大理工機械設計基礎常見問題輔導答疑

PAGEPAGE1輔導答疑1、計算機構的自由度。解：如果機構在結構上具有相似或對稱的部分，就有可能存在虛約束。因此，在此機構中可能有虛約束存在。實際上，在此機構中任意去掉一個構件都不會影響該機構的運動。例如去掉構件8，D點的運動軌跡并沒有發生任何改變。因而，由于構件8的存在而帶入的約束應為虛約束。故在計算機構的自由度時，構件8及其帶入的兩個運動副可除去不計。此外，還應注意到在A、B、C三點處有復合鉸鏈。故該機構的，，，其自由度2、圖示為一沖床傳動機構的設計方案。設計者的意圖是通過與凸輪固聯的齒輪1帶動凸輪2旋轉后，推動擺桿3并帶動導桿4來實現沖頭上、下的沖壓動作。分析此方案有無結構組成原理上的錯誤。若有，應如何修改?解：畫出該方案的機構示意圖，如圖(a)所示，計算其自由度其中：滾子B為局部自由度。由計算可知：因其自由度為零，故該方案無法實現所要求的運動要求。其主要是因為閉環5—3—4—5的自由度為零，構件3沒有相對運動，故構件2也不能相對運動。因此須將閉環5—3—4—5改為自由度為1的閉環。要使該環的自由度為1，可采用增加一個構件和一個低副或將一個低副變為高副的方法。修改方案之一如圖(b)所示，其自由度為(a)(b)3、半徑是R的半圓形凸輪沿水平方向向右移動，使推桿AB沿鉛直導軌滑動，在圖示位置時凸輪具有速度v和加速度a，求這瞬時推桿AB的速度。解：本題的關鍵在于找到動點和三種運動。動點選取時，常取接觸點；一般以常接觸點為動點；動點、動系不能選在同一物體上。為此選推桿AB上的A點為動點，則凸輪上的A點為牽連點。所以動點A的三種運動是：牽連運動——凸輪向右的直線運動相對運動——動點A沿著凸輪廓線的曲線運動絕對運動——動點A沿鉛垂向上的直線運動由速度合成定理及速度矢量多邊形得：∴推桿AB的速度∴速度矢量圖4、何謂機構的自鎖？機構自鎖的條件是什么？解：“自鎖”的概念，必須正確理解。不能誤認為機構運動不起來就是自鎖。所謂機構的自鎖是指：第一、就機構的結構而言它本應是能夠運動的(即其自由度F>0)；第二、在驅動力任意增大的情況下都不能產生運動。此外，尚須明確，所謂機構具有自鎖性，只是指該機構在某個方向的驅動力的作用下，或者在某一構件為主動件的情況下是自鎖的，并非機構在任何情況都不能運動。至于是否需要使機構具有自鎖性，要視工作需要而定。在一般情況下，如無自鎖性的要求，應避免機構具有自鎖性，因為具有自鎖性的機構，一般效率都比較低。判定機構是否會自鎖和在何條件下自鎖，要根據具體情況分析驅動力是否作用于摩擦角、摩擦圓之內或效率η≤0等方法來判斷。5、要求進行動平衡的回轉件，如果只進行靜平衡是否一定能減輕不平衡質量造成的不良影響？解：剛性轉子的靜平衡只解決慣性力的平衡問題，它實質上是一個平面匯交力系的平衡問題。而動平衡則是既平衡慣性力又平衡慣性力偶。不過，我們可以把動平衡問題簡化為在選定的兩個平衡基面中，分別平衡一組平面匯交力系的問題。所以，為解決剛性轉子的靜平衡問題，只要適當地加一個平衡配重就行了，而為解決動平衡問題，則需要在兩個平衡基面中，分別適當地各加一個平衡配重，即共需加兩個平衡配重才行。若要進行動平衡，如果只進行靜平衡，不一定能減輕動平衡造成的不良影響。6、飛輪和調速器的作用是什么？有何區別？