机械原理题库带答案网盘

机械原理题库带答案网盘一、机械原理基础概念1.选择题（每题2分，共20分）1.机构具有确定运动的条件是（）A.机构自由度大于零B.机构自由度等于原动件数C.机构自由度小于原动件数D.机构自由度等于零答案：B解析：机构具有确定运动的条件是机构的自由度等于原动件的数量。如果自由度大于原动件数，机构运动不确定；如果自由度小于原动件数，机构将无法运动或产生内部约束。2.在平面机构中，一个低副引入的约束数为（）A.1B.2C.3D.4答案：B解析：在平面机构中，一个低副（如转动副或移动副）引入2个约束，限制构件在平面内的两个相对运动（如x方向移动和y方向移动，或转动和某个方向的移动）。3.机构中能够独立运动的构件称为（）A.机架B.原动件C.从动件D.连杆答案：B解析：原动件是机构中能够独立运动的构件，通常与动力源相连，将输入的运动和动力传递给其他构件。4.平面机构的自由度计算公式为（）A.F=3n-2Pl-PhB.F=3n-2Pl+PhC.F=3n+2Pl-PhD.F=3n+2Pl+Ph答案：A解析：平面机构的自由度计算公式为F=3n-2Pl-Ph，其中n为活动构件数，Pl为低副数，Ph为高副数。5.在机构中，能够传递运动和动力的独立单元称为（）A.零件B.构件C.机构D.机器答案：B解析：构件是机构中的基本单元，是一个或多个零件的刚性组合，能够在机构中独立运动并传递运动和动力。6.机构中相对静止的构件称为（）A.原动件B.从动件C.机架D.连杆答案：C解析：机架是机构中相对静止的构件，作为其他运动构件的参考坐标系。7.在平面机构中，一个高副引入的约束数为（）A.1B.2C.3D.4答案：A解析：在平面机构中，一个高副（如齿轮副、凸轮副）引入1个约束，限制构件在平面内的一个相对运动（如沿接触法线方向的相对移动）。8.机构中由原动件带动而运动的构件称为（）A.机架B.原动件C.从动件D.连杆答案：C解析：从动件是机构中由原动件带动而运动的构件，实现特定的运动规律或功能。9.机器与机构的主要区别是（）A.机器能实现能量转换，机构不能B.机器能实现运动转换，机构不能C.机器结构复杂，机构简单D.机器用于生产，机构用于研究答案：A解析：机器与机构的主要区别在于机器能够实现能量的转换和传递，而机构主要实现运动和力的传递。10.在机构中，能够实现特定运动要求的构件组合称为（）A.机构B.机器C.机械系统D.机械装置答案：A解析：机构是能够实现特定运动要求的构件组合，传递和转换运动和力。2.填空题（每空1分，共20分）1.机构是由若干个通过方式连接起来的构件系统。答案：运动副解析：机构是由若干个通过运动副方式连接起来的构件系统，运动副是两构件直接接触并能产生相对运动的连接。2.在平面机构中，一个自由构件具有个自由度。答案：3解析：在平面机构中，一个自由构件具有3个自由度，包括沿x轴移动、沿y轴移动和绕垂直于平面的轴转动。3.平面低副包括副和副。答案：转动，移动解析：平面低副包括转动副（铰链）和移动副（滑块），它们都引入2个约束。4.机构中，能够独立运动的构件数量称为。答案：原动件数解析：机构中，能够独立运动的构件数量称为原动件数，原动件通常与动力源相连。5.在机构中，自由度是指机构具有的独立运动参数的数目。答案：确定解析：在机构中，自由度是指机构具有的独立运动参数的数目，它决定了机构运动的确定性。6.机构中，两构件通过接触形成的运动副称为。答案：高副解析：高副是两构件通过点或线接触形成的运动副，如齿轮副、凸轮副等。7.机构中，两构件通过接触形成的运动副称为。答案：低副解析：低副是两构件通过面接触形成的运动副，如转动副、移动副等。8.机构中，能够将一种运动形式转换为另一种运动形式的装置称为。答案：变换机构解析：变换机构是能够将一种运动形式转换为另一种运动形式的装置，如将旋转运动转换为直线运动。9.机构中，能够实现特定功能的构件组合称为。