工业设计工程基础补充习题

第1章 思 考 题

1—1 何为运动副？运动副是如何分类的？

1—2 机构运动简图有何用处？它能表示机构的哪些方面的特征？

1—3 试述绘制机构运动简图的基本步骤，并对周围所见机械选择1~2例作出运动简图。 1—4 机构具有确定运动条件是什么？当机构的原动件数目少于或多于机构的自由度时，机构的运动将发生什么情况？

习 题

1—1 如图1—18所示为一具有急回作用的冲床。图中绕固定轴心A 转动的菱形盘1为原动件，其与滑块2在B 点铰接，通过滑块2推动拨叉3，拨叉3与圆盘4为同一构件，当圆盘4转动时，通过连杆5使冲头6实现冲压运动，试绘制其机构运动简图，并计算自由度。

1—2 试绘制如图1—19所示的液压泵机构的运动简图，并计算其自由度。 A 1

2

B

34

C D E

5

67

图1—18 题1－1图 图1—19 题1－2图

1—3 试计算如图1—20所示各机构的自由度，并指出所有的复合铰链、局部自由度或虚约束。同时判断它们是否有确定的运动。

A

B

C

D

A B

C

D

E

F

(a) (b) A

B

C

D A

B

C

D

E

(c) (d)

图1—20 题1－3图

1—4 如图1—21所示为一简易冲床的初步设计方案。设计者的意图是通过齿轮1带动凸轮2旋转，经过摆杆3带动导杆4来实现冲头上下冲压的动作。试分析此方案有无结构组成原理的错误。若有，应如何修改。

图1—21

第2章思考题与习题

2—1 什么是瞬心？瞬心在机构的速度分析中有什么作用？

2—2 速度多边形有哪些特性？

2—3 试求如图2—8所示的各机构在图示位置的全部瞬心。

B

4

(a) (b)

A C

3

(c) (d)

图2—8 题2—3图

2—4 如图2—9所示的四杆机构中，l AB＝60mm，l CD＝90mm，l AD＝l BC＝120mm，ω2＝10rad/s，试用瞬心法求：

（1）当φ＝165o时点C的速度νC；

（2）当νC＝0o时，φ的值（有两个解）。

2—5如图2—10所示的机构，设已知构件的尺寸，原动件1以等角速度ω1逆时针方向转动，试以图解法求机构在图示位置时构件3上C点的速度。

1

图2—9 题2—4图图2—10 题2—5图

第3章思考题与习题

3—1 在铰链四杆机构中转动副作整周转动的条件是什么？

3—2 在曲柄摇杆机构中，当以曲柄为原动件时，机构是否一定存在急回特性，且一定无死点？

为什么？

3—3 在四杆机构中极位和死点有何异同？

3—4 平面四杆机构有哪几种基本型式？何谓曲柄？何谓摇杆？何谓连杆？

3—5 何谓连杆机构的死点？试举出避免死点和利用死点的例子。

3—6 何谓传动中的极位夹角，它与行程速比系数有什么关系？

习题

3—1 试根据给定的各构件尺寸，判断如图3—28所示的各机构的类型。

D

D C 80

B 45

B

D

C

80

A

C

B

C

(a) (b) (c) (d)

图3—28 习题3—1图

3—2 如图3—29所示的铰链四杆机构中，设已知l2＝45mm，l3＝40mm，l4＝50mm，试求当机构分别为曲柄摇杆机构、双摇杆机构时，l1的取值范围。

3—3 如图3—29所示的铰链四杆机构中，各杆的长度为l1＝

28mm，

l2＝52mm，l3＝50mm，l4＝72mm，试求：

（1）当取杆4为机架时，该机构的极位夹角θ、杆3的

最大摆角φ、最小传动角γmin和行程速比系数K；图3—29 习题3—2、3—3图（2）当取杆1为机架时，将演化成何种类型的机构？为什么？并说明这时的C、D是整转副还是摆转副；

（3）当取构件3为机架时，又将演化成何种机构？这时的A、B是整转副还是摆转副。

3—4如图3—30所示为一偏置的曲柄滑块机构，已知l AB＝20mm，l BC＝70mm，e＝10mm

，试用作图法画出：

（1）当曲柄为原动件时，从动滑块的行程H、极位夹角θ，以及机构的最大压力角；

A D

（2）当滑块为原动件时机构的死点位置。

3—5 如图3—31所示为一缝纫机踏板机构，已知l AD ＝350mm ，l CD ＝175 mm ，要求踏板在水平位置上下各15o范围内摆动，用作图法求曲柄AB 和连杆BC 的长度。