解：飛輪的作用是當機器出現盈功時把多余的能量吸收和儲存起來，當機器出現虧功時又把儲存的能量釋放和補償出來，從而降低機器運轉速度的波動程度，即在機器內部起轉化和調節功能的作用，而其本身并不能產生新的能量使機器在一個運動循環中的能量增加或減少。調速器的作用則不同，它是從機器的外部來調節輸入機器的能量，使機器恢復穩定運轉。兩者的調速原理不同，解決的問題也不同。正因如此，所以在同一部機器中可能既裝有飛輪又裝有調速器。這也是一個必須搞清的概念。7、何謂“死點”？它在什么情況下發生？它與“自鎖”在本質上的區別什么？解：機構處于“死點”時，機構的傳動角、而壓力角，這時不論驅動力多大，都不能使機構運動。這一點似乎與“自鎖”很相似，但實質兩者是不同的。我們知道，機構所以發生自鎖，是由于機構中存在摩擦的關系，而當機構處于死點時，即使不存在摩擦，機構也是不能運動的，這就是它們的本質區別，不能加以混淆。8、何謂凸輪的壓力角？該壓力角的大小在凸輪的設計中有何重要意義？為何要規定許用壓力角？解：所謂凸輪的壓力角α，就是從動件與凸輪接觸點的速度方向和受力方向之間所夾的銳角。α愈大，有用分力愈小，有害分力愈大，對導路側面產生的壓力愈大，導路中的摩擦阻力也就愈大，機構的效率就愈低。當α大到機構不能克服摩擦阻力時，凸輪就不能推動從動件運動，機構將發生自鎖。可見α是影響凸輪機構受力狀況的一個重要參數。實踐證明，當增α大到接近αmin時，即使尚未發生自鎖，也會導致摩擦力急劇增大，凸輪輪廓嚴重磨損，效率降低。因此，實際設計中，為了安全起見，規定了壓力角的許用值[α]。對直動從動件，推程是：[α]=30°~40°對擺動從動件，推程是：[α]=40°~50°。9、軸向受壓的正方形截面柱，在其中部開一槽如圖(a)所示，試求桿開槽前與開槽后桿中最大壓應力的比值。解：沒開槽前桿為軸向壓縮，橫截面上的正應力為開槽后，槽口部分則是偏心壓縮，其受力如圖(b)所示，此時橫截面上的最大壓應力為顯然即開槽前與開槽后桿中最大壓應力的比值為1:8。10、圖示釘子受拉力P作用，該釘子頭部的剪應力和擠壓應力分別是多少？解：這類問題的關鍵是受剪面積和擠壓面積的確定頭部受剪面積為所受的剪應力為頭部的擠壓面積為頭部所受的擠壓應力為11、“等截面梁純彎曲時，變形后梁的撓曲線必為一圓弧線；反之，若變形后梁的撓曲線是一條圓弧線，則該梁必為純彎曲”，這種說法對嗎？為什么？解：梁的撓曲線的曲率與彎矩間的關系為純彎曲時，為常量，對等截面梁來說，為常量，所以曲率亦為常量(即撓曲線各處的彎曲程度相同)，故撓曲線必為圓弧線。反之，若撓曲線為圓弧線，則此時為常量，亦為常量，該梁也必為純彎曲。12、低碳鋼(塑性材料)和鑄鐵(脆性材料)圓截面桿受扭破壞的斷口分別(a)、(b)所示，低碳鋼桿沿橫截面破壞，鑄鐵桿沿斜截面破壞。這表明塑性材料的抗剪強度低于抗拉強度；脆性材料的抗剪強度高于抗拉強度，這種說法對嗎？為什么？解：圓桿扭轉時，橫截面上只存在剪應力，桿沿橫截面破壞，表明圖(a)所示的桿是被剪壞的。圖(b)所示的斜截面上存在拉應力，由純剪應力（c）狀態下斜截面正應力的計算公式可知，當時，值最大且為拉應力，即，從而可知圖(b)示的圓桿是被拉壞的。根據桿件破壞的斷口和上面的分析可知，塑性材料的抗剪強度低于抗拉強度(若抗剪強度高于抗拉強度，則沿斜截面破壞)；脆性材料的抗剪強度高于抗拉強度(反之，則沿橫截面破壞)。