重庆大学机械原理习题解答汇编.docx

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重庆大学机械原理习题解答汇编

一机构结构

二平面连杆机构及其分析设计

三凸轮机构及其设计

四论析及其设计

六机构的动力学

1-1答案:

a)自由度数为3。

约束掉3个移动,保留3个转动自由度,为3级运动副。

b)自由度数为3。

约束掉1个移动、2个转动,保留2个移动,1个转动自由度,为3级运动副。

c)自由度数为1。

约束掉2个移动、3个转动,保留1个移动自由度,为5级运动副。

d)自由度数为1。

约束掉3个移动、2个转动,保留1个转动自由度,为5级运动副。

e)自由度数为2。

约束掉2个移动、2个转动,保留1个移动,1个转动自由度,为4级运动副。

1-1答案:

a)自由度数为3。

约束掉3个移动,保留3个转动自由度,为3级运动副。

b)自由度数为3。

约束掉1个移动、2个转动,保留2个移动,1个转动自由度,为3级运动副。

c)自由度数为1。

约束掉2个移动、3个转动,保留1个移动自由度,为5级运动副。

d)自由度数为1。

约束掉3个移动、2个转动,保留1个转动自由度,为5级运动副。

e)自由度数为2。

约束掉2个移动、2个转动,保留1个移动,1个转动自由度,为4级运动副。

1-    2答案:

a)其结构的自由度F=3×8-2×10-2=2或F=3×9-2×11-1=2。

机构运动简图:

b)自由度F=3×5-2×7=1。

机构运动简图:

c)自由度F=3×6-2×4=1。

机构运动简图:

d)自由度F=3×5-2×7=1。

机构运动简图:

 1-3答案:

∵ F=1 ,N=10

  ∴ 单链数 P=3N/2-(F+3)/2=13

    闭环数 k=P+1-N=4

  由P33页公式1-13a可得:

    N3+2N4+N5=6

      

  N2+N3+N4+N5=10

由上式可得自由度F=1 的10杆单链运动链的基本方案如下:

运动链类型

闭合回路数

运动副数(P)

2元素杆数目(N2)

3元素杆数目(N3)

4元素杆数目(N4)

5元素杆数目(N5)

 

10杆链

N=10

 

   

 

  4

 

 

 13

P26页图1-16双柱曲柄压力机构简图中,所对应的4个闭合回路分别是由如下构件组成:

10,9,8,7,14;  10,1,2,3;

10,5,4,3;     2,3,4,5,6,7。

1-4答案:

a)其中4、8、3、2、7构件构成了虚约束。

F=3×3-2×4=1;

先按a)图机构运动起来。

拆去虚约束后再观察其运动。

b)其中AD、CD杆及下方的活塞构成虚约束。

F=3×5-2×7=1;

c)为轨迹重合虚约束,可认为AB杆或滑块之一构成虚约束。

F=3×3-2×4=1;

d)对称的上部分或下部分构成虚约束。

F=3×5-2×7=1.

1-6答案:

a)F=3×7-2×10=1. 注意其中的C、G、D、H点并不是复合铰链。

以AB为原动件时:

 

 由三个Ⅱ级基本杆组与原动件、机架构成的机构,其机构级别为二级。

以EF为原动件时:

  

由1个Ⅱ级基本杆组,1个Ⅲ级基本杆组组成。

杆组级别为三级。

b)F=3×5-2×7=1

以AB为原动件时:

由1个Ⅲ级基本杆组组成,机构级别为三级。

以EF为原动件时:

 由2个Ⅱ级基本杆组组成,机构级别为2级。

C)F=3×7-2×10=1 其中C点为复合铰链,分别由2、3、4构件在C点构成复合铰。

以AB为原动件时:

 由3个Ⅱ级基本杆组组成。

机构级别为2级。

以EF为原动件时:

 

 

