武理工精密机械设计习题及答案

第一章平面机构的运动简图与自由度计算局部自由度不影响整个机构运动，虚约束不限制构件独立运动，为什么实际机构中还采用局部自由度、虚约束的结构？2、图示油泵机构中，1为曲柄，2为活塞杆，3为转块，4为泵体。试绘制该机构的机构运动简图，并计算其自由度。3计算图示机构的自由度，若含有复合铰链，局部自由度和虚约束请明确指出。4、指出图示各机构中的复合铰链、局部自由度和虚约束，计算机构的自由度，并判定它们是否有确定的运动（标有箭头的构件为原动件）。第一章平面机构的运动简图与自由度计算（答案）1、答：为了改善机构的运动性能，提高机构的传动能力以及改善机构的受力情况，提高机构的刚性，在实际机构中经常采用局部自由度和虚约束的结构。

2、解：F=3n-2PL-PH=3×3-2×4=1

3、解：

（1）F处为复合铰链

H处(或I处)为虚约束，应除去

（2）计算自由度

n=6PL=8PH=1

F=3n-2PL-PH=3×6-2×8-1=1

4、解：

a）C、D两处滑块有一处为虚约束。机构自由度为：F＝3n－PL－PH＝3×3－2×4－0＝1

b）B、B处有一处为虚约束，D处有局部自由度，机构自由度为：F＝3n－PL－PH＝3×4－2×4－2＝2

c）B处有一处有局部自由度，机构自由度为：F＝3n－PL－PH＝3×4－2×5－1＝1

d）C处有复合铰链，机构自由度为：F＝3n－PL－PH＝3×7－2×10－0＝1

以上四种情况，自由度等于主动构件数，故都有确定的运动。

第二章平面连杆机构1、下列概念是否正确，若不正确，请订正。

（1）极位夹角就是从动件在两个极限位置的夹角；

（2）压力角就是作用于构件上的力和速度的夹角；

（3）传动角就是连杆与从动件的夹角。

2、写出三种具有急回特性的机构名称。

3、机构的“死点”位置在什么情况下需要克服？在什么情况下应当利用？

4、根据图中注明的尺寸，判别各四杆机构的类型。5、在图示铰链四杆机构中，已知lBC=100mm，lCD=70mm，lAD=60mm，AD为机架。试问：

（1）若此机构为曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，求lAB的最大值；

（2）若此机构为双曲柄机构，求lAB最小值；

（3）若此机构为双摇杆机构，求lAB的取值范围。第二章平面连杆机构答案

第三章凸轮机构1、为什么凸轮机构广泛应用于自动、半自动机械的控制装置中？

2、凸轮轮廓的反转法设计依据的是什么原理？

3、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？

4、欲设计图示的直动滚子从动件盘形凸轮机构，要求在凸轮转角为0º~90º时，推杆以余弦加速度运动规律上升h=20mm，且取r=25mm，e=10mm，rr=5mm。试求：

（1）选定凸轮的转向ω，并简要说明选定的原因；

（2）用反转法画出当凸轮转角0º~90º时凸轮的工作廓线（画图的分度要求小于15º）；

（3）在图上标注出45º时凸轮机构的压力角α。凸轮机构（答案）1、答：由于凸轮机构只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任意的运动规律，因此，大量应用于各种自动机械中。

2、答：凸轮轮廓的反转法设计依据的是相对运动原理，使凸轮成为一个不动的构件，从而便于凸轮轮廓曲线的设计。

3、答：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°。

4、解：（1）逆时针方向，使凸轮机构为正偏置，减小推程段凸轮机构的压力角；

（2）将圆弧顶推杆视为滚子推杆，取尺寸比例尺=0.001m/mm作图，凸轮廓线如图所示；

（3）如图所示，当=45°时，α=14.5°。

第四章齿轮机构分度圆上的模数和压力角为什么要标准化？模数相同的标准齿轮有哪些尺寸相同？2、当α＝20°的正常齿渐开线标准齿圆柱齿轮的齿根圆和基圆相重合时，其齿数应为多少？又若齿数大于求出的数值，则基圆和齿根圆哪一个大？

3、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？

4、渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件和连续传动条件各是什么？一对齿轮如果m和a不相等是否就一定不能正确啮合？

5、用变位齿轮传动的目的是不是就是为了避免根切？除了避免根切以外，变位齿轮传动还有哪些应用？

6、为什么斜齿轮的承载能力比直齿轮的高？螺旋角的取值范围通常是多少？为什么？

7、已知一对外啮合标准直齿圆柱齿轮传动的标准中心距a=108mm,传动比i12=3，小齿轮的齿数z1=18。试确定大齿轮的齿数z2、齿轮的模数m和两轮的分度圆直径、齿顶圆直径。

