，其动平衡条件为 以W作质径极矢量多边形如图 (a)，(b)，则 mbI=WWbI/rb=1.45 kg， bI =145 mb=WWb/rb=0.9kg，b=255 (2)以带轮中截面为平衡基面时，其动平衡条件为 以w=2 kg.crnrnm，作质径积矢量多边形，如图 (c)，(d)，则 mbI=WWbI/rb=227/40=1.35 kg，bI =160 mb=WWb/rb=214/40=0.7kg，b=-10569 已知一用于一般机器的盘形转子的质量为30 kg，其转速n=6 000 rmin，试确定其许用不平衡量。 解 (1)根据一般机器的要求，可取转子的平衡精度等级为G6.3，对应平衡精度A=6.3。(2) n=6000 rmin， =2n/60=628.32 rad/se=1 000A=10.03mmr=me=3010.0310-4=0.03 kg.cm 610 图示为一个一般机器转子，已知转子的质量为15 kg，其质心至两平衡基面I及的距离分别为l1=100 mm，12=200 mm，转子的转速n=3 000 rmin，试确定在两个平衡基面I及内的许用不平衡质径积。当转子转速提高到6 000 rmin时，其许用不平衡质径积又各为多少? 解 (1)根据一般机器的要求，可取转子的平衡精度等级为G6.3，对应平衡精度A=6.3mms。(2)n=3000rmin, =2n/60= 314.16 rads e=1 000A=20.05mmr=me=1520.0510-4=0.03 kg.cm可求得两平衡基面I及中的许用不平衡质径积为 (3) n=6000 rmin， =2n/60=628.32 rad/se=1 000A=10.025mmr=me=1510.02510-4=15g.cm 可求得两平衡基面I及中的许用不平衡质径积为 611 有一中型电机转子其质量为m=50 kg，转速n=3 000 rmin，已测得其不平衡质径积mr=300 gmm，试问其是否满足平衡精度要求? 612在图示的曲柄滑块机构中，已知各构件的尺寸为lAB=100 mm, lBC=400 mm；连杆2的质量m2=12 kg，质心在s2处，lBS2=4003 mm；滑块3的质量m3=20 kg，质心在C点处；曲柄1的质心与A点重合。今欲利用平衡质量法对该机构进行平衡，试问若对机构进行完全平衡和只平衡掉滑块3处往复惯性力的50的部分平衡，各需加多大的平衡质量mC和mC(取lBC=1AC=50 mm)?解 (1)完全平衡需两个平衡质量，各加在连杆上C点和曲柄上C点处，平衡质量的大小为： mC =(m2lBS2+m3lBC)/lBC=(12403+2040)5=192 kg mC=(m+m2+m3) lAB/lAC=(1 92十12+20)105=448 kg(2)部分平衡需一个平衡质量。应加在曲柄延长线上C点处。平衡质量的大小为：用B、C为代换点将连杆质量作静代换得 mB2=m2lS2C/lBC=1 223=8 kg mC2=m2lBS2.lBC=1 24=4 kg mB=mB2=8kg, mC=mC2+m3=24 kg故下衡质量为mC=(mB+mC/2)lAB/lAC=(8+24/2) 10/5=40kg 613在图示连杆一齿轮组合机构中，齿轮a与曲柄1固连，齿轮b和c分别活套在轴C和D上，设各齿轮的质量分别为m。=10 kg，m b=12 kg，m。=8 kg，其质心分别与轴心B、c、D重合，而杆1、2、3本身的质量略去不计，试设法平衡此机构在运动中的惯性力。解 如图所示，用平衡质量m来平衡齿轮a的质量，r=lAB； m=malAB/r=10kg用平衡质量，m”来平衡齿轮b的质量，r=lCD m=mblCD/r齿轮c不需要平衡。 614 图a所示为建筑结构抗震试验的振动发生器。该装置装在被试建筑的屋顶。由一电动机通过齿轮拖动两偏心重异向旋转(偏心重的轴在铅垂方向)，设其转速为150 rmin，偏心重的质径积为500kg.m求两偏心重同相位时和相位差为180时，总不平衡惯性力和惯性力矩的大小及变化情况。 图b为大地重力测量计(重力计)的标定装置，设r=150 mm，为使标定平台的向心加速度近似于重力加速度(9.81 ms2)，同步带轮的角速度应为多大?为使标定平台上升和下降均能保持相同的匀速回转，在设计中应注意什么事项? 第7章课后习题参考答案71等效转动惯量和等效力矩各自的等效条件是什么? 72在什么情况下机械才会作周期性速度波动?速度波动有何危害?如何调节?答: 当作用在机械上的驱动力（力矩)周期性变化时，机械的速度会周期性波动。机械的速度波动不仅影响机械的工作质量，而且会影响机械的效率和寿命。调节周期性速度波动的方法是在机械中安装一个具有很大转动惯量的飞轮。 73飞轮为什么可以调速?能否利用飞轮来调节非周期性速度波动，为什么?答： 飞轮可以凋速的原因是飞轮具有很大的转动惯量，因而要使其转速发生变化就需要较大的能量，当机械出现盈功时，飞轮轴的角速度只作微小上升，即可将多余的能量吸收储存起来；而当机械出现亏功时，机械运转速度减慢飞轮又可将其储存的能量释放，以弥补能最的不足，而其角速度只作小幅度的下降。 非周期性速度波动的原因是作用在机械上的驱动力(力矩)和阻力(力矩)的变化是非周期性的。当长时问内驱动力(力矩)和阻力(力矩)做功不相等，机械就会越转越快或越转越慢而安装飞轮并不能改变驱动力(力矩)或阻力(力矩)的大小也就不能改变驱动功与阻力功不相等的状况，起不到调速的作用，所以不能利用飞轮来调节非周期陛速度波动。 