答案：功能机构解析：功能机构是能够实现特定功能的构件组合，如实现间歇运动的槽轮机构。10.机构中，能够传递力和运动的构件系统称为。答案：传动机构解析：传动机构是能够传递力和运动的构件系统，如齿轮传动机构、带传动机构等。3.判断题（每题1分，共10分）1.机构自由度等于零的机构不能运动。（）答案：正确解析：机构自由度等于零的机构不能运动，因为没有任何独立的运动参数，所有构件都被完全约束。2.在平面机构中，一个高副引入2个约束。（）答案：错误解析：在平面机构中，一个高副引入1个约束，限制构件在平面内的一个相对运动。3.机构中，机架是固定不动的构件。（）答案：正确解析：机构中，机架是相对静止的构件，作为其他运动构件的参考坐标系。4.机构中，原动件的数量必须等于机构的自由度。（）答案：正确解析：机构中，原动件的数量必须等于机构的自由度，这样才能使机构具有确定的运动。5.机器与机构的主要区别在于机器能实现能量转换。（）答案：正确解析：机器与机构的主要区别在于机器能够实现能量的转换和传递，而机构主要实现运动和力的传递。6.在平面机构中，一个低副引入1个约束。（）答案：错误解析：在平面机构中，一个低副引入2个约束，限制构件在平面内的两个相对运动。7.机构中，从动件是由原动件带动而运动的构件。（）答案：正确解析：机构中，从动件是由原动件带动而运动的构件，实现特定的运动规律或功能。8.机构中，自由度是指机构具有的独立运动参数的数目。（）答案：正确解析：机构中，自由度是指机构具有的独立运动参数的数目，它决定了机构运动的确定性。9.机构中，两构件通过点接触形成的运动副称为低副。（）答案：错误解析：机构中，两构件通过点接触形成的运动副称为高副，低副是通过面接触形成的运动副。10.机构中，能够将旋转运动转换为直线运动的机构称为变换机构。（）答案：正确解析：机构中，能够将旋转运动转换为直线运动的机构称为变换机构，如曲柄滑块机构。二、机构分析与设计1.简答题（每题5分，共30分）1.简述机构自由度的计算方法及其意义。答案：机构自由度的计算方法为F=3n-2Pl-Ph，其中n为活动构件数，Pl为低副数，Ph为高副数。自由度的意义在于它决定了机构运动的确定性。当自由度等于原动件数时，机构具有确定的运动；当自由度大于原动件数时，机构运动不确定；当自由度小于原动件数时，机构将无法运动或产生内部约束。2.什么是机构？机构与机器有何区别？答案：机构是由若干个通过运动副连接起来的构件系统，能够实现特定运动要求。机构与机器的主要区别在于：机构主要实现运动和力的传递，而机器能够实现能量的转换和传递；机构通常不涉及能量转换，而机器涉及能量转换；机构可能只是机器的一部分，而机器是一个完整的系统，能够完成特定的工作任务。3.什么是运动副？运动副如何分类？答案：运动副是两构件直接接触并能产生相对运动的连接。运动副按接触形式可分为低副和高副：低副是两构件通过面接触形成的运动副，如转动副、移动副；高副是两构件通过点或线接触形成的运动副，如齿轮副、凸轮副。运动副按相对运动形式可分为转动副、移动副、螺旋副、球面副等。4.什么是机构的组成要素？机构的组成要素有哪些？答案：机构的组成要素是指构成机构的基本单元，包括构件和运动副。构件是机构中的基本单元，是一个或多个零件的刚性组合，能够在机构中独立运动并传递运动和动力。运动副是两构件直接接触并能产生相对运动的连接，如转动副、移动副、高副等。此外，机构还包括机架和原动件等要素。5.什么是机构的运动简图？如何绘制机构的运动简图？答案：机构的运动简图是用简单的线条和符号表示机构结构和运动关系的图形。绘制机构的运动简图步骤如下：1）确定机构中的构件和运动副；2）用简单的线条表示构件；3）用规定的符号表示运动副；4）按照机构的实际连接关系，将各构件和运动副连接起来；5）标注机架、原动件等要素。绘制时应注意保持各构件的相对位置和运动关系不变。6.什么是机构的结构分析？结构分析的目的是什么？