大理工机械设计基础常见问题辅导答疑

PAGEPAGE1辅导答疑1、计算机构的自由度。解：如果机构在结构上具有相似或对称的部分，就有可能存在虚约束。因此，在此机构中可能有虚约束存在。实际上，在此机构中任意去掉一个构件都不会影响该机构的运动。例如去掉构件8，D点的运动轨迹并没有发生任何改变。因而，由于构件8的存在而带入的约束应为虚约束。故在计算机构的自由度时，构件8及其带入的两个运动副可除去不计。此外，还应注意到在A、B、C三点处有复合铰链。故该机构的，，，其自由度2、图示为一冲床传动机构的设计方案。设计者的意图是通过与凸轮固联的齿轮1带动凸轮2旋转后，推动摆杆3并带动导杆4来实现冲头上、下的冲压动作。分析此方案有无结构组成原理上的错误。若有，应如何修改?解：画出该方案的机构示意图，如图(a)所示，计算其自由度其中：滚子B为局部自由度。由计算可知：因其自由度为零，故该方案无法实现所要求的运动要求。其主要是因为闭环5—3—4—5的自由度为零，构件3没有相对运动，故构件2也不能相对运动。因此须将闭环5—3—4—5改为自由度为1的闭环。要使该环的自由度为1，可采用增加一个构件和一个低副或将一个低副变为高副的方法。修改方案之一如图(b)所示，其自由度为(a)(b)3、半径是R的半圆形凸轮沿水平方向向右移动，使推杆AB沿铅直导轨滑动，在图示位置时凸轮具有速度v和加速度a，求这瞬时推杆AB的速度。解：本题的关键在于找到动点和三种运动。动点选取时，常取接触点；一般以常接触点为动点；动点、动系不能选在同一物体上。为此选推杆AB上的A点为动点，则凸轮上的A点为牵连点。所以动点A的三种运动是：牵连运动——凸轮向右的直线运动相对运动——动点A沿着凸轮廓线的曲线运动绝对运动——动点A沿铅垂向上的直线运动由速度合成定理及速度矢量多边形得：∴推杆AB的速度∴速度矢量图4、何谓机构的自锁？机构自锁的条件是什么？解：“自锁”的概念，必须正确理解。不能误认为机构运动不起来就是自锁。所谓机构的自锁是指：第一、就机构的结构而言它本应是能够运动的(即其自由度F>0)；第二、在驱动力任意增大的情况下都不能产生运动。此外，尚须明确，所谓机构具有自锁性，只是指该机构在某个方向的驱动力的作用下，或者在某一构件为主动件的情况下是自锁的，并非机构在任何情况都不能运动。至于是否需要使机构具有自锁性，要视工作需要而定。在一般情况下，如无自锁性的要求，应避免机构具有自锁性，因为具有自锁性的机构，一般效率都比较低。判定机构是否会自锁和在何条件下自锁，要根据具体情况分析驱动力是否作用于摩擦角、摩擦圆之内或效率η≤0等方法来判断。5、要求进行动平衡的回转件，如果只进行静平衡是否一定能减轻不平衡质量造成的不良影响？解：刚性转子的静平衡只解决惯性力的平衡问题，它实质上是一个平面汇交力系的平衡问题。而动平衡则是既平衡惯性力又平衡惯性力偶。不过，我们可以把动平衡问题简化为在选定的两个平衡基面中，分别平衡一组平面汇交力系的问题。所以，为解决刚性转子的静平衡问题，只要适当地加一个平衡配重就行了，而为解决动平衡问题，则需要在两个平衡基面中，分别适当地各加一个平衡配重，即共需加两个平衡配重才行。若要进行动平衡，如果只进行静平衡，不一定能减轻动平衡造成的不良影响。6、飞轮和调速器的作用是什么？有何区别？