机械设计基础(第三版)课后答案(1-18章全)

机械设计概述

1.1机械设计过程通常分为哪几个阶段？各阶段的主要内容是什么？

答：机械设计过程通常可分为以下几个阶段：

1.产品规划主要工作是提出设计任务和明确设计要求。

2.方案设计在满足设计任务书中设计具体要求的前提下，由设计人员构思出多种可行方案并进行分析比较，从中优选出一种功能满足要求、工作性能可靠、结构设计可靠、结构设计可行、成本低廉的方案。

3.技术设计完成总体设计、部件设计、零件设计等。

4.制造及试验制造出样机、试用、修改、鉴定。

1.2常见的失效形式有哪几种？

答：断裂，过量变形，表面失效，破坏正常工作条件引起的失效等几种。

1.3什么叫工作能力？计算准则是如何得出的？

答：工作能力为指零件在一定的工作条件下抵抗可能出现的失效的能力。对于载荷而言称为承载能力。

根据不同的失效原因建立起来的工作能力判定条件。

1.4标准化的重要意义是什么？

答：标准化的重要意义可使零件、部件的种类减少，简化生产管理过程，降低成本，保证产品的质量，缩短生产周期。

摩擦、磨损及润滑概述

2.1按摩擦副表面间的润滑状态，摩擦可分为哪几类？各有何特点？

答：摩擦副可分为四类：干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦。

干摩擦的特点是两物体间无任何润滑剂和保护膜，摩擦系数及摩擦阻力最大，磨损最严重，在接触区内出现了粘着和梨刨现象。液体摩擦的特点是两摩擦表面不直接接触，被液体油膜完全隔开，摩擦系数极小，摩擦是在液体的分子间进行的，称为液体润滑。边界摩擦的特点是两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，但由于边界膜较薄，不能完全避免金属的直接接触，摩擦系数较大，仍有局部磨损产生。混合摩擦的特点是同时存在边界润滑和液体润滑，摩擦系数比边界润滑小，但会有磨损发生。

2.2磨损过程分几个阶段？各阶段的特点是什么？

答：磨损过程分三个阶段，即跑合摩合磨损阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。各阶段的特点是:跑合磨损阶段磨损速度由快变慢；稳定磨损阶段磨损缓慢，磨损率稳定；剧烈磨损阶段，磨损速度及磨损率都急剧增大。

2.3 按磨损机理的不同，磨损有哪几种类型？

答：磨损的分类有磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损点蚀、腐蚀磨损。

2.4 哪种磨损对传动件来说是有益的？为什么？

答：跑合磨损是有益的磨损，因为经跑合磨损后，磨损速度减慢，可改善工作表面的性质，提高摩擦副的使用寿命。

2.5如何选择适当的润滑剂？

答：选润滑剂时应根据工作载荷、运动速度、工作温度及其它工作条件选择。

当载荷大时，选粘度大的润滑油，如有较大的冲击时选润滑脂或固体润滑剂。高速时选粘度小的润滑油，高速高温时可选气体润滑剂；低速时选粘度小的润滑油，低速重载时可选润滑脂；多尘条件选润滑脂，多水时选耐水润滑脂。

2.6润滑油的润滑方法有哪些？

答：油润滑的润滑方法有分散润滑法和集中润滑法。集中润滑法是连续润滑，可实现压力润滑。分散润滑法可以是间断的或连续的。间断润滑有人工定时润滑、手动油杯润滑、油芯油杯润滑、针阀油杯润滑、带油润滑、油浴及飞溅润滑、喷油润滑、油零润滑等几种。

2.7接触式密封中常用的密封件有哪些？

答：接触式密封常用的密封件有O形密封圈，J形、U形、V形、Y形、L形密封圈，以及毡圈。

2.8非接触式密封是如何实现密封的？

答:非接触式密封有曲路密封和隙缝密封，它是靠隙缝中的润滑脂实现密封的。

第3章 平面机构的结构分析

3.1 机构具有确定运动的条件是什么?