答案：机构的结构分析是研究机构的组成方式、构件连接关系和运动特性的过程。结构分析的目的是：1）确定机构的自由度，判断机构是否具有确定的运动；2）分析机构的组成杆组，了解机构的运动传递路径；3）判断机构的级别，为机构的运动分析和力分析提供基础；4）为机构的优化设计和改进提供理论依据。2.计算题（每题10分，共30分）1.计算如图所示的机构的自由度，并判断其是否具有确定的运动。（假设图中机构由6个构件组成，包括机架，共有7个转动副和1个移动副）答案：根据机构自由度计算公式F=3n-2Pl-Ph其中，n=活动构件数=6-1=5（除去机架）Pl=低副数=7（转动副）+1（移动副）=8Ph=高副数=0因此，F=3×5-2×8-0=15-16=-1计算结果为负值，说明该机构存在过度约束，无法运动。通常这种情况下需要检查机构中是否存在多余约束或错误的连接方式。2.分析如图所示的平面铰链四杆机构的运动特性，确定其是否有曲柄存在，并说明机构的类型。（假设图中四杆机构各杆长度分别为：AB=100mm，BC=250mm，CD=200mm，AD=300mm）答案：在平面铰链四杆机构中，是否存在曲柄取决于各杆长度的关系。判断准则如下：1）如果最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和，则可能有曲柄存在；2）如果最短杆为机架或连杆，则机构为双曲柄机构或双摇杆机构；3）如果最短杆为连架杆，则机构为曲柄摇杆机构。本题中，最短杆为AB=100mm，最长杆为AD=300mm，其他两杆为BC=250mm和CD=200mm。最短杆与最长杆长度之和=100+300=400mm其他两杆长度之和=250+200=450mm因为400mm<450mm，满足有曲柄存在的条件。由于最短杆AB为连架杆，因此该机构为曲柄摇杆机构，其中AB为曲柄，可以整周转动，CD为摇杆，只能在一定角度范围内摆动。3.设计一曲柄滑块机构，要求曲柄长度为50mm，连杆长度为150mm，滑块的行程为120mm。确定机构的极位夹角和行程速比系数，并绘制机构的两个极限位置。答案：在曲柄滑块机构中，滑块的行程H与曲柄长度r和连杆长度l的关系为：H=2r=2×50=100mm但题目要求滑块的行程为120mm，而根据给定的曲柄和连杆长度，实际行程为100mm，因此需要调整设计。假设保持曲柄长度r=50mm不变，要使行程H=120mm，则需要：H=2r=120mm因此，r=60mm这与题目给定的曲柄长度50mm不符。因此，可能需要重新设计机构。另一种方法是采用偏置曲柄滑块机构。设偏距为e，则行程H与曲柄长度r、连杆长度l和偏距e的关系为：H=√[(l+e)²-(r-e)²]-√[(l-e)²-(r+e)²]这个方程比较复杂，通常需要通过迭代求解。这里我们采用近似方法。对于偏置曲柄滑块机构，行程H≈2r，与对心曲柄滑块机构相似。因此，要使行程H=120mm，曲柄长度r应约为60mm。如果坚持使用r=50mm，则需要增加连杆长度或采用其他机构形式。假设我们采用r=60mm，l=150mm的对心曲柄滑块机构，则行程H=2r=120mm，满足要求。极位夹角θ可以通过以下公式计算：sin(θ/2)=r/l=60/150=0.4θ/2=arcsin(0.4)≈23.58°θ≈47.16°行程速比系数K的计算公式为：K=(180°+θ)/(180°-θ)=(180°+47.16°)/(180°-47.16°)≈227.16°/132.84°≈1.71机构的两个极限位置分别是：1）曲柄和连杆拉直共线，滑块位于最右端2）曲柄和连杆重叠共线，滑块位于最左端三、机械动力学1.分析题（每题10分，共20分）1.分析机械系统中惯性力的影响及其平衡方法。答案：惯性力是机械系统中由于构件加速运动而产生的力，它会对机械系统的性能产生多方面的影响：1）增加机构的动载荷，降低机械效率；2）引起振动和噪声，影响机械的稳定性和可靠性；3）加速构件的磨损，降低机械的使用寿命；4）增加能源消耗，降低经济性。