由3个Ⅱ级基本杆组组成。

机构级别为2级。

d)F=3×3-2×3-2=1或者F=3×5-2×5-2-2=1

其中B、D处的磙子具有局部自由度。

高副低代后的瞬时替代机构为:

 

 

              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

机构级别为2级。

e)F=3×4-2×5-1=1

其中E不是复合铰链,F处构成虚约束。

高副低代后为:

 

 

            

 

 

 

 

由1个Ⅲ级基本杆组组成,机构级别为3级。

F)F=3×6-2×8-1=1 滚子具有局部自由度,D点构成虚约束。

其中G、I、F点不是复合铰链。

高副低代后为:

 

 

             

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

由1个Ⅱ级基本杆组,1个Ⅲ级基本杆组组成。

机构级别为3级。

1-7答案:

a)F=6×3-(3×1+4×1+5×2)=1

b)F=6×3-(3×2+5×2)-1=1

c)F=6×3-(5×4-3)=1

d)F=6×3-(3×1+4×1+5×2)=1

 2-1答案:

a)b)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

曲柄摇块机构  曲柄滑块机构

 

 c)               d)

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

曲柄滑块机构            曲柄摇块机构

 2-2答案:

1)该机为曲柄摇杆机构,且AB为曲柄,则AB应为最短杆。

其中已知BC杆为最长杆50。

∴lAB+lBC≤lAD+lCD

∴lAB≤15

2)该机构欲成为双曲柄机构,同样应满足曲柄存在的条件,且应以最短杆为机架。

现AD为机架,则只能最短杆即为AD=30,则最长杆可能为BC杆,也可能是AB杆。

1)1) 若AB杆为最长杆:

lAD+lAB≤lBC+lCD

∴lAB≤55即50<lAB<55

2)2) 若BC杆为最长杆:

lAB+lBC≤lAB+lCD

∴lAB≤45即45≤lAB<50

∴若该机构为双曲柄机构,则AB杆杆长的取值范围为:

45≤lAB≤50

3)3) 欲使该机构为双摇杆机构,则最短杆与最长杆之和应大于另外二杆之和。

现在的关键是谁是最短、最长杆?

1)1)    若AB杆最短,则最长杆为BC:

∴lAB+lBC>lCD+lAD

∴lAB>15

2)若AD杆最短,BC杆最长:

lAD+lAB>lBC+lCD

∴lAB<45

AB杆最长:

lAD+lAB>lBC+lCDlAB>55

 

lAB<lAD+lCD+lBClAB<115

综上分析:

AB杆的取值为:

15<lAB<45或者55<lAB<115

 

2-3答案:

由于lAB+lAD≤lBC+lCD,且以最短杆AB的邻边为机架。

故该铰链四杆机构为曲柄摇杆机构。

AB为曲柄。

1)以曲柄AB为主动件,作业摇杆CD的极限位置如图所示。

∴AC1=lAB+lBC=80

AC2=lBC-lAB=24

极位夹角θ:

  θ=COS-1∠C2AD-COS-1∠C1AD

=COS-1[(AC22+AD2-C2D2)/2AC2*AD]-COS-1[(AC12+AD2-C1D2)/2AC1×AD]

   =COS-1[(242+722-502)/2×24×72]-COS-1[(802+722-502)/2×80×72]

≈21o

行程速比系数K=(1800+θ)/(1800-θ)≈1.27

最小传动角γmin出现在AB与机架AD重合位置(分正向重合、反向重合)如下图。

分别求出β1、β2,再求最小传动角。

β1=COS-1[CD2+BC2-(CD-AB)2]/2×CD×BC≈27.5o

β2=COS-1[CD2+BC2-(AD+AB)2]/2×CD×BC≈174.7o

曲柄处于AB1位置时,传动角γ1=β1.

曲柄处于AB2位置时,传动角γ2=1800-β2.

现比较的γ1、γ2大小,最小传动角取γ1、γ2中最小者.