答：机构的主动件数等于自由度数时,机构就具有确定的相对运动。

3.2 在计算机构的自由度时，要注意哪些事项？

答：应注意机构中是否包含着复合铰链、局部自由度、虚约束。

3.3 机构运动简图有什么作用？如何绘制机构运动简图？

答：（1）能抛开机构的具体结构和构件的真实外形，简明地表达机构的传动原理，并能对机构进行方案讨论和运动、受力分析。

（2）绘制机构运动简图的步骤如下所述：

①认真研究机构的结构及其动作原理，分清机架，确定主动件。

②循着运动传递的路线，搞清各构件间相对运动的性质，确定运动副的种类。

③测量出运动副间的相对位置。

④选择视图平面和比例尺，用规定的线条和符号表示其构件和运动副，绘制成机构运动简图。

3.4 计算如题3.4图所示各机构的自由度，并说明欲使其具有确定运动，需要有几个原动件？

题3.4图

答：a ）L H 9130n P P ===，，代入式（3.1）中可得

L H 323921301F n P P =--=?-?-=

此机构要具有确定的运动，需要有一个原动件。

b) B 处存在局部自由度，必须取消，即把滚子与杆刚化，则L H 33

2n P P ===，，，代入式（3.1）中可得

L H 32332321F n P P =--=?-?-=

此机构要具有确定的运动，需要有一个原动件。

c) L H 570n P P ===，，代入式（3.1）中可得

L H 32352701F n P P =--=?-?-=

此机构要具有确定的运动，需要有一个原动件。

3.5 绘制如题3.5图所示各机构的运动简图，并计算其自由度。

题3.5图

答：取L 0.001m /mm μ=，绘制运动简图如题3.5答案图所示：

题3.5答案图

图a)：L H 340n P P ===，， ，则L H 321F n P P =--=；

图b)：L H 340n P P ===，，，则L H 321F n P P =--=。

3.6 试计算如题3.6图所示机构的自由度，并判断该机构的运动是否确定（图中绘有箭头的构件为原动件）。

题3.6图

解：a)：L H 7100n P P ===，，。

L H 32372101F n P P =--=?-?= 运动确定。 b) L H 570n P P ===，，

L H 3235271F n P P =--=?-?= 运动确定 c) L H 7100n P P ===，，。

L H 32372101F n P P =--=?-?=

运动确定

d) L H 442n P P ===，，。

L H 32342422F n P P =--=?-?-=

运动确定。

e) L H 340n P P ===，，。

L H 3233241F n P P =--=?-?=

运动确定。

f) L H 570n P P ===，，。

L H 3235271F n P P =--=?-?=

运动确定。

g) L H 9122n P P ===，，。

L H 323921221F n P P =--=?-?-=

运动确定

h) L H 9120n P P ===，，。

L H 32392123F n P P =--=?-?=

运动确定。

3.7 试问如题3.7图所示各机构在组成上是否合理？如不合理，请针对错误提出修改方案。

题3.7图

答：图示机构的自由度为零，故都不合理，修改方案如下：

对于题3.7图a的机构，在D处改为一个滑块，如题3.7图a所示。

对于题3.7图b的机构，在构件4上增加一个转动副，如题3.7答案图b所示；或在构件4的D处添加一滑块，如题3.7答案图c所示。

题3.7答案图

第4章 平面连杆机构

4.1 机构运动分析时的速度多边形与加速度多边形特性是什么？

答：同一构件上各点的速度和加速度构成的多边形与构件原来的形状相似，且字母顺序一致。

4.2 为什么要研究机械中的摩擦？机械中的摩擦是否全是有害的？

答：机械在运转时，其相邻的两构件间发生相对运动时，就必然产生摩擦力，它一方面会消耗一部分的输入功，使机械发热和降低其机械效率，另一方面又使机械磨损，影响了机械零件的强度和寿命，降低了机械工作的可靠性，因此必须要研究机械中的摩擦。