惯性力的平衡方法主要有：1）质量平衡法：通过调整构件的质量分布，使构件的质心位于旋转轴线上，从而消除或减小惯性力。例如，在转子上添加配重，使其质心位于旋转轴线上。2）机构平衡法：通过合理设计机构，使机构的惯性力在机架上相互抵消。例如，采用对称机构布置，使机构的惯性力相互平衡。3）附加平衡装置法：在机构中添加专门的平衡装置，如平衡块、平衡轴等，来平衡惯性力。例如，在汽车发动机中采用平衡轴来平衡活塞的惯性力。4）优化设计法：通过优化机构的运动学和动力学参数，减小惯性力的幅值。例如，减小构件的质量、降低构件的加速度等。2.分析机械系统中摩擦力的影响及其减小方法。答案：摩擦力是机械系统中两相对运动表面之间产生的阻力，它对机械系统有以下影响：1）增加能量损失，降低机械效率；2）引起发热，可能导致材料性能下降；3）加速构件磨损，降低机械的使用寿命；4）产生振动和噪声，影响机械的稳定性和可靠性。减小摩擦力的方法主要有：1）润滑：在摩擦表面之间添加润滑剂，形成润滑油膜，减少直接接触，从而减小摩擦力。润滑可分为流体润滑、边界润滑和混合润滑等。2）材料选择：选择摩擦系数小的材料作为摩擦表面的材料，如使用减摩材料、自润滑材料等。3）表面处理：对摩擦表面进行处理，如抛光、镀层、渗碳等，提高表面的光洁度和耐磨性。4）优化设计：通过优化机构的设计，减小接触压力，改善接触条件，从而减小摩擦力。例如，采用滚动摩擦代替滑动摩擦。5）减小运动副间隙：减小运动副的间隙，可以减小冲击和振动，从而减小摩擦力。2.计算题（每题10分，共20分）1.计算如图所示的曲柄滑块机构中，曲柄以等角速度ω=10rad/s转动时，滑块的速度和加速度。（假设曲柄长度r=50mm，连杆长度l=150mm，曲柄位置φ=60°）答案：在曲柄滑块机构中，滑块的速度和加速度可以通过以下公式计算：首先，确定机构的位置参数：曲柄位置φ=60°连杆摆角β可通过余弦定理确定：cosβ=(r²+l²-x²)/(2rl)其中，x为滑块位置。当φ=60°时，x=r·cosφ+l·cosβ通过迭代求解，可得β≈19.11°滑块的速度v可通过以下公式计算：v=r·ω·(sinφ/cosβ)=0.05×10×(sin60°/cos19.11°)≈0.5×(0.866/0.945)≈0.459m/s滑块的加速度a可通过以下公式计算：a=r·ω²·(cosφ/cosβ+r·sin²φ/l·cos³β)=0.05×100×(cos60°/cos19.11°+0.05×sin²60°/0.15×cos³19.11°)=5×(0.5/0.945+0.05×0.75/0.15×0.845³)≈5×(0.529+0.25×0.607)≈5×(0.529+0.152)≈5×0.681≈3.405m/s²因此，当曲柄以等角速度ω=10rad/s转动，且φ=60°时，滑块的速度约为0.459m/s，加速度约为3.405m/s²。2.计算如图所示的齿轮传动系统中，各轮的转速和传动比。（假设主动轮1的齿数z1=20，转速n1=1000rpm；中间轮2的齿数z2=40；从动轮3的齿数z3=60；中间轮4的齿数z4=30；从动轮5的齿数z5=50）答案：在齿轮传动系统中，传动比等于从动轮齿数与主动轮齿数之比，转速与齿数成反比。首先，计算轮1和轮2的传动比及轮2的转速：i12=z2/z1=40/20=2n2=n1/i12=1000/2=500rpm然后，计算轮2和轮3的传动比及轮3的转速：i23=z3/z2=60/40=1.5n3=n2/i23=500/1.5≈333.33rpm接着，计算轮3和轮4的传动比及轮4的转速：i34=z4/z3=30/60=0.5n4=n3/i34=333.33/0.5=666.66rpm最后，计算轮4和轮5的传动比及轮5的转速：i45=z5/z4=50/30≈1.67n5=n4/i45=666.66/1.67≈399.16rpm系统的总传动比为从动轮5与主动轮1的转速比：i总=n5/n1≈399.16/1000≈0.399或者通过各对齿轮传动比的乘积计算：i总=i12×i23×i34×i45=2×1.5×0.5×1.67≈2.505这里出现矛盾，是因为齿轮3同时与轮2和轮4啮合，在计算总传动比时需要考虑这一点。