∴γmin=5.3o

求φ:

摇杆的最大摆角φ:

φ=∠B1DC1-∠B2DC2

 =COS-1[(B1D2+C1D2-B1C12)/2×B1D×C1D]-COS-1[(B2D2+C1D2-B1C12)/2×B2D×C2D]

=COS-1[(442+502-522)/2×44×50]-COS-1[(1002+502-522)/2×100×50]

=61.3o

2)2)        取AB为机架,该机构演化为双曲柄机构。

因为在曲柄摇杆机构中取最短杆作为机架,其2个连架杆与机架相连的运动副A、B均为整转副。

C、D两个转动副为摇转副。

 

2-4答案:

1)四杆机构ABCD中,最短杆AB,最长杆BC.因为lAB+lBC≤lCD+lAD

且以最短杆AB的邻边为机架.故四杆机构ABCD为曲柄摇杆机构.

2)摇杆CD处于极限位置时,滑块F亦分别处于其极限位置.

先求极位夹角θ,再求行程速比系数K.

极位夹角θ=∠C2AD-∠C1AD

θ=COS-1[(C2A2+AD2-C2D2)/2×C2A×AD]-COS-1[(C1A2+AD2-C1D2)/2×C1A×AD]

=COS-1[(252+502-402)/2×25×50]-COS-1[(852+502-402)/2×85×50]

=39.2o

行程速比系数K=(1800+θ)/(1800-θ)=1.56

3)在ΔADC1中:

COS-1∠ADC1=(502+402-852)/2×50×40=157.1o

在ΔADC2中:

COS-1∠ADC2=(502+402-252)/2×50×40=33o

∠F1DE1=∠ADC1

∠F2DE2=∠ADC2

在ΔF1DE1中:

COS-1∠F1DE1=(F1D2+202-602)/2×F1D×60

即可求出F1D=53.17

在ΔF2DE2中:

COS-1∠F2DE2=(F2D2+202-602)/2×F2D×60

即可求出F2D=128.84

所以滑块的行程H=F2D-F1D=75.67

  4)机构的最小传动角γmin出现在CD杆垂直于导路时.(即ED⊥导路)

  ∴COSγmin=ED/EF

∴COSγmin=1/3

∴γmin=78.4o

1)1)        导轨DF水平处于E1、E2之中间时,机构在运动中压力角最小.

2-5答案:

当构件处于上下极限位置时,此时曲柄AB分别处于与摇杆CD垂直的两次位置。

1).θ=180°—∠CAB1=180°—2×COS-1(200/585)

=24.4o

k=(180°+θ)/(180°—θ)=1.31

2).α=sin-1(200/585)=22.2o

∴∠D1CE1=180°-90°-α

=67.8o

在△CD1E1中:

COS∠D1CE1=(D1C2+CE12-D1E12)/(2D1C×CE1)

即  COS∠D1CE1=(302+CE12-7002)/(2×30×CE1)

 ∴CE1=728.75

在△CD2E2中:

∠D2CE2=2×α+∠D1CE1

 COS∠D2CE2=(302+CE22-7002)/(2×30×CE2)

 ∴CE2=693.67

∴构件5的行程H=CE1-CE2≈35

 3)机构的最小传动角出现在摇杆CD运动到水平位置时.γmin=COS-1(CD/DE)

∴γmin=COS-1(300/700)=71.8o

4)机构的最小传动角的位置即出现最大压力角αmax.即αmax=90o-γmin=18.2o

仅从减少最大压力角αmax,可以将摇杆CD↓或DE↑.还可将滑块5的导路平行移到弧D1D圆弧的中间.

 5)曲柄应增长到400mm.

2-6答案:

1)机构处在图示位置时,其机构的传动角γ如图所示.

