[工学]机械设计基础陈立德第三版课后答案WORD版

目录第 1 章 机械设计概述1第 2 章 摩擦、磨损及润滑概述3第 3 章 平面机构的结构分析12第 4 章 平面连杆机构16第 5 章 凸轮机构36第 6 章 间歇运动机构46第 7 章 螺纹连接与螺旋传动48第 8 章 带传动60第 9 章 链传动73第 10 章 齿轮传动80第 11 章 蜗杆传动112第 12 章 齿轮系124第 13 章 机械传动设计131第 14 章 轴和轴毂连接133第 15 章 轴承138第 16 章 其他常用零、部件152第 17 章 机械的平衡与调速156第 18 章 机械设计 CAD 简介 163第 1 章 机械设计概述1.1 机械设计过程通常分为哪几个阶段？各阶段的主要内容是什么？答：机械设计过程通常可分为以下几个阶段：1.产品规划 主要工作是提出设计任务和明确设计要求。2.方案设计 在满足设计任务书中设计具体要求的前提下，由设计人员构思出多种可行方案并进行分析比较，从中优选出一种功能满足要求、工作性能可靠、结构设计可靠、结构设计可行、成本低廉的方案。3.技术设计 完成总体设计、部件设计、零件设计等。4.制造及试验 制造出样机、试用、修改、鉴定。1.2 常见的失效形式有哪几种？答：断裂，过量变形，表面失效，破坏正常工作条件引起的失效等几种。1.3 什么叫工作能力？计算准则是如何得出的？答：工作能力为指零件在一定的工作条件下抵抗可能出现的失效的能力。对于载荷而言称为承载能力。根据不同的失效原因建立起来的工作能力判定条件。1.4 标准化的重要意义是什么？ 答：标准化的重要意义可使零件、部件的种类减少，简化生产管理过程，降低成本，保证产品的质量，缩短生产周期。第 2 章 摩擦、磨损及润滑概述2.1 按摩擦副表面间的润滑状态，摩擦可分为哪几类？各有何特点？答：摩擦副可分为四类：干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦。干摩擦的特点是两物体间无任何润滑剂和保护膜，摩擦系数及摩擦阻力最大，磨损最严重，在接触区内出现了粘着和梨刨现象。液体摩擦的特点是两摩擦表面不直接接触，被液体油膜完全隔开，摩擦系数极小，摩擦是在液体的分子间进行的，称为液体润滑。边界摩擦的特点是两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，但由于边界膜较薄，不能完全避免金属的直接接触，摩擦系数较大，仍有局部磨损产生。混合摩擦的特点是同时存在边界润滑和液体润滑，摩擦系数比边界润滑小，但会有磨损发生。2.2 磨损过程分几个阶段？各阶段的特点是什么？答：磨损过程分三个阶段，即跑合摩合磨损阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。各阶段的特点是:跑合磨损阶段磨损速度由快变慢；稳定磨损阶段磨损缓慢，磨损率稳定；剧烈磨损阶段，磨损速度及磨损率都急剧增大。2.3 按磨损机理的不同，磨损有哪几种类型？答：磨损的分类有磨粒磨损、 粘着磨损、 疲劳磨损点蚀、 腐蚀磨损。2.4 哪种磨损对传动件来说是有益的？ 为什么？答：跑合磨损是有益的磨损，因为经跑合磨损后，磨损速度减慢，可改善工作表面的性质，提高摩擦副的使用寿命。2.5 如何选择适当的润滑剂？答：选润滑剂时应根据工作载荷、运动速度、工作温度及其它工作条件选择。当载荷大时，选粘度大的润滑油，如有较大的冲击时选润滑脂或固体润滑剂。高速时选粘度小的润滑油，高速高温时可选气体润滑剂；低速时选粘度小的润滑油，低速重载时可选润滑脂；多尘条件选润滑脂，多水时选耐水润滑脂。2.6 润滑油的润滑方法有哪些？答：油润滑的润滑方法有分散润滑法和集中润滑法。集中润滑法是连续润滑，可实现压力润滑。分散润滑法可以是间断的或连续的。