机械原理试题库及答案

机械原理试题库及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.机构具有确定运动的条件是（）A.自由度大于零B.自由度等于原动件数C.自由度小于原动件数D.自由度等于零2.平面四杆机构中，若最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和，且最短杆为机架，则该机构为（）A.曲柄摇杆机构B.双曲柄机构C.双摇杆机构D.摆动导杆机构3.在凸轮机构中，从动件的运动规律为等加速等减速运动时，其位移曲线为（）A.直线B.抛物线C.正弦曲线D.余弦曲线4.齿轮传动中，避免根切的最小齿数条件是（）A.z≥17B.z≥14C.z≥12D.z≥205.在齿轮传动中，重合度ε的物理意义是（）A.表示同时啮合的轮齿对数B.表示齿轮的传动比C.表示齿轮的模数D.表示齿轮的压力角6.在机械系统中，飞轮的主要作用是（）A.减小机器振动B.储存和释放能量，调节速度波动C.提高机械效率D.降低机器重量7.平面机构的自由度计算公式为（）A.F=3n-2Pl-PhB.F=2n-3Pl-PhC.F=3n-Pl-2PhD.F=n-2Pl-3Ph8.在齿轮传动中，标准齿轮的正确啮合条件是（）A.两齿轮的模数和压力角分别相等B.两齿轮的齿数相等C.两齿轮的齿顶高相等D.两齿轮的齿根高相等9.在凸轮机构中，从动件按等速运动规律运动时，其加速度特性为（）A.常数B.零C.与速度成正比D.与位移成正比10.在机械平衡中，动平衡的条件是（）A.惯性力矢量和为零B.惯性力矩矢量和为零C.惯性力矢量和及惯性力矩矢量和均为零D.质心位于回转轴线上二、填空题（每题2分，共20分）1.机构是由________通过运动副连接而成的具有确定相对运动的系统。2.平面低副引入的约束数为________个。3.在平面四杆机构中，当满足杆长条件且最短杆为连杆时，机构为________机构。4.凸轮机构从动件常用的运动规律有等速运动规律、等加速等减速运动规律、________和简谐运动规律。5.齿轮的基本参数包括模数、齿数、________、齿顶高系数和顶隙系数。6.在齿轮传动中，重合度ε>1表示________。7.机械效率的计算公式为η=________。8.在机械平衡中，静平衡的条件是________。9.在机械系统中，飞轮的转动惯量J与速度不均匀系数δ的关系为J=________。10.连杆机构中，压力角是________与从动件受力方向之间的夹角。三、判断题（每题2分，共10分）1.任何机构都具有确定的运动。（）2.平面高副引入一个约束。（）3.在凸轮机构中，从动件按等加速等减速运动规律运动时，不会产生柔性冲击。（）4.标准齿轮的齿顶高系数ha=1，顶隙系数c=0.25。（）5.在机械系统中，飞轮的转动惯量越大，速度波动越小。（）四、简答题（每题10分，共30分）1.简述机构具有确定运动的条件，并举例说明。2.简述凸轮机构从动件常用运动规律的特点及应用场合。3.简述齿轮传动中重合度的概念及其意义。五、计算题（每题10分，共30分）1.如图所示的机构，已知构件1为机架，构件2为原动件，试计算该机构的自由度，并判断机构是否具有确定的运动。[图示说明：一个简单的四杆机构，AB为原动件，CD为从动件，AD为机架，BC为连杆]2.设计一对标准直齿圆柱齿轮传动，已知传动比i=3，中心距a=240mm，模数m=5mm，求两齿轮的齿数。3.