γ=∠CBE

COSγ=BE/BC

即COSγ=(γSinα+e)/L   ……①

从上式可知,r↑,e↑均可使传动角γ↓;L↑使γ↑。

2)从上式可知,最小传动角出现在AB杆垂直于导路时.(即α=900时)

3)e=0时,最小传动角γmin还是同上,出现在AB垂直于导路上时,且γmin=COS-1r/l。

最大传动角γmax出现在曲柄AB与导路垂直时,且γmax=900

此时行程H增大,且H=2r。

2-7答案:

当C点运动到与水平线AP相交时,滑块P分别处于其极限位置.

即当C点在A左方时,D点运动到A点正右方,滑块P处于右边极限位置P1;

当C点在A右方时,D点运动到A点正左方,滑块P处于左边极限位置P2.

∴插刀P的行程H=2AD=80mm.

θ=1800×(k-1)/(k+1)=1800×(2.27-1)/(2.27+1)≈70

1)1)        若∠C1BC2为锐角,则∠C1BC=θ,lBC=lAB/Sin(θ/2)≈51.1

2)2)        若∠C1BC2为钝角,则∠C1BC2=1800-θ,lBC=lAB/Sin(∠C1BC2/2)=lAB/Sin(900-θ/2)=lAB/COS(θ/2)=242

2-8答案:

瞬心P12在A点瞬心P23、P24均在B点

瞬心P34在C点P14、P13均在垂直导路的无

瞬心P23、P13均在B点穷远处

瞬心P14、P24均在D点

 

 

 

 

 

2-9答案:

此题关键是找到相对瞬心P13.

2-10答案:

找到1,2构件的相对瞬心P12

即有:

ω1×

=ω2×

……①

现在的关键是求出

的值。

为 x,

=(222+x2)1/2

=50+(222+x2)1/2,

=80+x

△ P12AO∽△ P12BC

则有:

x/[50+(222+x2)1/2]=(222+x2)1/2/(80+x)

求解出x=37.4

由①式可得:

ω2=ω1×

=4.675rad/m

2-15答案:

按题中给定的尺寸,选定尺寸比例尺,画出∠BAE=45o时的机构位置图。

①先列出其速度向量方程式。

可求解速度及构件的角速度。

大小:

 ω1lAB ?

方向:

∥BC⊥AB⊥BC

即可求出2构件上C点的速度及ω2=

/lBC。

ω3=ω2

大小:

  √  √

方向:

  √  √

可求出VD

又∵ 

大小:

  √ ?

方向:

水平 √ ⊥ED

可求出VE及ω4

②列出其加速度向量方程式。

可求解角加速度、加速度。

2-28答案:

用反转原理。

现假想摇杆CD固定在C2D位置,使滑块的导路位置转动,且分别与C2D成α1、α1,即可得到F1、F2反转后的新位置F1'F2'。

作F1'F2的中垂线,F3'F2的中垂线的交点。

即可得到摇杆CD与滑块之间的连杆的转动中心E2点,连接E2F2即可得到此连杆的长度。

2-29答案:

  假定连架杆CD的长度亦取100mm,且与机架夹角ψ1,ψ2,ψ3正好定CD的连线与机架所成形的角。

现假象把连架杆AB固定在第一位置,转动机架AD,使AD分别与AD的固定位置分别成φ1,φ2,φ3,从而可找到另一连架杆C2D,C3D位置。

即转化为已知连杆的三位置而设计铰链四杆机构,A是不用设计,其值只有C1,C2,C3的转动中心B1(作C1C2,C2C2的垂线)连接CB1C1D,即得铰链四杆机构。

2-31答案:

选尺寸比例画出机架AD,即极限位置的CD极位夹角θ=(k-1)/(k+1)×180°=36°

此题有2组解,因为CD位置既可认为最近极限位置。

又可按最远极限位置来设计。

1CD为最近极限位置,则最远极限位置在C2D

则有lAB+lBC=AC2×μ

lBC-lAB=AC2×μ

即可求lAB,lBC亦可用作用在AC2上截去AC,剩余段的一半即为lAB,AF即代表lBC。

2CD为最远极限位置,则最近极限位置在C1D。

则有lAB+lBC=AC2×μ

lBC—lAB=AC2×μ

即可求lAB,lBC(亦可用作图法,同上)。

2-32答案:

由题可得极位夹角θ=180o×(k-1)/(k+1)=60o.即摆杆CD得摆角为60o.

