2024年全國大學生機械創(chuàng)新競賽（哈爾濱工業(yè)大學）機械原理試題及答案考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述機械原理課程研究的主要內(nèi)容及其在機械工程中的重要性。二、什么是機構(gòu)的自由度？計算平面機構(gòu)的自由度時，應遵循哪些基本準則？請舉例說明。三、試述速度瞬心法的原理。對于平面四桿機構(gòu)，如何確定其全部瞬心？并簡述阿蘇爾瞬心圖解法的基本步驟。四、簡述平面連桿機構(gòu)的運動特性。在四桿機構(gòu)中，是否存在曲柄存在條件？請給出平面鉸鏈四桿機構(gòu)三種基本類型的定義和主要區(qū)別。五、什么是凸輪機構(gòu)的壓力角？壓力角的大小對凸輪機構(gòu)的設計有何影響？如何減小凸輪機構(gòu)的最大壓力角？六、在凸輪機構(gòu)中，什么是基圓？從動件的運動規(guī)律（如等速、等加速等減速、簡諧等）與其位移圖線有何關系？七、簡述漸開線齒廓形成原理及其傳動特點。什么是齒廓嚙合基本定律？八、什么是齒輪的壓力角和齒形角？標準直齒圓柱齒輪的主要參數(shù)有哪些？并說明模數(shù)和壓力角的意義。九、簡述齒輪傳動中產(chǎn)生齒面點蝕和齒面磨損的主要原因。如何提高齒輪傳動的承載能力和耐磨性？十、什么是周轉(zhuǎn)輪系？簡述周轉(zhuǎn)輪系傳動比的計算方法。試舉一例說明周轉(zhuǎn)輪系在機械中的應用。十一、什么是機械效率？為什么機械效率總是小于或等于1？提高機械系統(tǒng)效率的根本途徑是什么？十二、什么是飛輪？飛輪在機械中起什么作用？如何選擇飛輪的安裝位置？十三、簡述機械平衡的分類。什么是剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡？如何判斷剛性轉(zhuǎn)子是否達到靜平衡？十四、設計一個簡單的凸輪-連桿組合機構(gòu)，用于將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為往復直線運動。請簡述其設計思路，并說明其中凸輪機構(gòu)和連桿機構(gòu)各自的作用。十五、分析一個常見的機械創(chuàng)新實例（如某種簡易起重設備、自動分揀裝置等），說明其中涉及到的機械原理知識，并評估其結(jié)構(gòu)或性能的優(yōu)缺點，提出改進建議。試卷答案一、機械原理研究機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、運動和力。其內(nèi)容包括機構(gòu)的組成、運動分析、力分析、設計等。它是研究機械動力學的基礎，對于理解機械的工作原理、設計新型機械、提高機械性能至關重要，是機械工程的核心基礎課程之一。二、機構(gòu)的自由度是指機構(gòu)相對于確定參考系獨立運動的數(shù)目。計算平面機構(gòu)自由度時，應遵循：1)將轉(zhuǎn)動副視為二類約束，移動副視為一類約束；2)暫時去掉高副，將其視為低副；3)考慮復合鉸鏈和局部自由度的影響。計算公式為F=3n-2pL-pH，其中F為自由度，n為活動構(gòu)件數(shù)，pL為低副數(shù)，pH為高副數(shù)。三、速度瞬心法是利用機構(gòu)上相對速度為零的重合點（瞬心）來分析機構(gòu)速度的方法。瞬心是兩個作平面相對運動的構(gòu)件速度相等的重合點。確定平面四桿機構(gòu)全部瞬心可用“三心定理”，即三個瞬心共線。阿蘇爾瞬心圖解法通過繪制包含所有瞬心的瞬心多邊形，利用圖解法求解未知速度或加速度，尤其適用于復雜機構(gòu)的速度分析。四、平面連桿機構(gòu)的運動特性是指其運動副元素之間的相對運動關系和運動規(guī)律。曲柄存在條件是平面鉸鏈四桿機構(gòu)中存在能整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件。三種基本類型：1)曲柄搖桿機構(gòu)：一個曲柄，一個搖桿；2)雙曲柄機構(gòu)：兩個曲柄；3)雙搖桿機構(gòu)：兩個搖桿。主要區(qū)別在于是否存在曲柄以及曲柄和搖桿的相對位置關系。五、凸輪機構(gòu)的壓力角是指從動件受力方向與運動方向之間所夾的銳角。壓力角大小影響驅(qū)動力的大小和機械效率，壓力角越大，有效驅(qū)動力越小，所需驅(qū)動力越大，機械效率越低，甚至可能自鎖。減小最大壓力角的方法包括：增大基圓半徑、采用偏置從動件（選擇合適的偏距方向和大?。?