74为什么说在锻压设备等中安装飞轮可以起到节能的作用?解： 因为安装飞轮后，飞轮起到一个能量储存器的作用，它可以用动能的形式把能量储存或释放出来。对于锻压机械来说，在一个工作周期中，工作时间很短而峰值载荷很大。安装飞轮后可以利用飞轮在机械非工作时间所储存能量来帮助克服其尖峰载荷，从而可以选用较小功率的原动机来拖动，达到节能的目的，因此可以说安装飞轮能起到节能的作用。 75由式JF=Wmax(m2 )，你能总结出哪些重要结论(希望能作较全面的分析)?答：当Wmax与m一定时，若下降，则JF增加。所以，过分追求机械运转速度的均匀性，将会使飞轮过于笨重。 由于JF不可能为无穷大，若Wmax0，则不可能为零，即安装飞轮后机械的速度仍有波动，只是幅度有所减小而已。 当Wmax与一定时，JF与m的平方值成反比，故为减小JF，最好将飞轮安装在机械的高速轴上。当然，在实际设计中还必须考虑安装飞轮轴的刚性和结构上的可能性等因素。 76造成机械振动的原因主要有哪些?常采用什么措施加以控制? 77图示为一机床工作台的传动系统。设已知各齿轮的齿数，齿轮3的分度圆半径r3，各齿轮的转动惯量J1、，J2、，J2、J3，齿轮1直接装在电动机轴上，故J1中包含了电动机转子的转动惯量；工作台和被加工零件的重量之和为G。当取齿轮1为等效构件时，试求该机械系统的等效转动惯量Je。解：根据等效转动惯量的等效原则有 则 7-8图示为DC伺服电机驱动的立铣数控工作台，已知工作台及工件的质量为m4=355 kg,滚珠丝杠的导程d=6 mm，转动惯量J3=1.210-3kg.m。，齿轮1、2的转动惯量分别为J1=732 10-6kg.m2，J2=76810-6kg.m2。在选择伺服电机时，伺服电机允许的负载转动惯量必须大于折算到电动机轴上的负载等效转动惯量，试求图示系统折算到电动机轴上的等效转动惯量。 解：根据等效转动惯量的等效原则有 则: =73210-6+(768+l 200)l10-6(25/45)2+355(610-3)2(25/45)2 =5.284l0-3kg.m279已知某机械稳定运转时主轴的角速度s=100 rads，机械的等效转动惯量Je=0.5 kg.m2，制动器的最大制动力矩Mr=20 N.m(制动器与机械主轴直接相连，并取主轴为等效构件)。要求制动时间不超过3s，试检验该制动器是否能满足工作要求。解 因此机械系统的等效转动惯量F：及等效力矩Al。均为常数，故可利用力矩形式的机械运动方程式： Me=Jed/dt 其中：Me=-Mr=-20 N.m，Je=0.5 kg.m2 dt=Je/(-Mr)d=0.5/（-20）d=-0.025d因此 t= -0.025(-s)=0.025s=2.5s由于t=2.5s 3s，所以该制动器满足工作要求。7一10设有一由电动机驱动的机械系统，以主轴为等效构件时，作用于其上的等效驱动力矩Med=10 000100(N.m)，等效阻抗力矩Mer=8 000 N.m，等效转动惯量Je=8 kg.m2，主轴的初始角速度0=100rads。试确定运转过程中角速度与角加速度随时间的变化关系。解 由于机械系统的等效转动惯量为常数，等效力矩为速度的函数，故可利用力矩形式的机械运动方程式 Me()=Med()-Mer()=Jed/dt即10000-100-8000=8d/dt (1)对式积分得 (2)将式(2)改写为 一l2.5t= In(100一2000)一ln8 000解得 =20+80e-12.5t上式对t求导得 = d/dt=-100e-12.5t 711在图示的刨床机构中，已知空程和工作行程中消耗于克服阻抗力的恒功率分别为P1=367.7 w和p2=3 677 w，曲柄的平均转速n=100 rmin，空程曲柄的转角为1=120。当机构的运转不均匀系数=0.05时，试确定电动机所需的平均功率，并分别计算在以下两种情况中的飞轮转动惯量JF(略去各构件的重量和转动惯量). 1)飞轮装在曲柄轴上； 2)飞轮装在电动机轴上，电动机的额定转速nn=I 440 rmin。电动机通过减速器驱动曲柄，为简化计算，减速器的转动惯量忽略不计。 解 (1)确定电动机的平均功率。作功率循环图如下图所示。根据在一个运动循环内驱动功与阻抗功应相等，可得PT=P1t1+P2t2P=(P1t1+P2t2)/T=(P11+P22)/(1+2)=(367.7/3+3 6772/3)=2 573.9 w (2)由图知最大盈亏功为：、Wmax=(P-P1)t1=(P-P1)(601)/(2n)=(2573.9-367.7) 60(1/3) (1/100)=441.24N.m1）当飞轮装在曲柄轴上时飞轮的转动惯量为 2）飞轮装在电机轴上时，飞轮的转动惯量为JF=JF(n/nn)2=80.473(100/1440)2=0.388kg.m2 7-12 某内燃机的曲柄输出力矩随曲柄转角的变化曲线如图所示，其运动周期曲柄的平均转速。当用该内燃机驱动一阻抗力为常数的机械时，如果要求其运转不均匀系数=。试求1) 曲轴最大转速和相应的曲柄转角位置；2) 装在曲轴上的飞轮转动惯量（不计其余构件的转动惯量）。解: (1)确定阻抗力矩, 因一个运动循环内驱动功应等于阻抗功所以有 MrT=AOABC
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