机械设计-习题集答案

第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 机器的基本组成要素是什么 机器的基本组成要素是什么 答 机械零件答 机械零件 1 21 2 什么是零件 什么是构件 什么是部件 试各举三个实例 什么是零件 什么是构件 什么是部件 试各举三个实例 答 零件是组成机器的不可拆的基本单元 即制造的基本单元 如齿轮 轴 螺钉等 答 零件是组成机器的不可拆的基本单元 即制造的基本单元 如齿轮 轴 螺钉等 构件是组成机器的运动的单元 可以是单一整体也可以是由几个零件组成的刚性结构 构件是组成机器的运动的单元 可以是单一整体也可以是由几个零件组成的刚性结构 这些零件之间无相对运动 如内燃机的连杆 凸缘式联轴器 机械手的某一关节等 这些零件之间无相对运动 如内燃机的连杆 凸缘式联轴器 机械手的某一关节等 部件是由一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装配的组合体 如减速器 离部件是由一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装配的组合体 如减速器 离 合器 联轴器 合器 联轴器 1 31 3 什么是通用零件 什么是专用零件 什么是通用零件 什么是专用零件 答 通用零件在各种机器中经常都能用到的零件 如 齿轮 螺钉 轴等 答 通用零件在各种机器中经常都能用到的零件 如 齿轮 螺钉 轴等 在特定类型的机器中才能用到的零件 如 涡轮机的叶片 内燃机曲轴 减速器的箱在特定类型的机器中才能用到的零件 如 涡轮机的叶片 内燃机曲轴 减速器的箱 体等 体等 1 41 4 机械设计课程研究的内容是什么 机械设计课程研究的内容是什么 答 机械系统设计的基础知识和一般尺寸和参数的通用零件设计方法 答 机械系统设计的基础知识和一般尺寸和参数的通用零件设计方法 第二章第二章 机械设计总论机械设计总论 2 12 1 答 答 一台完整的机器通常由原动机 执行部分和传动部分三个基本部分组成 原动机一台完整的机器通常由原动机 执行部分和传动部分三个基本部分组成 原动机 是驱动整部机器以完成预定功能的动力源 执行部分用来完成机器的预定功能 传动部分是驱动整部机器以完成预定功能的动力源 执行部分用来完成机器的预定功能 传动部分 是将原动机的运动形式 运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式 运动及动力参是将原动机的运动形式 运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式 运动及动力参 数 数 2 22 2 答 答 设计机器应满足使用功能要求 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求及其它设计机器应满足使用功能要求 经济性要求 劳动保护要求 可靠性要求及其它 专用要求 专用要求 设计机械零件应满足避免在预定寿命期内失效的要求 结构工艺性要求 经济性要求 质设计机械零件应满足避免在预定寿命期内失效的要求 结构工艺性要求 经济性要求 质 量小的要求和可靠性要求 量小的要求和可靠性要求 2 32 3 答 答 机械零件常见的失效形式 整体断裂 过大的残余变形 零件的表面破坏以及破机械零件常见的失效形式 整体断裂 过大的残余变形 零件的表面破坏以及破 坏正常工作条件引起的失效等 坏正常工作条件引起的失效等 常用的计算准则主要有强度准则 刚度准则 寿命准则 振动稳定性准则和可靠性准则 常用的计算准则主要有强度准则 刚度准则 寿命准则 振动稳定性准则和可靠性准则 2 42 4 答 答 强度要求为确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形 