间断润滑有人工定时润滑、手动油杯润滑、油芯油杯润滑、针阀油杯润滑、带油润滑、油浴及飞溅润滑、喷油润滑、油零润滑等几种。2.7 接触式密封中常用的密封件有哪些？答：接触式密封常用的密封件有 O 形密封圈， J 形、 U 形、 V 形、 Y 形、 L 形密封圈，以及毡圈。2.8 非接触式密封是如何实现密封的？答:非接触式密封有曲路密封和隙缝密封，它是靠隙缝中的润滑脂实现密封的。第 3 章 平面机构的结构分析3.1 机构具有确定运动的条件是什么?答：机构的主动件数等于自由度数时,机构就具有确定的相对运动。3.2 在计算机构的自由度时，要注意哪些事项？答：应注意机构中是否包含着复合铰链、局部自由度、虚约束。3.3 机构运动简图有什么作用？如何绘制机构运动简图？答：（1）能抛开机构的具体结构和构件的真实外形，简明地表达机构的传动原理，并能对机构进行方案讨论和运动、受力分析。（2）绘制机构运动简图的步骤如下所述：认真研究机构的结构及其动作原理，分清机架，确定主动件。循着运动传递的路线，搞清各构件间相对运动的性质，确定运动副的种类。测量出运动副间的相对位置。选择视图平面和比例尺，用规定的线条和符号表示其构件和运动副，绘制成机构运动简图。3.4 计算如题 3.4 图所示各机构的自由度，并说明欲使其具有确定运动，需要有几个原动件？题 3.4 图答：a） 代入式（3.1）中可得LH9130nP， ，32921F此机构要具有确定的运动，需要有一个原动件。b) 处存在局部自由度，必须取消，即把滚子与杆刚化，则B代入式（ 3.1）中可得LHnP， ， ，32321F此机构要具有确定的运动，需要有一个原动件。c) 代入式（3.1）中可得LH570nP， ，LH32352701FnP此机构要具有确定的运动，需要有一个原动件。3.5 绘制如题 3.5 图所示各机构的运动简图，并计算其自由度。题 3.5 图答：取 ，绘制运动简图如题 3.5 答案图所示：L0.1m/题 3.5 答案图图 a)： ，则 ； LH340nP， ， LH321FnP图 b)： ，则 。， ，3.6 试计算如题 3.6 图所示机构的自由度，并判断该机构的运动是否确定（图中绘有箭头的构件为原动件） 。题 3.6 图解：a)： 。LH710nP， ，3237210F运动确定。b) LH570nP， ， 3235271F运动确定c) 。LH710nP， ，LH3237210FnP运动确定d) 。LH42n， ，3342FP运动确定。e) 。LH340n， ， 23241FP运动确定。f) 。LH570n， ，3235271FP运动确定。g) 。LH912n， ，33921FP运动确定h) 。LH9120n， ，339213FP运动确定。3.7 试问如题 3.7 图所示各机构在组成上是否合理？如不合理，请针对错误提出修改方案。题 3.7 图答：图示机构的自由度为零，故都不合理，修改方案如下：对于题 3.7 图 a 的机构，在 处改为一个滑块，如题 3.7 图 a 所示。D对于题 3.7 图 b 的机构，在构件 4 上增加一个转动副，如题 3.7 答案图 b 所示；或在构件 4 的 处添加一滑块，如题 3.7 答案图 c 所示。D题 3.7 答案图第 4 章 平面连杆机构4.1 机构运动分析时的速度多边形与加速度多边形特性是什么？答：同一构件上各点的速度和加速度构成的多边形与构件原来的形状相似，且字母顺序一致。4.2 为什么要研究机械中的摩擦？机械中的摩擦是否全是有害的？答：机械在运转时，其相邻的两构件间发生相对运动时，就必然产生摩擦力，它一方面会消耗一部分的输入功，使机械发热和降低其机械效率，另一方面又使机械磨损，影响了机械零件的强度和寿命，降低了机械工作的可靠性，因此必须要研究机械中的摩擦。机械中的摩擦是不一定有害的，有时会利用摩擦力进行工作，如带传动和摩擦轮传动等。4.3 何谓摩擦角？如何确定移动副中总反力的方向？