机械原理第2、3、4、6章课后答案西北工业大学(第七版)

第二章机构结构分析主题2-11图A显示了一个简单冲床的初步设计。设计者的思路是：动力由齿轮1输入，使轴A连续转动；由固定在轴A上的凸轮2和杠杆3组成的凸轮机构使冲头4上下移动，以达到冲孔的目的。尝试绘制其机构的运动图(在图上测量所有尺寸)，分析设计意图是否能够实现，并提出修改方案。解决方法：1)取比例尺，画出机构的运动图。(图2-11a)2)为了分析设计意图是否能够实现，必须首先计算机构的自由度。尽管该机构具有四个运动部件，但是齿轮1和凸轮2固定在轴A上，并且只能用作一个运动部件，因此原始零件的数量不等于自由度，所以这个简单的冲床不能移动，也就是说，不能实现设计意图。分析：因为构件3和4、框架5和运动副B、C和D形成了不能移动的刚性桁架。因此，有必要增加部件的自由度。3)提出一种改进方案：可在机构的适当位置增加一个活动件和一个低副，或者用高副代替低副。(1)在构件3和4之间添加连杆和旋转副(图2-11b)。(2)在构件3和4之间添加滑块和移动对(图2-11c)。(3)在构件3和4之间增加一个滚子(局部自由度)和一个平面高度对(图2-11d)。讨论：增加机构自由度的方法一般是在适当的位置增加一个构件(相当于增加3个自由度)和一个低副(相当于引入2个约束)，如图2-1(b)(c)所示，相当于给机构增加1个自由度。用高副代替低副也能增加机构的自由度，如图2-1(d)所示。主题2-12图A显示了一个小型印刷机。在图中，齿轮1和偏心轮1是相同的部件，并围绕固定轴线o连续旋转。齿轮5具有凸轮槽，摆杆4上的滚子6嵌入该槽中，从而摆杆4围绕C轴线上下摆动。同时，偏心轮1、连杆2和滑杆3上下移动C轴。最后，冲头8被滑块7和铰链G压入摆杆4的叉槽中。试着画出其机构的运动图并计算自由度。解决方案：分析机制的组成：该机构由偏心轮1(固定在齿轮1上)、连杆2、滑杆3、摆杆4、齿轮5、滚轮6、滑块7、冲头8和机架9组成。偏心轮1和框架9、连杆2和滑杆3、滑杆3和摆杆4、摆杆4和滚轮6、齿轮5和框架9、滑块7和冲头8都形成旋转副，滑杆3和框架9、摆杆4和滑块7、冲头8和框架9都形成移动副，齿轮1和齿轮5、凸轮(槽)5和滚轮6形成高副。因此.解决方案1:解决方案2:局部自由度主题2-13是一种如图A所示的新型偏心轮滑阀真空泵。偏心轮1绕固定轴线A旋转，与外环2固定连接的滑阀3在可绕固定轴线C旋转的气缸4中滑动.当偏心轮1沿图中所示的方向连续旋转时，设备中的空气可以沿图中所示的方向从阀5中排出以形成真空。因为在外环2和泵室6之间有一个小间隙，所以含有微小灰尘的气体可以被泵送。试着画出其机构的运动图并计算其自由度。解决方法：1)取比例尺，画出机构的运动图。(如图2-3所示)2)主题2-14图A显示了由高级别截肢者设计的假肢膝关节机构，它可以保持人类行走的稳定性。如果以颈骨1为框架，尝试绘制其机构运动图，计算其自由度，并绘制大腿弯曲90度时的机构运动图。解决方法：1)取比例尺，画出机构的运动图。虚线显示了大腿弯曲90度时机构的运动图。(如图所示)2)弯曲90时机构的运动示意图如下：问题2-15:画出图A所示仿人机械手食指机构的机构运动图(手指8为相对固定的框架)，并计算其自由度。问题2-16试着计算每个机构的自由度，如图所示。图a和d是齿轮连杆组合机构；图b是凸轮连杆组合机构(两个滑块在图中d处铰接在一起)；图c是精细压制机构。在图d所示的机构中，由齿轮3和5以及齿条7和齿轮5的啮合对提供的约束数量是相同的吗？为什么？解决方案：a)a是复合铰链。