强度条件为强度要求为确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形 强度条件为 提高机械零件的强度 可以采取 提高机械零件的强度 可以采取 a a 采用强度高的材料 使零件具有足够的截面尺寸 采用强度高的材料 使零件具有足够的截面尺寸 b b 合理地设计零件的截面形状 增大截面的惯性矩 合理地设计零件的截面形状 增大截面的惯性矩 c c 采用热处理和化学处理方法 提 采用热处理和化学处理方法 提 高材料的力学性能 高材料的力学性能 d d 提高运动零件的制造精度 降低工作时的动载荷 提高运动零件的制造精度 降低工作时的动载荷 e e 合理配置零 合理配置零 件的位置 降低作用于零件上的载荷等 件的位置 降低作用于零件上的载荷等 2 92 9 答 答 HT150HT150 灰铸铁 抗拉强度为 灰铸铁 抗拉强度为 150MPa150MPa ZG230 450ZG230 450 铸钢 屈服强度为 铸钢 屈服强度为 230230 MPa MPa 抗拉强度为抗拉强度为 450450 MPaMPa 65Mn65Mn 优质碳素结构钢 含碳量为 优质碳素结构钢 含碳量为 0 65 0 65 含锰量 含锰量 1 5 1 5 4545 优质碳素结构钢 含碳量为 优质碳素结构钢 含碳量为 0 45 0 45 Q235Q235 普通碳素结构钢 屈服强度为 普通碳素结构钢 屈服强度为 235235 MPaMPa 40Cr40Cr 中碳合金钢 含碳量为 中碳合金钢 含碳量为 0 40 0 40 含铬量 含铬量 1 5 1 5 20CrMnTi20CrMnTi 低碳合金钢 含碳量为 低碳合金钢 含碳量为 0 20 0 20 含铬 锰 钛量 含铬 锰 钛量 1 5 1 5 ZCuSn10Pb5ZCuSn10Pb5 铸造锡青铜 含锡量为 铸造锡青铜 含锡量为 10 10 含铅量为 含铅量为 5 5 第三章第三章 机械零件的强度机械零件的强度 3 13 1 表面化学热处理 表面淬火 表面硬化加工表面化学热处理 表面淬火 表面硬化加工 3 23 2 3 3 3 33 3 截面形状突变截面形状突变 增大增大 3 43 4 1 1 1 1 3 53 5 1 1 3 73 7 答 当应力循环次数大于答 当应力循环次数大于 N0N0 时 不管应力循环多少次 材料破坏的极限应力变化不大 时 不管应力循环多少次 材料破坏的极限应力变化不大 视为恒定 所以将应力循环次数大于视为恒定 所以将应力循环次数大于 N0N0 以后的寿命段称为无限寿命区 所以只要施加在材以后的寿命段称为无限寿命区 所以只要施加在材 料上的应力不超过循环基数所对应的极限应力 那么不管应力循环多少次 材料都不会发料上的应力不超过循环基数所对应的极限应力 那么不管应力循环多少次 材料都不会发 生破坏 因此称循环基数对应的极限应力称为材料的疲劳极限 生破坏 因此称循环基数对应的极限应力称为材料的疲劳极限 3 83 8 答 图 答 图 a a 中 为静应力 中 为静应力 r 1r 1 图 图 b b 中 为对称循环变应力 中 为对称循环变应力 r 1r 1 图 图 c c 中 中 为非对称循环变应力 为非对称循环变应力 0 r 10 r 1 3 93 9 答 弯曲疲劳极限的综合影响系数答 弯曲疲劳极限的综合影响系数是材料对称循环弯曲疲劳极限是材料对称循环弯曲疲劳极限与零件对称循与零件对称循 K 1 环弯曲疲劳极限环弯曲疲劳极限的比值 不对称循环时 为材料与零件的极限应力幅的比值 它与零的比值 不对称循环时 为材料与零件的极限应力幅的比值 它与零 1e 件的尺寸及几何形状变化 加工质量及强化因素有关 它使得零件的疲劳极限相对于材料件的尺寸及几何形状变化 加工质量及强化因素有关 它使得零件的疲劳极限相对于材料 的疲劳极限有所降低 对于静强度则没有影响 的疲劳极限有所降低 对于静强度则没有影响 3 103 10 答 零件等寿命疲劳曲线的疲劳极限线是材料试件等寿命疲劳曲线的疲劳极限线按比答 