机械设计课后习题题解-2009--周海

机械设计 课后习题 解答 第 1 章 机械设计概论 1 2 设计机器时应满足哪些基本要求 答 1 功能要求 满足机器预定的工作要求 如机器工作部分的运动形式 速度 运动精度和平稳性 需要传递的功率 以及某些使用上的特殊要求 如高温 防潮等 2 安全可靠性要求 1 使整个技术系统和零件在规定的外载荷和规定的工作时间内 能正常工作而不发 生断裂 过度变形 过度磨损 不丧失稳定性 2 能实现对操作人员的防护 保证人身安全和身体健康 3 对于技术系统的周围环境和人不致造成危害和污染 同时要保证机器对环境的适 应性 3 经济性 在产品整个设计周期中 必须把产品设计 销售及制造三方面作为一个系统工程来 考虑 用价值工程理论指导产品设计 正确使用材料 采用合理的结构尺寸和工艺 以 降低产品的成本 设计机械系统和零部件时 应尽可能标准化 通用化 系列化 以提 高设计质量 降低制造成本 4 其他要求 机械系统外形美观 便于操作和维修 此外还必须考虑有些机械由于工作环境和要 求不同 而对设计提出某些特殊要求 如食品卫生条件 耐腐蚀 高精度要求等 1 4 机械零件的计算准则与失效形式有什么关系 常用的设计准则有哪些 它们各针 对什么失效形式 答 在设计中 应保证所设计的机械零件在正常工作中不发生任何失效 为此对于每种 失效形式都制定了防止这种失效应满足的条件 这样的条件就是所谓的工作能力计算准 则 它是设计机械零件的理论依据 常用的设计准则有 1 强度准则 确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形 是最基本的设计准则 2 刚度准则 确保零件不发生过大的弹性变形 3 寿命准则 通常与零件的疲劳 磨损 腐蚀相关 4 振动稳定性准则 高速运转机械的设计应注重此项准则 5 可靠性准则 当计及随机因素影响时 仍应确保上述各项准则 1 7 机械零件设计的一般步骤有哪些 其中哪个步骤对零件尺寸的确定起决定性的作 用 答 机械零件设计的一般步骤有 1 选择零件类型 结构 2 计算零件上的载荷 3 选择零件的材料 4 确定计 算准则 5 理论设计计算 6 结构设计 7 校核计算 8 绘制零件工作图 9 编 写计算说明书及有关技术文件 其中步骤 4 对零件尺寸的确定起决定性的作用 第 2 章 机械零件的强度 2 3 静应力计算的强度准则是什么 计算中选取材料极限应力和安全系数的原则是什 么 答 静应力时零件的主要失效形式 塑性变形 断裂 脆性材料的极限应力为 强度极限 塑性材料的极限应力为 屈服极限 B s 2 5 机械零件设计中确定许用应力时 极限应力要根据零件工作情况及零件材料而定 试指出金属材料的几种极限应力各适用于什么工作情况 答 强度极限和适用于脆性材料在静应力作用下使用 塑性材料极限应力为 屈 B B s 服极限 持久极限 对称循环为 脉动循环时为 1 1 0 0 2 12 某材料的对称循环弯曲疲劳极限 取循环基数MPa180 1 9 105 6 0 mN 试求循环次数 N 分别为 7000 25000 620000 次时的有限寿命弯曲疲劳极限 解 CNN mm N 0 m N N N0 当 N 7000 MPa N N m N 57 373180 7000 105 9 6 0 当 N 25000 MPa N N m N 30 324180 25000 105 9 6 0 当 N 620000 MPa N N m N 99 226180 620000 105 9 6 0 2 13 已知某材料的 MPa MPa 试绘制该材料的简260 s 1 170 0 2 化极限应力线图 解 根据 001 2 0 283 34 1 170 a m O S AB 141 67 