机械设计基础作业集题解详细版

机械设计基础作业集题解详细版前言《机械设计基础》是工科院校机械类及近机械类专业的一门重要技术基础课程，旨在培养学生掌握机械设计的基本理论、基本知识和基本技能，为后续专业课程的学习及未来从事机械设计工作奠定坚实基础。作业练习作为课程学习中不可或缺的环节，不仅能够帮助学生巩固所学知识，更能培养其分析问题和解决实际问题的能力。本《题解详细版》旨在为同学们提供一份详尽、准确且富有启发性的作业辅导材料。我们力求通过清晰的解题思路、规范的解题步骤和深入的结果讨论，引导同学们不仅“知其然”，更“知其所以然”。希望这份题解能成为大家学习道路上的良师益友，帮助大家更好地理解和掌握机械设计基础的精髓。在使用本资料时，建议同学们首先独立思考，尝试自行解答。若遇到困难，再参考题解中的思路与方法，对比差异，分析原因。切不可直接抄袭答案，那样便失去了作业练习的意义。学习是一个循序渐进的过程，遇到挫折在所难免，关键在于持之以恒，不断总结。第一章绪论与基本概念习题1-1机械设计的基本要求与一般程序题目：简述机械设计的基本要求和一般设计程序。审题：本题主要考察对机械设计宏观层面的理解，属于概念记忆与理解型题目。解题思路分析：机械设计是一项复杂的系统工程，其基本要求是设计出满足特定功能并具有良好性能的机械产品。这些要求可以从多个维度进行概括。而一般设计程序则是指导设计者有序、高效完成设计任务的步骤框架，通常遵循从抽象到具体、从整体到局部、逐步细化的过程。解题过程与步骤：机械设计的基本要求：1.功能要求：这是设计的首要目标。机械产品必须能够实现预定的使用功能，如传递运动、传递动力、变换运动形式、完成特定作业等。例如，一台车床必须能实现工件的旋转和刀具的进给运动，以完成切削加工。2.性能要求：在满足功能的前提下，产品应具有良好的性能指标。主要包括：*工作性能：如速度、精度、生产率、效率等。*可靠性：在规定的使用条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。*寿命：产品能够正常工作的总时间或总次数。3.经济性要求：设计应考虑制造成本、使用成本和维护成本。力求在满足性能的前提下，降低总成本，提高产品的性价比。这涉及到材料选择、结构工艺性、标准化程度等多个方面。4.安全性要求：确保操作人员的人身安全和设备本身的安全。设计中应考虑防护装置、过载保护、紧急停车等措施，避免机械伤害和设备事故。5.环境适应性要求：产品应能在规定的环境条件（如温度、湿度、振动、腐蚀、粉尘等）下正常工作，并尽可能减少对环境的负面影响，如降低噪声、减少污染。6.其他要求：如外观美观、操作方便、维修性好、符合相关标准和法规等。机械设计的一般程序：1.产品规划与需求分析：*市场调研：了解用户需求、现有产品状况、技术发展趋势、竞争对手情况等。*需求分析：明确产品的功能、性能指标、使用条件、寿命、成本、可靠性、安全性等具体要求，形成设计任务书。2.方案设计：*功能分析与分解：将总功能分解为若干分功能和基本功能元。*原理方案构思：针对各功能元寻求可能的实现方案（物理效应、工作原理），并进行组合，形成多个整体原理方案。*方案评价与决策：对多个备选方案从技术可行性、经济性、先进性、安全性等方面进行评价和比较，选择最优或较优方案。3.技术设计（详细设计）：*总体设计：确定产品的总体布局、主要部件的相对位置和连接方式，绘制总体装配草图。*部件设计：对各部件进行结构设计，确定其形状、尺寸、材料，绘制部件装配草图。*零件设计：确定零件的结构、尺寸、公差、材料、热处理要求等，绘制零件工作图。*参数计算与校核：对关键零部件进行必要的理论计算和校核，如强度、刚度、稳定性、寿命等。4.样机试制与试验：*样机试制：根据设计图纸制造样机。*试验研究：对样机进行性能试验、寿命试验、可靠性试验、安全性试验等，检验设计是否满足要求。5.设计改进与定型：*根据试验结果，分析存在的问题，对设计进行修改和完善。*必要时进行第二次试制和试验，直至满足设计要求。*编制设计文件：包括设计说明书、零件图、装配图、标准件明细表、外购件明细表等。