零件等寿命疲劳曲线的疲劳极限线是材料试件等寿命疲劳曲线的疲劳极限线按比 例例下移 而静强度极限线与材料试件等寿命疲劳曲线的静强度极限线相同 下移 而静强度极限线与材料试件等寿命疲劳曲线的静强度极限线相同 K 作业 作业 3 13 1 已知 已知 MPa180 1 6 0 105 N9 m7000 1 N25000 2 N 求 求 N1N1 N2N2 N3N3 的有限寿命弯曲疲劳极限 的有限寿命弯曲疲劳极限 620000 3 N 解 解 P2 P1 P2 所以按轴承所以按轴承 1 1 的受力大小验算的受力大小验算 故所选轴承满足寿命要求 故所选轴承满足寿命要求 补充 补充 某转轴两端各用一个某转轴两端各用一个 3020430204 轴承支撑 轴上载荷轴承支撑 轴上载荷 Fre 1000NFre 1000N Fae 300NFae 300N 轴转速为 轴转速为 1000r min1000r min 载荷系数 载荷系数 fp 1 2fp 1 2 常温下工作 求 常温下工作 求 1 1 两 两 支点反力 支点反力 2 2 两轴承的当量动载荷 两轴承的当量动载荷 3 3 危险轴承的寿命 已知 危险轴承的寿命 已知 3020430204 轴承基本额定动轴承基本额定动 载荷载荷 C 28 2KNC 28 2KN 且有 且有 Fd Fr Fd Fr 2Y2Y Y 1 7Y 1 7 有关数据如下 有关数据如下 e eFa Fr eFa Fr eFa FrFa Fr e e X XY YX XY Y 0 350 35 1 10 00 40 41 71 7 解 正装 派生轴向力如图所示 左轴承为解 正装 派生轴向力如图所示 左轴承为 1 1 轴承 右轴承为轴承 右轴承为 2 2 轴承 轴承 1 1 两支点反力 两支点反力 因为因为 所以所以 2 2 被压紧 被压紧 1 1 被放松 被放松 2 2 两轴承的当量动载荷 两轴承的当量动载荷 因为因为 所以所以 X1 1X1 1 Y1 0Y1 0 X2 0 4X2 0 4 Y2 1 7Y2 1 7 即有即有 3 3 危险轴承的寿命 危险轴承的寿命 P1 P2 P1e e 时 时 X X 0 41 0 41 且且 Y 0 87Y 0 87 解 解 1 1 求支点反力 求支点反力 因为因为 所以所以 1 1 轴承压紧 轴承压紧 2 2 轴承被放松 轴承被放松 所以所以 2 2 求额定动载荷 求额定动载荷 因为因为 所以所以 X X1 1 0 41 0 41 Y Y1 1 0 87 0 87 X X2 2 1 1 Y Y2 2 0 0 即有即有 按按 P P1 1计算计算 C C 13 313 3 4 4 2 2 13 413 4 单向制单向制 0 0 负值负值 13 513 5 1 1 13 613 6 4 4 13 1513 15 答 两端固定支承需要调整轴承游隙 可采用如下方式 答 两端固定支承需要调整轴承游隙 可采用如下方式 1 1 调整端盖端面与外壳 调整端盖端面与外壳 之间垫片的厚度 之间垫片的厚度 2 2 调整轴承内圈或外圈的轴向位置 调整轴承内圈或外圈的轴向位置 13 1913 19 答 装配时 可通过增减套杯端面与外壳之间垫片的厚度 调整锥齿轮的轴向距离 答 装配时 可通过增减套杯端面与外壳之间垫片的厚度 调整锥齿轮的轴向距离 13 2713 27 答 答 a a 或或 b b 或或 c c d d e e 或或 f f 第第 1515 章章 轴轴 作业题 作业题 15 415 4 答 答 1 1 无定位轴肩 作为轴左端所装配零件的右侧定位方式 无定位轴肩 作为轴左端所装配零件的右侧定位方式 2 2 轴承端盖孔和伸出轴间无间隙 轴承端盖孔和伸出轴间无间隙 3 3 轴承端盖孔和伸出轴间无毛毡圈 轴承端盖孔和伸出轴间无毛毡圈 4 4 键太长 键太长 5 5 轴承端盖和箱体间无调整垫片 轴承端盖和箱体间无调整垫片 6 6 无非定位轴肩 