正确的总传动比计算应为：i总=(z2/z1)×(z3/z2)×(z5/z4)=(40/20)×(60/40)×(50/30)=2×1.5×1.67≈5因此，轮5的实际转速应为：n5=n1/i总=1000/5=200rpm各轮的转速和传动比如下：-轮1：n1=1000rpm，主动轮-轮2：n2=500rpm，i12=2-轮3：n3=333.33rpm，i23=1.5-轮4：n4=666.66rpm，i34=0.5-轮5：n5=200rpm，i45=1.67，i总=5四、机械运动学1.计算题（每题10分，共30分）1.计算如图所示的凸轮机构中，从动件的位移、速度和加速度。（假设凸轮基圆半径r0=30mm，滚子半径rr=10mm，凸轮以等角速度ω=5rad/s转动，凸轮轮廓为对心直动滚子从动件盘形凸轮，推程运动角为180°，远休止角为0°，回程运动角为90°，近休止角为90°，从动件运动规律为等加速等减速运动）答案：在凸轮机构中，从动件的位移、速度和加速度取决于凸轮轮廓形状和从动件的运动规律。首先，确定从动件的运动规律：-推程阶段（0°-180°）：等加速等减速运动-远休止阶段（180°-180°）：无运动-回程阶段（180°-270°）：等加速等减速运动-近休止阶段（270°-360°）：无运动对于等加速等减速运动，位移方程为：-加速阶段：s=2h·φ²/δ²-减速阶段：s=h-2h·(δ-φ)²/δ²其中，h为总行程，δ为运动角，φ为当前转角。假设从动件的总行程h=40mm，则：推程阶段（0°-180°）：-加速阶段（0°-90°）：s=2×40×φ²/180²=80×φ²/32400当φ=90°时，s=80×8100/32400=20mm-减速阶段（90°-180°）：s=40-2×40×(180-φ)²/180²=40-80×(180-φ)²/32400当φ=180°时，s=40mm回程阶段（180°-270°）：-加速阶段（180°-225°）：s=40-2×40×(φ-180)²/90²=40-80×(φ-180)²/8100当φ=225°时，s=40-80×2025/8100=20mm-减速阶段（225°-270°）：s=2×40×(270-φ)²/90²=80×(270-φ)²/8100当φ=270°时，s=0mm速度方程为：-加速阶段：v=4h·ω·φ/δ²-减速阶段：v=4h·ω·(δ-φ)/δ²加速度方程为：-加速阶段：a=4h·ω²/δ²-减速阶段：a=-4h·ω²/δ²因此，在推程加速阶段（0°-90°）：-位移：s=80×φ²/32400-速度：v=4×40×5×φ/180²=800×φ/32400≈0.0247φ-加速度：a=4×40×25/180²=4000/32400≈0.1235m/s²例如，当φ=45°时：-位移：s=80×2025/32400≈5mm-速度：v≈0.0247×45≈1.111mm/s-加速度：a≈0.1235m/s²在推程减速阶段（90°-180°）：-位移：s=40-80×(180-φ)²/32400-速度：v=800×(180-φ)/32400≈0.0247×(180-φ)-加速度：a=-0.1235m/s²例如，当φ=135°时：-位移：s=40-80×45²/32400≈40-80×2025/32400≈40-5=35mm-速度：v≈0.0247×(180-135)≈1.111mm/s-加速度：a≈-0.1235m/s²类似地，可以计算回程阶段的位移、速度和加速度。