曲柄运动到与CD垂直,其摆杆CD分别处于左右极限位置,故AC平行摆杆得摆角.

∴机架AC的长度lAC=75/sin(θ/2)=150mm

欲使其刨头的行程H=300mm,即D点运动的水平距离为300mm.

∴摆杆CD的长度lCD=H/2/sin(θ/2)=150/sin30o=300mm

为了使机构在运动过程中压力角较小,故取刨头5构件的导路在D3F的中点,且⊥AC.

CF=lCD×cos(θ/2)=150×

mm

∴刨头5构件离曲柄转动中心A点的距离为:

lAE=lCD3-lAC-(lCD3-lCF)/2=300-150-(300-150×

)/2

 =130

3-1答案:

在A、C、D点会出现柔性冲击

3-2答案:

已知Φ=π/2,h=50mm,由表3-1,P205~207的公式可求出最大类速度、最大类加速度。

①等速运动时:

 (ds/dφ)max=v/ω=h/φ=50/(π/2)=100/π

 (ds2/dφ2)max=0。

②等加等减速运动时:

(ds/dφ)max=v/ω=4h/φ2=4×50×(π/2)/(π/2)2=400/π

(ds2/dφ2)max=a/ω2=4h/φ2=800/π2

③余弦加速度:

(ds/dφ)max=v/ω=π×h×sin(π×ψ/φ)/2φ=sin[π×(π/2)/π/2]×50π/2×π/2=50

(ds2/dφ2)max=a/ω2=π2×h×cos(π×ψ/φ)/2φ2=50π2/2×(π/2)2=100

④正余弦加速:

(ds/dφ)max=v/ω=[1-cos(2π×ψ/φ)]2/φ=h/π/2=100/π

(ds2/dφ2)max=a/ω2=sin(2π×ψ/φ)×2πh/φ2=2πh/φ2=100π/(π/2)2=400/π

 

3-3答案:

由P212,图3-13诺模图b),以最大压力角αmax=25o,Φ=180o作斜线,交余弦加速度运动规律的水平标尺与1.5处,即h/rb=1.5,

∴rb=50mm,当然亦可rb≥50mm.

3-4答案:

由图3-13诺模图b)来求解。

∵h/rb=50/25=2

①推程中转角200o,为余弦运动规律,由200o及h/rb=2,作斜线。

∴αmax≈28o

②回程中转角100o,为正弦运动规律,由100o及h/rb=2,作斜线,∴α’max≈40o

 

3-5答案:

由于h/rb=16/40=0.4,推程运动角Φ=30o,为正弦加速度运动规律,

∴图3-13诺模图b),可确定推程中的最大压力角αmax≈53o.

若αmax太大,又不允许增大rb,此时应增大推程角度,大约推程角Φ=65o.

3-6答案:

a)假想凸轮固定,从动件及其导路顺时针旋转,在偏距圆上顺时针方向转过45o.

b)假想凸轮固定,机架OA顺时针转过45o,找出摆杆的位置来确定摆杆的角位移ψ.

3-7答案:

设滚子的半径为r,偏距oc为e.以O点为圆心,以R-e+r为半径画圆弧.再以l为半径,A为圆心画圆弧.即可找到初始点滚子中的位置B0.又以O点为圆心,偏距e为半径画弧,再连接OB1直线.交点即为初始位置时偏心圆盘的几何中心C0.即可找出凸轮的转角φ如图所示.从动件的摆角ψ如图所示.