解：飞轮的作用是当机器出现盈功时把多余的能量吸收和储存起来，当机器出现亏功时又把储存的能量释放和补偿出来，从而降低机器运转速度的波动程度，即在机器内部起转化和调节功能的作用，而其本身并不能产生新的能量使机器在一个运动循环中的能量增加或减少。调速器的作用则不同，它是从机器的外部来调节输入机器的能量，使机器恢复稳定运转。两者的调速原理不同，解决的问题也不同。正因如此，所以在同一部机器中可能既装有飞轮又装有调速器。这也是一个必须搞清的概念。7、何谓“死点”？它在什么情况下发生？它与“自锁”在本质上的区别什么？解：机构处于“死点”时，机构的传动角、而压力角，这时不论驱动力多大，都不能使机构运动。这一点似乎与“自锁”很相似，但实质两者是不同的。我们知道，机构所以发生自锁，是由于机构中存在摩擦的关系，而当机构处于死点时，即使不存在摩擦，机构也是不能运动的，这就是它们的本质区别，不能加以混淆。8、何谓凸轮的压力角？该压力角的大小在凸轮的设计中有何重要意义？为何要规定许用压力角？解：所谓凸轮的压力角α，就是从动件与凸轮接触点的速度方向和受力方向之间所夹的锐角。α愈大，有用分力愈小，有害分力愈大，对导路侧面产生的压力愈大，导路中的摩擦阻力也就愈大，机构的效率就愈低。当α大到机构不能克服摩擦阻力时，凸轮就不能推动从动件运动，机构将发生自锁。可见α是影响凸轮机构受力状况的一个重要参数。实践证明，当增α大到接近αmin时，即使尚未发生自锁，也会导致摩擦力急剧增大，凸轮轮廓严重磨损，效率降低。因此，实际设计中，为了安全起见，规定了压力角的许用值[α]。对直动从动件，推程是：[α]=30°~40°对摆动从动件，推程是：[α]=40°~50°。9、轴向受压的正方形截面柱，在其中部开一槽如图(a)所示，试求杆开槽前与开槽后杆中最大压应力的比值。解：没开槽前杆为轴向压缩，横截面上的正应力为开槽后，槽口部分则是偏心压缩，其受力如图(b)所示，此时横截面上的最大压应力为显然即开槽前与开槽后杆中最大压应力的比值为1:8。10、图示钉子受拉力P作用，该钉子头部的剪应力和挤压应力分别是多少？解：这类问题的关键是受剪面积和挤压面积的确定头部受剪面积为所受的剪应力为头部的挤压面积为头部所受的挤压应力为11、“等截面梁纯弯曲时，变形后梁的挠曲线必为一圆弧线；反之，若变形后梁的挠曲线是一条圆弧线，则该梁必为纯弯曲”，这种说法对吗？为什么？解：梁的挠曲线的曲率与弯矩间的关系为纯弯曲时，为常量，对等截面梁来说，为常量，所以曲率亦为常量(即挠曲线各处的弯曲程度相同)，故挠曲线必为圆弧线。反之，若挠曲线为圆弧线，则此时为常量，亦为常量，该梁也必为纯弯曲。12、低碳钢(塑性材料)和铸铁(脆性材料)圆截面杆受扭破坏的断口分别(a)、(b)所示，低碳钢杆沿横截面破坏，铸铁杆沿斜截面破坏。这表明塑性材料的抗剪强度低于抗拉强度；脆性材料的抗剪强度高于抗拉强度，这种说法对吗？为什么？解：圆杆扭转时，横截面上只存在剪应力，杆沿横截面破坏，表明图(a)所示的杆是被剪坏的。图(b)所示的斜截面上存在拉应力，由纯剪应力（c）状态下斜截面正应力的计算公式可知，当时，值最大且为拉应力，即，从而可知图(b)示的圆杆是被拉坏的。根据杆件破坏的断口和上面的分析可知，塑性材料的抗剪强度低于抗拉强度(若抗剪强度高于抗拉强度，则沿斜截面破坏)；脆性材料的抗剪强度高于抗拉强度(反之，则沿横截面破坏)。13、正方形截面细长压杆，若截面的边长由a增大到2a后认为细长杆（其他条件不变），则杆的临界力是原来的临界力的多少倍？