第二章 机构的结构分析.docx

第二章 机构的结构分析.docx

《第二章 机构的结构分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章 机构的结构分析.docx（73页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第二章机构的结构分析

第二章机构的结构分析

2-1填空题

（1）一个平面运动副最多提供____个约束，最少提供____个约束。

（2）机构具有确定运动的条件是。

（3）机构中相对静止的构件称为；按给定运动规律而独立运动的构件称为；其余运动构件称为。

（4）根据机构的组成原理，任何机构都看成是由、和组成的。

（5）在平面机构中，两构件通过面接触而构成的运动副为____副，它引入____个约束；通过点、线接触而构成的运动副称为____副，它引入____个约束。

（6）高副低代必须满足的条件是，

。

（7）由M个构件组成的复合铰链应包括______个转动副。

（8）在图示平面运动链中，若构件1为机架、构件5为原动件，则成为____级机构；若以构件1为机架，构件2为原动件，则成为____级机构；若以构件2为机架，3为原动件，则成为____级机构。

2-2选择题

（1）两构件组成运动副的必备条件是____。

A．直接接触且具有相对运动；B．直接接触但无相对运动；

C．不接触但有相对运动；D．不接触也无相对运动。

（2）在机构中，某些不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为____。

A．虚约束；B．局部自由度；C．复合铰链。

（3）某机构为Ⅲ级机构，那么该机构应满足的必要充分条件是____。

A．至少含有一个原动件；B．至少含有一个基本杆组；

C．至少含有一个Ⅱ级杆组；D．至少含有一个Ⅲ级杆组。

（4）机构中只有一个____。

A．闭式运动链；B．原动件；C．从动件；D．机架。

2-3绘出下列图示机构的机构运动简图。

图a为唧筒机构；图b为回转式柱塞泵；图c为缝纫机下针机构；图d为活塞泵。

解：

解：

a）b）

解：

解：

c）d）

2-4图示为一小型压力机。

图中齿轮1与偏心轮1′为同一构件，绕固定轴心O连续转动。

在齿轮5上开有凸轮凹槽，摆杆4上的滚子6嵌在凹槽中，从而使摆杆4绕C轴上下摆动；同时，又通过偏心轮1′、连杆2、滑杆3使C轴上下移动；最后，通过在摆杆4的叉槽中的滑块7和铰链G使冲头8实现冲压运动。

试绘制其机构运动简图，并计算其机构自由度。

解：

1）绘制机构运动简图；

2）计算该机构自由度

n=

pl=

ph=

p′=

F′=

F=

=

想一想：

机构运动简图有何用处？

它能表达出原机构哪些方面的特征？

2-5试指出下列机构运动简图中的复合铰链、局部自由度和虚约束，并计算各机构的自由度。

图a为平炉渣口堵塞机构；图b为缝纫机送布机构；图c为锯木机机构；图d为冲压机构；图e为加药泵加药机构；图f为测量仪表机构；图g为差动轮系；图h为凸轮连杆机构；图i为凸轮连杆组合机构；图j为精压机构。