141 67 S 260 E 第 3 章 摩擦 磨损及润滑 3 3 试描述磨损的一般过程 为什么要认真对待机件的磨合阶段 答 磨损过程的三个阶段 磨合 跑合 阶段 新的零件在开始使用时一般处于这一阶段 磨损率较高 稳定磨损阶段 属于零件正常工作阶段 磨损率稳定且较低 剧烈磨损阶段 属于零件即将报废的阶段 磨损率急剧升高 在磨合阶段 如果压力过大 速度过高 则磨合期很短 并立即进入剧烈磨损阶段 所以要认真对待机件的磨合阶段 3 5 润滑剂的作用是什么 常用的润滑剂有哪几类 答 润滑的作用 降低摩擦副的摩擦 减少磨损 以及冷却 密封 防锈和减振等 常用的润滑剂有 液体润滑剂 有机油 矿物油 合成油等 润滑脂 皂基脂 无机脂 烃基脂和有机脂 固体润滑剂 软金属 如铅 金 银等 无机化合物 石墨 二硫化钼等 有机化合物 聚四氟乙烯 尼龙等 气体润滑剂 空气等 第 4 章 带传动 4 1 已知一普通 V 带传动传递的功率 P 8KW 带速 v 15m s 紧边与松边拉力之比 为 3 1 求该带传动的有效拉力 Fe 和紧边拉力 F1 解 1000 VFe P N V P Fe33 533 15 80001000 FFFFF fe 21 NFeF800 2 3 1 4 2 有一电动机驱动的普通 V 带传动 单班制工作 主动轮转速 n1 1 460r min 中心 距 a 约为 370mm dd1 140mm dd2 400mm 中等冲击 轻微振动 用三根 B 型普通 V 带传动 初拉力按规定给定 试求该传动所能传递的功率 解题要点 1 根据题意可知 传动比 857 2 140 400 12 dd ddi 带长 0 2 12120 25 0 5 02addddaL ddddd mm 9 1633370 14040025 0 1404005 03702 2 实际选用标准长度 Ld 1600mm 小带轮包角 180180 121 dd dd 74 13937014 3 180140400180 根据带传动工作条件 查表可得工作情况系数 KA 1 1 查表可得单根普通 B 型 V 带的基本额定功率 P0 2 83kW 查表可得单根普通 B 型 V 带的基本额定功率 P0 0 46kW 查表可得包角系数 89 0 a K 查表可得长度系数 92 0 L K 2 根据 可得该带传动所能传递的功率为 00LaA KKPPPKz kW KKKPPzP ALa 347 7 1 1 92 0 89 0 46 083 2 3 00 4 3 设计一普通 V 带传动 已知所需传递的功率 P 5kW 电动机驱动 转速 n1 1440r min 从动轮转速 n2 340r min 载荷平稳 两班制工作 解题要点 1 确定计算功率 Pca 根据 V 带传动工作条件 查表可得工作情况系数 KA 1 1 所以 Pca KAP 1 1 5 5 5 kW 2 选取 V 带的型号 根据 Pca 由图 4 11 确定选用 A 型 V 带 1 n 3 确定带轮基准直径 d1 d2 取主动轮基准直径为 d1 90mm d2 i d1 1440 340 90 381mm 取从动轮基准直径为 400mm 验算带的速度 100060 11 nd smsm 25 79 6 100060 144090 故带的速度合适 4 确定 V 带的基准长度和传动中心距 根据 0 7 d1 d2 a0 2 d1 d2 可得 a0应在 343 980mm 之间 初选中心距 a0 500mm 计算带所需的基准长度 0 2 12120 25 0 5 02addddaLd 500 90400 25 0 90400 5 05002 2 1 817 7 mm 选取带的基准长度 Ld 1800mm 计算实际中心距 2 18181800 