机械力学及机械设计

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机械力学及机械设计课程作业1（共3次作业）学习层次：专科涉及章节：第一章——第五章

第一章机械设计基础

1-1构件和零件有何不同？机器和机构的异同点是什么？

答：零件是制造的最小单元，构件是运动的最小单元，不同构件之间必需具有相对运动。一个构件可以由若干个零件组成，这些零件刚性地连接在一起，机器运动时作为一个整体来运动。

机构是由若干个构件组成的一个人为组合体，功用在于传递运动或改变运动的形式。机器是由若干机构组成的，用来变换或传递能量、物料和信息。机器虽然类型好多，但组成机器的常用机构类型并不多。

1-3什么是机械零件的工作能力？常用的计算准则有哪几种？

答：机械零件的工作能力是指在一定的运动、载荷和环境状况下，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。

衡量零件工作能力的指标称为零件的工作能力准则。常用的计算准则有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则和耐热性准则等。

1-6试说明以下材料牌号的意义:

Q235,45,40Cr,65Mn,ZG230-450,HT200,ZCuSn10P1,LC4答：Q235：普通碳素钢，屈服点235Mpa；

45：优质碳素钢，含碳量大约0.45%;

40Cr:合金钢，含碳量0.40%左右，含Cr量1％左右；65Mn：合金钢，含碳量0.65%左右，含Mn量1％左右；ZG230-450:铸钢，屈服点230Mpa，抗拉强度450Mpa；HT200：灰铸铁，抗拉强度200Mpa；

ZCuSn10Pb1：铸造锡青铜，含锡量10％左右；LC4：超硬铝

其次章机构运动简图及平面机构自由度

2-4计算题2-4图所示(a)、（c）、（d）、（f）各机构的自由度，并指出复合铰链、局部自由

度和虚约束。

(a)推土机铲土机构(c)缝纫机送布机构

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(d)筛料机机构(f)凸轮连杆机构

解：（a）该机构有5个活动构件，7个低副，其中6个转动副、一个移动副，没有高副，没有复合铰链、局部自由度和虚约束，所以自由度F为：

F=3n-2PL－PH＝3×5－2×7＝1

有一个原动件，所以机构具有确定的运动。

（c）该机构有4个活动构件，4个低副均为6个转动副，2个高副，没有复合铰链，在滚子处有局部自由度，凸轮和从动件处两处接触构成虚约束，所以自由度F为：

F=3n-2PL－PH＝3×4－2×4－2＝2

有2个原动件，所以机构具有确定的运动。

(d)该机构有7个活动构件，9个低副，其中7个转动副，2个移动副，1个高副，C处有复合铰链，滚子G处存在局部自由度，没有虚约束，所以自由度F为：

F=3n-2PL－PH＝3×7－2×(7+2)－1＝2

有2个原动件，所以机构具有确定的运动。

(f)该机构有4个活动构件，5个低副，其中3个转动副，2个移动副，1个高副，滚子B处存在局部自由度，没有复合铰链和虚约束，所以自由度F为：

F=3n-2PL－PH＝3×4－2×(3+2)－1＝1

有1个原动件，所以机构具有确定的运动。

2-5题2-5图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输入，使轴A连续回转，而固定在轴A上的凸轮2和杠杆3组成的凸轮机构使冲头4上下往复运动，以达到冲压的目的。试绘制其机构运动简图，计算机构的自由度，并分析其运动是否确定，如运动不确定，试提出修改措施。解：机构运动简图如下所示：

由图可见，机构有3个活动构件，4个低副，其中3个转动副，1个移动副，1个高副，所以自由度F为：

F=3n-2PL－PH＝3×3－2×(3+1)－1＝0

即机构不能运动，故修改如下：

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第三章螺旋机构

3-1试比较普通螺纹与梯形螺纹有哪些主要区别？为什么普通螺纹用于连接而梯形螺纹用于传动？

答：普通螺纹与梯形螺纹的主要区别在于牙型斜角β的不同。普通螺纹牙型斜角为30°，梯形螺纹牙型斜角为15°。普通螺纹因牙型斜角较大，自锁性好，效率较低，故常用于连接；梯形螺纹因牙型斜角较小，效率较高，故常用于传动。

3-5在图3-9所示的螺旋千斤顶中，若螺杆长度d=24mm，中径d2=22.5mm，导程s=3mm，牙型角α=30°，手柄的有效长度L=200mm，螺旋副的摩擦因数f＝0.1，现要举起FW=12000N的重物，需要在手柄端部施加多少作用力？其机械效率为多少？该千斤顶在重物作用下是否会自动反转？

解：在公式F?FW?tan(???v)中：??arctans3?arctan?2.43??d23.14?22.5?v?arctanf0.1?arctan?5.91?cos?cos15?所以：F?FW?tan(???v)?12000?tan(2.43?5.91)?1759.3又由T?d22?F?L?F得：

手柄端部施加的力：F?F?//d222.5?1759.3??99N2?L2?200机械效率：??tan?tan2.43???0.41

tan(???v)tan(2.43?5.91)由于λ=2.43≤?v?5.91?，该千斤顶自锁，在重物作用下不会自动反转。

第四章平面连杆机构

4-6画出题4-6图所示各机构的压力角和传动角。图中标注箭头的构件为原动件。

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题4-6图

题解4-6图

4-7题4-7图所示铰链四杆机构l1?100mm,l2?200mm,l3?300mm,若要获得曲柄摇杆机构，试问机架长度l4的范围是多少？

题4-7图

解：曲柄摇杆机构最短杆为连架杆，所以最短杆为l1?100mm，分两种状况探讨：

（1）若最长杆为l3?300mm,，则由杆长条件：

l1?l3?l2?l4，得

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l4?100?300?200?200mm，则200mm?l4?300mm

（2）若l4为最长杆，则由杆长条件：

l1?l4?l2?l3，得

l4?200?300?100?400mm，则300mm?l4?400mm

综合得：200mm?l4?400mm

第五章凸轮机构及间歇运动机构

5-2四种基本运动规律各有何特点？各适用与何种场合？什么是刚性冲击和柔性冲击？答：（1）等速运动规律：推杆在运动开始和终了的瞬时，因速度突变，推杆的加速度及由此产生的惯性力在理论上将出现瞬时的无穷大。实际上由于材料具有弹性，加速度和惯性力不会达到无穷大，但仍十分大，从而产生猛烈的冲击。因此，等速运动规律只适用于低速、轻载的场合。

理论上无穷大的惯性力产生的冲击，称为刚性冲击。

（2）等加速等减速运动规律：在行程的起始点、中点和终点，推杆的加速度和惯性力有有限值的突变，引起的冲击也较为平缓。因此，适用于中速、低速的场合。

有限值的惯性力产生的冲击，成为柔性冲击。

（3）余弦加速度运动规律：在行程的起始点和终点，推杆的加速度和惯性力也存在突变，一般适用于中速场合。

（4）正弦加速度运动规律：推杆的加速度和惯性力没有突变，适用与高速场合。

5-3何谓凸轮机构的反转法设计？它对于凸轮廓线的设计有何意义？

答：凸轮机构的反转法设计是凸轮轮廓线设计的基本方法。为了绘制凸轮轮廓线，需要凸轮相对固定。设凸轮以角速度ω绕轴心转动，假设给整个凸轮机构加上一个公共角速度-ω绕凸轮轴心回转。根据相对运动原理，这时凸轮与推杆之间的相对运动关系并未改变，但是凸轮“固定不动〞，而推杆一方面随导路以角速度-ω绕凸轮轴心转动，另一方面相对于导路做预期的往复移