13、正方形截面細長壓桿，若截面的邊長由a增大到2a后認為細長桿（其他條件不變），則桿的臨界力是原來的臨界力的多少倍？解：細長壓桿（即大柔度桿）的臨界力公式為在桿的截面尺寸改變（其他條件不變）時，只有式中的值不同。當正方形截面的邊長由a增大到2a時，慣性矩值為故此時桿的臨界力是原來的臨界力的16倍。14、公式有何用處？其中A取決于什么？計算出的d應作為軸上哪部分的直徑？解：用公式可估算軸的最小直徑，也可設計只受轉矩作用的軸的直徑。其中A取決于許用扭轉剪應力。計算出的d應作為軸上最細部分的直徑。15、受預緊力和工作拉力的緊螺栓聯接，為什么其總拉力≠預緊力+工作拉力？解：螺母擰緊，但未受工作拉力時，螺栓僅受預緊力的拉伸作用。當螺栓承受工作拉力后，螺栓的伸長量增加了；同時被聯接件隨之放松了，所受壓力減小至F'o(剩余預緊力)，被聯接件的壓縮量減小了。因而，螺栓的總拉力F∑為工作拉力F與剩余預緊力F'o之和。16、擰緊的螺栓為什么會松開？解：一般螺紋聯接能滿足自鎖條件而不會松脫，但在受振動和沖擊載荷，或者是溫度變化較大時，聯接螺母可能會逐漸松脫。為了使連接可靠，設計時必須考慮防松措施。17、節圓和分度圓有何區別？在什么條件下節圓和分度圓是重合的？答：分度圓是計算齒輪各部分尺寸的基準，每個齒輪都有一個，也僅僅有一個大小完全確定的分度圓。而節圓是在一對齒輪嚙合傳動時，以齒輪的軸心為圓心過兩齒輪嚙合的節點所作的圓，對于單個齒輪來講，因無節點，所以也就無所謂節圓。因此，節圓只有在兩齒輪嚙合傳動時才存在，而且其大小將隨兩輪中心距的改變而改變，當兩標準齒輪標準安裝時，兩輪的節圓才與各自的分度圓相重合。18、嚙合角和齒輪的壓力角何區別？在什么條件下嚙合角和壓力角是相等的？解：嚙合角是在一對漸開線齒輪嚙合傳動時，嚙合線與過節點所作兩輪節圓的公切線之間所夾的銳角，它在數值上等于漸開線齒廓在節點處的壓力角。當兩標準齒輪的中心距為標準中心距時，節圓與分度圓重合，所以嚙合角在數值上也就等于齒輪的壓力角。但是嚙合角和壓力角是兩個不同的概念。19、一對大、小齒輪傳動作單向（或雙向）傳動時，它們的σF是否相等？σH是否相等？為什么？解：因齒輪傳動的接觸強度主要取決于兩輪接觸處的綜合曲率半徑，因此［σH1］=［σH2］；而彎曲應力的大小主要取決于齒數的大小，所以［σF1］≠［σF2］。20、在一對大、小齒輪的直徑和其他條件一定的情況下，減少齒數z、增大模數m，會否降低計算接觸應力σH或計算齒根應力σF？為什么？z和m選擇原則如何？解：因齒輪傳動的接觸強度取決于齒輪分度圓直徑的大小，若僅改變齒輪的模數或齒數其積不變，則輪齒的接觸強度就不變；而彎曲應力的大小主要取決于模數的大小，增大模數m，將會減小齒根應力σF。z和m選擇原則：對閉式軟齒面齒輪傳動，通常取z1=20~40；對閉式硬齒面及開式傳動，取z1=17～20；對高速、易發生膠合的齒輪傳動，薦用z1≥25～270。閉式軟齒面傳動的傳動尺寸主要由接觸疲勞強度決定，其彎曲強度較富裕。因此，在保證傳動尺寸(如中心距a)不變且彎曲強度足夠的條件下，宜選用較多的齒數和較小的模數。采用較多的齒數，重合度增大，提高了傳動的平穩性，同時由于模數的減少，齒高降低，輪齒切削加工量減少，齒面滑動系數減小，有利于提高輪齒的抗磨損和抗膠合能力。