解：

解：

n=n=

pl=pl=

ph=ph=

p′=a）p′=b）

F′=F′=

F=F=

==

解：

解：

n=n=

pl=pl=

ph=ph=

p′=p′=

F′=F′=

F=c）F=d）

==

想一想：

在计算平面机构自由度时，应注意哪些事项。

解：

解：

n=n=

pl=pl=

ph=ph=

p′=e）p′=f）

F′=F′=

F=F=

==

解：

解：

n=n=

pl=pl=

ph=ph=

p′=p′=

F′=g）F′=h）

F=F=

==

解：

解：

n=n=

pl=pl=

ph=ph=

p′=p′=

F′=i）F′=j）

F=F=

==

2-6图示为一刹车机构。

刹车时，操作杆1向右拉，通过构件2、3、4、5、6使两闸瓦刹住车轮。

试计算机构的自由度，并就刹车过程说明此机构自由度的变化情况。

（注：

车轮不属于刹车机构中的构件）

解：

1）未刹车时，刹车机构的自由度

F=

2）闸瓦G、J之一刹紧车轮时，刹车机构的自由度

F=

3）闸瓦G、J同时刹紧车轮时，刹车机构的自由度

F=

2-7图示为一牛头刨床的初拟设计方案。

设计思路是：

动力由小齿轮1输入，并推动大齿轮2绕其轴A连续转动，又通过铰接在大齿轮2上B处的滑块3使摆动导杆4往复摆动，并带动滑枕5往复运动以达到刨削的目的。

分析其运动是否能实现设计意图，并提出修改方案（画出修改后的机构运动简图）。

解：

2-8图示为小型压力机的设计方案图，试审该设计方案是否合理？

如不合理，试绘出合理的设计方案简图。

解：

2-9计算下图所示机构的自由度，分别以2、8为原动件，确定机构的杆组及机构的级别。

解：

想一想：

何谓机构的组成原理？

何谓基本杆组？

它有什么特征？

如何确定基本杆组的级别及机构的级别？

2-10如图所示的冲压机高副机构由原动件齿轮1、齿轮2、凸轮3、滚子4、摆杆5、滑块6和执行构件7所组成。

试求机构的自由度，并用“高副低代法”进行机构的组成分析。

解：

想一想：

为何要对平面高副机构进行“高副低代”？

“高副低代”应满足的条件是什么？

第三章平面机构的运动分析

3-1填空题

（1）当构件组成转动副时，其瞬心在处；当组成移动副时，其瞬心在处；当组成兼有滑动和滚动的高副时，其瞬心在处。

（2）哥氏加速度的大小为________；方向为。

（3）相对瞬心与绝对瞬心的相同点是，不同点是；在由N个构件组成的机构中，共有个瞬心，其中个绝对瞬心。

（4）速度影像的相似原理只能应用于的各点，而不能应用于机构中不同构件上的各点。

3-2试求图示各机构在图示位置时全部瞬心的位置（用符号Pij直接标在图上）。

解：

解：

a）b）

解：

解：

c）d）

想一想：

在图c及图d所示的机构中，两高副元素间是否为纯滚动？

它们的瞬心应位于何处？

3-3在图示的齿轮连杆组合机构中，试用瞬心法求齿轮1与齿轮3的传动比ω1/ω3。

解：

1）计算此机构所有瞬心的数目

K=

2）为了求传动比ω1/ω3需求出如下瞬心（填出下角标）

PPPPP

3）传动比ω1/ω3的计算公式是

想一想：

齿轮1与齿轮3的转向是相同还是相反？

3-4判断图中哥氏加速度的方向是否正确（正确的在括号里打“√”，错误的在括号里打“×”，）。

解：

图a（）图b（）图c（）

想一想：

在什么条件下存在哥氏加速度？

在判断哥氏加速度时需要注意哪些事项？

3-5在图示的摇杆机构中，已知lAB=30mm，lAC=100mm，lBD=50mm，lDE=40mm，，曲柄以等角速度ω1=10rad/s回转，试用图解法求机构在ϕ1=45º位置时，点D和点E的速度和加速度，以及构件2的角速度和角加速度。

