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机械设计机械设计 练习册练习册答案答案 第三章机械零件的强度第三章机械零件的强度 一一 选择题选择题 1 B2 B3 B C4 B 二二 分析计算题分析计算题 11 已知r 0 1 2 5 2 2 5 M P aM P a 求 和 画出应力变化图 应力变化图 22 下述四种零件均作用一稳定外载荷 a 转轴的弯曲应力 b 单向回转且启动频繁的传动轴的扭转应力 c 正反转的齿轮齿根弯曲应力 d 有一定预紧力的压缩圆柱螺旋弹簧丝剖面上的扭转剪应力 试求 1 画出它们的应力随时间变化的曲线 2 说明它们的循环特性r 并算出r值 3 写出应力幅 平均应力 最大应力 最小应力之间的关系式 解解 1 33 在如图示的零件极限应力图上 工作点C和D为斜齿轮轴上两种应力工作点 试在下图中标出对应的极限应力点 并说明分别会出现什么形式的破坏 解解 现屈服失效 塑 第四章 螺纹联接和螺旋传动第四章 螺纹联接和螺旋传动 一一 选择题与填空题选择题与填空题 11 55 A A B C B 66 分度和画线 材料 直径 长度 77 应力幅 88 不承受 加厚螺母99 变动范围 应力幅 1 01 0 边缘 二二 问答题问答题 11 原因 当出现冲击 振动 变载荷 温度升高 摩擦力减小等情况时均会松脱 防松方法可分为 摩擦防松 机械防松 破坏螺旋副运动关系防松 具体防松方法和防松装置有 对顶螺母 弹簧垫圈 自锁螺母 止动垫圈 串联钢丝 铆合 冲点 涂胶粘剂 等 22 目的是为了避免螺栓受附加的弯曲载荷 防止措施有 除了要在结构上设法保证载荷不偏心外 还应在工艺上保证被连接件 螺母和螺栓头部的支承面平 整 并与螺栓轴线相垂直 33 螺栓组连接受力分析的目的是求得联接中各螺栓受力的大小 特别是其中受力最大的螺栓所受的力 依此作为螺 栓连接中螺栓强度计算的基础 44 承受横向载荷的普通螺栓 是由拧紧螺栓使被连接件的接合面相互压紧而产生足够的压紧力 由此产生一定的摩 擦力 以用来传递横向外力 利用力平衡的条件可获得产生一定压紧力所需在螺栓上施加的预紧力 此时螺栓将承 受轴向的预紧拉力 55 若减小螺栓刚度 增大被连接件刚度 螺栓的相对刚度会很小 则螺栓所受的总拉力可减小 反之 若增大螺栓 刚度 减小被连接件刚度 螺栓的相对刚度会很大 则螺栓所受的总拉力会有较大增加 三三 分析计算题分析计算题 11 解解 由表5 8 查得吊钩材料则 由强度条件知 取吊钩螺纹部分的直径为 22 解解 一 按疲劳强度求 1 求工作载荷因为所以 由标准查得螺栓 故 2 汽缸盖所能承受的最大力 3 汽缸所受的最大压力 二 按静强度求 1 求螺栓总拉力 2 求工作载荷 3 汽缸盖所受最大力 4 静载汽缸所受最大压力 结论 该汽缸能承受最大压力为 33 解解 一 求每个螺栓应施加的预紧力 由力平衡可知 其中故 图表 1 二 求工作应力 44 解解 力向接合面中心平移 根据力的平移原理得 横向力 扭转力矩 由引起的剪力 由引起的剪力 其中 由合成剪力图可知 螺栓受力最大 利用余弦定理得 因受静载荷作用 由表5 8 查得 表5 1 0 查得 则许用剪切应力和挤压应力为 先按剪切强度条件计算螺栓直径 得 再按挤压强度条件计算螺栓直径 得 故选的螺栓 55 解解 根据得 由表查得 按装配时不控制预紧力 取 由强度条件式 得 由 得 66 解解 按夹紧面受集中压力考虑 如题图所示 一 求螺栓所需的预紧力 根据平衡条件 则 所以 二 确定螺栓直径 选取螺栓材料为钢 性能等级为 则由表5 8 得屈服强度级限 由表5 1 0 取安全系数 螺栓材料的许用应力为 螺栓最小直径 查手册 选用的螺栓 其小径 第五章轴毂联接第五章轴毂联接 一一 选择题选择题 1 D2 C3 B4 D5 D6 C7 B 二二 