机械原理思考题参考答案

机械原理思考题0-5

1.何谓机器？何谓机构？何谓机械？何谓构件？何谓零件？

机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。

机器有三个特征：⑴是人为的实物的组合；⑵各部分之间具有确定的相对运动；⑶用来变换或传递能量、物料、信息。

用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用构件间能够相对运动的连接方式组成的构件系统称为机构。

机构有两个特征：⑴是人为的实物的组合；⑵各部分之间具有确定的相对运动。

机械是机器和机构的总称。构件是运动的单元。一个构件可以包括一个或若干个零件。零件是制造的单元。

2.何谓通用零件？何谓专用零件？

在各种机械中经常用到的零件称为通用零件。只在某些机械中用到的零件称为专用零件。

3.何谓平面机构？何谓空间机构？

所有构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构，否则称为空间机构。

4.何谓自由度？一个作平面运动的自由构件有几个自由度？

构件相对于参考系的独立运动称为自由度。一个作平面运动的自由构件有3个自由度。

5.何谓运动副？何谓低副？何谓高副？

两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副。两构件通过面接触组成的运动副称为低副。两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。

6.何谓机架？何谓原动件？何谓从动件？

7.机架是机构中相对不动的构件。原动件是运动规律已知的活动

构件。在机构运动简图中，通常要用箭头标明原动件的运动方向。从动件是机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件。