图3—30 习题3—4图 图3—31 习题3—5图

3—6 试用图解法设计一偏置曲柄滑块机构。已知行程速比系数K ＝1.4，滑块行程H ＝50mm ，偏距e ＝10mm 。

3—7 试用图解法设计一摆动导杆机构。已知行程速比系数K ＝2，机架长为60mm 。

第4章 思考题与习题

4—1凸轮机构主要用于哪些场合？试举例说明。

4—2凸轮机构由哪些构件组成？与平面连杆机构相比有何特点？

4—3凸轮机构有哪些分类方法？有哪些锁合方式？

4— 4凸轮机构常用的运动规律有哪些？各有什么特点？

4— 5在凸轮机构设计中如何理解“反转法“原理？在图解法设计时应注意哪些问题？

4— 6与图解法相比，用解析法设计凸轮轮廓有哪些特点？

4— 7设计凸轮轮廓应注意哪些问题？

4—8什么是凸轮机构的压力角？与传力性能的关系如何？

4—9试思考基圆半径与凸轮机构结构紧凑性和压力角大小之间的关系，如何选择？

4— 10如图4—22所示为滚子式对心直动从动件盘形凸轮机构。已知：圆盘半径30=R mm ，偏心距10=e mm ，滚子半径10=T r mm ，试确定凸轮的基圆半径；标出图示位置机构的压力角、凸轮的推程运动角t δ；并确定从动件的升程h 。

图4—22 思考题4—10图

习题

4—1如图4—23所示的偏置式直动从动件盘形凸轮机构，AB段为凸轮的推程轮廓线，请分别在图上标出：从动件的升程h，推程运动角tδ、远休止角sδ、回程运动角hδ、近休止角'sδ，偏距e，画出偏距圆和基圆。

图4—23 习题4—1图

4—2有一尖顶式对心直动从动件盘形凸轮，其向径的变化如下表所示，试画出其位移线图，指出基圆半径；并根据位移线图，判断从动件的运动规律。

030?60?90?120?150 180?210?240?270?300?330?360?凸轮转?

4—3设计一尖顶式对心直动盘形凸轮机构。已知凸轮逆时针等速回转，升程为32=h mm ，基

圆半径40=b r mm ；推程运动角?150=t δ，按余弦加速度运动规律；远休止角?30=s δ；回程运动

角?120=h δ，按等加速等减速规律运动；近休止角?60'=s δ。

（1） 试用图解法设计凸轮轮廓曲线。

（2） 找出最大压力角的位置，量取最大压力角，并判断是否满足?30m ax ≤α？

（3） 当改尖顶式为滚子式，滚子半径10=T r mm ，试绘制凸轮的实际轮廓。

4—4设计一滚子式偏置直动从动件盘形凸轮机构。已知凸轮以等角速度顺时针方向回转，偏距10=e mm ，基圆半径40=b r mm ，从动件的行程30=h mm ，滚子半径10=T r mm ，推程运动角?150=t δ，按等加速等减速规律运动上升，远休止角?30=s δ；回程运动角?120=h δ，按等速规