答：（1）移动或具有移动趋势的物体所受的总反力与法向反力之间的夹角称为摩擦角。（2）总反力与相对运动方向或相对运动趋势的方向成一钝角 ，据此来确定总90反力的方向。4.4 何谓摩擦圆？如何确定转动副中总反力的作用线？答：（1）以转轴的轴心为圆心，以 为半径所作的圆称为摩擦圆。0()Prf（2）总反力与摩擦圆相切，其位置取决于两构件的相对转动方向，总反力产生的摩擦力矩与相对转动的转向相反。4.5 从机械效率的观点看，机械自锁的条件是什么？答：机械自锁的条件为 。04.6 连杆机构中的急回特性是什么含义？什么条件下机构才具有急回特性？答：（1）当曲柄等速转动时，摇杆来回摇动的速度不同，返回时速度较大。机构的这种性质，称为机构的急回特性。通常用行程速度变化系数 K 来表示这种特性。（2）当 时，则 ，机构具有急回特性。01K4.7 铰链四杆机构中曲柄存在的条件是什么？曲柄是否一定是最短杆？答：（1）最长杆与最短杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和；最短杆或相邻杆应为机架。（2）曲柄不一定为最短杆，如双曲柄机构中，机架为最短杆。4.8 何谓连杆机构的死点？举出避免死点和利用死点的例子。答：（1）主动件通过连杆作用于从动件上的力恰好通过其回转中心时的位置，称为连杆机构的死点位置。（2）机车车轮在工作中应设法避免死点位置。如采用机车车轮联动机构，当一个机构处于死点位置时，可借助另一个机构来越过死点；飞机起落架是利用死点工作的，当起落架放下时，机构处于死点位置，使降落可靠。4.9 在题 4.9 图示中，已知机构的尺寸和相对位置，构件 1 以等角速度 逆时针转动，1求图示位置 C 点和 D 点的速度及加速度，构件 2 的角速度和角加速度。题 4.9 图解：取长度比例尺，绘制简图如题 4.9 答案图 a 所示。题 4.9 答案图解：（1）速度分析。求 .由图可知， ，方向垂直于 AB，指向与 的转向一致。Bv1BvA 1求 .因 B 点与 C 点同为构件 2 上的点，故有：CBCBvv大小 ？ ？1Al方向 水平 取速度比例尺 （ ）, 作速度矢量图如题 4.9 答案图 b 所示，则 代表 ；vm/s pcCv代表 ，其大小为 ， 。bcCBCvpcCBvbc求 。因 ，则22Bvl2CBl方向为顺时针转。求 。因为 B、C、D 为同一构件上的三点，所以可利用速度影像原理求得 d 点，Dv连接 代表 ，如题 4.9 答案图 b 所示，其大小为 ，方向同 。pd Dvpd（2）加速度分析。求 。由已知条件可知： ，方向为 B A； 。Ba21nBABal0ta求 。根据相对运动原理，可选立下列方程式C ntCBCBCBaa大小 ？ ？21Al2Al方向 水平 取加速度比例尺 ，作加速度矢量如题 4.9 答案图 c，则 代表 ，2m/sa bnCBa代表 。ctCB由图可知， 方向同 （水平向左） ； ，方向同 。apctCBacc求 。因 ，则22tCBl（方向为逆时针）2aCBtcl求 。Dnt ntBDBDBCDCDCaaaa大小 ？ ？ ？21Al2l pc2Bl方向 ？ 作矢量图，如题 4.9 答案图 c 所示，可见 代表 。pdDa由图可见， = ，方向同 。Dapd4.10 如题 4.10 图所示的铰链四杆机构中，已知 ， ，30mABl75BCl， ，构件 1 以等角速度 顺时针转动。现已作出该瞬32mCDl80ADl1rad/s时的速度多边形（题 4.10 图 b）和加速度多边形（题 4.10 图 c） 。试用图解法求：（1）构件 2 上速度为零的点 E 的位置，并求出该点的加速度 ；（2）为加速度多边形中各矢量E标注相应符号：（3）求构件 2 的角加速度 。2a题 4.10 图解：取 ，作结构简图，如题 4.10 答案图 a 所示。m0.1L（1）求构件 2 上速度为零的点 E 及 E 点的加速度 。