解：

（1）选取比例尺（μl=0.002m/mm）做机构运动简图

（2）速度分析（μv=0.005（m/s）/mm）

vD=

vE=

ω2=

=（时针）

（3）加速度分析（μa=0.05（m/s2）/mm）

aD=

aE=

α2=

=（时针）

想一想：

试述对机构进行速度和加速度分析的具体步骤是什么？

3-6已知铰链四杆机构如图（a）所示，构件1以顺时针等角速度ω1转动。

现已作出速度多边形图（b）和加速度多边形图（c）。

试求：

（1）构件1、2和3上速度为vX的点X1、X2和X3的位置；

（2）构件2上速度为零的点I的位置，并求出该点的加速度aI；

（3）构件2上加速度为零的点Q的位置，并求出该点的速度vQ。

解：

3-7求出图示导杆机构的全部瞬心和构件1与构件3的角速度比ω1/ω3。

解：

1）计算此机构所有瞬心的数目

K=

2）角速度比ω1/ω3的计算公式是

3-8求出图示正切机构的全部瞬心。

设ω1=10rad/s，求构件3的速度v3。

解：

1）计算此机构所有瞬心的数目

K=

2）构件3的速度v3的计算公式是

v3=

3-9如图所示为摩擦行星传动机构，设行星轮2与构件1、4保持纯滚动接触，试用瞬心法求轮1与轮2的角ω1/ω2。

解：

1）计算此机构所有瞬心的数目

K=

2）角速度比ω1/ω2的计算公式是

想一想：

试述利用速度瞬心法対机构进行速度分析的具体步骤和思路。

3-10在图示的直线运动机构中，如果lAB=15mm，lAD=45mm，lBC=lCD=lCE=60mm，试画出其连杆上点E的轨迹。

解：

选取比例尺μl=0.005m/mm

3-11在图示的机构中，已知原动件1以等角速度ω1=10rad/s逆时针方向转动，lAB=100mm，lBC=300mm，e=30mm。

当ϕ1=50º、120º、220º时，试用矢量方程解析法求构件2的角位移θ2、角速度ω2及角加速度α2和构件3的速度v3及加速度a3。

解：

ϕ1（°）

50

120

220

θ2（°）

ω2（rad/s）

α2（rad/s2）

v2（m/s）

α3（rad/s2）

第四章平面机构的力分析

4-1选择或填空题

（1）如果作用在轴颈上的径向外力加大，那么轴颈上摩擦圆。

A．变大；B．变小；C．不变；D．不确定。

（2）两运动副的材料一定时，当量摩擦系数取决于。

A．运动副元素的几何形状；B．运动副元素间的相对运动速度大小；

C．运动副元素间作用力的大小；D．运动副元素间温差的大小。

（3）机械中采用环形支承的原因是。

A．加工方便；B．避免轴端中心压强过大；C．便于跑合轴端面；D．提高承载能力。

（4）移动副中总反力与其相对运动方向的夹角是____。

A．锐角；B．钝角；C．直角；D．不确定。

（5）风力发机的叶轮受到空气的作用力，此力在机械中属于____。

A．驱动力；B．工作阻力；C．有害阻力；D．摩擦力。

（6）轴径1与轴承2组成转动副，设初始状态时轴径相对轴承静止，轴径受单外力Q作用，当外力Q的作用线与摩擦圆相交时，轴承对轴径的总反力R12的作用线与摩擦圆____；当外力Q的作用线与摩擦圆相切时，轴承对轴径的总反力R12的作用线与摩擦圆____；当外力Q的作用线与摩擦圆相离时，轴承对轴径的总反力R12的作用线与摩擦圆____。

A．相切；B．相交；C．相离；D．不确定。

（7）在外载荷和接触表面状况相同的条件下，三角螺纹的摩擦力要比矩形螺纹的大，是因为____。

A．当量摩擦角大；B．当量摩擦角小；C．摩擦系数大；D．不确定。

4-2在图示的曲柄滑块机构中，设已知lAB=0.1m，lBC=0.33m，n1=1500r/min（常数），活塞及其附件的重量G3=21N，连杆重量G2=25N，连杆对质心的转动惯量JS2=0.0425kg·m2，连杆质心S2至曲柄销B的距离lBS2=lBC/3。

试确定在图示位置时活塞的惯性力以及连杆的总惯性力。

解：

（1）选取比例尺（μl=0.005m/mm）做机构运动简图

（2）运动分析：

（μv=0.5（m/s）/mm），（μa=75（m/s2）/mm）

（3）确定惯性力：

想一想：

构件的惯性力的大小、方向及作用点和惯性力偶矩的大小及方向是怎样确定的？

总惯性力的大小及作用线方向又如何确定？

4-3在图示楔块机构中，已知γ=β=60º，Q=1000N，各接触面摩擦系数f=0.15。

如Q为有效阻力，试求所需的驱动力F。

解：

4-4在图示正切机构中，已知h=500mm，l=100mm，ω1=10rad/s（为常数），构件3的重量G3=10N，质心在其轴线上，生产阻力Fr=100N，其余构件的重力、惯性力及所有构件的摩擦力均略去不计。