8.转动副、移动副、高副各约束几个自由度？保留几个自由度？

转动副约束2个自由度，保留1个自由度。

移动副约束2个自由度，保留1个自由度。

高副约束1个自由度，保留2个自由度。

9.机构具有确定运动的条件是什么？若此条件不满足，将会产生

什么结果？

机构具有确定运动的条件是F＞0，且F等于原动件数。

F＞0时，如原动件数目少于自由度数，则运动不能确定；如原动件数目多于自由度数，则机构不能满足所有原动件的给定运动。

F＝0时，构件之间不可能存在相对运动，是一个刚性桁架。

F＜0时，构件之间所受约束过多，成为超静定桁架。

10.如何计算平面机构的自由度数？计算自由度时应注意哪些问

题？

机构自由度的计算公式是：

F＝3n－2P L－P H

式中 F——机构自由度，又称机构活动度；

n——机构中活动构件数；PL——低副数；P H——高副数。

计算自由度时应注意识别和适当处理复合铰链、局部自由度和虚约束。11.何谓复合铰链？如何处理？

两个以上的构件同时在一处用转动副相连接就构成复合铰链。

当K个构件用复合铰链相连接时，组成的转动副的数目等于（K －1）个。

12.何谓局部自由度？如何处理？

机构中某一构件的自由运动不影响输出构件的运动，称为局部自由度或多余自由度。

局部自由度常见于凸轮机构的滚子从动件及类似的将滑动摩擦变为滚动摩擦的情况中。

处理方法是将滚子和与滚子用转动副连接的构件固结成一个构件，它们之间原来构成的转动副自行消失。

13.何谓虚约束？如何处理？

虚约束是在机构中不产生实际约束效果的重复约束。

存在虚约束的机构，必须满足一定的几何条件；当必要的几何条件不能满足时，虚约束将变成实际约束。

处理方法是将虚约束除去不计。

14.何谓平面连杆机构？何谓平面四杆机构？何谓铰链四杆机构？

平面连杆机构是许多构件用低副（转动副和移动副）连接组成的平面机构，有时也称为低副机构。

由四个构件组成的平面连杆机构称为平面四杆机构。

全部四个运动副都是转动副的平面四杆机构，称为铰链四杆机构。

15.平面连杆机构有哪些优缺点？

优点：面接触，承载能力高，耐磨损；制造简便，易于获得较高的制造精度。

缺点：不易精确实现复杂的运动规律；设计较为复杂；构件数和运动副数较多时，效率较低。

16.平面四杆机构有哪些演化途径？

平面四杆机构的演化途径有：用移动副取代转动副、变更杆件长度、改换机架和扩大转动副等。

17.何谓连杆？何谓连架杆？何谓曲柄？何谓摇杆？

不与机架直接连接的构件称为连杆。

与机架用转动副连接的构件称为连架杆。

能绕转动副中心作整周转动的连架杆，称为曲柄。

仅能在小于360°的某一角度内摆动的连架杆，称为摇杆。

18.铰链四杆机构有哪三种基本型式？

曲柄摇杆机构：两个连架杆分别是曲柄和摇杆。

双曲柄机构：两个连架杆都是曲柄。

双摇杆机构：两个连架杆都是摇杆。

19.含有一个移动副的平面四杆机构有哪些类型？

当取不同的构件为机架时，可分别获得：曲柄滑块机构；导杆机构（包括转动导杆机构和摆动导杆机构）；曲柄摇块机构（摆动滑块机构）；移动导杆机构（定块机构）。

20.何谓对心曲柄滑块机构？何谓偏置曲柄滑块机构？

当曲柄摇杆机构的摇杆和机架无限增长时，摇杆和连杆的连接点的运动轨迹变为直线，摇杆的运动变为移动，摇杆转化为滑块，机架转化为导轨，曲柄摇杆机构转化为曲柄滑块机构。

在曲柄滑块机构中，导杆为机架。导路中心线通过曲柄转动中心的曲柄滑块机构称为对心曲柄滑块机构；

导路中心线不通过曲柄转动中心的曲柄滑块机构称为偏置曲柄滑块机构。

21. 何谓转动导杆机构？何谓摆动导杆机构？

在曲柄滑块机构中，如取导杆的相邻杆为机架，就得到导杆机构。如机架是最短杆，则两个连架杆都能作整周转动，称为转动导杆机构。

如机架不是最短杆，则只有一个连架杆能作整周转动，称为摆动导杆机构。

22. 何谓摇块机构？何谓定块机构？

在曲柄滑块机构中，如取导杆的相对杆为机架，就得到摇块机构。在摇块机构中，滑块与机架用转动副C 连接，导杆相对于滑块滑动，并与滑块一起绕连接点C 摆动。

在曲柄滑块机构中，如取滑块为机架，就得到定块机构。

23. 何谓偏心轮机构？

当曲柄较短时，往往由于工艺、结构和强度等方面的需要，将曲柄和连杆间的转动副的销子半径扩大到超过曲柄长度，曲柄就转化为偏心轮，称为偏心轮机构。

24. 平面多杆机构是否都可以看成是由若干个平面四杆机构组合形

成的？

平面连杆机构不一定能分解成四杆机构的组合。

25. 铰链四杆机构存在曲柄的条件是什么？以不同构件为机架时，

各为何种机构？

铰链四杆机构存在曲柄的条件是：

⑴最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和； ⑵取最短杆或最短杆相邻杆为机架。取最短杆为机架时，为双曲柄机构。

取最短杆相邻杆为机架时，为曲柄摇杆机构。

26. 铰链四杆机构不存在曲柄的条件是什么？

铰链四杆机构不存在曲柄的情况有：

⑴最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，此时不论取哪个杆为机架，都不存在曲柄，都是双摇杆机构；

⑵最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，但取最短杆相对杆为机架。

27. 在曲柄摇杆机构中，当摇杆处于极限位置时，曲柄与连杆的位

置有什么关系？

在曲柄摇杆机构中，当摇杆处于极限位置时，曲柄与连杆共线。

28. 何谓急回运动特性？何谓行程速比系数Ｋ？何谓极位夹角θ？

它们之间有何关系？

当机构的原动件作连续匀速转动，而输出件作往复运动（摆动或移动）时，输出件在正行程和反行程中的平均线速度v m 不同，一快一慢。为了提高机械的生产效率，应使机构慢速运动的行程为工作行程，而快速运动的行程为空回行程，则输出件的运动具有急回运动特性。

正、反行程的平均线速度之比称为行程速比系数，用K 表示。即

K ＝

正

反

m m V V ＞1 它们之间的关系是：

K ＝θ

θ-?+?180180（2-4）

θ＝1

180+-?