律运动，近休止角?60'=s δ。试问：（1）要使推程的压力角较小，应如何偏置为宜？（2）用图解

法或解析法设计此凸轮的轮廓。

第5章 思考题与习题

5—1什么叫间歇运动机构? 常用的间歇运动机构有哪几种？各有何运动特性？

5—2棘轮机构中调节从动棘轮转角大小的方法有哪几种？

5—3对外啮合槽轮机构，决定槽轮每次转动角度的是什么参数？主动拨盘转动一周，决定从动槽轮运动次数的是什么参数？

第6章 思考题与习题

6－1 键联接有哪些类型？它们是怎样工作的？

6－2 园头、平头及单园头普通平键分别用于什么场合？各自的键槽是怎样加工的？

6－3 平键联接的主要失效形式是什么？

6－4 装配楔键时都是打入的吗？试述几种楔键的装配方法？

6－5 花键联接的优缺点是什么？

6－6 销联接都有哪些类型？其功能有哪些？

6－7 螺纹有哪些类型？试说明常用螺纹的主要特点和用途？

6－7 螺纹主要参数有哪些？螺距和导程的区别在那里？

6－8 螺纹螺距的基本类型有哪些？各有何特点？适用于什么场合？

6－9 螺纹螺距防松的基本原理有哪些？列举出几种常用的防松措施。

习 题

6－1 一减速器的输出轴与铸钢齿轮拟用平键联接。已知配合直径d ＝65mm ，齿轮轮毂长L 1=70mm ，传递的转矩T=900N ?m ，载荷有轻微冲击。试选择合适的平键。

6－2 图6—38所示为起重吊钩，要吊起重力F=10000N

的工作载荷，吊钩螺杆材料为45

钢（其许用应力[σ]=100Mpa ），试确定吊钩螺杆的螺纹直径。

6— 3图6—39所示一受横向载荷作用的普通紧螺栓组联接（被联接件为钢件），4个普通螺栓传递载荷F 2kN ∑=,联接接合面摩擦因数f ＝0.15，可靠性系数f K 1.2=。试设计此联接？（设螺栓材料的许用应力[σ]=100Mpa ）

6—4请指出图6—40所示结构的错误或设计不合理的地方，并改正。

图6—38 题6—2图

图6—39 题6—3图

图6—40 题6—4图

第7章思考题与习题

7—1对齿轮传动的基本要求是什么？如何满足该要求？

7—2渐开线有哪些性质？

7—3渐开线齿廓啮合有哪些特性？

7—4基圆是否一定比齿根圆小？压力角α=20o、齿顶高系数h a*=1的直齿圆柱齿轮，其齿数在什么范围时，基圆比齿根圆大？

7—5一对标准直齿圆柱齿轮的正确啮合条件是什么？连续传动的条件是什么？

7—6当一对齿轮安装后的实际中心距大于标准中心距时，齿轮下列参数哪些不变？哪些变化？如何变？分度圆r、节圆r b、压力角α、啮合角α′和传动比i12

7—7规定标准模数m和压力角α的意义是什么？

7—8什么是变位齿轮？与相应标准齿轮相比其参数、齿形及几何尺寸有何变化？

7—9与直齿圆柱齿轮相比斜齿圆柱齿轮有什么特点？用在何种场合？

7—10斜齿圆柱齿轮哪个面上的参数为标准参数？斜齿轮的当量齿数有何用处？求出的当量齿数是否需要圆整？

7—11标准直齿锥齿轮，何处的参数为标准参数？

7—12齿轮精度主要有哪几项要求？下列机器中的齿轮，对精度要求有何不同？数控机床进给传动齿轮；汽车变速器传动齿轮；桥式起重机天车行走传动齿轮。

7—13为什么齿轮的材料要求齿面硬、齿芯韧？

7—14一对直齿圆柱齿轮传动，两轮的材料和热处理方法已定，传动比不变，在满足下列条件下，如何调整齿轮的参数和几何尺寸？

（1）主要提高齿面接触强度，不降低齿根抗弯强度。

（2）主要提高齿根抗弯强度，基本上不增加结构尺寸。

7—15齿宽系数ψd的大小对传动有何影响？

7—16斜齿圆柱齿轮在下述情况时轴向力的方向：

（1）主动齿轮，顺时针转动，左旋。

（2）从动齿轮，逆时针转动，左旋。

（3）主动齿轮，顺时针转动，左旋。

7—17当齿轮分度圆直径d=60mm,模数为m=3mm,轴径为35mm时，应采用哪种齿轮结构？当齿轮分度圆直径d=510mm时，应采用哪种齿轮结构？

7—18一对圆柱齿轮传动，两齿轮的材料与热处理情况均相同，试问两齿轮在啮合处的接触力是否相等？其许用接触应力是否相等？其接触强度是否相等？两齿轮在齿根处的弯曲应力是否相等？其许用弯曲应力是否相等？其抗弯强度是否相等？