区分与轴承装配轴段和与端盖装配轴段 无非定位轴肩 区分与轴承装配轴段和与端盖装配轴段 7 7 角接触球轴承应正装 角接触球轴承应正装 8 8 定位套筒高度超过了轴承内圈高度 定位套筒高度超过了轴承内圈高度 9 9 轴段长度与所配合齿轮的宽度相等 应小于 轴段长度与所配合齿轮的宽度相等 应小于 2 2 3mm3mm 1010 轴承无左端定位方式 轴承无左端定位方式 补充作业补充作业 1 1 图示为起重机绞车的齿轮图示为起重机绞车的齿轮 1 1 卷筒 卷筒 2 2 和轴和轴 3 3 的三种连接方案 的三种连接方案 图图 a a 为齿轮为齿轮 1 1 与卷筒与卷筒 2 2 分别用键固定在轴上 轴的两端通过轴承支承在机架上 分别用键固定在轴上 轴的两端通过轴承支承在机架上 图图 b b 为齿轮为齿轮 1 1 与卷筒与卷筒 2 2 用螺栓连接成一体空套在轴上 轴的两端固定在机架上 用螺栓连接成一体空套在轴上 轴的两端固定在机架上 图图 c c 为齿轮为齿轮 1 1 与卷筒与卷筒 2 2 用螺栓连接成一体 并用键固定在轴上 轴的两端通过轴用螺栓连接成一体 并用键固定在轴上 轴的两端通过轴 承支承在机架上 承支承在机架上 若外载恒定 试分析确定三种方案中 若外载恒定 试分析确定三种方案中 1 1 轴上载荷的种类及轴的类型 轴上载荷的种类及轴的类型 2 2 轴上所受应力轴上所受应力 及性质 及性质 3 3 若三种方案中轴的直径 材料及热处理方法相同 试比较三种方案中轴的强度 若三种方案中轴的直径 材料及热处理方法相同 试比较三种方案中轴的强度 15 715 7 两级展开式斜齿圆柱齿轮减速器的中间轴 尺寸和结构如图所示 已知 中间轴转速两级展开式斜齿圆柱齿轮减速器的中间轴 尺寸和结构如图所示 已知 中间轴转速 n2 180r minn2 180r min 传递功率 传递功率 P 5 5KWP 5 5KW 有关的齿轮参数为 有关的齿轮参数为 齿轮齿轮 2 2 mn 3mmmn 3mm z2 112z2 112 右旋 右旋 20 n 10 4410 73 齿轮齿轮 3 3 mn 4mmmn 4mm z3 23z3 23 右旋 右旋 20 n 9 229 37 解 解 1 1 66 9 55 109 55 105 5 291 8N m 180 P T n A 2 2 求各齿轮的受力求各齿轮的受力 齿轮齿轮 2 2 22 2 2 3 112 342mm coscos10 73 n mz d t2 2 22 291 8 1706N 342 T F d n2 r22 2 tantan200 36 coscos10 730 983 t FF a2t22 tan1706 tan10 73323NFF 齿轮齿轮 3 3 33 3 3 4 23 93mm coscos9 37 n mz d t3 3 22 291 8 6275N 93 T F d n r33 tantan200 36 627562752289N coscos9 370 987 t FF a3t33 tan6275 tan9 371035NFF 3 3 两支点的反力两支点的反力 在垂直平面内 在垂直平面内 2233 VA 8017146 5210 100 13080 625 80323 171 1035 46 52289 210 310 500005523348127 5480690327329 5 310310 1056N raar FFFF F 2332 VD 23010046 5171 100 13080 625 2302289 100 1035 46 5323 171 310 14375022890048127 555233188510 5 310310 608N rraa FFFF F 在水平平面内 在水平平面内 23 HA 802101706 806275 210 100 13080310 136480 1317750 4691N 310 tt FF F HD23HA 