试求当ϕ1=

60°时，需加在构件1上的平衡力矩Mb。

解：

想一想：

在对机构进行力分析时，分离体是如何选取的？

有何特征？

4-5图示为一曲柄滑块机构的三个位置，P为作用在滑块上的力，转动副A和B上所画的虚线小圆为摩擦圆。

（1）判断力P是驱动力还是阻抗力；

（2）在图上画出机构在此三个位置时，作用在连杆AB上的作用力的真实方向（构件重量及惯性力略去不计）。

解：

4-6图示铰链四杆机构中，已知构件1为原动件，lAB=80mm，lBC=lCD=320mm，当ϕ1=90°时，BC在水平位置，CD与水平位置夹角ϕ3=45°。

P3=1000N，作用在CD的中点E，α3=90°，作用在构件3上的力偶矩为M3=20N·m。

试求各运动副中的反力以及应加于构件1上的平衡力矩M1。

解：

想一想：

试总结机构运动分析和力分析的思路及具体分析步骤。

第五章机械的效率和自锁

5-1填空与选择题

（1）移动副的自锁条件是，转动副的自锁条件是，螺旋副的自锁条件是。

（2）从效率的观点来看，机械的自锁条件是。

（3）并联机组的总效率不仅与各机器的有关，而且与各机器所传递的有关。

（4）单运动副机械自锁的原因是驱动力摩擦锥（圆）。

A．切于；B．交于；C．分离。

（5）机械出现自锁是由于。

A．机械效率小于零；B．驱动力太小；C．阻力太大；D．约束反力太大。

5-2判断题

（1）在机械运动中总是有摩擦力存在。

因此，机械功总有一部分消耗在克服摩擦力。

（）

（2）当机械的效率η≤0时，机械则发生自锁，其绝对值越大，则表明机械自锁越可靠。

（）

5-3在图示的电动卷扬机中，已知其每一对齿轮传动（包括其轴承）的效率为η1=0.95，鼓轮（包括其轴承）的效率为η2=0.96，载荷G=50kN，其上升的速度v=0.2m/s，求电动机的功率应为若干？

解：

此传动为联。

传动总效率为

η=

输出功率为

Nr=

电动机所需的功率为

Nd=

想一想：

何谓机械效率？

效率高低的实际意义是什么？

提高机械效率的途径有哪些？

在串联机组中，总效率与各部分效率关系如何？

如何才能提高这类机组的效率？

5-4如图所示的机组是由一电动机经带传动、减速器带动两个工作机A和B。

已知两个工作机的输出功率和效率分别为NA=2kW，ηA=0.8；NB＝3kW，ηB=0.7，每对齿轮传动（包括其轴承）的效率η1=0.95，带传动（包括其轴承）的效率η2=0.9。