500 2 6 0 dd LLaa 491 mm 5 验算主动轮上的包角 1 1 180 180 12 add 49114 3 180 90400 180 120 8 143 故主动轮上的包角合适 6 计算 V 带的根数 z 00LaA KKPPPKz 由 n1 1440r min d1 90mm i d2 d1 4 235 查表得 P0 1 06kW 0 17kW 0 P Ka 0 9 KL 1 01 所以 z 5 5 1 06 0 17 0 9 1 01 4 9 取 z 5 根 7 计算预紧力 F0 NF q Kz P F a ca 6 14879 6 1 01 9 0 5 2 79 6 5 5 5 500 1 5 2 500 2 0 2 0 8 计算作用在轴上的压轴力 FQ NzFFQ 5 1412 2 8 143sin 6 14852 2 sin 2 10 9 带轮结构设计 略 第 5 章 链传动 5 2 滚子链的标记 10A 2 100 GB1243 1997 的含义是什么 答 该滚子链为节距为 15 875mm 的 A 系列 双排 100 节的滚子链 标准号为 GB1243 1997 5 4 为什么链传动通常将主动边放在上边 而与带传动相反 答 链传动的紧边宜布置在传动的上面 这样可避免咬链或发生紧边与松边相碰撞 带传动的紧边宜布置在传动的下面 这样可增大包角 5 8 试分析如何适当地选择链传动的参数以减轻多边形效应的不良影响 答 减轻多边形效应的不良影响的措施 1 n1 该对轴承合适 hLh15000 10 8 3 如图 8 31 所示 轴支承在两个 7207ACJ 轴承上 两轴承压力中心间的距离为 240mm 轴上负荷 2 800N 750N 方向和作用点如图所示 试计算轴承 C D re F ae F 所受的轴向负荷 ac F ad F 附 7207ACJ 的有关参数如下 1 20 9 r CkN 0 19 2 r CkN 0 68e 4 0 X0 87Y 0 68 r SF 解 轴承反安装 根据受力平衡 2800 933 33 33 re rC F FN 22 2800 1866 67 33 re rD F FN 0 68634 7 SCrC FFN 0 681269 4 SDrD FFN 由于 1269 47502019 4634 7 SDaeSC FFNN F 所以 轴承 C 被压紧 轴承 D 被放松 2019 4 1269 4 aC aD FN FN 第 9 章 滑动轴承 9 1 设计一蜗轮轴的不完全油膜径向滑动轴承 已知蜗轮轴转速 n 60Hmin 轴颈直径 d 80mm 径向载 荷 F钢 的材料为轴瓦材料为锡青铜 轴45 7000N r 解 根据所要求的内容 为了装折方便 现将轴承采用对开式结构 根据表 9 2 选取了 smMPaPsmVMPaP V 15 60 20 试选取 Bld 0 8 则 B 0 8mmmm6480 P PMPa dB F 37 1 6480 7000 P B Fn V 19100 V PsmMPa 34 0 6419100 607000 V vsm dn 25 0 601000 6080 601000 由于 P P V 均未超过许用范围 则设计的轴承满足工作能力要求 V 9 2 有一完全油膜径向滑动轴承 轴颈直径为 d 60mm 轴承宽度 B 60mm 轴瓦材料为锡青铜 1 验算轴承的工作能力 已知载荷 F min 15036000rnN r 转速 2 计算轴的允许转速 n 已知载荷 NFr36000 3 计算轴承能承受的最大载荷 F已知转速 n 900r min max 4 确定轴所允许的最大转速 n max 解 根据所给要求查表 9 2 得 smMPaPsmVMPaP V 