解：细长压杆（即大柔度杆）的临界力公式为在杆的截面尺寸改变（其他条件不变）时，只有式中的值不同。当正方形截面的边长由a增大到2a时，惯性矩值为故此时杆的临界力是原来的临界力的16倍。14、公式有何用处？其中A取决于什么？计算出的d应作为轴上哪部分的直径？解：用公式可估算轴的最小直径，也可设计只受转矩作用的轴的直径。其中A取决于许用扭转剪应力。计算出的d应作为轴上最细部分的直径。15、受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接，为什么其总拉力≠预紧力+工作拉力？解：螺母拧紧，但未受工作拉力时，螺栓仅受预紧力的拉伸作用。当螺栓承受工作拉力后，螺栓的伸长量增加了；同时被联接件随之放松了，所受压力减小至F'o(剩余预紧力)，被联接件的压缩量减小了。因而，螺栓的总拉力F∑为工作拉力F与剩余预紧力F'o之和。16、拧紧的螺栓为什么会松开？解：一般螺纹联接能满足自锁条件而不会松脱，但在受振动和冲击载荷，或者是温度变化较大时，联接螺母可能会逐渐松脱。为了使连接可靠，设计时必须考虑防松措施。17、节圆和分度圆有何区别？在什么条件下节圆和分度圆是重合的？答：分度圆是计算齿轮各部分尺寸的基准，每个齿轮都有一个，也仅仅有一个大小完全确定的分度圆。而节圆是在一对齿轮啮合传动时，以齿轮的轴心为圆心过两齿轮啮合的节点所作的圆，对于单个齿轮来讲，因无节点，所以也就无所谓节圆。因此，节圆只有在两齿轮啮合传动时才存在，而且其大小将随两轮中心距的改变而改变，当两标准齿轮标准安装时，两轮的节圆才与各自的分度圆相重合。18、啮合角和齿轮的压力角何区别？在什么条件下啮合角和压力角是相等的？解：啮合角是在一对渐开线齿轮啮合传动时，啮合线与过节点所作两轮节圆的公切线之间所夹的锐角，它在数值上等于渐开线齿廓在节点处的压力角。当两标准齿轮的中心距为标准中心距时，节圆与分度圆重合，所以啮合角在数值上也就等于齿轮的压力角。但是啮合角和压力角是两个不同的概念。19、一对大、小齿轮传动作单向（或双向）传动时，它们的σF是否相等？σH是否相等？为什么？解：因齿轮传动的接触强度主要取决于两轮接触处的综合曲率半径，因此［σH1］=［σH2］；而弯曲应力的大小主要取决于齿数的大小，所以［σF1］≠［σF2］。20、在一对大、小齿轮的直径和其他条件一定的情况下，减少齿数z、增大模数m，会否降低计算接触应力σH或计算齿根应力σF？为什么？z和m选择原则如何？解：因齿轮传动的接触强度取决于齿轮分度圆直径的大小，若仅改变齿轮的模数或齿数其积不变，则轮齿的接触强度就不变；而弯曲应力的大小主要取决于模数的大小，增大模数m，将会减小齿根应力σF。z和m选择原则：对闭式软齿面齿轮传动，通常取z1=20~40；对闭式硬齿面及开式传动，取z1=17～20；对高速、易发生胶合的齿轮传动，荐用z1≥25～270。闭式软齿面传动的传动尺寸主要由接触疲劳强度决定，其弯曲强度较富裕。因此，在保证传动尺寸(如中心距a)不变且弯曲强度足够的条件下，宜选用较多的齿数和较小的模数。采用较多的齿数，重合度增大，提高了传动的平稳性，同时由于模数的减少，齿高降低，轮齿切削加工量减少，齿面滑动系数减小，有利于提高轮齿的抗磨损和抗胶合能力。