机械中的摩擦是不一定有害的，有时会利用摩擦力进行工作，如带传动和摩擦轮传动等。

4.3 何谓摩擦角？如何确定移动副中总反力的方向？

答：（1）移动或具有移动趋势的物体所受的总反力与法向反力之间的夹角称为摩擦角?。

（2）总反力与相对运动方向或相对运动趋势的方向成一钝角90?+

，据此来确定总反力的方向。

4.4 何谓摩擦圆？如何确定转动副中总反力的作用线？

答：（1）以转轴的轴心为圆心，以0()P P rf =为半径所作的圆称为摩擦圆。

（2）总反力与摩擦圆相切，其位置取决于两构件的相对转动方向，总反力产生的摩擦力矩与相对转动的转向相反。

4.5 从机械效率的观点看，机械自锁的条件是什么？

答：机械自锁的条件为0η≤。

4.6 连杆机构中的急回特性是什么含义？什么条件下机构才具有急回特性？

答：（1）当曲柄等速转动时，摇杆来回摇动的速度不同，返回时速度较大。机构的这种性质，称为机构的急回特性。通常用行程速度变化系数K 来表示这种特性。

（2）当0θ≠时，则1K >，机构具有急回特性。 4.7 铰链四杆机构中曲柄存在的条件是什么？曲柄是否一定是最短杆？

答：（1）最长杆与最短杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和；最短杆或相邻杆应为机架。

（2）曲柄不一定为最短杆，如双曲柄机构中，机架为最短杆。

4.8 何谓连杆机构的死点？举出避免死点和利用死点的例子。

答：（1）主动件通过连杆作用于从动件上的力恰好通过其回转中心时的位置，称为连杆机构的死点位置。

（2）机车车轮在工作中应设法避免死点位置。如采用机车车轮联动机构，当一个机构处于死点位置时，可借助另一个机构来越过死点；飞机起落架是利用死点工作的，当起落架放下时，机构处于死点位置，使降落可靠。

逆时针转动，

4.9 在题4.9图示中，已知机构的尺寸和相对位置，构件1以等角速度

1

求图示位置C点和D点的速度及加速度，构件2的角速度和角加速度。

题4.9图

解：取长度比例尺，绘制简图如题4.9答案图a所示。

题4.9答案图

解：（1）速度分析。

①求B v .由图可知，1B v AB ω=?，方向垂直于AB ，指向与1ω的转向一致。 ②求C v .因B 点与C 点同为构件2上的点，故有：

C B CB

v v v =+

大小 ？ 1AB l ω ？ 方向 水平 AB ⊥ BC ⊥

取速度比例尺v μ（m/s mm ）,作速度矢量图如题4.9答案图b 所示，则pc 代表C v ；bc 代表CB v ，其大小为C v v pc μ=?，CB v v bc μ=?。

③求2ω。因2CB BC v l ω=?，则

2CB BC

v l ω= 方向为顺时针转。

④求D v 。因为B 、C 、D 为同一构件上的三点，所以可利用速度影像原理求得d 点，连接pd 代表D v ，如题4.9答案图b 所示，其大小为D v v pd μ=?，方向同pd

。

（2）加速度分析。

①求B a 。由已知条件可知：21n B AB a l ω=?，方向为B →A ；0t B a =。 ②求C a 。根据相对运动原理，可选立下列方程式

n t C B CB CB a a a a =++

大小 ？ 21AB l ω 22AB l ω? ？

方向 水平 B A → C B → BC ⊥

取加速度比例尺()2m/s mm a

μ，作加速度矢量如题4.9答案图c ，则b c ''' 代表n CB a ，

c c ''' 代表t CB a 。 由图可知，C a a p c μ''=?方向同p c '' （水平向左）；t CB a a c c μ'''=?，方向同c c ''' 。

③求2α。因2t CB CB a l α=?，则

2a CB t c c CB l CB

a l μα'''==（方向为逆时针）

④求D a 。 n t n t D B DB DB C DC DC

a a a a a a a =++=++大小 ？ 21AB l ω? 22DB l ω? ？ a p c μ''? 22DB l ω? ？ 方向 ？ B A → D B → BC ⊥ p c ''

D C → BC ⊥ 作矢量图，如题4.9答案图c 所示，可见p d ''

代表D a 。 由图可见，D a =a p d μ''?，方向同p d '' 。

4.10 如题4.10图所示的铰链四杆机构中，已知30mm AB l =，75mm BC l =，32mm CD l =，80AD l mm =，构件1以等角速度110rad/s ω=顺时针转动。现已作出该瞬时的速度多边形（题4.10图b ）和加速度多边形（题4.10图 c ）。试用图解法求：（1）构件2上速度为零的点E 的位置，并求出该点的加速度E a ；（2）为加速度多边形中各矢量标注相应符号：（3）求构件2的角加速度2a 。