填空题填空题 1 两侧面 上下面 导向平键 滑键 2 被压溃 过度磨损 3 挤压 耐磨性 4 单 第六章第六章带传动带传动 一一 选择与填空题选择与填空题 11 1 61 6 D A A C D D D A B A B C C C D B 1 71 7 小于 接触 减小1 81 8 增大 增大 增大 减小 1 91 9 单位长度的带质量 带的线速度 带的截面积2 02 0 较大 2 12 1 定期张紧装置 自动张紧装置 采用张紧轮的张紧装置2 22 2 不可以 可以 2 32 3 非对称循环2 42 4 v1 v v2 v 2 52 5 计算功率 小带轮的转速2 62 6 松边 单向 小 大 2 72 7 弹性滑动2 82 8 打滑 疲劳破坏 2 92 9 避免v过大 使离心力过大 而v过小 使受力增大 造成带根数过多 增大摩擦力3 03 0 增大 可提高 3 13 1 防止弯曲应力过大 导致整体结构尺寸过大3 23 2 整个 全 3 33 3 带因制造与安装误差而造成的受力不均的情况不至于太严重 二二 分析计算题分析计算题 11 答答 传动能力最小 即表明输出功率P 最小 设 轴转速为n1 则n2 n1 i D1n1 D2 因为 其中n1 T2一定 而 所以 当轮D1与轮D2组合时 传动能力最小 22 答答 1 两个传动装置传递的圆周力一样大 当带在轮上有打滑趋势时 摩擦力达到极限值 此时能传递的圆周力为 根据题意 D1 D4 D2 D3 并且传动中心距A 皮带材料 及带轮材料 尺寸及张紧力均相同 故得出这两种传 动装置的初拉力F0 摩擦系数 及包角 均相同 因此它们传递的圆周力是相同的 2 图b 的传动装置传递的功率大 传递的功率P Ftv 而v Dn 则P Ft Dn 其中 两种传动装置的n及Ft均相同 而D3 D1 由此可知图b 的 传动装置传递的功率大 3 图a 传动装置的皮带寿命长 因为在有打滑的趋势下 它们所传递的有效圆周力是相等的 即带所受的拉力是相同的 但是 图a 的传动装 置的速度低 那未 该装置的带受的离心拉力就小 磨损也小 并且带的绕转次数少 即在相同的时间内 带的应 力循环次数少 另一方面 该传动的传动功率低 因此功率损耗也小 这样带的温升也小 从而使带的材料强度降 低的也小 综上所述可知 图a 传动装置的皮带寿命长 第七章链传动第七章链传动 一一 选择题与填空题选择题与填空题 11 抗拉静力强度22 小 多33 奇 偶44 多边形55 铅垂 水平或倾斜 66 1 01 0 B A C D B 二二 问答题问答题 11 链传动的主要运动特性是链速具有不均匀性 并由此导致产生附加动载荷和振动 产生原因是由于传动链的链节 是刚性的 绕在链轮上后组成多边形的一部分 故当主动链轮等角速度转动时 链速和从动链轮角速度产生周期性 变化 22 影响链传动动载荷的主要参数是链轮齿数 链节距和链轮转速 设计中采用较多的齿数 较小的链节距 并限制 链轮转速不要过高 对降低动载荷都是有利的 33 不正确 因 故分度圆直径与齿数不成正比关系 即 44 链的疲劳破坏 链条铰链的磨擦 链条铰链的胶合 链条静力破坏 55 合理布置为 带传动 高速级 齿轮传动 链传动 低速级 原因 带传动工作平稳 噪音低 具有过载保护 功能 宜放在高速级 当链速升高时 链传动运动不均匀性及冲击 振动 噪音严重 宜放在低速级 三三 分析计算题分析计算题 11 解解 由公式 可导出 根据链号及查额定功率曲线图9 1 1 得额定功率 22 解解 1 选择链节距 链的工作拉力为 初步选用链 其链节距 离心拉力 悬垂拉力 紧边总拉力 按链的静强度校核公式可得链的抗拉载荷 单列链条 而故选用链是合适的 2 求大 小链轮的齿数 由公式得 小链轮 取 大链轮 链速 链的工作拉力 紧边工作拉力 静强度安全系数 故选用链是合理的 3 求大 小链轮的节圆直径 