求电动机的功率和机组的效率。

解：

此传动为联。

输入功率为

NA′=

NB′=

电动机所需的功率为

N=

传动总效率为

η=

想一想：

在这种联接的机械传动中，其总效率主要取决于什么？

5-5图示定滑轮2的直径为D，虚线圆为转动副A中的摩擦圆，其半径为ρ，F为驱动力，若不计绳与轮间的摩擦力，试确定：

（1）转动副A中的总反力FR12的位置和方向（在图上标出）；

（2）使重物G等速上升的驱动力F的表达式（用G表示）；

（3）该滑轮的机械效率η。

解：

想一想：

定滑轮2上共受几个力作用？

A处作用力的方向线应如何确定？

5-6对于图1所示斜面机构，当其反行程自锁时，其正行程的效率η一定≤1/2，试问这是不是一个普遍规律？

试分析图2所示斜面机构的临界自锁条件，和在此情况下正行程的效率。

（设f=0.2）

解：

（1）针对图1，确定当其反行程自锁时，正行程的效率。

图1

（2）针对图2，确定反行程自锁条件。

图2

自锁条件为：

临界时正行程的效率为：

想一想：

通过对本题的计算，你得到了什么重要的结论？

当反行程自锁时，则正行程的效率除了与α和ϕ有关外，还与什么因素有关？

从机械效率的观点来看，机械的自锁条件是什么？

自锁机械是否就是不能运动的机械？

5-7在图示缓冲器中，已知滑块斜面的倾角λ，各摩擦面间的摩擦系数f及弹簧的压力G，求：

1）当楔块2、3被等速推开时，力F的大小和该缓冲器的效率；2）此缓冲器正、反行程均不发生自锁时，应该如何选择倾角λ的值？

解：

想一想：

生产阻力小于零的物理意义是什么？

从受力的观点来看，机械自锁的条件是什么？

机械正反行程的效率是否相同？

其自锁条件是否相同？

原因何在？

第六章机械的平衡

6-1填空题

（1）机械平衡的目的是部分或完全消除构件在运动时所产生的，减少或消除在机构各运动副中所引起的，减轻有害的机械振动，改善机械工作性能和延长使用寿命。

（2）刚性转子的不平衡可以分为两种类型，一种是，其质量分布特点是；另一种是，其质量分布特点是。

（3）刚性转子的静平衡就是要使之和为零。

而刚性转子的动平衡则要使

之和以及之和均为零。

（4）转子静平衡时，至少选个校正平面（平衡平面）；而动平衡时，至少选个校正平面（平衡平面）。

（5）衡量转子平衡优劣的指标有，。

（6）刚性转子平衡精度A的表达方式是，其单位是。

6-2选择题

（1）达到静平衡的刚性转子，其质心位于回转轴线上。

A．一定；B．不一定；C．一定不。

（2）机械平衡研究的内容是。

A．驱动力与阻力间的平衡；B．各构件作用力间的平衡，

C．惯性力系间的平衡；D．输入功率与输出功率间的平衡。

（3）刚性转子的静平衡条件是；动平衡条件是。

A．惯性力合力为零；B．惯性力合力偶矩为零；C．惯性力合力为零，同时惯性力合力偶矩也为零。

（4）对于结构尺寸为b/D≥0.2的不平衡刚性转子，需进行。

A．动平衡；B．静平衡；C．不用平衡。

（5）平面机构的平衡问题，主要是讨论机构惯性力和惯性力矩对的平衡。

A．曲柄；B．连杆；C．机座；D．从动件。

6-3在图示的三根曲轴结构中，已知m1=m2=m3=m4=m，r1=r2=r3=r4=r，ll2=l23=l34=l，且曲轴位于过回转轴线的同—平面中，试判断哪根曲轴已达到静平衡的设计要求，哪根曲轴达到了动平衡设计的要求，并说明原因。

解：

想一想：

刚性转子进行了动平衡，是否还需进行静平衡？

为什么？

经过平衡设计后的转子，为什么还要进行平衡试验？

6-4在图示盘形转子中，存在4个不平衡质量。

它们的大小及其质

心到回转轴的距离分别为ml=l0kg，r1=l00mm；m2=8kg，r2=150mm，

m3=7kg，r3=200mm；m4=5kg，r4=l00mm。

试对该转子进行平衡设计。

解：

选取比例尺μW=0.04kg·m/mm

想一想：

机械平衡的目的是什么？

造成机械不平衡的原因可能有哪些？

何谓“质径积”？

引入“质径积”概念的意义何在？

6-5图示为一钢制圆盘，盘厚b=50mm，位置I处有一直径φ=50mm的通孔，位置Ⅱ处是一质量m2=0.5kg的重块。

为了使圆盘平衡，你在圆盘上r=200mm处制一通孔。

试求此孔的直径与位置。

（钢的密度γ=7.8g/cm3）

解：

选取比例尺μW=0.002kg·m/mm

想一想：

何谓刚性转子和挠性转子？

机械平衡分为哪几类？

何谓静平衡？

在什么情况下采用静平衡？

6-6如图所示为一装有带轮的滚筒轴。

已知带轮上有一不平衡质量ml=0.5kg，滚筒上有三个不平衡质量m2=m3=m4=0.4kg，其回转半径r1=80mm，r2=r3=r4=l00mm，各不平衡质量的分布如图。