E题 4.10 答案图求 。 ，方向如题 4.10 答案图 a 所示，且 。Bvms10.3.ABl AB求 。CvCBCBv大小 ？ ？ms0.3方向 水平 A取 ，作速度矢量图如题 4.10 答案图 b 所示。m/s0.1v因 ，故在速度图中，e 与极点 p 相重合，即三角符号 为 BCE 的影像，E pc其作图过程为：过 B 点作 ，过 C 点作 ，其交点即为 E 点，如题 4.10 答EbEc案图 a 所示。求 、 及 。23Ca由图可知， 。mms s0.13.,0.138.Bv Cvbcpc又因 23CCDvll ，则 ，方向为逆时针。20.4.75BClrads，方向为逆时针。3.81.02CDvlrasnt ntCBCBCBaa大小 ？ ？23Dl21Al2l方向 取 ，作加速度矢量图，如题 4.10 答案图 所示，则 代表 。2m0.1sa cpcCa，方向 。2m.45.sCapcp求 。利用加速度影像原理，即 。作图过程为：作E bceBCE，其交点即为 ，则 代表 。,cbeBcbeCBEpeEa（2）各矢量标准符号如题 4.10 答案图 c 所示。（3）求构件 2 的角加速度 。2由图可知， ，又因 则2m0.1685.stCBac2,tCBal。22.rad4.s32tCBl4.11 如题 4.11 图所示为一四杆机构，设已知 ，21OBA40ml，650mBCl，求当 平行于 且垂直于 AB 时的 和 。13,2radinAl1OA2Cva题 4.11 图解：取 ，画出机构的位置图，如题 4.11 答案图 a 所示。m0.1L题 4.11 答案图（1） 速度分析。求 。 ，方向垂直于 。Av120.4ms6AOl1OA求 。因 B 点与 A 点同为构件 2 上的点，故有：BABAvv大小 ？ 0.4 ？方向 2O1取速度比例尺 ，作速度矢量如题 4.11 答案图 b 所示，由图可知：m/s0.vBApab求 。因为 所以构件 2 在此瞬时作平动，即Cv,Bv ,CABvpa20ABl22340.1radsvOBpbll方向为顺时针转。（2）加速度分析。 求 。由已知条件可知： ，方向 ，Aa12220m().8s6nAOAal1AO。0tBa求 。根据相对运动原理，可建立下列方程式 nt ntBBABABAaaa大小 ？ ？ 0.8 0 ？23Ol方向 ？ 2B2B1OBA取 作加速度矢量图如题 4.11 答案图 c 所示，则 代表 。2m0.5,sa pbBa求 。根据影像原理可得出： ，作图如题 4.11 答案图 c 所示，C:BACba可得出 代表 。pca，方向垂直向下。2m0.25471.8sCa4.12 如题 4.12 图所示为摆动导杆机构，设已知 曲柄 AB60m,120,ABACll以等角速度 顺时针转动。求：（1）当 时，构件 3 的角速度130rads 9和角加速度 ；（2）当 时，构件 3 的角速度 和角加速度；（3）当3 90ABC （B 点转于 AC 之间）时，构件 3 的角速度 和角加速度 。8AC 3a题 4.12 图解：（1）当 时，取 ,画出机构的位置图，如题 4.12 答90BACLm0.3案图（一）a 所示。题 4.12 答案图（一）求 。3（1）3232BBvv大小 ？ ？1Al方向 BCBC取 ，作速度矢量图如题 4.12 答案图（一）b 所示，由图可知：ms0.6v代表 ，则3pb3BB3CL120.6rad5.3s4vvpbl方向为顺时针，且 。2求 。3（2）33323232nt krBBBBBaaa大小 ？ ？23Cl1Al32v方向 BBCBA式中 3n2 2m5.340.7.sCal2221.6BABl3232k 2325.370.61.3svavb取 ，作加速度矢量图如题 4.12 答案图（一） c 所示，由图可知：ms1a代表 ，将 移至 B 点，得：3b3tB3b3t 230.51rad.6s4aBCLl方向为逆时针转。