(b)解决方案1:解决方案2:虚拟约束局部自由度在2和4处有局部自由度(c)解决方案1:解决方案2:虚拟约束局部自由度c、f和k处有复合铰链。d)齿轮3和齿轮5之间的啮合是一个高副(因为两个齿轮之间的中心距离受到限制，所以应该是单侧接触)，这将提供一个限制。齿条7和齿轮5作为高副的啮合(由于中心距离不受约束，所以应该是双向接触)将提供两个约束。主题2-18图显示了一种制动机制。制动时，操纵杆1被拉到右侧，两个制动蹄通过部件2、3、4、5和6制动车轮。尝试计算该机构的自由度，并解释该机构的自由度在制动过程中的变化。(车轮不是制动机构的部件。)解决方案：1)不制动时制动机构的自由度。2)制动蹄g和j之一制动车轮时制动机构的自由度3)制动蹄G和J同时制动车轮时制动机构的自由度问题2-20尝试画出图A所示的凸轮驱动的四缸活塞空气压缩机的机构运动图，并计算其机构的自由度(图中，凸轮1致动器转动时，推动分别安装在四个活塞上的a、b、c、d处的滚子，使活塞在相应的气缸内往复运动。AB=BC=CD=AD)。解决方法：1)取比例尺，画出机构的运动图。(如图2-7(b)所示)2)该机构由一个凸轮、四个滚轮、四个连杆、四个活塞和一个机架组成。凸轮和4个滚子形成一个高副，4个连杆、4个滚子和4个活塞分别在A、B、C和D处形成3对复合铰链。四个活塞和四个气缸(框架)形成一个移动副。解决方案1:虚拟约束：这是因为4和5、6和7、8和9是不影响机构的传动运动的重复部件，并且由连杆10、11、12和13带来的约束是虚拟约束。该机制可以简化为图2-7(b)重复部分中的组件数量少，对的数量多，对的数量是局部自由度。局部自由度解决方案2:如图2-7(b)所示局部自由度主题2-21图A显示了一种可伸缩的折叠支撑机构。支架中的部件1和5分别通过木螺钉连接到固定压板1和可移动压板5，两者在D处铰接，以使可移动压板相对于固定压板旋转。另外，通过将由部件1、2、3和4以及连杆3上的点E处的销形成的铰链四杆机构与由部件5上的连杆弯曲槽形成的销槽连接，可移动压板可以缩回和伸出。在图中所示的位置，尽管可移动压板上放置了重物，但可移动压板不会自动缩回。只有当铰链B和D通过沿箭头方向推动构件2而重叠时(如图中的双点划线所示)，可移动压板才能缩回。现在已经知道机构的尺寸LAB=LAD=90毫米，LBC=液晶=25毫米。试着画出机构的运动图并计算其自由度。解决方法：1)取比例尺，画出机构的运动图。(如图2-11所示)2)位置E是销槽对，销槽的两个接触点的公共法线重合，只能算作高对。问题2-23是内燃机机构运动的示意图。尝试计算自由度，并分析组成该机构的基本杆组。如果EG再次被选为该机构中的致动器，请问构成该机构的基本杆组是否与前者不同。解决方案：1)计算该机构的自由度2)当组件AB作为主要致动器时，机构的基本杆组件如图2-10(b)所示。这个组织是二级组织。3)机构的基本杆组件如图2-10(c)所示，当部件G问题2-26试图确定图示机构的共同约束M和家庭虚拟约束P”，并解释如何消除或减少共同家庭虚拟约束。解决方案：(a)楔形滑块机构的楔形块1和2只能在相对于框架的平面的X和Y方向上移动，而在其他方向上的相对独立移动受到限制，因此常见的约束数是第4组平面机构。将移动对改变为圆柱平面可以减少虚拟约束。由于齿轮1和2只能在平行平面内运动，因此它们是常见的约束编号和第3组平面机构。将直齿轮改为鼓形齿轮可以消除虚拟约束。(c)第3组平面机构，因为凸轮机构中的每个部件只能在平行平面内移动。将平面高度对改为空间高度对可以消除虚拟约束。第三章课后练习参考答案3-1什么是瞬时速度中心？相对瞬心和绝对瞬心有什么异同？答：参见教材第3031页。3-2什么是三心定理？