15 60 20 1 P PMPa dB F 1 6060 3600 VV PsmMPa B nF P 47 0 6019100 1503600 19100 V vsm dn 47 0 601000 15060 601000 所以不满足轴承的工作能力要求 2 smMPaP n B Fn V 15 6019100 3600 19100 则轴的允许转速 n min 4775r 3 由 P F dB F P 6060 得 F NP720006060206060 即轴承能承受的最大载荷为 72000N 4 由 2 计算分析可知轴所允许的最大转速 n min 4775 max r 第 11 章 轴 11 2 下图所示为某减速器输出轴的结构与装配图 试指出其设计错误并画出正确的结构与装配图 解 1 左端的轴承端盖与箱体间没有加调整垫片 2 左端的轴承端盖不能与轴直接接触 要有间隙 3 左端的轴承端盖与轴之间应加密封毡圈 4 左端的轴承与轴的配合长度太长 不易安装 5 左端的轴承的内圈高度与套简的高度相同 不易拆御 6 齿轮相配合的轴段左端应略小于齿轮宽度 以便定位可靠 7 右端轴承无轴向定位 有砂轮越程槽 8 制图错误 9 右端的轴承端盖与箱体间应加调整垫片 10 轴承安装错误 11 左轴端的键槽太长 不应在轴承端盖部位 12 右键槽长 其右端加工困难 13 轴承应该正装 14 轴承盖端面有凹槽 由题意作出轴的结构与装配图如下图所示 第 13 章 螺纹连接与螺旋传动 思考题 1 常用螺栓材料有哪些 选用螺栓材料时主要应考虑哪些问题 2 松螺栓连接和紧螺栓连接的区别是什么 计算中应如何考虑这些区别 3 实际应用中绝大多数螺纹连接都要预紧 试问预紧的目的是什么 4 拧紧螺母时 拧紧力矩了要克服哪些摩擦阻力矩 这时螺栓和被连接件各受什么载 荷作用 5 为什么对于重要的螺栓连接要控制螺栓的预紧力 预紧力的大小由哪些条件 0 F 0 F 决定 控制预紧力的方法有哪些 6 螺纹连接松脱的原因是什么 试按 3 类防松原理举例说明螺纹连接的各种防松措施 7 设计螺栓组连接的结构时一般应考虑哪些方面的问题 8 螺栓组连接承受的载荷与螺栓组内螺栓的受力有什么关系 若螺栓组受横向载荷 螺栓是否一定受到剪切 9 对于常用的普通螺栓 预紧后螺栓承受拉伸和扭转的复合应力 但是为什么只要将 轴向拉力增大 30 就可以按纯拉伸计算螺栓的强度 10 对于受轴向载荷的紧螺栓连接 若考虑螺栓和被连接件刚度的影响 螺栓受到的 总拉力是否等于预紧力与工作拉力 F 之和 为什么 0 F 11 提高螺纹连接强度的常用措施有哪些 12 对于受变载荷作用的螺栓 可以采取哪些措施来减小螺栓的应力幅 13 螺栓中的附加弯曲应力是怎样产生的 为避免产生附加弯曲应力 从结构或工艺上 可采取哪些措施 习题 13 1 试分析图示紧定螺钉连接和普通螺栓连接拧紧时各连接零件 螺栓 螺母 螺 钉 的受力 并分别画出其受力图 若图 a 为 M10 螺钉 6mm 5 6 kN 螺纹副 0 d Q F 间的摩擦因子 0 15 螺钉底端与零件间的摩擦因子 0 18 试判断最大应力发生在ff 哪个截面处 列出必要的公式 13 2 起重卷筒与大齿轮间用双头螺柱连接 起重钢索拉力50 kN 卷筒直径 Q F 400mm 8 个螺柱均匀分布在直径 500mm 的圆周上 螺栓性能等级 4 6 级 接D 0 D 合面摩擦因子0 12 可靠度系数1 2 试确定双头螺柱的直径 f f k 普通螺栓 横向载荷 13 3 图示气缸盖连接中 已知气缸内压力在之间变化 气缸内径 D p02MPa 500mm 螺栓分布在直径 650 mm 的圆周上 为保证气密性要求 剩余预紧力 0 D 1 8F 试设计此螺栓组连接 0 F 普通螺栓 轴向载荷 13 4