*产品定型：经鉴定合格后，投入批量生产。结果讨论与注意事项：机械设计的基本要求之间往往存在相互联系和制约，例如，提高性能可能导致成本增加，追求轻量化可能影响强度。设计者需要在这些要求之间进行权衡和优化，寻求最佳平衡点。设计程序是一个动态的、迭代的过程，在任何阶段发现问题，都可能需要返回前面的阶段进行修改。特别是在方案设计阶段，充分的论证和多方案比较至关重要，它直接影响后续设计的质量和效率。---第二章平面机构的结构分析习题2-1机构运动简图的绘制题目：试绘制如图所示偏心轮机构的运动简图。已知偏心轮绕固定轴O转动，推动滑块在机架的导路中往复移动。(此处应有原图，但为文字描述：一个偏心轮，圆心为C，绕固定轴心O转动，O与C有偏心距e。偏心轮外与一个滑块接触，滑块可在固定的机架导路内上下滑动。)审题：本题要求绘制偏心轮机构的运动简图。关键在于理解机构的组成、各构件的运动形式以及构件间的连接方式（运动副类型），并选用适当的比例尺和规定的符号进行绘制。解题思路分析：1.识别构件：首先需要明确机构由几个构件组成。机架（固定不动）是一个构件；偏心轮是一个绕机架转动的构件；滑块是一个相对机架移动的构件。共3个构件。2.确定运动副类型及位置：*偏心轮与机架：绕固定轴O转动，构成转动副，中心在O点。*偏心轮与滑块：两者之间为线接触（或可简化为点接触），相对运动为平面高副。接触点的位置会随机构运动而变化，但在运动简图中，高副用构件轮廓的接触情况表示。*滑块与机架：滑块在机架导路内移动，构成移动副，导路方向即为移动方向。3.选择视图平面：应选择能清晰表达各构件运动关系的平面，通常为机构的运动平面。本题为平面机构，选择其运动平面即可。4.选择比例尺：根据图纸大小和机构实际尺寸，确定绘图比例尺μ_l(m/mm)。题目未给出具体尺寸，可先按比例示意，注明“运动简图”即可，或假设一个合适的比例尺。5.绘制运动简图：用规定的简单线条和符号代表构件和运动副，按比例绘制出各构件的相对位置和运动关系。特别注意转动副中心、移动副导路方向、高副接触点的正确表达。解题过程与步骤：1.构件编号：*机架为构件1（通常固定不动的构件编号为1）。*偏心轮为构件2（原动件，绕O转动）。*滑块为构件3（从动件，作移动）。2.运动副分析与表示：*构件1与构件2：在O点构成转动副（R副），用一个小圆圈表示，圆心在O点。*构件2与构件3：高副（H副）。偏心轮是一个绕O点转动的圆盘（圆心为C，偏心距OC=e），滑块与偏心轮外圆接触。在运动简图中，构件2（偏心轮）可简化为一个以O为转动中心，以OC为偏心距，以偏心轮半径为半径的圆盘（或用一个带圆心C的圆表示其轮廓）。滑块3简化为一个矩形块，其与偏心轮的接触点即为高副元素的接触点。*构件3与构件1：移动副（P副）。滑块在机架的导路内移动，导路方向（设为铅垂方向）用一对平行线表示，或在滑块上画一个指向移动方向的箭头。3.绘制步骤：*画出机架1：对于移动副，机架的导路部分可以用两条平行的铅垂线表示。*在机架适当位置确定偏心轮的固定转动中心O点，画出构件2（偏心轮）与机架1在O点的转动副符号（小圆圈）。*以O为中心，按选定比例尺画出偏心距e（即OC的长度），确定偏心轮的几何中心C点。以C为中心，按偏心轮半径r画出偏心轮的轮廓圆（此圆代表构件2的高副元素）。*画出滑块3：滑块与偏心轮轮廓圆相切（表示高副接触），同时滑块被限制在机架的铅垂导路内。滑块用矩形表示，其一侧与偏心轮圆相切，另一侧与机架导路配合（或直接在导路内画出）。*在滑块上或其导路上标注移动方向箭头，在原动件2上标注转动方向箭头（如果题目要求）。4.标注：标注构件编号（1,2,3），转动副中心O，必要时标注偏心距e，以及原动件的转动方向。运动简图示意（文字描述）：*机架（1）：用一对上下延伸的铅垂平行线表示滑块的移动导路。*转动副O：位于导路左侧（或右侧）的一个小圆，固定在机架上。*构件2（偏心轮）：以O为圆心，画出一个偏心圆（其几何中心为C，OC为偏心距e），该圆与构件3接触。