8、有三个标准齿轮，压力角α＝20°，其模数和齿数分别为m1=2mm，Z1=20，m2=2mm，Z2=50，m3=5mm，Z3=20问这三个齿轮的齿形有何不同?可以用同一把成形铣刀加工吗？可以用同一把滚刀加工吗？齿轮机构（答案）1、答：为了测量、计算和加工方便，分度圆上的模数和压力角要标准化。模数相同的标准齿轮齿厚、齿槽宽、齿顶高、齿根高和分度圆齿距相同。

2、答：Z=42。齿根圆大。

3、答：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。

4、答：正确啮合条件是：m1=m2，α1=α2。连续传动条件是ε≥1。

不一定，只要就能正确啮合。

5、答：不仅仅是为了避免根切。除此以外，还用来提高齿轮强度和配凑中心距。

6、为什么斜齿轮的承载能力比直齿轮的高？螺旋角的取值范围通常是多少？为什么？

答：斜齿轮的啮合接触线比直齿轮长，重合度>直齿轮，所以承载能力比直齿轮高。螺旋角的取值范围通常是8°～20°，螺旋角越小，则对传动平稳性的改善就越小，斜齿轮的优点就越不明显。螺旋角越大，产生的轴向力越大，从而使轴承及传动装置的尺寸也相应增大，故一般螺旋角应在8°～20°范围内。

7、解：8、解：∵rb2=rb3

∴轮2与轮3的齿廓形状相同，

但∵m2＜m3

∴轮3的齿厚和齿高比轮2的大。

∵m1=m2

∴轮1与轮2的齿厚和齿高相同，

但∵rb1＜rb2

∴轮1的齿廓曲线的曲率半径比轮2的要小些。

故：这三个齿轮都不能用同一把铣刀加工。

轮1与轮2可用同一把滚刀加工，轮3不行，因m1=m1≠m3。

这三个齿轮都不能用同一把铣刀或同一把滚刀加工。

第五章轮系轮系有哪些功能？2、图示为锥齿轮组成的周转轮系。已知：Z1=Z2=17，Z2′=30，Z3=45，1轮转速n1=200r/min。确定系杆的转速nH的大小和转向。3、图示轮系中，设已知Z1=15，Z2=25，Z2=20，Z3=60，又n1=200r/min，n3=50r/min，齿轮1和3的转向相反，试求系杆H的转速nH的大小和方向。4、在图示传动装置中，已知各轮齿数为：z1=20，z2=40，z3=20，z4=30，z5=80，运动从Ⅰ轴输入，Ⅱ轴输出，nⅠ=1000r/min,转动方向如图所示。试求输出轴Ⅱ的转速nⅡ及转动方向。轮系答案

第六章精密机械设计概论仪器设计应着重考虑哪些方面的问题？2、常用的钢的热处理方法有哪几种？分别使材料硬度发生什么变化？

3、机械零件的结构工艺性的含义是什么？通过哪些途径可使零件结构具有良好工艺性？精密机械设计概论（答案）1、答：

使用方面的要求：

在使用期限内和规定的工作条件下工作的可靠性，以及调整、操作和维修的方便。

经济方面的要求：

（1）结构简单、工艺性好

（2）合理地制定技术要求和选择材料

（3）采用标准件、通用件

概括起来就是性能精确，稳定可靠，效率高，寿命长，成本低，使用维修方便。

2、答：钢的热处理一般分为：退火、正火、淬火与回火及钢的表面热处理。

钢的退火：降低硬度，提高塑性，便于切削加工；细化晶粒，均匀组织；消除内应力等。

钢的正火：对于低碳钢（含碳量小于0.25％），正火后的硬度比退火后的硬度略高。

钢的淬火与回火：淬火后，材料硬而脆，且内应力大，出现变形和开裂。要经过回火处理,减小和消除内应力，提高韧性；达到机械零件所要求的硬度；稳定组织。

钢的表面热处理：钢的表面热处理包括钢的表面淬火和化学热处理两部分。

①钢的表面淬火：表面层淬火变得很硬，而心部仍保持原有状态，具有足够的强度和韧性。

②钢的化学热处理

a、渗碳

渗碳是使碳原子渗入到低碳钢的表面层的过程。机械零件的表面层具有高的硬度和耐磨性[(60～65)HRC]，而中心部分仍保持着低碳钢的韧性和塑性。

b、渗氮

渗氮是向钢的表面层渗入氮原子的过程。氮的化合物具有很高的硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性，并具有良好的耐热性。

