陈秀宁机械设计基础第4版课后习题答案

第1章 总论【课后习题答案】

题1-1 试述机械与机构、零件与构件、运动副与约束的涵义。

答：机械是机器与机构的总称。其中机构是指用来传递与交换运动和力的可动的装置；机器是由若干构件以运动副相联接并具有确定相对运动，用来完成有用的机械功或转换机械能的组合体；机器用来完成有用的机械功或转换机械能，而机构在习惯上主要是指传递运动的机械（如仪表等）以及从运动的观点加以研究而言的。机器中必包含一个或一个以上的机构。

零件是机器及各种设备的基本组成单元；根据机器功能、结构要求，某些零件需固联成没有相对运动的刚性组合，成为机器中运动的一个基本单元体，通常称为构件；构件与零件的区别在于：构件是运动的基本单元，而零件是制造的基本单元；有时一个单独的零件也是一个最简单的构件。

构件与构件之间通过一定的相互接触与制约，构成保持确定相对运动的“可动联接”，这种可动联接称为“运动副”；当构件之间用运动副联接以后，在其联接处，它们之间的某些相对运动将不能实现，这种对于相对运动的限制称为运动副的约束。

题1-2 机械运动简图和装配图有何不同？正确绘制运动简图应抓住哪些关键？请画出图1-1所列机构和机械的运动简图。

图1-1

答：把复杂的机械采用一些简单的线条和规定的符号将其传动系统、传动机构间的相互联系、运动特性表示出来，表示这些内容的图称为机械运动简图；装配图是表示机器或部件的图样，它是生产中的主要技术文件之一；从机械运动简图中可以清晰地看出原动机的运动和动力通过哪些机构、采用何种方式，使机器工作部分实现怎样的运动；根据运动简图再配上某些参数便可进行机器传动方案比较、运动分析和受力分析，并为机械系统设计、主要传动件工作能力计算、机件（构件和零件之统称）结构具体化和绘制装配图提供条件。

根据实际机械绘制其运动简图时，首先应分清各种机构，判别固定构件与运动构件，数出运动构件的数目，并根据构件间相对运动性质确定其运动副的类型；测量各个构件上的运动尺寸，然后根据这些尺寸选择适当的长度比例尺和视图平面用规定的或惯用的机构、构件和运动副的代表符号绘制简图；最后仔细检查运动构件的数目、运动副的类型和数目及其相对位置与联接关系等是否正确，否则将不能正确反映实际机械的真实运动。

（a）

（b）

（c）

（d）

图1-2

题1-3 试述平面机构自由度计算公式的涵义及计算时应注意的问题。请计算图1-3所列平面机构的自由度，并判断该机构是否有确定运动（图中注有箭头的构件为主动构件）。

图1-3

答：自由度计算公式为F＝3n－2P_L－P_H，其中n为运动链中运动构件的数目，P_L为运动链中低副数目，P_H为运动链中高副数目，在未用运动副联接之前，这n个运动构件相对机架的自由度总数应为3n，当用运动副将构件联接起来后，由于引入了约束，运动链中各构件具有的自由度就减少了，若运动链中低副数目为P_L个，高副数目为P_H个，则运动链中全部运动副所引入的约束总数为2P_L＋P_H，将运动构件的自由度总数减去运动副引入的约束总数，即为自由度计算公式。计算自由度应该注意：①识别复合铰链，以免漏算运动副的数目；②排除局部自由度；③排除虚约束。

（a）F＝3×5－2×7＝1运动确定

（b）F＝3×6－2×8－1＝1运动确定

（c）F＝3×8－2×11－1＝1运动确定

（d）F＝3×5－2×6－1＝2运动确定

（e）F＝3×6－2×8－1＝1运动确定

（f）F＝3×5－2×7＝1运动确定

（g）F＝3×7－2×10＝1运动确定

（h）F＝3×4－2×4－2＝2运动确定

（i）F＝3×3－2×3－2＝1运动确定

题1-4 试述机件损伤和失效的主要形式及机件工作能力准则的涵义。

答：机件主要的损伤及失效形式有：机件产生整体的或工作表面的破裂或塑性变形；弹性变形超过允许的限度；工作表面磨损、胶合和其他损坏；靠摩擦力工作的机件产生打滑和松动；超过允许限度的强烈振动等。机件工作能力的主要准则有强度、刚度、耐磨性、振动稳定性和耐热性。对某一个具体机件，常根据一个或几个可能发生的主要失效形式运用相应的准则进行计算求得其承载能力，而以其中最小值作为工作能力的极限。

题1-5 机械中常用哪些材料？选用材料的原则是什么？

答：机械中常用的材料有钢、铸铁、有色金属合金以及非金属材料。选择材料主要依据以下三个准则。

（1）使用要求。①一般来说考虑机件所受载荷大小、性质及其应力状况；②机件的工作条件；机件尺寸和重量的限制；③机件的重要程度；绿色、环保、可再生循环以及个性化、智能化等需求。