2.计算如图所示的连杆机构中，连杆上某点的轨迹。（假设机构为曲柄摇杆机构，曲柄长度r=50mm，连杆长度l=150mm，摇杆长度s=120mm，机架长度a=180mm，曲柄以等角速度ω=10rad/s转动，求连杆中点M的轨迹）答案：在连杆机构中，连杆上某点的轨迹可以通过坐标变换方法计算。建立坐标系，以机架AD为x轴，A为原点。设曲柄AB与x轴的夹角为φ，则：点B的坐标：xB=r·cosφyB=r·sinφ点C的坐标可以通过以下方程组确定：(xC-xB)²+(yC-yB)²=l²(xC-a)²+yC²=s²解这个方程组，可得：xC=[a²+r·cosφ+(l²-r²-a²+2ar·cosφ)·cosβ]/(2a)yC=[r·sinφ+(l²-r²-a²+2ar·cosφ)·sinβ]/(2a)其中，β可以通过余弦定理确定：cosβ=(a²+r²-s²)/(2ar)连杆中点M的坐标为：xM=(xB+xC)/2yM=(yB+yC)/2将数值代入：r=50mm，l=150mm，s=100mm，a=180mmcosβ=(180²+50²-100²)/(2×180×50)=(32400+2500-10000)/18000=24900/18000≈1.383这里出现cosβ>1的情况，说明给定的杆长组合无法形成曲柄摇杆机构。需要调整杆长。重新设定杆长：r=50mm，l=150mm，s=140mm，a=180mmcosβ=(180²+50²-140²)/(2×180×50)=(32400+2500-19600)/18000=15300/18000=0.85此时cosβ=0.85，β≈31.79°，可以形成曲柄摇杆机构。因此，点C的坐标为：xC=[180²+50·cosφ+(150²-50²-180²+2×180×50·cosφ)·cosβ]/(2×180)yC=[50·sinφ+(150²-50²-180²+2×180×50·cosφ)·sinβ]/(2×180)其中，cosβ=0.85，sinβ=√(1-0.85²)≈0.527连杆中点M的坐标为：xM=(50·cosφ+xC)/2yM=(50·sinφ+yC)/2当曲柄以等角速度ω=10rad/s转动时，φ=ωt=10t，可以计算不同时刻点M的坐标，从而得到其轨迹。3.计算如图所示的间歇运动机构中，从动件的位移、速度和加速度。（假设槽轮机构中，主动轮的角速度ω=5rad/s，主动轮的槽数z=4，槽轮的槽数Z=6，计算槽轮的角速度和角加速度）答案：在槽轮机构中，从动件的位移、速度和加速度可以通过以下公式计算：槽轮的运动周期为T=2π/ω，其中ω为主动轮的角速度。槽轮的运动角为2π/Z，其中Z为槽轮的槽数。槽轮的静止角为2π/z-2π/Z，其中z为主动轮的槽数。槽轮的角位移θ、角速度ωt和角加速度εt可以通过以下公式计算：θ=arctan[λ·sinφ/(1-λ·cosφ)]ωt=(λ·(cosφ-λ))/(1-2λ·cosφ+λ²)εt=(λ·(λ²-1)·sinφ)/(1-2λ·cosφ+λ²)²其中，λ=sin(π/Z)/sin(π/z)，φ为主动轮的转角。对于本题，z=4，Z=6：λ=sin(π/6)/sin(π/4)=0.5/0.707≈0.707当主动轮转角φ从0变化到π/2时，槽轮从静止开始运动到最大角位移。例如，当φ=π/4时：θ=arctan[0.707·sin(π/4)/(1-0.707·cos(π/4))]=arctan[0.707×0.707/(1-0.707×0.707)]=arctan[0.5/(1-0.5)]=arctan(1)=π/4ωt=(0.707·(cos(π/4)-0.707))/(1-2×0.707·cos(π/4)+0.707²)=(0.707·(0.707-0.707))/(1-2×0.707×0.707+0.5)=0/(1-1+0.5)=0εt=(0.707·(0.707²-1)·sin(π/4))/(1-2×0.707·cos(π/4)+0.707²)²=(0.707·(0.5-1)·0.707)/(1-1+0.5)²=(0.707·(-0.5)·0.707)/0.25=(-0.25)/0.25=-1rad/s²类似地，可以计算其他位置槽轮的角速度和角加速度。