小链轮 大链轮 4 计算链节数 取 33 解解 1 确定从动链轮转速降低后主动链轮齿数 由传动比得 最初设计时链传递的功率 额定功率式中 按2 5 齿查 主动链轮齿数减少后 设链传递的功率为 则式中 按1 9 齿查 同一种链号的链传动 主动链轮速度没有变化 当然额定功率就不会变化 则有 所以 2 确定从动链轮转速降低后从动链轮齿数 由传动得 最初设计时链传递的功率 则式中参数的确定同前 从动链轮齿数增加后 设链传递的功率为 则式中 按2 5 齿查 则有所以 传递功率无变化 3 比较上述两种方案 第二种方案更为合适 其原因 链条的强度与寿命不仅不受影响 而链传递的功率却比 第一方案大 第二种方案中 主动链轮齿数2 5 比第一种方案中齿数1 9 多 所以链传动工作平稳性好 第八章齿轮机构第八章齿轮机构 一一 选择题选择题 1 A 2 B 3 4 5 A 6 A 7 D 8 A 9 C 1 0 C 1 1 C 1 2 B 1 3 A 1 4 A1 5 C 2 3 1 二二 问答题问答题 1 齿轮常见的失效形式有哪些 各种失效形式常在何种情况下发生 如何防止或减轻 答 1 齿轮常见的失效形式有轮齿折断 工作齿面磨损 点蚀 胶合及塑性变形 2 a 轮齿折断常在应力集中作用 轮齿受到突然过载 轮齿经过严重磨损后齿厚过分减薄 轮齿局部受载 过大的情况过易发生 防止或减轻措施为 a 用增大齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕的方法来减小齿根应力集中 b 增大轴及支 承的刚度性 使轮齿接触线上受载较为均匀 c 采用合适的热处理方法使齿芯材料具有足够的韧性 d 采用喷 丸 滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理 b 工作齿面磨损常在啮合齿面间落入磨料性物质时 齿面逐渐磨损而致报废 防止或减轻措施为改用闭式齿轮传动 c 点蚀常在润滑良好的闭式齿轮传动中发生 且多发生在靠近节线处的齿根面上 防止或减轻措施为 提高齿轮材料的硬度 在合理限度内向啮合齿轮间加法高粘度润滑油 d 齿面胶合多在高速重载齿轮传动中发生 多由齿面间压力大 瞬时温度高 润滑效果差等原因导致 防止或减轻措施为 采用抗胶合能力强的润滑油 在润滑油中添加极压添加剂等 e 塑性变形 常在齿轮处于过大应力作用下 齿轮材料处于屈服状态的情况下发生 防止或减轻措施为 提高齿轮齿面硬度 采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油 2 传动设计计算的准则根据什么来确定的 目前通用的计算方法有哪些 它们分别针对何种失效形式 针对其余失 效和开式齿轮的设计计算准则是什么 答 传动设计计算的准则主要根据出轮在整个工作寿命期间不失效来确定 目前通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及 保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算 齿根弯曲疲劳强度常用于轮齿折断失效形式 齿面接触疲劳强度常用于点 蚀和胶合的失效形式 对齿面磨损 塑性变形由于尚未建立于为工程实际使用而且行之有效的计算方法及设计数据 所以目前设计通常 只按保证齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度两准则进行计算 对开式 半开式 齿轮传动 仅以保证齿根弯曲 疲劳强度为设计准则 3 一闭式齿轮传动 漏载几个月后 发现在硬度为2 0 0 2 4 0 H B S 的齿面上出现小的凹坑 问 A 这是什么现象 B 应采取什么措施 答 这一现象应为点蚀现象 由于材料齿面硬度为2 0 0 2 4 0 H B S 故应提高齿轮材料的硬度 