（2）工艺要求。所选材料应与机件结构复杂程度、尺寸大小以及毛坯的制造方法相适应。

（3）经济要求。选择材料不仅要考虑材料本身的相对价格，还要考虑材料加工成机件的费用。

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陈秀宁《机械设计基础》第4版课后习题和考研真题详解

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题1-6 试述机械设计的基本要求和一般程序。

答：机械设计的基本要求有以下两方面。

（1）使用方面的要求。①满足机器预期的功能要求，如机器工作部分的运动形式、速度、运动精度和平稳性、生产率、需要传递的功率等，以及某些使用上的特定要求（如自锁、联锁、防潮、防爆）；②要经久耐用，具有足够的寿命，在规定的工作期限内可靠地工作而不发生各种损坏和失效；③具有良好的保安措施和劳动条件，要便于操作和维修，外形美观宜人以及降耗、环保、可持续发展等社会要求。

（2）功能价格比要高。要在适合市场需要的前提下提高功能、降低总费用，使机械结构力求简单、紧凑，具有良好的工艺性，高效和节能；尽量采用标准化、系列化、通用化的参数和零部件；注意采用新技术、新材料、新工艺以及新的设计理论和方法，创新开发新产品，这些均有利于提高机械产品的功能价格比。

题1-7 某厂批量加工100个法兰盘毛坯，尺寸如图1-4所示，如采用∅170的热轧圆钢加工，需钢材多少？如将其外径改为∅156，则可用∅160的圆钢加工，问可节省多少钢材？是否可采取其他办法进一步节省材料？

说明：教材中本题语句不通顺，此处已修改。

图1-4

答：此法兰盘毛坯为圆钢车削而来，需要∅170的热轧圆钢70×100＝7000mm＝7m；需要钢材质量为

m₁＝π/4×d²×h×ρ＝3.14/4×0.17×0.17×7×7800≈1240kg

当修改直径后，需要∅160的圆钢仍为7000mm，需要钢材质量为

m₂＝π/4×d²×h×ρ＝3.14/4×0.16×0.16×7×7800≈1098kg

从减重方面来看，节省钢材质量142kg。节省材料的方法是台阶处使用焊接的方式，或整体铸造成型。

题1-8 你能否考虑将平面运动链自由度计算公式用于机构创新设计？

答：通过平面机构自由度计算公式可以计算运动链中原动件的数目，当原动件数目与机构自由度数目相等时，机构具有确定的运动。利用此计算公式进行机构创新设计的例子是刻字、成形机构（如图1-5所示），通过计算该机构自由度为2，当原动件数目为2时，此机构具有确定的运动，执行机构即可按照要求完成工作任务。

图1-5

题1-9 试述干摩擦、边界摩擦、流体摩擦、混合摩擦的特点；在减少摩擦和应用摩擦这两方面有些什么考虑和创意？

答：干摩擦是指两摩擦表面间无任何润滑剂而直接接触的纯净表面间的摩擦状态，其性质取决于摩擦副配对材料的性质，金属材料间的干摩擦系数一般为0.3 ～1.5，干摩擦导致大量的摩擦功耗和严重的磨损，应尽可能避免；边界摩擦是摩擦副表面各吸附一层厚度小于0.1微米的边界膜，两表面仍然有凸峰接触，边界摩擦的性质取决于边界膜和表面吸附性能，其摩擦系数小于干摩擦系数；流体摩擦是两摩擦表面完全被流体层（液体或气体）分隔开，表面凸峰不直接接触的摩擦状态，流体摩擦的摩擦系数极小，理论上可认为摩擦副表面没有磨损；混合摩擦是干摩擦、边界摩擦、流体摩擦处于混合共存状态下的摩擦状态，表面间的微凸部分仍有直接接触，磨损仍然存在，但是其摩擦系数比边界摩擦时小得多。

在机械设备中，滑动轴承、导轨等动联接和啮合传动处需要减少摩擦以提高效率；一些利用摩擦传递动力的（如带传动、摩擦轮传动、摩擦离合器）、制动（如摩擦制动器）或吸收能量起缓冲阻尼作用（如环形弹簧、多板弹簧）等需要应用摩擦来提高效率。目前研制新型减摩材料以及摩阻材料以保证机械正常的工作，延长寿命。