、采用滾子從動件。六、基圓是凸輪理論輪廓線的最小半徑圓。從動件的運動規(guī)律是指其位置、速度、加速度隨凸輪轉(zhuǎn)角或時間變化的規(guī)律。不同運動規(guī)律的位移圖線形狀不同，決定了凸輪的輪廓形狀和從動件的運動特性。例如，等速運動位移圖線是斜直線，等加速等減速運動位移圖線是拋物線，簡諧運動位移圖線是正弦曲線。七、漸開線齒廓形成原理是當一直線在圓盤上作純滾動時，直線上任意一點在該圓盤平面上的軌跡為漸開線。漸開線齒廓滿足齒廓嚙合基本定律，即兩齒廓在任意接觸點處的公法線必通過連桿軸心線的速度瞬心，保證傳動比恒定。漸開線齒廓傳動特點包括傳動比恒定、齒廓接觸線為直線（便于潤滑）、中心距具有可分性。八、齒輪的壓力角（齒形角）是指齒輪分度圓上齒廓的壓力角，它也是齒廓漸開線在分度圓上的法線與半徑所夾的銳角。標準直齒圓柱齒輪的主要參數(shù)有：模數(shù)m、壓力角α、齒數(shù)z、分度圓直徑d、齒頂高ha、齒根高hf、全齒高h、齒距p、齒厚s、齒槽寬w等。模數(shù)表示齒槽大小，影響齒輪尺寸和承載能力；壓力角是決定齒廓形狀的基本參數(shù)。九、齒輪傳動中產(chǎn)生齒面點蝕的主要原因是齒面接觸應力在循環(huán)載荷作用下超過材料的接觸疲勞極限。產(chǎn)生齒面磨損的主要原因是齒面間存在相對滑動，導致磨粒磨損或粘著磨損。提高齒輪傳動承載能力和耐磨性的方法包括：提高齒面硬度（如熱處理）、采用耐磨材料、進行齒面修形（如齒廓修緣）、提高制造和安裝精度、改善潤滑條件。十、周轉(zhuǎn)輪系是指至少有一個構(gòu)件既作定軸轉(zhuǎn)動又作相對轉(zhuǎn)動的輪系。周轉(zhuǎn)輪系傳動比的計算方法是在其轉(zhuǎn)化機構(gòu)（假想原動件固定）中，運用與定軸輪系相同的傳動比計算公式。計算公式為iH*A=(zA/zB*zC/zD*...*zF)/(1-iH*B)，其中H為系桿，A為與系桿相連的齒輪，B為原動件。周轉(zhuǎn)輪系可用于獲得大的傳動比、變速變矩、實現(xiàn)特殊運動等。十一、機械效率是有用功與輸入功之比，或有用功率與輸入功率之比，常用η表示。機械效率總是小于或等于1，因為機械運轉(zhuǎn)時有能量損失（如摩擦損耗、熱損耗等）。提高機械系統(tǒng)效率的根本途徑是減少或消除能量損失，如采用低摩擦潤滑、提高制造和裝配精度、優(yōu)化機構(gòu)設計等。十二、飛輪是利用轉(zhuǎn)動慣量較大輪體儲存和釋放能量的裝置。飛輪在機械中起平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的作用，即平抑由于周期性干擾力或阻力引起的速度波動，使主從動件角速度波動幅度減小。選擇飛輪安裝位置應遵循使系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動慣量增加最小的原則，通常安裝在轉(zhuǎn)速較高的軸上，且盡量靠近質(zhì)量較大的構(gòu)件。十三、機械平衡分類：1)靜平衡：針對剛性轉(zhuǎn)子，通過在轉(zhuǎn)子適當位置添加或去除質(zhì)量，使其質(zhì)心位于旋轉(zhuǎn)軸線上，消除其離心力，使其在靜止時就能達到平衡。2)動平衡：針對剛性轉(zhuǎn)子，通過在轉(zhuǎn)子兩個互垂的徑向平面內(nèi)添加或去除質(zhì)量，使轉(zhuǎn)子上的慣性力系和慣性力偶矩都得到平衡，使其在旋轉(zhuǎn)時既能消除離心力，又能消除慣性力偶矩。判斷剛性轉(zhuǎn)子是否達到靜平衡，只需檢查其質(zhì)心是否在旋轉(zhuǎn)軸線上。十四、設計思路：選用一個偏心圓盤作為凸輪，其偏心距產(chǎn)生往復運動。將此偏心圓盤安裝在一根桿上，桿的另一端與連桿相連。當偏心圓盤旋轉(zhuǎn)時，其偏心導致桿繞其與圓盤連接點擺動，再通過連桿帶動從動件作往復直線運動。其中，偏心圓盤（凸輪）將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為桿的擺動，桿再通過連桿將擺動轉(zhuǎn)換為從動件的往復直線運動。十五、（答案具有開放性，以下為分析框架和示例方向）選取實例：如簡易卷揚機。涉及機械原理知識：1)齒輪傳動（減速增矩）；2)軸系結(jié)構(gòu)（軸承、軸）；3)雷諾公式（潤滑）；4)機械效率；5)轉(zhuǎn)動慣量與平穩(wěn)性。評估：優(yōu)點可能包括結(jié)構(gòu)相對簡單、成本較低；缺點可能包括效率不