2.分析题（每题10分，共20分）1.分析平面连杆机构的急回特性及其应用。答案：平面连杆机构的急回特性是指机构在往复运动过程中，工作行程和返回行程所需时间不相等的特性。这种特性是由于机构在运动过程中，主动件转过相同的角度时，从动件移动的距离不同所导致的。急回特性的评价指标是行程速比系数K，定义为工作行程与返回行程的时间比：K=t工作/t返回=φ工作/φ返回其中，φ工作和φ返回分别是工作行程和返回行程中主动件转过的角度。急回特性在工程中有广泛的应用：1）提高生产效率：在需要快速返回的机械中，如牛头刨床、插床等，利用急回特性可以缩短非工作时间，提高生产效率。2）节省能源：在需要往复运动的机械中，利用急回特性可以减少返回过程中的能量消耗。3）改善机械性能：在某些机械中，急回特性可以改善机械的动力学性能，如减少冲击和振动。4）实现特定运动规律：在某些机械中，急回特性是实现特定运动规律的重要手段，如实现间歇运动、变速运动等。常见的具有急回特性的平面连杆机构有：1）曲柄摇杆机构：当摇杆为从动件时，通常具有急回特性。2）偏置曲柄滑块机构：当滑块为从动件时，通常具有急回特性。3）摆动导杆机构：当导杆为从动件时，通常具有急回特性。在设计具有急回特性的机构时，需要根据具体需求合理选择机构类型和参数，以满足工作要求。2.分析凸轮机构的运动规律选择及其对机构性能的影响。答案：凸轮机构的运动规律是指从动件位移随凸轮转角变化的规律。选择合适的运动规律对凸轮机构的性能有重要影响。常见的凸轮机构运动规律有：1）等速运动规律：从动件速度恒定，加速度为零。但在起始和终止位置有刚性冲击，只适用于低速轻载场合。2）等加速等减速运动规律：从动件加速度为常数，在起始、中间和终止位置有柔性冲击，适用于中速场合。3）简谐运动规律：从动件加速度按余弦规律变化，在起始和终止位置有柔性冲击，适用于中速场合。4）摆线运动规律：从动件速度按正弦规律变化，加速度按余弦规律变化，没有冲击，适用于高速场合。5）多项式运动规律：通过选择多项式的阶数和系数，可以实现各种运动特性，满足特定要求。运动规律选择对机构性能的影响：1）对动力性能的影响：不同的运动规律会导致不同的加速度和惯性力，从而影响机构的动力性能。例如，摆线运动规律没有冲击，适合高速场合；等速运动规律在起始和终止位置有刚性冲击，不适合高速场合。2）对噪声和振动的影响：运动规律的变化率越大，引起的噪声和振动越大。例如，多项式运动规律可以通过选择适当的参数来减小噪声和振动。3）对磨损的影响：运动规律的变化率越大，引起的冲击和接触应力越大，磨损越严重。例如，摆线运动规律没有冲击，磨损较小。4）对加工精度的影响：运动规律的复杂程度会影响凸轮轮廓的加工难度和精度。例如，多项式运动规律可能导致凸轮轮廓复杂，加工难度大。5）对工作性能的影响：不同的运动规律可以实现不同的工作性能。例如，等速运动规律可以实现恒定速度的工作要求；简谐运动规律可以实现平滑的加速和减速。在选择凸轮机构的运动规律时，需要综合考虑工作要求、速度、载荷、噪声、振动、磨损等因素，选择最适合的运动规律。五、机械系统综合设计1.设计题（每题15分，共30分）1.设计一用于自动生产线上的间歇运动机构，要求每分钟完成10次工作循环，每次循环中工件移动距离为100mm，停留时间为工作循环时间的1/3。选择合适的机构类型，确定主要参数，并绘制机构简图。答案：根据要求，每分钟完成10次工作循环，则每个循环时间为T=60/10=6s。其中，停留时间为T/3=2s，运动时间为4s。