如已出现点蚀现象 应在合理限度内增大润滑油粘度 三三 分析计算题分析计算题 11 解 标准斜齿圆柱齿轮传动应满足 由 并将已知数据代入上式可得 满足该关系式可有多种方案 现列举三种方案如下 方案模数 m m 齿数螺旋角 134 4 243 3 352 6 现对不同方案的利弊分析入下 螺旋角越大 齿轮传动的平稳性和承载能力越高 但值太大 会引起轴向力太大 加大了轴和轴承的载荷 故 值要选取适当 通常在 范围内选取 对于模数和齿数 在中心距a 齿数比u 和螺旋角一定的情况下 模数取值大 齿数就小 反之 齿数越 多 模数就小 模数越小 齿数较多的有利方面是 1 增大重合度 提高传动平稳性 2 降低齿高 减小滑动系数 有利于提高齿轮抗磨损 抗胶合能力 3 减轻毛胚外径 减轻齿轮重量 4 减小轮齿切削量 延长刀具使用寿命 减少加工工时 模数较少 齿数较多的不利方面主要是齿轮抗弯强度较低 对于闭式软齿面齿轮传动 其主要失效形式是齿面点蚀 故齿数的选择原则是 在传动尺寸不变和保证抗弯强度的 前提下 齿数取多些 对于闭式硬齿面齿轮传动 其主要失效形式是齿面磨损和轮齿折断 故当中心距和齿数比一 定时 闭式硬齿面和开式齿轮传动 应适当选择较少齿数 以增大模数 提高抗弯强度 22 解 1 比较齿轮的抗弯强度 由于 根据题意可知A 对齿轮中小齿轮与B 对中小齿轮K 与T 值相等 故由于故 由齿形系数及应力校正系数表可分别查出A 对中 4 0 时 2 4 1 6 7 同理可查出B 对中 2 8 1 5 5 故 又由于 故 故可知A 对中齿轮小齿轮1 的弯曲应力大于B 对中小齿轮1 的的弯曲应力 同理可得 故可知A 对中齿轮大齿轮2 的弯曲应力大于B 对中大齿轮2 的的弯曲应力 2 比较齿轮的接触强度 分别对A 对小齿轮和B 对小齿轮中进行比较 由于 由题意可知K T 相等 故 故由此可知A 对中小齿轮与B 对中小齿轮接触强度相等 同理可得 故由此可知A 对中大齿轮与B 对中大齿轮接触强度相等 33 解 A 根据题意要求 使II 轴上齿轮2 和齿轮3 的轴向力互相抵消一部分以减轻所受载荷可知齿轮2 和齿轮3 的 旋丙相同 故可知齿轮2 位左旋 齿轮4 位右旋 B为了使 轴上齿轮的轴向力完全抵消 应使 大小相等 方向相反 即 C 轴的转向与 轴方向相反 轴与 轴方向相同 各轴转矩为 轴 D 各齿轮所受力方向如下图所示 各力大小分别如下 44 解 1 涡轮的转向从左向右看为顺时针方向转动 2 齿轮3 为右旋 齿轮4 为左旋 3 轴上各传动件的受力情况如下图所示 第九章蜗杆传动第九章蜗杆传动 一一 选择与填空题选择与填空题 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 蜗轮 齿面点蚀和齿根弯曲疲劳1 4 相同 1 5 m Z1 Z2 及磨削与否1 6 Z1和da 1 1 7 刚度 变形会影响啮合与载荷集中1 8 1 加大散热片的面积2 加风扇3 用水冷却管 二二 分析计算题分析计算题 11 螺旋方向 转向及受力方向分析 如图示 标出未注明的蜗杆或蜗轮的旋向及转向 均为蜗杆主动 画出蜗杆 和蜗轮受力的作用点分力的方向 22 如图示为一斜齿圆柱齿轮 蜗杆传动 小斜齿轮由电动机驱动 已知蜗杆为右旋 转向如图示 试在图上标注 1 蜗杆螺旋线方向及转向 2 大齿轮的螺旋方向 可使大斜齿轮所产生的轴向力 能与蜗杆的轴向力抵消一部分 3 小齿轮的螺旋线方向及轴的转向 4 画出蜗杆轴 包括大斜齿轮 上诸作用力的方向的空间受力图 33 如图示为蜗标杆 圆锥齿轮组合传动装置 已知蜗杆为右旋 转向n1如图示 中间轴 上的轴向力是否能够抵消一部分 确定输出轴 的转向 画出蜗杆 蜗轮及两个锥齿上各分力Fa Fr Ft 第十章摩擦第十章摩擦 磨损及润滑概论磨损及润滑概论 一一 选择题选择题 11 77 D D C A C