閉式硬齒面和開式傳動，應以保證彎曲強度為主，應適當選取較小齒數(z1≥Zmin)，以免傳動結構尺寸過大。模數應符合國家標準模數系列。對于傳遞動力的齒輪，m≥1.5～2mm。對于開式齒輪傳動，考慮磨損對齒根彎曲強度的影響，將計算出的m值擴大10％～15％。21、何為蝸桿直徑系數q？為什么要規定它為標準值？解：由于，設，因而，稱為蝸桿直徑系數。為了便于刀具標準化，對每一標準模數m規定了1~3個標準值，這樣受到了限制，減少了標準滾刀的數量。非標準蝸桿可以不考慮直徑系數q為標準值22、為什么對蝸桿傳動要特別注意潤滑和散熱？解：蝸桿傳動齒面上有大相對滑動速度，其傳動效率低，產生的熱量不易散發出去，齒面間容易產生磨損、膠合現象。故除了對蝸輪材料有減摩性、抗膠合的能力的要求外，良好的潤滑和及時散熱是蝸輪傳動正常工作的保證。23、帶傳動為什么要限制最小中心距和最大傳動比？解：中心距小會導致帶輪的包角變小；傳動比大也導致帶輪的包角變小，從而使極限有效拉力降低，傳遞載荷的能力降低。24、小帶輪的基準直徑為什么必須大于規定的最小基準直徑？解：帶在變應力下工作，最大應力發生在帶的緊邊開始繞上小帶輪處，其最大值為。小帶輪的基準直徑過小，增大，增大，這樣帶很容易出現疲勞破壞。25、為什么鏈條節數選偶數、鏈輪齒數選奇數？鏈節距大小對鏈傳動有何影響？解：當鏈條節數選偶數時，鏈的接頭處可用開口銷或彈簧卡片來固定；當鏈條節數為奇數時，則需加過渡鏈節，由于過渡的鏈板受到附加彎矩的作用，使其強度低于一般鏈節，故一般情況下盡量避免采用奇數鏈節，而鏈輪齒數選奇數。有利于鏈傳動磨損均勻。鏈節距大，承載能力高，運動不平穩，噪音大。因此在滿足傳動的前提下，應盡量選小節距鏈。26、怎樣的聯軸器具有補償兩軸間偏移的能力？解：撓性聯軸器具有補償兩軸間偏移的能力。撓性聯軸器分為無彈性元件撓性聯軸器，如：十字滑塊聯軸器、齒式聯軸器等；有彈性元件撓性聯軸器，如：彈性套柱銷聯軸器、彈性柱銷聯軸器。27、滾動軸承的公差配合與一般圓柱體的公差配合有什么不同？怎樣選擇滾動軸承的配合?解：滾動軸承的配合主要是指內圈與軸頸及外圈與軸承座孔的配合。滾動軸承為標準件，因此，軸承內圈與軸頸的配合采用基孔制，外圈與軸承座孔的配合采用基軸制。滾動軸承各級精度軸承的內徑和外徑的公差帶均為單向制，即統一采用上偏差為零、下偏差為負值的分布。而普通圓柱公差標準中基準孔的公差帶都在零線以上。因此，軸承內圈與軸頸的配合要比圓柱體基孔制同名配合緊得多，圓柱公差標準中的許多過渡配合在這里實際成為過盈配合，而有的間隙配合，在這里實際變為過渡配合。滾動軸承的配合既不能過松也不能過緊。配合過松，不僅會影響軸的旋轉精度，甚至會使配合表面發生滑動。過緊的配合會使整個軸承裝置變形，從而不能正常工作，且難于裝拆。因此要正確選擇軸承配合。軸承配合的選擇，一般應考慮下列因素：(1)當內圈旋轉，外圈固定時，內圈與軸頸之間應采用較緊的配合，如n6、m6、k6等；外圈與軸承座孔應選擇較松的配合，如J7、H7、G7等；(2)軸承承受載荷較大、轉速較高、沖擊振動較強烈時，應采用較緊的配合。反之，可選較松的配合；(3)游動支承上的軸承，外圈與座孔應選用有間隙的配合，以利于軸在受熱伸長時能沿軸向游動，但應保證軸承工作時外圈在座孔內不發生轉動；(4)對剖分式軸承座，外圈應采用較松的配合；經常拆裝的軸承