3-8答案:

1)理论轮廓曲线为:

以A点为圆心,半径为R+rr的圆.

2)此时所求的基圆半径为理论轮廓曲线的rb.

∴rb=R-OA+rr=40-25+10=25mm

1)1)        此时从动件的位移S如图所示.

升程h=R+OA+rr+rb=40+25+10-25=50mm

2)2)        即从动件导路沿-ω方向转过90o到B’.此时压力角α’如图中所示.

αmax=sin-1(OA/(R+rr))=30o

实际轮廓曲线不变,滚子半径rr为15,此时从动件的运动规律不变.因为从动件的运动规律与轮廓曲线一一对应.

3-9答案:

1)求φ=60o时的坐标,此时为推程的等加速阶段(将滚子中心作为圆点)e=0

位移s=2h×φ2/Φ2=(π/3)2×2×40/π2≈7.9mm,而so=rb+rr=65mm

∴其坐标:

x=(so+s)sinφ=72.9sin(π/3)

 

y=(so+s)cosφ=72.9cos(π/3) 

 

2)求φ=240o时的坐标,此时为回程阶,余弦加速度运动,φ=4π/3

∴其位移s=[1+cos(πΦ/φ’)]h/α

=[1+cos(π(4π/3)/5π/6)]40/2

=20(1+cos8π/5)

其坐标:

 

     x=so+s)sinφ 

 

     y=(so+s)cosφ

 

3-11答案:

先作出其从动件的位移曲线,再用反转法作出凸轮的轮廓曲线.

3-12答案:

先作出其从动件的角位移曲线,再用反转法作出凸轮的轮廓曲线.

3-13答案:

先作出其从动件的角位移曲线,再用反转法作出凸轮的轮廓曲线.

4-1答案:

此轮系为定轴轮系.

I16’=n1/n6’=(-1)3z2×z4’×z6’/z1×z3’×z5’=-58×42×48/42×38×50=-29×24/19×25=-1.46

∴n6’=-n1×19×25/29×24=-990r/min

带轮的转速方向与电机相反

4-2答案:

此轮系为定轴轮系.

I18=n1/n8=z4×z5×z6×z8/z1×z3×z5×z7=50×30×40×51/20×15×1×18≈722.22

 

4-3答案:

由定轴轮系组成。

均从电机出发,一条传动线路为1’、7、6、5’.而另一条传动线路为1、2、2’、3、4、4’、5’。

且5与5’固联在一起,即其转速相同。

∴i1’5=i15

即z7×z5’/z1’×z6=z2×z3×z4×z5/z1×z2’×z3×z4’代如已知各齿数,得z4=1.28z2’

齿数应为整数,且要满足上述条件.

∴z2’,z4的齿数取

z2’=25,50,100……

z4=32,64,128……

从体积的角度出发,现取z2’=25,z4=32。

4-4答案:

4和5的旋向相反,现作如下假定:

①设4为右旋,5为左旋

1-1’按图示转动时,则2,3齿轮转向的箭头朝上.

4为右旋,则其相对于机架向左运动,其运动距离:

S4=3n3=3z3/z1=51/13mm.

5为左旋,其相对于4向右移动,其相对于4移动的距离:

S5=2.5n2=2.5z2/z1=5.5mm.

∴x=51/13mm,向左移

y=5.5+51/13≈8.41mm,向右移

②设4为左旋,5为右旋

则4相对于机架向右运动,其运动距离:

S4=3n3=51/13mm.

5相对于4向左移动,其相对于4移动的距离:

S5=5.5mm.

∴x=51/13mm,向右移

y=5.5-51/13≈1.59mm,向左移

4-5答案:

设A的转速为n1

∴i13=n1/n3=z2z3/z1z2n1/n3=24×64/18×24=4

n3=n1/4

此题须讨论3齿轮的转向,以及4,5的旋向.现列出表对比分析:

3齿轮

3齿轮

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