中国地质大学(武汉)远程与继续教育学院。
机械设计课程作业1（共 3 次作业）
学习层次：专升本涉及章节：第一章 ——第五章。
第一章机械设计基础。
1-1 构件和零件有何不同？机器和机构的异同点是什么？
答：零件是制造的最小单元，构件是运动的最小单元，不同构件之间必须具有相对运动。一个构件可以由若干个零件组成，这些零件刚性地连接在一起，机器运动时作为一个整体来运动。
机构是由若干个构件组成的一个人为组合体，功用在于传递运动或改变运动的形式。机器是由若干机构组成的，用来变换或传递能量、物料和信息。机器虽然类型很多，但组成机器的常用机构类型并不多。
1-3 什么是机械零件的工作能力？常用的计算准则有哪几种？
答：机械零件的工作能力是指在一定的运动、载荷和环境情况下，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。
衡量零件工作能力的指标称为零件的工作能力准则。常用的计算准则有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则和耐热性准则等。
1-6 试说明下列材料牌号的意义：
q235, 45, 40cr, 65mn, zg230-450, ht200,zcusn10p1, lc4
答： q235：普通碳素钢，屈服点235mpa；
45：优质碳素钢，含碳量大约0.45%;
40cr:合金钢，含碳量0.40%左右，含cr量1％左右；
65mn：合金钢，含碳量0.65%左右，含mn量1％左右；
zg230-450:铸钢，屈服点230mpa，抗拉强度450mpa；
ht200：灰铸铁，抗拉强度200mpa；
zcusn10pb1：铸造锡青铜，含锡量10％左右；
lc4：超硬铝。
第二章机构运动简图及平面机构自由度。
2-4 计算题2-4图所示(a)、（c）、（d）、（f）各机构的自由度，并指出复合铰链、局部自由度和虚约束。
a)推土机铲土机构c)缝纫机送布机构。
d)筛料机机构f)凸轮连杆机构。
解：（a）该机构有5个活动构件，7个低副，其中6个转动副、一个移动副，没有高副，没有复合铰链、局部自由度和虚约束，所以自由度f为：
f=3n-2pl－ph＝3×5－2×7＝1
有一个原动件，所以机构具有确定的运动。
c）该机构有4个活动构件，4个低副均为6个转动副，2个高副，没有复合铰链，在滚子处有局部自由度，凸轮和从动件处两处接触构成虚约束，所以自由度f为：
f=3n-2pl－ph＝3×4－2×4－2＝2
有2个原动件，所以机构具有确定的运动。
d) 该机构有7个活动构件，9个低副，其中7个转动副，2个移动副，1个高副，c处有复合铰链，滚子g处存在局部自由度，没有虚约束，所以自由度f为：
f=3n-2pl－ph＝3×7－2×(7+2)－1＝2
有2个原动件，所以机构具有确定的运动。
f) 该机构有4个活动构件，5个低副，其中3个转动副，2个移动副，1个高副，滚子b处存在局部自由度，没有复合铰链和虚约束，所以自由度f为：
f=3n-2pl－ph＝3×4－2×(3+2)－1＝1
有1个原动件，所以机构具有确定的运动。
2-5 题2-5图所示为一简易冲床的初拟设计方案。设计者的思路是动力由齿轮输入，使轴a连续回转，而固定在轴a上的凸轮2和杠杆3组成的凸轮机构使冲头4上下往复运动，以达到冲压的目的。试绘制其机构运动简图，计算机构的自由度，并分析其运动是否确定，如运动不确定，试提出修改措施。
解：机构运动简图如下所示：
由图可见，机构有3个活动构件，4个低副，其中3个转动副，1个移动副，1个高副，所以自由度f为：
f=3n-2pl－ph＝3×3－2×(3+1)－1＝0
即机构不能运动，故修改如下：
第三章螺旋机构。
3-1 试比较普通螺纹与梯形螺纹有哪些主要区别？为什么普通螺纹用于连接而梯形螺纹用于传动？
答：普通螺纹与梯形螺纹的主要区别在于牙型斜角β的不同。普通螺纹牙型斜角为30°，梯形螺纹牙型斜角为15°。
普通螺纹因牙型斜角较大，自锁性好，效率较低，故常用于连接；梯形螺纹因牙型斜角较小，效率较高，故常用于传动。
3-5 在图3-9所示的螺旋千斤顶中，若螺杆长度d=24mm，中径d2=22.5mm，导程s=3mm，牙型角α=30°，手柄的有效长度l=200mm，螺旋副的摩擦因数f＝0.1，现要举起fw=12000n的重物，需要在手柄端部施加多少作用力？
其机械效率为多少？该千斤顶在重物作用下是否会自动反转？
解： 在公式中：
所以： 又由得：
手柄端部施加的力：
机械效率：
由于λ=2.43≤，该千斤顶自锁，在重物作用下不会自动反转。
第四章平面连杆机构。
4-6 画出题4-6图所示各机构的压力角和传动角。图中标注箭头的构件为原动件。
题4-6图。