闭式硬齿面和开式传动，应以保证弯曲强度为主，应适当选取较小齿数(z1≥Zmin)，以免传动结构尺寸过大。模数应符合国家标准模数系列。对于传递动力的齿轮，m≥1.5～2mm。对于开式齿轮传动，考虑磨损对齿根弯曲强度的影响，将计算出的m值扩大10％～15％。21、何为蜗杆直径系数q？为什么要规定它为标准值？解：由于，设，因而，称为蜗杆直径系数。为了便于刀具标准化，对每一标准模数m规定了1~3个标准值，这样受到了限制，减少了标准滚刀的数量。非标准蜗杆可以不考虑直径系数q为标准值22、为什么对蜗杆传动要特别注意润滑和散热？解：蜗杆传动齿面上有大相对滑动速度，其传动效率低，产生的热量不易散发出去，齿面间容易产生磨损、胶合现象。故除了对蜗轮材料有减摩性、抗胶合的能力的要求外，良好的润滑和及时散热是蜗轮传动正常工作的保证。23、带传动为什么要限制最小中心距和最大传动比？解：中心距小会导致带轮的包角变小；传动比大也导致带轮的包角变小，从而使极限有效拉力降低，传递载荷的能力降低。24、小带轮的基准直径为什么必须大于规定的最小基准直径？解：带在变应力下工作，最大应力发生在带的紧边开始绕上小带轮处，其最大值为。小带轮的基准直径过小，增大，增大，这样带很容易出现疲劳破坏。25、为什么链条节数选偶数、链轮齿数选奇数？链节距大小对链传动有何影响？解：当链条节数选偶数时，链的接头处可用开口销或弹簧卡片来固定；当链条节数为奇数时，则需加过渡链节，由于过渡的链板受到附加弯矩的作用，使其强度低于一般链节，故一般情况下尽量避免采用奇数链节，而链轮齿数选奇数。有利于链传动磨损均匀。链节距大，承载能力高，运动不平稳，噪音大。因此在满足传动的前提下，应尽量选小节距链。26、怎样的联轴器具有补偿两轴间偏移的能力？解：挠性联轴器具有补偿两轴间偏移的能力。挠性联轴器分为无弹性元件挠性联轴器，如：十字滑块联轴器、齿式联轴器等；有弹性元件挠性联轴器，如：弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器。27、滚动轴承的公差配合与一般圆柱体的公差配合有什么不同？怎样选择滚动轴承的配合?解：滚动轴承的配合主要是指内圈与轴颈及外圈与轴承座孔的配合。滚动轴承为标准件，因此，轴承内圈与轴颈的配合采用基孔制，外圈与轴承座孔的配合采用基轴制。滚动轴承各级精度轴承的内径和外径的公差带均为单向制，即统一采用上偏差为零、下偏差为负值的分布。而普通圆柱公差标准中基准孔的公差带都在零线以上。因此，轴承内圈与轴颈的配合要比圆柱体基孔制同名配合紧得多，圆柱公差标准中的许多过渡配合在这里实际成为过盈配合，而有的间隙配合，在这里实际变为过渡配合。滚动轴承的配合既不能过松也不能过紧。配合过松，不仅会影响轴的旋转精度，甚至会使配合表面发生滑动。过紧的配合会使整个轴承装置变形，从而不能正常工作，且难于装拆。因此要正确选择轴承配合。轴承配合的选择，一般应考虑下列因素：(1)当内圈旋转，外圈固定时，内圈与轴颈之间应采用较紧的配合，如n6、m6、k6等；外圈与轴承座孔应选择较松的配合，如J7、H7、G7等；(2)轴承承受载荷较大、转速较高、冲击振动较强烈时，应采用较紧的配合。反之，可选较松的配合；(3)游动支承上的轴承，外圈与座孔应选用有间隙的配合，以利于轴在受热伸长时能沿轴向游动，但应保证轴承工作时外圈在座孔内不发生转动；(4)对剖分式轴承座，外圈应采用较松的配合；经常拆装的轴承