c、氰化

在钢中同时渗入碳原子和氮原子的过程称为氰化。氰化后的钢表面能够达到渗碳和渗氮的特性，所以氰化又称为碳氮共渗。

3、答：机械零件的结构工艺性是指，所设计的零件，在一定的生产条件下，以最小的劳动量，最少的加工费用制成的能满足使用要求的零件，并能以最简便的方法进行装拆与维修。

（1）便于制造毛坯

（2）便于切削加工

应便于装夹工件；尽可能减少加工面积；尽量采用标准刀具并减少刀具种类；应便于刀具进入和退出；合理选择零件的尺寸公差和表面粗糙度；

（3）便于装拆和维修

第七章精密机械设计概论仪器设计应着重考虑哪些方面的问题？2、常用的钢的热处理方法有哪几种？分别使材料硬度发生什么变化？

3、机械零件的结构工艺性的含义是什么？通过哪些途径可使零件结构具有良好工艺性？精密机械设计概论（答案）1、答：

使用方面的要求：

在使用期限内和规定的工作条件下工作的可靠性，以及调整、操作和维修的方便。

经济方面的要求：

（1）结构简单、工艺性好

（2）合理地制定技术要求和选择材料

（3）采用标准件、通用件

概括起来就是性能精确，稳定可靠，效率高，寿命长，成本低，使用维修方便。

2、答：钢的热处理一般分为：退火、正火、淬火与回火及钢的表面热处理。

钢的退火：降低硬度，提高塑性，便于切削加工；细化晶粒，均匀组织；消除内应力等。

钢的正火：对于低碳钢（含碳量小于0.25％），正火后的硬度比退火后的硬度略高。

钢的淬火与回火：淬火后，材料硬而脆，且内应力大，出现变形和开裂。要经过回火处理,减小和消除内应力，提高韧性；达到机械零件所要求的硬度；稳定组织。

钢的表面热处理：钢的表面热处理包括钢的表面淬火和化学热处理两部分。

①钢的表面淬火：表面层淬火变得很硬，而心部仍保持原有状态，具有足够的强度和韧性。

②钢的化学热处理

a、渗碳

渗碳是使碳原子渗入到低碳钢的表面层的过程。机械零件的表面层具有高的硬度和耐磨性[(60～65)HRC]，而中心部分仍保持着低碳钢的韧性和塑性。

b、渗氮

渗氮是向钢的表面层渗入氮原子的过程。氮的化合物具有很高的硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性，并具有良好的耐热性。

c、氰化

在钢中同时渗入碳原子和氮原子的过程称为氰化。氰化后的钢表面能够达到渗碳和渗氮的特性，所以氰化又称为碳氮共渗。

3、答：机械零件的结构工艺性是指，所设计的零件，在一定的生产条件下，以最小的劳动量，最少的加工费用制成的能满足使用要求的零件，并能以最简便的方法进行装拆与维修。

（1）便于制造毛坯

（2）便于切削加工

应便于装夹工件；尽可能减少加工面积；尽量采用标准刀具并减少刀具种类；应便于刀具进入和退出；合理选择零件的尺寸公差和表面粗糙度；

（3）便于装拆和维修

第八章齿轮传动机构分度圆上的模数和压力角为什么要标准化？模数相同的标准齿轮有哪些尺寸相同？2、当α＝20°的正常齿渐开线标准齿圆柱齿轮的齿根圆和基圆相重合时，其齿数应为多少？又若齿数大于求出的数值，则基圆和齿根圆哪一个大？

3、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？

4、渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件和连续传动条件各是什么？一对齿轮如果m和a不相等是否就一定不能正确啮合？

5、用变位齿轮传动的目的是不是就是为了避免根切？除了避免根切以外，变位齿轮传动还有哪些应用？

6、为什么斜齿轮的承载能力比直齿轮的高？螺旋角的取值范围通常是多少？为什么？

7、已知一对外啮合标准直齿圆柱齿轮传动的标准中心距a=108mm,传动比i12=3，小齿轮的齿数z1=18。试确定大齿轮的齿数z2、齿轮的模数m和两轮的分度圆直径、齿顶圆直径。

8、有三个标准齿轮，压力角α＝20°，其模数和齿数分别为m1=2mm，Z1=20，m2=2mm，Z2=50，m3=5mm，Z3=20问这三个齿轮的齿形有何不同?可以用同一把成形铣刀加工吗？可以用同一把滚刀加工吗？第8章齿轮传动机构（答案）1、答：为了测量、计算和加工方便，分度圆上的模数和压力角要标准化。模数相同的标准齿轮齿厚、齿槽宽、齿顶高、齿根高和分度圆齿距相同