（2）当 时，取 ，画出机构的位置图，如题 4.12 答案90ALm0.3图（二） 所示。a题 4.12 答案图（二）求 。依据矢量方程（1） ，作速度矢量图如题 4.12 答案图（二）b 所示，取3。由图可知： 代表 ， ，则 。ms0.6v23b32Bv30p3求 。依据矢量方程（ 2） ，作加速度矢量图如题 4.12 答案图（二）c 所示，取3。由图可知： 代表 ，则2ms1a3b3tBa32 271rad5.4s0.tBaCLal方向为逆时针转。（3）当 时，取 ，画出机构的位置图，如题 4.12 答180ABLm0.3案图（三） 所示。aa) b) c)题 4.12 答案 求 。依据矢量方程（1） ，作速度矢量图如题 4.12 答案图（三）b 所示，取3。由图可知： 代表 ，又 、 重合，则 代表ms0.6v23b32Bv33230,Bvpb，则3B3 rads30.62BbvCLvpl方向为逆时针转。求 。依据矢量方程（ 2） ，作加速度矢量如题 4.12 答案图（三）c 所示，取3。由图可知：因 、 重合， ，则 。2ms1a3b30tBv34.13 如题 4.13 图所示，设已知 构件逆时针转动， ，求 及12m,OAl radmin10Bv。Ba题 4.13 图解：取 ，画出机构的位置图，如题 4.13 答案图 所示。Lm0.5 a题 4.13 答案图(1) 速度分析（求 ） 。Bv,即 ，方向垂直于 。12Av1 ms1230.216AOAl1OA22BABAvvv大小 ？ 0.1 ？方向 水平 铅垂1O取 ，作速度矢量图如题 4.13 答案图 b 所示，由图可知： 代表ms0.5v pb代表 ,则2;Bab2BAm14.50.73sBvpb方向为水平。（2）加速度分析（求 ） 。Ba222krABABAaa大小 ？ ？1Ov2v方向 水平 水平向右 垂直1A式中 212230m.5s6BOAal222 21308.0.4s6kBABABAv取 ，作加速度矢量图如题 4.13 答案图 c 所示，由图可知：ms0.5a代表 ，则pbB 2m0.1250.65sBapb方向为水平向右。4.14 如题 4.14 图所示为一机床的矩形 -V 形导轨，已知拖板 1 的运动方向垂直于纸面，重心在 S 处，几何尺寸如图所示，各接触面间的滑动摩擦系数 。求 V 形导轨处的当0.f量摩擦系数 。vf题 4.14 图解：作用于导轨上压力为 、 。1W212根据力矩平衡条件可知： 12W作用在左右导轨上的摩擦力为 、1F2112Fff22sin45siWff所以 1sin45vFf4.15 如题 4.15 图所示，已知 为驱动力， 为工作阻力，20m,dxyFr转动副 A、 B 的轴颈半径为 r，当量摩擦系数为 ，滑动摩擦系数为 ，忽略各构件的重off力和惯性力。试作出各运动副中总反力的作用线。 题 4.15 图答：（1）求 、 。忽略各构件的重量和惯性力，杆 2 为二力杆，作用在杆 212RF3上的两个力 和 应等值、共线、反向。当考虑摩擦后，该二力不通过铰链中心，而3与摩擦圆相切。滑块 3 向下移动，连杆 2 与垂直导路的夹角 增大，连杆 2 相对于滑块 3的转速 为顺时针方向。所以， 对轴心产生的摩擦力矩为逆时针方向。因而 应233R R2F切于摩擦圆上方。同时，滑块 1 左移， 角减小， 为顺时针方向，所以 对轴心产213生的摩擦力为逆时针方向。因而 应切于摩擦圆下方。由于 与 应共线，因此，R2F12RF它们的作用线应是 A、B 两点摩擦圆的内公切线，如题 4.15 答案图所示。题 4.15 答案图（2）求 。取滑块 3 为单元体，其上作用力为 、 、 ，且三力汇交于43RF dF23R4一点。 与滑块 3 的速度 的夹角大于 ，如题 4.15 答案所示。