题4.10图 解：取m mm 0.01L μ=，作结构简图，如题4.10答案图a 所示。

（1）求构件2上速度为零的点E 及E 点的加速度E a 。

题4.10答案图

①求B v 。m s 1100.030.3B AB v l ω=?=?=，方向如题4.10答案图a 所示，且AB ⊥。

②求C v 。

C B CB v v v =+

大小 ？ m s 0.3 ？

方向 水平 AB ⊥ BC ⊥ 取m/s mm 0.01v μ=，作速度矢量图如题4.10答案图b 所示。

因0E v =，故在速度图中，e 与极点p 相重合，即三角符号Δpbc 为ΔBCE 的影像，其作图过程为：过B 点作BE pb ⊥，过C 点作CE pc ⊥，其交点即为E 点，如题4.10答案图a 所示。

③求2ω、3ω及C a 。 由图可知，m m s s 0.01330.33,0.01380.38C B v C v v bc v pc μμ=?=?==?=?=。 又因 23CB BC C CD v l v l ωω=?=? ，

则 20.33 4.40.075

CB BC v l ω===r a d s ，方向为逆时针。 30.3811.880.032

C C

D v l ω===rad s ，方向为逆时针。 C n t n t C C B CB CB a a a a a a =+=++

大小 23CD l ω ？ 21AB l ω? 22CB l ω ？

方向 C D → CD ⊥ B A → C B → BC ⊥

取2m 0.1s a μ=，作加速度矢量图，如题4.10答案图c 所示，则p c '' 代表C a 。

2m 0.145 4.5s C a a p c μ''=?=?=，方向p c ''

。 ④求E a 。利用加速度影像原理，即b c e '''?∽BCE ?。作图过程为：作

,c b e BCE c b e CBE ''''''∠=∠∠=∠，其交点即为e '，则p e '' 代表E a 。

（2）各矢量标准符号如题4.10答案图c 所示。

（3）求构件2的角加速度2α。 由图可知，2m 0.168.5 6.85s t CB a a c c μ''''=?=?=，又因2,t CB CB a l α=?则

22 6.85rad 214.1s 0.032

t

C B CB a l α===。 4.11 如题4.11图所示为一四杆机构，设已知21O B O A 2400mm l l ==，650mm BC l =， 1350mm,120rad min AB l ω==，求当1O A 平行于2O B 且垂直于AB 时的C v 和C a 。

题4.11图 解：取m 0.01mm L μ=，画出机构的位置图，如题4.11答案图a 所示。

题4.11答案图

（1） 速度分析。

①求A v 。 111200.20.4m s 60A AO v l ω==?= ，方向垂直于1O A 。 ②求B v 。因B 点与A 点同为构件2上的点，故有：

B A BA v v v =+ 大小 ？ 0.4 ？

方向 2O B ⊥ 1O A ⊥

AB ⊥ 取速度比例尺m/s 0.01mm v μ=，作速度矢量如题4.11答案图b 所示，由图可知：

B A v v pa pb ===

③求C v 。因为,A B v v =所以构件2在此瞬时作平动，即,C A B v v v pa ===

20BA BA v l ω=

= 223400.01rad 1s 0.4v B

O B O B pb v l l μω??====

方向为顺时针转。

（2）加速度分析。

① 求A a 。由已知条件可知：12221120m ()0.20.8s 60

n A O A a l ω=?=?=，方向1A O →， 0t B a =。

②求B a 。根据相对运动原理，可建立下列方程式

n t n t B B B A BA BA

a a a a a a =+=++ 大小 ？ 22

3O B l ω? ？ 0.8 0 ？ 方向 ？ 2B O → 2O B ⊥ 1B O → BA ⊥ 取2m 0.025,s a μ=作加速度矢量图如题4.11答案图c 所示，则p b '' 代表B a 。 ③求C a 。根据影像原理可得出：::BA AC b a a c ''''=，作图如题4.11答案图c 所示，可得出p c ''