设计一凸轮机构，从动件行程h=40mm，推程运动角为120°，回程运动角为120°，远休止角为60°，近休止角为60°。从动件在推程和回程均按等加速等减速运动规律运动，试绘制凸轮轮廓曲线（要求写出设计步骤）。六、分析题（每题10分，共20分）1.分析曲柄摇杆机构的急回特性，并说明如何通过改变机构尺寸来调整急回程度。2.分析齿轮传动中轮齿的失效形式及其产生原因，并提出相应的预防措施。答案：一、选择题1.答案：B解释：机构具有确定运动的条件是机构的自由度等于原动件数。自由度大于零只是机构能够运动的条件，但不一定能保证有确定的运动；自由度小于原动件数会导致机构卡死；自由度等于零则机构为桁架，不能运动。2.答案：B解释：平面四杆机构中，若满足杆长条件（最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和），且最短杆为机架，则该机构为双曲柄机构。若最短杆为连杆，则为曲柄摇杆机构；若最短杆为连架杆，则根据另一杆长度不同，可能为曲柄摇杆机构或双摇杆机构。3.答案：B解释：在凸轮机构中，从动件的运动规律为等加速等减速运动时，其位移曲线为抛物线。等加速阶段为开口向上的抛物线，等减速阶段为开口向下的抛物线。这种运动规律在加速度变化处会产生柔性冲击。4.答案：A解释：在齿轮传动中，为了避免根切现象，标准直齿圆柱齿轮的最小齿数条件是z≥17。当齿数小于17时，用范成法加工齿轮时会发生根切，削弱轮齿强度。5.答案：A解释：在齿轮传动中，重合度ε的物理意义是表示同时啮合的轮齿对数。重合度大于1表示在啮合过程中始终有至少一对轮齿在啮合，保证了传动的连续性。重合度越大，传动的平稳性越好。6.答案：B解释：在机械系统中，飞轮的主要作用是储存和释放能量，调节速度波动。当机器转速升高时，飞轮储存能量；当转速降低时，飞轮释放能量，从而减小速度波动，提高机器运转的平稳性。7.答案：A解释：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。该公式考虑了平面机构中每个活动构件有3个自由度，每个低副引入2个约束，每个高副引入1个约束。8.答案：A解释：在齿轮传动中，标准齿轮的正确啮合条件是两齿轮的模数和压力角分别相等。这是为了保证齿轮传动的平稳性和正确的传动比。齿数相等不是必要条件，齿顶高和齿根高相等是模数相等的自然结果。9.答案：B解释：在凸轮机构中，从动件按等速运动规律运动时，其速度为常数，因此加速度为零。但加速度在起点和终点处会产生无穷大的突变，引起刚性冲击。10.答案：C解释：在机械平衡中，动平衡的条件是惯性力矢量和及惯性力矩矢量和均为零。动平衡不仅要求质心位于回转轴线上，还要求惯性力矩平衡，适用于长度较大的转子。二、填空题1.答案：构件解释：机构是由构件通过运动副连接而成的具有确定相对运动的系统。构件是机构中的运动单元，可以是单一的零件，也可以是由多个零件组成的刚性组合。2.答案：2解释：平面低副引入的约束数为2个。平面低副包括转动副和移动副，它们都限制了两个相对运动，只允许一个相对运动。3.答案：双摇杆解释：在平面四杆机构中，当满足杆长条件且最短杆为连杆时，机构为双摇杆机构。这种机构的两个连架杆都不能做整周转动，只能在一定角度内摆动。4.答案：简谐运动规律解释：凸轮机构从动件常用的运动规律有等速运动规律、等加速等减速运动规律、简谐运动规律和摆线运动规律等。简谐运动规律的特点是加速度按正弦规律变化，没有刚性冲击。5.答案：压力角解释：齿轮的基本参数包括模数、齿数、压力角、齿顶高系数和顶隙系数。