在什么情况下，瞬心应该由三心定理来确定？答：参考教科书第31页。3-3尝试找出图表中每个机构的所有瞬时中心的位置(使用符号P，并直接在图表上标记)(a)(b)(10分)(d)3-4在图示的齿轮-连杆组合机构中标记所有瞬时中心，并使用瞬时中心找到齿轮1和齿轮3的传动比1/3。(2分)答：1)即时更新的数量：K=N(N-1)/2=6(6-1)/2=152)1/3需要三个瞬时中心P16、P36、P13的位置3)1/3=P36P13/P16P13=DK/AK从构件1和3在点k处的速度方向相同的事实可以看出，3和1在相同的方向上。3-6在图示的四杆机构中，LAB=60mm毫米，液晶屏=90毫米，LAD=LBC=120毫米， 2=10弧度/秒，尝试瞬时中心法找到：1)当=165时，该点的速度VC；2)当=165时，构件3的BC线上速度最低的点E的位置和速度；3)当VC=0时，角的值(有两个解)。解决方案：1)选定比例下的机械运动草图(图B)2)(3分)(3分)求vc以确定瞬时中心p12的位置(图B)因为p13是分量3的绝对瞬时中心，所以有3=vB/lBp13=2lAB/l，Bp13=100.06/0.00378=2.56(rad/s)vc=c p133=0.003522.56=0.4(m/s)3)确定构件3的BC线上速度最低的点E的位置。因为BC线上速度最低的点必须最接近点p13，所以聚类p13的垂直线导致BC线与点E相交，这可以从图中获得。vE=l . p13e3=0.00346 . 52 . 56=0.357(m/s)4)当vc=0时，确定机构的两个位置(图C)1=26.42=226.6在3-8机制中，设置并测试已知分量的大小和点b的速度vB(即速度矢量pb)每个机构在图中所示位置的速度多边形。(b)3-11速度多边形和加速度多边形的特征是什么？试着在图上标出方向。答：速度多边形和加速度多边形的特征见下图。每个速度方向由图中的箭头表示。3-12在图示的机构中，设定致动器1的已知部件尺寸和角速度1(顺时针)，并尝试用图解法找出机构在图示位置的点C的速度和加速度。(a)回答：(1分)(1分)Vc3=VB VC3B=VC2 VC3C2 (2分)ac3=aban C3 batc 3b=ac2 ak3c 2 arc 3c 2(3分)VC2=0 aC2=0 (2分)VC3B=03=0 Ak3C 2=0(3分钟)(b)回答：(2分)(2分)VC2=VB VC2B=VC3 Vc2C3 (2分)3=2=0 (1分钟)AB型anC2B型atC2B=aC3型akC2C3型arC2C3型(3分)(c)回答：(2分)VB3=VB2 VB3B2 (2分)VC=VB3 VCB3 (2分)(1分)B3 a t B3=aB2 akB3B2 arB3B2 (3分)3- 13试着判断在图中所示的两个机构中，B点是否有科里奥利加速度。科里奥利加速度又在哪里？找出相应的机构位置。思考以下问题。(1)在什么条件下有科里奥利加速度？(2)根据上一篇文章，请检查科里奥利加速度为零的所有位置是否都已找到。(3)在图(a)中，AK B2 B3=22v B2 B3，对吗？为什么？解决方案1)在图(a)中有科里奥利加速度，但在图(b)中没有。(2)当AKB2B 3=22B2B 3时，如果3和vB2B3之一为零，科里奥利加速度为零。在图(a)中，当b点达到最高点和最低点时，分量1、3.4重合，vB2B3=0。当分量1和分量3彼此垂直时，即_ f=；当该点到达最左侧和最右侧位置时， 2= 3=0。因此，在这四个位置没有科里奥利加速度。在图(b)中，在任何位置，2=3=0，因此机构的科里奥利加速度在任何位置都为零