7—19降低齿轮最大接触应力的最有效措施是什么？降低齿轮最大弯曲应力的最有效措施是什么？

习题

7—1 已知一正常齿制标准渐开线直齿圆柱外齿轮，m=4mm,Z=50, 试求齿廓在分度圆上的曲率半径，以及渐开线齿廓在齿顶圆、齿根圆上的压力角。

7—2 有一对正常齿制的外啮合直齿圆柱齿轮机构，实测两轮轴孔中心距a=112.5mm, 小齿轮齿数Z1=38,齿顶圆d a1=100mm,试配一大齿轮，确定大齿轮的齿数Z2、模数m及其主要几何尺寸。

7—3 已知一对正确安装的直齿外圆柱齿轮，采用正常齿制，m=3.5mm，齿数Z1=21，Z2=64，求传动比，分度圆直径，节圆直径，齿顶圆直径，齿根圆直径，基圆直径，中心距，齿距，齿厚和齿槽宽。

7—4 已知一对正常齿制的标准直齿圆柱外齿轮，m=10mm，Z1=17，Z2=22，中心距a=195mm，要求：

(1)绘制两轮的齿顶圆、分度圆、节圆、齿根圆、和基圆；

(2)作出理论啮合线、实际啮合线和啮合角；

(3)检查是否满足传动连续条件。

7—5 某变速箱中，原设计一对直齿轮，其参数为m=2.5mm，Z1=15，Z2=38，由于两轮轴中心距为70mm，试改变设计，以适应轴孔中心距。提示：(1)调整齿数，或(2)采用斜齿轮。

7—6 已知一对正常齿制渐开线标准直齿锥齿轮，轴交角∑=90°，齿数Z1=17，Z2=43，模数m=3mm，试求

(1)两轮分度圆锥角、分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、锥距、齿顶圆锥角、齿根圆锥角；

(2)两轮当量齿数。

7—7 有两对闭式直齿圆柱齿轮传动，已知材料相同，工况相同。齿轮对Ⅰ：Z1=18，Z2=41，m=4mm，b=50mm；齿轮对Ⅱ：Z1=36，Z2=82，m=2mm，b=50mm。分别按接触强度和抗弯强度求两对齿轮传动所能传递的转矩比值。

7—8 如图a所示，一对直齿锥齿轮、一对斜齿圆柱齿轮减速器，主动轴转向如图所示，锥齿轮模数m=5mm，齿宽b=50mm，齿数Z1=20，Z2=60，，斜齿圆柱齿轮模数m n=6mm，齿数Z1=20，Z2=80。

求：(1)当斜齿轮螺旋角旋相如何、角度多大时，中间轴上的轴向力才能恰好为零？

(2)在图b上标出中间轴上两齿轮的受力方向。

(a) (b)

图7—60 题7—8图

7—9 设两级斜齿圆柱齿轮减速器的已知条件如图所示。

求：(1)低速级斜齿轮的螺旋线方向应如何选择才能使中间轴轴向力最小？

(2)低速级斜齿轮的螺旋角β应取何值才能使中间轴的轴向力相互抵消？

图7—61 题7—9图

7—10 设计一电动机驱动的闭式直齿圆柱齿轮传动。要求材料热处理后硬度＜350HBW 。已知：小齿轮传递功率P =7.5kW ，转速n 1=1440r/min ，Z 1=26，Z 2=52，，齿轮在轴承间相对轴承不对称布置，载荷平衡，单向运转，使用寿命为8年，单班制。画出大齿轮结构草图。

7—11 设计一单级减速器中的斜齿圆柱齿轮传动。已知：转速n 1=1460r/min ，传递功率P =10kW ，传动比i 12=3.5，齿数Z 1=25，电动机驱动，单向运转，载荷有中等冲击，使用寿命为10年，两班制工作，齿轮在轴承间对称布置。

第8章 思考题与习题

8—1 与齿轮传动相比，蜗杆传动有哪些优点？

8—2 按照蜗杆形状的不同，蜗杆传动可分为哪几种类型?为什么按蜗杆而不是按蜗轮形状分类?

8—3 为了提高蜗轮转速，能否改用相同分度圆直径、相同模数的双头蜗杆，来替代单头蜗杆与原来的蜗轮啮合?为什么？

8—4 蜗杆传动比能否写成12d d i =的形式?

8—5 分析影响蜗杆传动啮合效率的几何因素有哪些?