压力角是齿轮齿廓在分度圆处的切线与径向线之间的夹角，标准值为20°。6.答案：齿轮传动过程中有多对轮齿同时啮合解释：在齿轮传动中，重合度ε>1表示齿轮传动过程中有多对轮齿同时啮合。重合度越大，同时啮合的轮齿对数越多，传动的平稳性和承载能力越高。7.答案：有效功/输入功解释：机械效率的计算公式为η=有效功/输入功。机械效率是衡量机械能量转换效率的指标，通常用百分数表示。理想机械的效率为100%，实际机械的效率小于100%。8.答案：质心位于回转轴线上解释：在机械平衡中，静平衡的条件是质心位于回转轴线上。静平衡只要求惯性力平衡，适用于长度较小的盘状转子。9.答案：Wmax/(δωm²)解释：在机械系统中，飞轮的转动惯量J与速度不均匀系数δ的关系为J=Wmax/(δωm²)，其中Wmax为一个运动循环内最大盈亏功，ωm为平均角速度。转动惯量越大，速度波动越小。10.答案：从动件受力方向解释：连杆机构中，压力角是从动件受力方向与从动件运动方向之间的夹角。压力角的大小直接影响机构的传动性能，压力角越小，传动效率越高。三、判断题1.答案：×解释：并非任何机构都具有确定的运动。只有当机构的自由度等于原动件数时，机构才具有确定的运动。如果自由度不等于原动件数，机构可能无法运动或运动不确定。2.答案：×解释：平面高副引入一个约束是错误的。平面高副引入两个约束。高副通过点或线接触，限制了两个相对运动，只允许一个相对运动。3.答案：×解释：在凸轮机构中，从动件按等加速等减速运动规律运动时，会在加速度变化处产生柔性冲击。虽然加速度是有限的，但在变化点处加速度不连续，会产生柔性冲击。4.答案：√解释：标准齿轮的齿顶高系数ha=1，顶隙系数c=0.25是正确的。这些参数保证了齿轮传动的正确啮合和适当的顶隙，防止干涉。5.答案：√解释：在机械系统中，飞轮的转动惯量越大，速度波动越小。因为飞轮的转动惯量越大，储存和释放能量的能力越强，对速度波动的调节作用越明显。四、简答题1.答案：机构具有确定运动的条件是机构的自由度等于原动件数。自由度是指机构中可能出现的独立运动参数的数目，原动件是指机构中由外部驱动的构件。例如，对于一个平面四杆机构，其自由度为F=3n-2Pl-Ph=3×3-2×4-0=1，即只有一个自由度。如果该机构有一个原动件（如曲柄），则机构具有确定的运动；如果有两个原动件，则机构会卡死；如果没有原动件，则机构不能运动。再如，对于发动机机构，通常有多个原动件（如活塞和曲柄），其自由度也等于原动件数，因此机构具有确定的运动。2.答案：凸轮机构从动件常用的运动规律有：(1)等速运动规律：从动件速度恒定，位移为线性，加速度为零。但在起点和终点处加速度产生无穷大突变，引起刚性冲击。适用于低速轻载场合。(2)等加速等减速运动规律：从动件在推程和回程的前半部分等加速，后半部分等减速。位移为抛物线，加速度为常数，但在加速度变化处产生柔性冲击。适用于中速场合。(3)简谐运动规律：从动件加速度按正弦规律变化，没有刚性冲击，但在起点和终点处加速度不为零，仍存在柔性冲击。适用于中高速场合。(4)摆线运动规律：从动件加速度按正弦规律变化，且在起点和终点处加速度为零，没有冲击。适用于高速场合。不同运动规律适用于不同的工作场合，选择时应考虑凸轮转速、载荷大小、从动件类型和工作要求等因素。3.答案：齿轮传动中重合度的概念是指齿轮传动过程中，同时啮合的轮齿对数的平均值。重合度ε=实际啮合线长度/基圆节距。重合度的意义在于：(1)保证传动的连续性：重合度大于1是齿轮连续传动的必要条件，表示在啮合过程中始终有至少一对轮齿在啮合。