题解4-6图。
4-7 题4-7图所示铰链四杆机构若要获得曲柄摇杆机构，试问机架长度的范围是多少？
题4-7图。
解：曲柄摇杆机构最短杆为连架杆，所以最短杆为，分两种情况讨论：
1）若最长杆为，则由杆长条件：得。则
2）若为最长杆，则由杆长条件：得。则
综合得。第五章凸轮机构及间歇运动机构。
5-2 四种基本运动规律各有何特点？各适用与何种场合？什么是刚性冲击和柔性冲击？
答：（1）等速运动规律：推杆在运动开始和终了的瞬时，因速度突变，推杆的加速度及由此产生的惯性力在理论上将出现瞬时的无穷大。
实际上由于材料具有弹性，加速度和惯性力不会达到无穷大，但仍非常大，从而产生强烈的冲击。因此，等速运动规律只适用于低速、轻载的场合。
理论上无穷大的惯性力产生的冲击，称为刚性冲击。
2）等加速等减速运动规律：在行程的起始点、中点和终点，推杆的加速度和惯性力有有限值的突变，引起的冲击也较为平缓。因此，适用于中速、低速的场合。
有限值的惯性力产生的冲击，成为柔性冲击。
3）余弦加速度运动规律：在行程的起始点和终点，推杆的加速度和惯性力也存在突变，一般适用于中速场合。
4）正弦加速度运动规律：推杆的加速度和惯性力没有突变，适用与高速场合。
5-3 何谓凸轮机构的反转法设计？它对于凸轮廓线的设计有何意义？
答：凸轮机构的反转法设计是凸轮轮廓线设计的基本方法。为了绘制凸轮轮廓线，需要凸轮相对固定。
设凸轮以角速度ω绕轴心转动，假设给整个凸轮机构加上一个公共角速度-ω绕凸轮轴心回转。根据相对运动原理，这时凸轮与推杆之间的相对运动关系并未改变，但是凸轮“固定不动”，而推杆一方面随导路以角速度-ω绕凸轮轴心转动，另一方面相对于导路做预期的往复移动。由于推杆顶和凸轮轮廓线始终接触，因此推杆顶在这种复合运动中所描绘的轨迹就是凸轮的轮廓曲线。
这种设计凸轮轮廓线的方法称为反转法。
5-10 写出题5-10图所示凸轮机构的名称，并在图中作出（或指出）：1）基圆r0，2)理论廓线；3）实际廓线；4）行程h；5）图示位置从动件的位移量s；6）从动件与凸轮上a点接触时的压力角。
题5-10图题解5-10图。
中国地质大学(武汉)远程与继续教育学院。
机械设计课程作业2（共 3 次作业）
学习层次：专升本涉及章节：第六章 ——第八章。
第六章齿轮传动。
6-1 对于定传动比的齿轮传动，其齿廓曲线应满足的条件是什么？
答：过齿廓啮合点的公法线与两齿轮的连心线交于一定点。
6-2 节圆与分度圆，啮合角与压力角有什么区别？
答：分度圆是对一个齿轮而言，在齿顶和齿根之间有标准模数和标准压力角的圆；节圆是对一对啮合齿轮而言，过节点相切的两个圆。一对标准标准安装时，节圆和分度圆重合，分度圆相切，否则分度圆不相切。
压力角是对一个齿轮而言，法线压力方向与速度方向的夹角；啮合角是一对齿轮啮合时，啮合线与节圆公切线之间的夹角。啮合角在数值上等于分度圆上的压力角。
6-5 一对标准直齿轮的中心距a=160mm，齿数z1=24,z2=56。试求模数和两轮的分度圆直径。
解： 由 ,得：
所以分度圆直径为：
6-10 一单级直齿轮减速器，已知z1=25,z2=73,b1=72mm,b2=70mm,m=4mm,n1=720r/min,齿轮材料的[σh]1＝580mpa，[σh]2=540mpa,[σf]1=280mpa,[σf]2=240mpa。齿轮单向转动，载荷平稳。试计算该传动所允许传递的功率。
解： 由齿面接触疲劳强度的计算公式：
得：而：，
因[σh]2较小，[σh]取[σh]2，因单向转动，载荷平稳，k取1.4。
所以。由齿根弯曲强度得计算公式，得：
而 ， 所以选取计算，则：
因此，按齿面接触疲劳强度的公式确定传递的功率。
由得， 6-14 题6-14所示为一双级斜齿轮传动。齿轮1的转向和螺旋线旋向如图所示，为了使轴ⅱ上两齿轮的轴向力方向相反，试确定各齿轮的螺旋线旋向，并在啮合点处画出齿轮各分力的方向。
题6-14图。
解：题解6-14图。
6-17 一对斜齿轮的齿数为z1=21，z2=37，法向模数mn＝3.5。若要求两轮的中心距a＝105mm，试求其螺旋角β。
解： 由得：
6-21 题6-21图所示蜗杆传动中，蜗杆为主动件。试在图中标示未注明的蜗杆或蜗轮的转向及螺旋线的旋向，在啮合点处画出蜗杆和蜗轮各分力的方向。
(ab)题6-21图。解：ab）
题解6-21图。
（a）图中，蜗轮2左旋；（b）图中，蜗杆1右旋。
6-22 有一阿基米德蜗杆传动，已知模数m＝10mm，蜗杆分度圆直径d1＝90mm，蜗杆头数z1＝2，传动比i12＝15.5。试计算蜗杆传动的主要几何尺寸及蜗轮的螺旋角β。
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