8—6 对于反向自锁的蜗杆传动，其蜗杆的蜗杆导程角γ与当量摩擦角v ?应满足什么关系?

8—7 蜗杆传动的强度计算中，为什么只需计算蜗轮轮齿的强度？

8—8 锡青铜和铝铁青铜的许用接触应力[ H ]在意义上和取值上各有何不同？为什么？

8—9 为什么对连续传动的闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算?可采用哪些措施来改善散热条件?

习 题

8—1 标出图8—15中末注明的蜗杆或蜗轮的转动方向及螺旋线方向，绘出蜗杆和蜗轮在啮合点处的各个分力。

(a) (b)

(c) (d)

图8—15 习题8—l 图

8—2 在图8—16所示的蜗杆传动中，蜗杆右旋、主动。为了让轴B 上的蜗轮、蜗杆上的轴向力能相互抵消一部分，请确定蜗杆3的螺旋线方向及蜗轮4的回转方向，并确定轴B 上蜗杆、蜗轮所受各力的作用位置及方向。

图8—16 习题8—2图

8—3 图8—17所示为圆柱蜗杆—圆锥齿轮传动，已知输出轴上的圆锥齿轮4z 的转速4n 及转

向，为使中间轴上的轴向力互相抵消一部分，在图中画出：

（1）蜗杆、蜗轮的转向及螺旋线方向；

（2）各轮所受轴向力方向。

图8—17 习题8—3图

8—4 图8—18所示为一手动绞车，采用了蜗杆传动装置。已知蜗杆模数m ＝10mm ，蜗杆分度圆直径1d ＝90mm ，齿数1z ＝l ，2z ＝50，卷筒直径D ＝300mm ，重物W ＝1500N ，当量摩擦系数v f =0.15，人手推力F =120N 时，求：

（1）欲使重物上升1m ，手柄应转多少转?并在图上画出重物上升时的手柄转向；

（2）计算蜗杆的分度圆柱导程角γ，当量摩擦角V ?，并判断能否自锁；

（3）计算蜗杆传动效率；

（4）计算所需手柄长度l 。

图8—18 习题8—4图

8—5 有一阿基米德蜗杆蜗轮机构，已知m ＝8mm ，1z ＝1，q ＝10，α＝20°，h a *＝1，c *

＝0.2，2z ＝48。试求该机构的主要尺寸。

8—6 已知一蜗杆减速器，m ＝5mm ，1z ＝2，q ＝10，2z ＝60，蜗杆材料为40Cr ，高频淬火，表面磨光，蜗轮材料为ZCuSn10P1，砂型铸造，蜗轮转速2n =24 r/min ，预计使用12000小时，试求该蜗杆减速器允许传递的最大扭矩2T 和输入功率1P 。

8—7 设计一带式运输机用闭式普通蜗杆减速器传动。已知：输入功率1P ＝4.5kW ，蜗杆转速1n ＝1460 r ／min ，传动比i ＝23，有轻微冲击，预期使用寿命10年，每年工作300天，每天工作8小时（要求绘制蜗杆或蜗轮零件图）。

第9章 思考题与习题

9—1 什么叫平面齿轮系、空间齿轮系?

9—2 惰轮在齿轮系中所起的作用是什么?

9—3 什么叫周转齿轮系?如何进行分类?

9—4 计算周转齿轮系传动比的方法——转化机构法的理论根据是什么?

9—5 周转齿轮系的传动比计算，为什么要用转化机构法? 怎样确定转化机构传动比的正负号? 9—6 计算组合周转齿轮系传动比的步骤有哪些?其中的关键步骤是什么?

9—7 齿轮系的功用主要有哪些?

9—8 选用减速器时需要考虑哪些方面的内容？

习 题

9—1 如图9—28所示为一手摇提升装置，其中各轮齿数均为已知，试求传动比15i ，并指出当提升重物时手柄的转向。

图9—28 习题9—1图

9—2 图9—29所示为一滚齿机工作台的传动机构，工作台与蜗轮5相固联。已知1z ＝1'z ＝20，2z ＝35，4'z ＝1（右旋），5z ＝40，滚刀6z ＝1（左旋），7z ＝28。若要加工一个5'z ＝64的齿轮，试求挂轮组各轮的齿数2'z 和4z 。