*构件3（滑块）：一个矩形，其左侧边（或右侧边，取决于O的位置）与构件2的偏心圆相切，矩形的上下两边中点（或某一边）与机架的铅垂导路配合，表示移动副。结果讨论与注意事项：*运动简图的核心是表达“运动关系”，而非构件的真实结构形状。因此，构件可以大幅简化，如杆状构件用直线表示，转动副用小圆圈表示等。*高副的表示需要画出两构件接触处的轮廓曲线（至少是简化的轮廓），以表明高副元素的几何形状，因为高副元素的形状直接影响机构的运动特性。*比例尺的选择很重要，应保证图形清晰，各部分关系明确。若题目未要求具体尺寸，可定性绘制，但各运动副的相对位置关系必须正确。*构件编号和运动副类型的识别是绘制运动简图的基础，务必准确。---习题2-2机构自由度计算题目：计算如图所示铰链四杆机构的自由度，并判断该机构是否具有确定的相对运动。已知各构件长度：AB=20mm，BC=50mm，CD=40mm，AD=55mm。(此处应有原图，但为文字描述：一个铰链四杆机构，机架为AD，原动件为AB。各杆通过铰链A、B、C、D依次连接，A、D为固定铰链，安装在机架上。)审题：本题考察平面机构自由度的计算方法以及机构具有确定相对运动的条件。铰链四杆机构是最基本的平面连杆机构，其自由度计算相对直接。解题思路分析：平面机构自由度的计算公式为：F=3n-2P_L-P_H其中：*F——机构的自由度*n——机构中活动构件的数目（机架不算活动构件）*P_L——机构中低副的数目（转动副和移动副均为低副，各算一个P_L）*P_H——机构中高副的数目机构具有确定相对运动的条件是：机构的自由度F等于机构的原动件数目W。即F=W。对于铰链四杆机构：*它由4个构件组成：机架（1个）和3个活动构件（原动件1个，从动件2个）。*每个铰链连接都是转动副，属于低副。铰链四杆机构有4个转动副。解题过程与步骤：1.确定活动构件数目n：铰链四杆机构共有4个构件。其中，机架AD为固定构件，不属于活动构件。其余三个构件AB、BC、CD均为活动构件。因此，n=3。2.确定低副数目P_L：机构中所有运动副均为转动副（铰链连接），分别是：*A处：机架与AB杆连接，转动副。*B处：AB杆与BC杆连接，转动副。*C处：BC杆与CD杆连接，转动副。*D处：CD杆与机架连接，转动副。共4个转动副，均为低副。因此，P_L=4。3.确定高副数目P_H：该机构中所有构件间的连接均为铰链（转动副），不存在高副（如齿轮啮合、凸轮接触等）。因此，P_H=0。4.计算自由度F：根据平面机构自由度计算公式：F=3n-2P_L-P_H将n=3，P_L=4，P_H=0代入：F=3×3-2×4-0=9-8=1所以，该铰链四杆机构的自由度F=1。5.判断机构是否具有确定的相对运动：机构具有确定相对运动的条件是机构的自由度F等于机构的原动件数目W。题目中明确原动件为AB，即原动件数目W=1。因为F=1，W=1，即F=W。所以，该机构具有确定的相对运动。结果讨论与注意事项：*自由度计算是分析机构运动可能性和确定性的基础。若F≤0，则机构为结构，不能运动。若F>0，但原动件数目W≠F，则机构运动不确定或卡死。*在计算n时，务必注意只统计活动构件，机架（固定构件）不计入。*在计算P_L和P_H时，要仔细识别机构中所有的运动副，并正确区分低副和高副。一个复合铰链（两个以上构件在同一处形成转动副）应按（k-1）个转动副计算，其中k为在该处连接的构件数。本题为简单铰链四杆机构，无复合铰链、局部自由度和虚约束等复杂情况。*本题计算出F=1，原动件数目也为1，因此机构运动确定。这符合一般铰链四杆机构的特性，其通常为单自由度机构。*题目中给出的各杆长度（AB=20mm，BC=50mm，CD=40mm，AD=55mm）是用于判断铰链四杆机构的类型（如曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构）的，与自由度计算无关。自由度只与构件数目和运动副类型及数目有关，与构件的具体尺寸无关。这一点需要明确区分。---第三章平面连杆机构习题3-1铰链四杆机构类型判断题目：已知一铰链四杆机构各杆长度分别为：机架AD=100m