题1-10 试分别阐述磨损的涵义及其四种基本形式和正常磨损的三个阶段各自的状态与特点；在减少磨损和利用磨损这两方面有些什么考虑和创意？

答：磨损是相互接触物体在相对运动中表层材料不断发生损耗的过程，包含磨粒磨损、粘着磨损、接触疲劳磨损以及磨蚀磨损四种基本形式，正常磨损的过程可以分为磨合、稳定磨损和剧烈磨损三个阶段，磨合阶段初期机加工零件的摩擦表面上存在高低不等的凸峰，摩擦副实际接触面积较小，压强较大，磨损速度快。随着磨合进行，峰尖高度降低，表面粗糙度减小，实际接触面积增加，磨损速度逐渐减缓；稳定磨损阶段磨损曲线的斜率近似为一常数；斜率愈小，磨损率越小；剧烈磨损阶段即为机件的失效阶段，此时在机件工作若干时间后，精度下降，间隙增大，润滑状态恶化，磨损急剧增大，从而产生振动、冲击和噪声，迫使机件迅速破坏而报废。

在减少磨损方面，力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损期的到来；在利用磨损方面，研磨、抛光等机械加工方法和机械设备在使用前或使用初期的“跑合”都是有益的磨损实例；目前一些新型万能磨损试验机以及磨损检测装置已经研发成功，用于预测机器关键零部件的磨损程度。

题1-11 润滑油和润滑脂的主要性能指标有哪些？什么是润滑油的黏度和油性？黏度大油性一定好吗？温度和压力对黏度有何影响？选用润滑剂、润滑方式有些什么考虑和创意？

答：润滑油的主要性能指标有黏度、油性、极压性、闪点、凝点等；润滑脂的主要性能指标有针入度和滴点。润滑油的黏度是指流体抵抗剪切变形的能力，它表征流体内摩擦阻力的大小；润滑油的油性是指润滑油在金属表面的吸附能力，吸附能力愈强，油性愈好；黏度大油性不一定好，反例：当润滑油内的有些杂质含量増大，润滑油的黏度大大增加，但是油性较低。润滑油的黏度随着温度的升高而下降，且影响十分显著；润滑油的黏度随压力的升高而增大。

选用润滑剂应考虑具体机件对润滑性能的要求，同时又须注意实际工况对润滑剂的影响。下表1-1为各种润滑剂的性能比较，可供选择润滑剂类型时的参考。目前新型的润滑方式包括油气润滑以及油雾润滑等。

表1-1

题1-12 试述机械中密封的作用以及动密封与静密封、接触密封与非接触式密封的涵义；机械中何处需要密封？密封设计时有些什么考虑和创意。

答：密封的作用是：①防止润滑剂以及存储于密封容器中液、气介质的泄漏；②防止外部杂质（灰尘、水、气等）侵入润滑部位和需密闭的容器中。密封不仅能节约润滑剂，保证机械设备正常工作，提高其使用寿命；而且对防止污染、改善环境、保障安全也有很大作用。

动密封是指两个具有相对运动结合面的密封；静密封是指两个相对静止的结合面间的密封；接触密封是指密封件与轴或其他配合件直接相接触的密封；非接触式密封是指密封装置不与轴接触，不产生摩擦，有油槽，甩油环和迷宫密封等类型，装置利用微小间隙或离心力起到密封作用的，适用于高速旋转及高温场合。

机械中的滚动轴承、减速器、液压传动连接等位置常常需要密封。密封设计时要考虑结合面处是否存在相对运动以及相对运动速度大小、结合面处的压力以及温度范围等因素。新型密封方式包括陶瓷密封、蜂窝式密封以及磁力密封等。

题1-13 试述复合材料、功能材料、智能材料的内涵及其在机械创新设计中的意义。

答：将两种或两种以上不同性质的材料通过不同的工艺方法人工合成多相而成的材料称为复合材料，这种材料可以保持组成材料各自最佳特性，又可具有组合后的新特性；这样就可根据机件对材料性能的要求进行材料设计，从而最合理地利用材料；功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料，功能材料对于开发尖端领域（航空航天、分子电子学、高速信息、新能源、海洋技术和生命科学等）以及在极端条件下（超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧和核爆炸等）下工作的机械创新设计中意义重大；智能材料实质是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料；智能材料具有感知、驱动和控制三个基本要素，是材料学最前沿的领域，其中形态记忆合金因可记忆变形量功能强大以及性能稳定被广泛应用于航空航天、自控系统以及医学器械领域，敏感材料更是因为自身的高稳定性以及高机械品质因子被广泛应用于新型传感器的研发；电流变体以及磁流变体的因自身的多物理场特性被广泛应用于离合器、液压阀、减振器以及机器人的研发。

题1-14 图1-6所示为一简易冲床的初拟设计方案，其思路是：动力由齿轮1输入，使轴A连续回转，而固装在轴A上的凸轮2与杠杆3组成的凸轮机构将使冲头4上下运动以达到冲压的目的。试进行：1）绘制其机械运动简图；2）审查其是否能实现设计意图，为什么？3）提出修改方案并绘制各修改方案的运动简图。

图1-6

答：（1）机械运动简图见下图1-7所示。

图1-7

（2）不能实现，因为其自由度F＝3×3－2×4－1＝0（滚子处为局部自由度）。

（3）修改方案如下图1-8所示。

图1-8

……

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