A B88 1 41 4 A B D B A B B 1 51 5 剧烈1 61 6 相对滑动的表面能在稳定磨损阶段工作1 71 7 形成吸附膜 形成反应膜1 81 8 低 高 1 91 9 6 8 c s t 0 0 6 1 2 k g m s 2 02 0 牛顿粘性定律2 12 1 耐热 抗水 二二 简答题简答题 11 机件磨损过程大致可分为三个阶段磨合阶段 稳定磨损阶段 剧烈磨损阶段 1 磨合阶段 新的摩擦副表面较粗糙 在一定的载荷作用下 摩擦表面逐渐被磨平 实际接触面积逐渐增大 磨 损速度开始很快 然后减慢 2 稳定磨损阶段 经过磨合 摩擦表面加工硬化 微观几何形状改变 从而建立了弹性接触的条件 磨损速度缓 慢 处于稳定状态 3 剧烈磨损阶段 经过较长时间的稳定磨损后 因零件表面遭到破坏 使摩擦条件发生较大的变化 如温度的急 剧增高 金属组织的变化等 磨损速度急剧增加 这时机械效率下降 精度降低 出现异常的噪声及振动 最后导 致零件失效 22 减少磨损的主要方法 1 选用合适的润滑剂和润滑方法 2 按零部件的主要磨损类型选择材料 如易发生粘着磨损时 不要选同种材料 易发生磨粒磨损时 要选用硬度 高的材料 3 合理选择热处理和表面处理方法 如表面淬火 表面化学处理 均可提高耐磨性 4 适当降低表面粗糙度值 5 用滚动摩擦代替滑动摩擦 33 粘度的主要影响因素 1 温度 粘度随温度的升高而降低 常用粘度指数表示影响程度 粘度指数越高 温度对粘度的影响越小 2 压力 压力在1 0 0 M P a 以上时 粘度随压力的升高而明显增加 44 润滑油的主要性能指标有 1 粘度 2 润滑油 油性 3 极压性 4 闪点 5 凝点 6 氧化稳定性 润滑脂的主要性能指标有 1 锥 针 入度 或稠度 2 滴点 形成动力润滑的必要条件 1 两相对运动的表面间必须具有收敛的楔形间隙 2 被油膜分开的两表面须有一定的相对滑动速度 方向应保证润滑油由大口进 从小口出 3 润滑油应有一定的粘度 供油要充分 第十一章滑动轴承第十一章滑动轴承 一 选择题一 选择题 A B B D B A B C D B 二 填空题二 填空题 1 相对 偏心率 2 减小 3 非承载区 4 p p v 5 越小 越大 6 径向滑动轴承 止推滑动轴承 液体润滑轴承 不完全液体润滑轴承 液体动力润滑轴承 液体静压润滑轴承 7 减摩性和耐磨性 8 变大 提高 变大 9 调心式轴承1 0 混合摩擦 液体摩擦 三 简答题三 简答题 11 磨粒磨损 刮伤 胶合 疲劳剥落和腐蚀等 22 良好的减摩性 耐磨性和抗咬粘性 良好的摩擦顺应性 嵌入性和磨合性 足够的强度和抗腐蚀能力 良好的导 热性 工艺性 经济性等 33 轴瓦和轴承衬的材料统称为轴承材料 常用的轴承材料可分为三大类 1 金属材料 如轴承合金 铜合金 铝基 合金和铸铁等 2 多孔质金属材料 3 非金属材料 如工程塑料 碳 石墨等 44 1 决定轴承的结构型式 2 选择轴瓦和轴承衬的材料 3 决定轴承结构参数 4 选择润滑剂和润滑方法 5 计算轴承工作能力 55 一般轴承的宽径比B d 在0 3 1 5 范围内 66 应考虑轴承压力 滑动速度 摩擦表面状况 润滑方式等条件 可以通过计算和参考同类轴承的使用经验初步确 定 88 相对滑动的两表面间必须形成收敛的楔形间隙 被油膜分开的两表面必须有足够的相对滑动速度 其运动方向必 须使润滑油由大口流进 从小口流出 润滑油必须有一定的粘度 供油要充分 99 应保证最小油膜厚度处的表面不平度高峰不直接接触 1 01 0 相对间隙主要根据载荷和速度选取 速度越高 值应越大 载荷越大 值应越小 此外 直径大 宽径比小 调心性能好 加工精度高时 值取小值 反之取大值 第十二章滚动轴承第十二章滚动轴承 一一 选择与填空题选择与填空题 11 3 22 N 0 0 0 0 5 0 0 0 0 1 0