K K （2-5）

29. 何谓压力角？何谓传动角？它们的大小对连杆机构工作有何影

响？如何在机构简图上标示α角和γ角？在不计各杆质量和运动副中的摩擦的情况下，作用在从动件上的驱动力和该力作用点处从动件的绝对速度之间所夹的锐角，称为压力角，用α表示。

压力角的余角，称为传动角，用γ表示。

α越小，γ越大，传动越省力，机构传力性能越好，传动效率越高。反之，α越大，γ越小，传动越费力，机构传力性能越差，传动效率越低，并有可能自锁。

对于连杆机构，连杆和从动件之间所夹的锐角，即为传动角γ。压力角α可根据定义标示出，且α+γ=90°。

在机构简图上标示α角和γ角的实例见教材图2-23，及习题2-3。

在机构简图上标示α角和γ角时，应特别注意同一机构取不同构件为主动件时，压力角α和传动角γ是不同的。

30. 如何确定曲柄摇杆机构最小传动角的位置？

当曲柄为主动件时，曲柄转到与机架共线的两个位置时，传动角将出现两次极小值，其中较小者，即为最小传动角γmin 。

当摇杆为主动件时，γmin ＝0。

31. 何谓机构的死点位置？如何求出机构的死点位置？

当机构从动件上的传动角γ＝0（α＝90°）时，驱动力和从动件受力点的运动方向垂直，其有效分力（力矩）为零，这时的机构位置称为死点位置。

在死点位置，连杆和从动件共线。

32. 按给定的行程速比系数Ｋ和机架长度l 4，如何用解析法设计摆

动导杆机构？

见教材P33和习题2-8。

33. 按给定的行程速比系数Ｋ、滑块行程S 和偏距e ，如何用解析法

设计曲柄滑块机构？见教材习题2-7。

34. 凸轮机构主要由哪些基本构件组成？

凸轮机构主要由凸轮、从动件、机架三个基本构件组成。

35. 按凸轮的形状，凸轮机构分为哪几类？

按凸轮的形状分为

盘形凸轮：绕固定轴线转动且有变化向径的盘形构件。移动凸轮：具有曲线轮廓、作往复直线移动的构件。圆柱凸轮：在圆柱面上开有曲线凹槽或在圆柱端面上作出曲线轮廓的圆柱体。

36. 按从动件的型式，凸轮机构分为哪几类？

按从动件的型式，凸轮机构分为尖顶从动件：端部呈尖点。滚子从动件：端部装有滚子。平底从动件：端部为一平底。

37. 比较尖顶、滚子、平底从动件的优缺点？各应用于何种场合？尖顶从动件结构简单，能与任何形状的凸轮轮廓上各点相接触，因而理论上可实现任意预期的运动规律。但由于尖顶易磨损，故只能用于轻载低速的场合。

由于滚子与凸轮之间可形成滚动摩擦，所以磨损显著减少，能承受较大载荷。滚子从动件应用较广，但滚子从动件端部重量较大，又不易润滑，故仍不宜用于高速。滚子从动件广泛用于速度不高、载荷

较大的场合。

若不计摩擦，凸轮对平底从动件的作用力始终垂直于平底，传力性能良好，且凸轮与平底接触面间易形成润滑油膜，摩擦磨损小、效率高，故可用于高速。缺点是不能用于凸轮轮廓有内凹的情况。

38.凸轮机构有哪些优缺点？

优点：只要正确地设计和制造出凸轮的轮廓曲线，就能把凸轮的回转运动准确可靠地转变为从动件所预期的复杂运动规律的运动，而且设计简单；凸轮机构结构简单、紧凑、运动可靠。