(2)提高传动的平稳性：重合度越大，同时啮合的轮齿对数越多，载荷分布越均匀，传动越平稳。(3)提高承载能力：重合度越大，同时承受载荷的轮齿对数越多，齿轮的承载能力越高。(4)降低噪声和振动：重合度越大，齿轮啮合过程中的冲击和噪声越小。在标准齿轮传动中，重合度通常大于1，但小于2。通过增大齿数、减小压力角、增大齿顶高系数等方法可以提高重合度。五、计算题1.答案：[图示说明：一个简单的四杆机构，AB为原动件，CD为从动件，AD为机架，BC为连杆]该机构为平面四杆机构，有4个构件（机架、原动件、从动件和连杆），4个低副（4个转动副）。自由度计算：F=3n-2Pl-Ph=3×3-2×4-0=1因为自由度等于1，且有一个原动件，所以该机构具有确定的运动。2.答案：已知传动比i=3，中心距a=240mm，模数m=5mm。设小齿轮齿数为z1，大齿轮齿数为z2。根据传动比：i=z2/z1=3，所以z2=3z1根据中心距公式：a=m(z1+z2)/2代入已知条件：240=5(z1+3z1)/2240=5×4z1/2240=10z1所以：z1=24z2=3×24=72因此，小齿轮齿数为24，大齿轮齿数为72。3.答案：设计凸轮轮廓曲线的步骤如下：(1)确定从动件运动规律：推程和回程均按等加速等减速运动规律。(2)计算各阶段运动参数：-推程运动角δ0=120°-回程运动角δ0'=120°-远休止角δs=60°-近休止角δs'=60°-行程h=40mm(3)计算推程运动参数：-等加速阶段：s1=2hδ²/δ0²，v1=4hωδ/δ0²，a1=4hω²/δ0²-等减速阶段：s2=h-2h(δ0-δ)²/δ0²，v2=4hω(δ0-δ)/δ0²，a2=-4hω²/δ0²-其中δ为推程角，ω为凸轮角速度(4)计算回程运动参数：-等加速阶段：s1'=h-2hδ'²/δ0'²，v1'=-4hωδ'/δ0'²，a1'=-4hω²/δ0'²-等减速阶段：s2'=2h(δ0'-δ')²/δ0'²，v2'=-4hω(δ0'-δ')/δ0'²，a2'=4hω²/δ0'²-其中δ'为回程角(5)绘制位移曲线：根据上述公式绘制从动件位移s随凸轮转角δ变化的曲线。(6)绘制凸轮轮廓曲线：-以凸轮轴心O为圆心，以基圆半径r0为半径作基圆-根据位移曲线，在基圆上等分推程、远休止、回程和近休止各段-以各等分点为圆心，以从动件滚子半径为半径作圆-作这些圆的包络线，得到凸轮轮廓曲线六、分析题1.答案：曲柄摇杆机构的急回特性是指当曲柄等速转动时，摇杆往复摆动的平均速度不同，往程平均速度小于返程平均速度。产生急回特性的原因在于曲柄摇杆机构中极位夹角的存在。当曲柄与连杆两次共线时，摇杆分别处于两个极限位置，这两个极限位置之间的夹角称为极位夹角θ。由于极位夹角的存在，曲柄转过相同角度时，摇杆摆过的角度不同，从而产生急回特性。急回程度用行程速比系数K表示：K=(180°+θ)/(180°-θ)，K越大，急回特性越明显。通过改变机构尺寸可以调整急回程度：(1)增大极位夹角θ：可以通过增大曲柄长度或减小连杆长度来增大极位夹角，从而增大行程速比系数K，增强急回特性。(2)改变机架长度：适当改变机架长度也可以调整极位夹角，从而改变急回程度。(3)改变摇杆长度：摇杆长度变化也会影响极位夹角的大小。在设计曲柄摇杆机构时，应根据工作要求合理选择各杆长度，以获得适当的急回特性。对于需要急回特性的场合（如牛头刨床），应选择较大的极位夹角；对于需要匀速传动的场合，应选择较小的极位夹角。2.答案：齿轮传动中轮齿的失效形式及其产生原因：(1)齿面点蚀：-产