v90（3）求 。取滑块 1 为单元体，其上作用力为 、 、 ，且三力汇交于41R r23R41一点， 与 的夹角大于 ，如题 4.15 答案图所示。Fv904.16 一铰链四杆机构中，已知 ， AD 为机架。50m,350BCCDll30m,ADl试问：（1） 若此机构为双曲柄机构，且 AB 为曲柄，求 的最大值。ABl（2） 若此机构为双曲柄机构，求 的最小值。ABl（3） 若此机构为双摇杆机构，求 的取值范围。l解：结构简图如题 4.16 答案图所示。（1）若为曲柄拴杆机构，则 AB 为最短，且 ABCADll代入已知量求解得 ，则 的最大值为 150mm。150mABlABl（2）若为双曲柄机构，则 AD 应为最短，且： 当 AB 为最长时，由于 ，可得出 。ADBCDll50mABl当 AB 不是最长时，由于 ，可得出All 4l要满足上述二种情况， 的最小值应为 450mm。ABl（3）若为双摇杆机构，则只能是不满足杆长之和的条件，即为最短杆与最长杆长度之和大于其它两杆长度之和。当 为最短时，由于 ，可得出 ；ABlABCADll150mABl当 为最长时，由于 ，可得出 ，又由于llll，可得出 。ABCDAl150mAB当 时，由于 ，可得出BCllDCABDll450mABl要满足上述三种情况， 的取值范围为 或ABl150l。50m150ABl4.17 已知铰链四杆机构（如题 4.17 图所示）各构件的长度，试问：（1） 这是铰链四杆机构基本形式中的何种机构？（2） 若以 AB 为原动件，此机构有无急回特性？为什么？（3） 当以 AB 为原动件时，此机构的最小传动角出现在机构何位置（在图上标出）？题 4.17 图答：（1）因为 ，且又以最短杆 AB 的邻边为机架，则此机构为曲ABCADll柄摇杆机构。（2） 有。因为以 AB 为原动件时，此机构为曲柄摇杆机构。（3） 出现在曲柄与机架共线时的位置，如题 4.17 答案图所示，取比例尺min，由图可得出 或者 。L0.1min180min2题 4.17 答案图4.18 如题 4.18 图所示的偏置曲柄滑块机构，已知行程速度变化系数 K=1.5，滑块行程h=50mm，偏距 e=20mm，试用图解法求：（1） 曲柄长度 和连杆长度 .ABlBCl（2） 曲柄为原动件时机构的最大压力角 和最大传动角 。maxmaxr（3） 滑块为原动件时机构的死点位置。题 4.18 图解：（1）求 、 。ABlC板位夹角 18036K作图如题 4.18 答案所示，取 ，可测得：Lm1。又 代入 、 值后，联立127m;0AC21;,abACa1AC2求得： 。.5,48.ab（说明：设 ， 。将原位置图旋转 后作图）Ba180题 4.18 答案图结论： 12.5.mABLla48CLlb（2）求 和 。由图可知：maxsinarciABCel当 时， 为最大值，即90maxsin9021.5rcsiarcsi8.4ABCel 当 时， 为最小值，即270msin270120.5arcsiarcsin1748ABinCel axmin90=13（3）滑块为原动件时，机构的死点位置为 和 。1ABC24.19 设计铰链四杆机构（如题 4.19 图所示） ，已知机架长 要求两连架60m,ADl杆的三组对应位置为： 和 、 和 、 和130128027345，连架杆 AB 的长度 ，连架杆 CD 上的标线 DE 的长度可取为30 m,ABl，试设计此四杆机构。4mDEl题 4.19 图解：（1）取 ，按给定条件作出 AB、DE 的三组位置，并连接Lm0.1和 。2DB3（2）用反转法将 、 分别绕 D 点反转 ，得出 、2B3121340,802B点。3（3）分别作 、 垂直平分线 、 交于 点，连接 ，即为该铰12312b31C1AD链四杆机构，如题 4.19 答案图所示。