对于间歇运动机构，可以选择以下几种类型：1）槽轮机构2）不完全齿轮机构3）棘轮机构4）凸轮间歇机构考虑到需要精确的停留时间和运动时间，以及较平稳的运动特性，选择凸轮间歇机构较为合适。设计参数确定：1）凸轮类型：采用圆柱凸轮，从动件为摆动从动件2）凸轮转速：n=10rpm（每分钟10转）3）凸轮转一圈为一个工作循环，即6s4）从动件摆动角度：θ=2arcsin(s/2r)，其中s为工件移动距离100mm，r为从动件摆动半径假设r=150mm，则θ=2arcsin(100/300)≈2×19.47°≈38.94°5）凸轮轮廓：根据从动件运动规律设计，选择摆线运动规律，以实现平稳运动机构简图绘制：1）绘制圆柱凸轮，标明凸轮转角2）绘制从动件，标明摆动角度3）绘制工件传送装置，标明移动距离4）标明停留时间和运动时间具体步骤如下：1）确定凸轮基圆半径rb和滚子半径rr，根据凸轮轴径和从动件尺寸确定2）确定从动件运动规律，选择摆线运动规律3）计算凸轮轮廓坐标，根据从动件位移方程计算4）校核凸轮轮廓压力角，确保不超过许用值5）绘制凸轮工作图，包括凸轮轮廓、尺寸标注、技术要求等2.设计一用于压力机上的曲柄滑块机构，要求滑块行程为200mm，工作行程为180mm，行程速比系数K=1.25。选择合适的机构类型，确定主要参数，并绘制机构简图。答案：根据要求，滑块行程H=200mm，工作行程为180mm，行程速比系数K=1.25。对于压力机，曲柄滑块机构是一种常用的传动机构。由于需要较大的行程速比系数，选择偏置曲柄滑块机构。设计参数确定：1）曲柄长度r：H=2r，所以r=H/2=100mm2）连杆长度l：根据工作行程和行程速比系数确定3）偏距e：根据行程速比系数确定行程速比系数K与极位夹角θ的关系为：K=(180°+θ)/(180°-θ)1.25=(180°+θ)/(180°-θ)225°-1.25θ=180°+θ45°=2.25θθ=20°极位夹角θ与偏距e的关系为：sin(θ/2)=e/(l-r)sin(10°)=e/(l-100)0.1736=e/(l-100)e=0.1736(l-100)工作行程为180mm，即从极位到工作行程结束，滑块移动了180mm。在极位时，滑块位置为：x极位=√(l²-e²)-r在工作行程结束时，滑块位置为：x工作=x极位+180同时，工作行程结束时，曲柄与连杆的夹角为α，满足：cosα=(r²+l²-(x工作+r)²-e²)/(2rl)经过多次迭代计算，当连杆长度l=400mm时：e=0.1736(400-100)≈52.08mm极位时滑块位置：x极位=√(400²-52.08²)-100≈√(160000-2712.33)-100≈386.54-100=286.54mm工作行程结束时滑块位置：x工作=286.54+180=466.54mm此时，曲柄与连杆的夹角α：cosα=(100²+400²-(466.54+100)²-52.08²)/(2×100×400)=(10000+160000-566.54²-2712.33)/80000=(170000-320968.37-2712.33)/80000=(-153680.7)/80000≈-1.921这里出现cosα<-1的情况，说明假设的连杆长度不合适。需要重新假设。假设连杆长度l=500mm，则：e=0.1736(500-100)≈69.44mm极位时滑块位置：x极位=√(500²-69.44²)-100≈√(250000-4822.31)-100≈495.13-100=395.13mm工作行程结束时滑块位置：x工作=395.13+180=575.13mm此时，曲柄与连杆的夹角α：cosα=(100²+500²-(575.13+100)²-69.44²)/(2×100×500)=(10000+250000-675.13²-4822.31)/100000=(260000-455800.52-4822.31)/100