代表C a 。 2m 0.02547 1.18s C a a p c μ''=?=?=，方向垂直向下。

4.12 如题4.12图所示为摆动导杆机构，设已知60mm,120mm,AB AC l l ==曲柄AB 以等角速度130rad s ω=顺时针转动。求：（1）当90BAC ∠= 时，构件3的角速度3ω和角加速度3a ；（2）当90ABC ∠= 时，构件3的角速度3ω和角加速度；（3）当180ABC ∠= （B 点转于AC 之间）时，构件3的角速度3ω和角加速度3a 。

题4.12图

解：（1）当90BAC ∠= 时，取L m 0.003mm μ=,画出机构的位置图，如题4.12答案图（一）a 所示。

题4.12答案图（一）

①求3ω。

3232B B B B v v v =+ (1)

大小 ？ 1AB l ω?

？ 方向 BC ⊥ AB ⊥ BC 取m s 0.06

mm v μ=，作速度矢量图如题4.12答案图（一）b 所示，由图可知：3pb 代表3B v ，则

B333BC L 120.06rad 5.33s 450.003

v v pb l BC μωμ??====?? 方向为顺时针，且22ωω=。

②求3α。

33323232

n t k r B B B B B B B B a a a a a a =+=++ ……（2） 大小 23BC l ω? ？ 21AB l ω? 3222B B v ω ？

方向 B C → BC ⊥ B A → BC ⊥ BC 式中3n 223m 5.33450.037.20s B BC a l ω=?=??=

22221m 300.0654s B AB a l ω=?=?=

3232k 22323m 222 5.33270.0617.3s B B B B v a v b b ωωμ=?=??=???= 取m s 1mm a μ=，作加速度矢量图如题4.12答案图（一）c 所示，由图可知：33b b ''' 代表3t B a ，将33b b '''

移至B 点，得：

3t 332330.051rad 222.6s 450.003

B a B

C L a b b l BC μαμ'''??====?? 方向为逆时针转。

（2）当90ABC ∠= 时，取L m 0.003mm μ=，画出机构的位置图，如题4.12答案图

（二）a 所示。

题4.12答案图（二）

①求3ω。依据矢量方程（1），作速度矢量图如题 4.12答案图（二）b 所示，取m s 0.06mm v μ= 。由图可知：23b b 代表32B B v ，30pb = ，则30ω=。

②求3α。依据矢量方程（2），作加速度矢量图如题 4.12答案图（二）c 所示，取2

m s 1mm a μ=。由图可知：32b b ''' 代表3t B a ，则

33223371rad 352.4s 350.003t B a BC L

a b b l BC μαμ'''??====?? 方向为逆时针转。

（3）当180ABC ∠= 时，取L m 0.003mm μ=，画出机构的位置图，如题4.12答案图（三）a 所示。

a) b) c)

题4.12答案

① 求3ω。依据矢量方程（1），作速度矢量图如题 4.12答案图（三）b 所示，取

m s 0.06

mm v μ=。由图可知：23b b 代表32B B v ，又2b 、3b 重合，则3230,B B v pb = 代表3B v ，

则 33rad s 3300.0630200.003

B b v B

C L v p l BC μωμ??====?? 方向为逆时针转。

②求3α。依据矢量方程（2），作加速度矢量如题 4.12答案图（三）c 所示，取2

m s 1mm a μ=。由图可知：因3b ''、2b '重合，30t

B v =，则30α=。 4.13 如题4.13图所示，设已知1200mm,O A l =构件逆时针转动，rad min 130ω=，求B v 及B a 。

题4.13图

解：取L m 0.005mm μ=，画出机构的位置图，如题4.13答案图a 所示。

题4.13答案图

(1) 速度分析（求B v ）。

12A A v v =,即1m s 121300.20.160

A A O A v v l ω==?=?=，方向垂直于1O A 。 22

B A BA v v v =+

大小 ？

0.1 ？ 方向 水平 1O A ⊥

铅垂 取m s 0.005

mm v μ=，作速度矢量图如题4.13答案图b 所示，由图可知：pb 代表2;B v a b

代表2BA v ,则 m 14.50.0050.073s B v v pb μ=?=?= 方向为水平。

（2）加速度分析（求B a ）。

222k r B A BA BA a a a a =++

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