试对该滚筒进行动平衡设计。

（建议将平衡基面选在平面T′、T″上）

解：

想一想：

何谓动平衡？

在什么情况下采用动平衡？

动平衡至少要选择几个平衡基面来加以平衡？

为什么？

选择平衡基面要考虑哪些因素？

6-7在图示曲柄滑块机构中，已知各构件的尺寸为lAB=100mm，lBC=300mm，连杆2的质量m2=12kg，质心S2在lBS2=lBC/3处；滑块3的质量m3=20kg，质心在C处；曲柄1的质心与A点重合。

今欲利用平衡质量法对该机构进行平衡。

试问若对机构进行完全平衡和只平衡滑块3处往复惯性力的50%，需加多大的平衡质量mC＇和mC＂（取lBC＇=lAC＂=50mm）。

解：

1）完全平衡

2）部分平衡

想一想：

对于作往复移动或平面运动的构件，能否在构件本身将其惯性力平衡？

什么是平面机构的完全平衡和部分平衡法？

为什么要这样处理？

比较上述两种平衡方法，从中得到什么结论？

第七章机械的运转及其速度波动的调节

7-1填充题

（1）机器速度波动的类型有和两种。

前者一般采用的调节方法是，后者一般采用的调节方法是。

（2）用飞轮进行调速时，若其它条件不变，则要求的速度不均匀系数越小，飞轮的转动惯量将越。

在满足同样的速度不均匀系数条件下，为了减小飞轮的转动惯量，应将飞轮安装在轴上。

（3）最大盈亏功是指机械系统在一个运动循环中的与之差的最大值。

（4）某机械主轴实际转速在其平均转速的±3％范围内变化，则其速度不均匀系数δ=。

（5）某机器的主轴平均角速度ωm=l00rad/s，机器运转的速度不均匀系数δ=0.05，则该机器的最大角速度ωmax等于rad/s，最小角速度ωmin等于rad/s。

7-2选择题

（1）在周期性速度波动中，一个周期内等效驱动力做功Wd与等效阻力做功Wr的量值关系是。

A．Wd>Wr；B．Wd

（2）在机械系统的启动阶段，系统的动能，并且。

A．减少，输入功大于总消耗功；B．增加，输入功大于总消耗功；

C．增加，输入功小于总消耗功；D．不变，输入功等于零。

（3）等效转动惯量的值。

A．一定是常数；B．一定不是常数；

C．可能小于零；D．一定大于零。

（4）对于周期性速度波动的机器，安装飞轮主要是为了在阶段进行速度调节。

A．起动；B．停车；C．稳定运转。

（5）在机械系统中安装飞轮后可使其周期性速度波动。

A．消除；B．减小；C．产生。

（6）在机械系统速度波动的一个周期中的某一时间间隔内，当系统出现时，将使系统的运动速度，此时飞轮将能量。

A．亏功减小释放；B．亏功加快释放；C．盈功减小存储C．盈功加快释放。

（7）机器中安装飞轮后，可以。

A．使驱动功与阻力功保持平衡；B．增大机器的转速；

C．调节周期性速度波动；D．调节非周期性速度波动。

（8）在周期性速度波动中，一个周期内机器的盈亏功之和是。

A．大于0B．小于0C．等于0

（9）有三个机构系统，它们主轴的ωmax和ωmin分别是：

A．1025rad/s，975rad/s；B．512.5rad/s，487.5md/s；C．525rad/s，475rad/s。

其中，运转最不均匀的是，运转最均匀的是。

（10）下列说法中，正确的是。

A．机械的运转速度不均匀系数的许用值[δ]选得越小越好，因为这样可以使机械的速度波动较小；

B．在结构允许的条件下，飞轮一