缺点：凸轮与从动件之间为点或线接触，故难以保持良好的润滑，容易磨损；加工制造较复杂。

39.凸轮轮廓曲线是由什么确定的？

凸轮轮廓曲线是由从动件的运动规律确定的，也就是由从动件的位移（角位移）线图确定的。

40.何谓从动件运动规律？从动件运动规律是由什么确定的？

从动件的运动规律是指其位移s、速度v和加速度a（或角位移φ、角速度ω和角加速度ε）等随凸轮转角而变化的规律。

从动件运动规律是由从动件的工作要求确定的。

41.何谓凸轮的基圆？何谓从动件行程？

基圆是以凸轮轮廓的最小向径r0所作的圆，r0称为基圆半径。

对于直动从动件，行程为从动件两极限位置间的移动距离。

对于摆动从动件，行程为从动件两极限位置间的摆动角度。

42.有哪几种常用的从动件运动规律？

常用的从动件运动规律有等速运动规律、简谐运动规律（余弦加速度运动规律）和正弦加速度运动规律（摆线运动规律）。

43.等速运动规律在何时存在何种冲击？应用于何种场合？

等速运动规律在运动开始和终止的瞬时，存在刚性冲击。

等速运动规律只适用于低速轻载的场合。

44.简谐运动规律在何时存在何种冲击？应用于何种场合？

简谐运动规律在运动开始和终止的瞬时，存在柔性冲击。

简谐运动规律适用于中速中载的场合。但若从动件作无停歇的升—降—升型连续运动，则加速度曲线为光滑连续的余弦曲线，消除了“软冲”，可用于高速。

45.正弦加速度运动规律是否存在冲击？应用于何种场合？

正弦加速度运动规律不存在冲击。

正弦加速度运动规律适用于高速凸轮机构。

46.何谓刚性冲击？何谓柔性冲击？

从动件的瞬时加速度理论上为无穷大，因而产生理论上亦为无穷大的惯性力，对机构造成强烈的冲击，这种冲击称为“刚性冲击”或“硬冲”。

从动件的瞬时加速度发生有限值的变化，引起的冲击也是有限的，这种冲击称为“柔性冲击”或“软冲”。

47.何谓凸轮机构的压力角？压力角的大小与凸轮机构的传力性能

有何关系？

压力角是不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力（法向力）与从动件上受力点速度方向所夹的锐角。

压力角越小，凸轮机构的传力性能越好。

48.何谓自锁？在什么情况下凸轮机构会发生自锁？

如果凸轮机构运动到某一位置的压力角大到使有效分力不足以克服摩擦阻力，不论推力多大，都不能使从动件运动。这种现象称为凸轮机构的自锁。

49.齿轮机构有哪些主要优缺点?

齿轮机构的优点有：使用的圆周速度和功率范围广；效率较高；能保证恒定的传动比；寿命长；工作平稳，可靠性高；能传递任意夹角两轴间的运动。

缺点有：制造、安装精度要求较高，因而成本也较高；不宜作远距离传动。

50.为什么齿轮传动要保持定角速比？

齿轮传动的基本要求之一是瞬时角速度之比（或称传动比）必须保持不变。

假如这一条件不满足，则当主动轮以等角速度回转时，从动轮的角速度为变数，就会产生惯性力。这种惯性力不仅降低齿轮的寿命，而且还引起机器的振动和噪音，影响其工作精度，甚至造成损坏。

51.要使一对齿轮传动时保持定角速比，则齿廓曲线应满足什么条

件？

欲使两齿轮瞬时角速比恒定不变，则无论齿廓在何处啮合，过接触点所作的齿廓公法线必须与连心线交于一个定点。

52.在机械中常用的齿廓有哪几种？

在机械中常用的齿廓有渐开线齿廓、摆线齿廓和圆弧齿廓。

53.何谓节点？何谓节圆？

过两齿廓接触点所作的齿廓公法线与两轮连心线的交点C称为节点。

以两轮轮心为圆心，过节点C所作的两个相切的圆称为节圆。

一对齿轮传动时，它的一对节圆在作纯滚动。

54.圆的渐开线是怎样形成的？有哪些主要性质？

当一直线在一圆周上纯滚动时，此直线上任意一点的轨迹称为该圆的渐开线。

这个圆称为渐开线的基圆，该直线称为发生线。

渐开线的性质有：

1）发生线在基圆上滚过的一段长度等于基圆上相应被滚过的一段弧长。

2）渐开线上任意一点的法线必与基圆相切。

3）渐开线齿廓上各点的压力角不等。离轮心越远，压力角越大。

4）渐开线的形状取决于基圆的大小。

5）基圆内无渐开线。

55.怎样确定渐开线上一点的压力角？渐开线上不同点压力角变化

规律如何？

渐开线上任意一点K的压力角

k r

cos。

基圆上的压力角为0。向径r k越大，即K点离轮心越远，其压力角越大。

参见P71习题4-4。

56.为什么渐开线齿廓满足定角速比要求？

渐开线齿廓不论在何处啮合，过两轮齿廓啮合点所作的公法线必为两基圆的一条内公切线。由于两轮的基圆为定圆，在其同一方向的内共切线只有一条，它与连心线的交点必定是一个定点，因此，渐开