图9—29 习题9—2图

9—3 在图9—30所示的齿轮系中，已知1z ＝20，2z ＝30，3z ＝18，4z ＝68。齿轮1的转速1n ＝150r ／min ，试求行星架H 的转速H n 的大小和方向。

图9—30 习题9—3图

9—4 在图9—31所示齿轮系中，已知1z ＝60，2z ＝15，3z ＝18，各轮均为标准齿轮，且模

数相同。试求4z 并计算传动比H i 1的大小及行星架H 的转向。

图9—31 习题9—4图

9—5 图9—32所示齿轮系中，已知1z ＝4z ＝40，2z ＝5z ＝30，3z ＝6z ＝100，齿轮1的转速 1n ＝100 r ／min ，试求行星架H 的转速H n 的大小和方向。

图9—32 习题9—5图

9—6 在图9—33所示的双级行星齿轮减速器中，各齿轮的齿数为1z ＝6z ＝20，2z ＝5z ＝10，3z ＝4z ＝40，试求：

1）固定齿轮4时的传动比21H i ；

2）固定齿轮3时的传动比21H i 。

图9—33 习题9—6图

9—7 在图9—34所示的双螺旋桨飞机的减速器中，已知1z ＝26，2z ＝2'z ＝20，4z ＝30，5z ＝5'z =18，齿轮1的转速1n ＝15000r ／min ，试求螺旋桨P 和Q 的转速P n 、Q n 的大小和方向。

图9—34 习题9—7图

9—8 在图9—35所示的脚踏车里程表的机构中，C 为车轮轴，各轮齿数为1z ＝17，3z ＝23， 4z ＝19，4'z ＝20，5z ＝24。设轮胎受压变形后使28英寸的车轮的有效直径为0.7m ，当车行1 km 时表上的指针刚好回转一周，试求齿轮2的齿数2z 。

图9—35 习题9—8图

9—9 在图9—36所示的三爪电动卡盘的传动齿轮系中，各轮齿数为1z ＝6，2z ＝2'z ＝25，3z ＝57，4z ＝56，求传动比14i 。

图9—36 习题9—9图

9—10 在图9—37所示的串联行星齿轮系中，已知各轮的齿数，试求传动比aH i 。

图9—37 习题9—10图

9—11 在图9—38所示的齿轮系中，已知各轮的齿数分别为1z ＝1（右旋），2z ＝99， 2'z ＝4z ，4'z ＝100，5z ＝1（右旋），3z ＝30，5'z ＝100，1'z ＝101，蜗杆1的转速1n ＝100 r ／min （转向如图所示），试求行星架H 的转速H n 。

图9—38 习题9—11图

9—12 在图9—39所示的组合周转齿轮系中，已知各轮的齿数分别为1z ＝36，2z ＝60， 3z ＝23， 4z ＝49，4'z ＝69，5z ＝31，6z ＝131，7z ＝94，8z ＝36，9z ＝167，设1n ＝3549 r ／min ，试求行星架H 的转速H n 。

图9—39 习题9—12图

第10章思考题与习题

10—1 摩擦带传动常用类型有哪些？各有什么特点？

10—2 影响带传动工作能力的因素有哪些？有什么对应关系？

10—3 带速常用在什么范围？带速太高和太低会出现什么问题？

10—4 带在工作时受到哪些应力的作用？正常情况下影响带疲劳寿命的最主要的应力是什么？10—5 设计带传动时，如何确定小带轮直径？传动中心距大小对带传动的传动能力、带的使用寿命有何影响？如何初选中心距？

10—6 摩擦带传动的打滑和弹性滑动有何区别？

10—7 安装传动带时应注意哪些问题?如何控制带的张紧程度？

10—8 与带传动相比，链传动有哪些优缺点？

10—9 为什么一般链节数为偶数，而链轮齿数多取奇数？

10—10 如何理解链传动的多边形效应？主要与哪些因素有关？

10—11 链传动的张紧与带传动有何不同？怎样布置较为有利？

习题

10—1 一普通V带传动传递功率为P=7.5kW，带速v=10m/s，紧边拉力是松边拉力的2倍，即F1=2F2，试求紧边拉力、松边拉力和有效圆周力。

10—2 设计一带式输送机的V带传动，已知电动机功率为P=6kW，转速n1=1400r/min，传动比