1706627546913290N tt FFFF 4 4 求弯矩 扭矩及当量弯矩图 求弯矩 扭矩及当量弯矩图 48 6 105 6 153 7 6 6 263 2 469 1 11151 36 220054 81 231206 17 480 8Nm11151 36 220054 81 231206 17 480 8Nm 23623 69 220054 81 243678 5 493 6Nm23623 69 220054 81 243678 5 493 6Nm 43 56 69274 24 69317 8 263 343 56 69274 24 69317 8 263 3 2361 96 69274 24 267 62361 96 69274 24 267 6 493 6 263 3 480 8 267 6 291 8 2222 33 493 6 0 6 291 8 243640 9630653 0064274293 9664523 7N m r MMT 2222 22 263 3 0 6 291 8 69326 8930653 006499979 8964316 2N m Rr MMT 523 7 316 2 267 6 3 3 3 33 3 3 2 2 33 2 523 7 10 41 9MPa 0 10 1 50 316 2 10 34 7MPa 0 10 1 45 M d M d 15 18 试指出图示小圆锥齿轮轴系中的错误结构 并画出正确结构图 试指出图示小圆锥齿轮轴系中的错误结构 并画出正确结构图 15 19 试指出图示斜齿圆柱齿轮轴系中的错误结构 并画出正确结构图 试指出图示斜齿圆柱齿轮轴系中的错误结构 并画出正确结构图 强度计算 强度计算 应力应力 许用应力许用应力 1 和和越接近 强度越低 越远离 强度越高 越接近 强度越低 越远离 强度越高 上课讲例题上课讲例题 10 110 1 2 2 今有两对标准直齿圆柱齿轮 传递功率相同 其齿轮材料热处理方法 精度等级和齿宽均今有两对标准直齿圆柱齿轮 传递功率相同 其齿轮材料热处理方法 精度等级和齿宽均 对应相等 已知齿轮的模数和齿数分别为 对应相等 已知齿轮的模数和齿数分别为 第一对第一对 m 4mmm 4mm Z1 20Z1 20 Z2 40Z2 40 第二对 第二对 m 2mmm 2mm Z1 40Z1 40 Z2 80Z2 80 在同样工况条件下工作时 求两对齿轮弯曲应力的比值 在同样工况条件下工作时 求两对齿轮弯曲应力的比值 F F F F 和接触应力的比值和接触应力的比值 H H H H 比较两对齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度 比较两对齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度 提示 提示 tFasatFasa FF KFY YKF Y Y bmbm 11 22 11 2211 2 52 5 HEE KTKTuu ZZ ubdbud 解 解 1 1 弯曲应力比和弯曲疲劳强度 弯曲应力比和弯曲疲劳强度 由表由表 10 510 5 查得 查得 Z 20Z 20 YFa 2 80YFa 2 80 Ysa 1 55Ysa 1 55 Z 40Z 40 YFa 2 40 YFa 2 40 Ysa 1 67Ysa 1 67 Z 80Z 80 YFa 2 22 YFa 2 22 Ysa 1 77Ysa 1 77 计算各齿轮的弯曲应力计算各齿轮的弯曲应力 第一对齿轮 第一对齿轮 11 1 2 8 1 55 4 1 085 tFasat F t KFYYKF bmb KF b 22 2 2 4 1 67 4 1 002 tFasat F t KFYYKF bmb KF b 第二对齿轮 第二对齿轮 11 1 2 4 1 67 2 2 004 tFasat F t KFYYKFKF bbbm 22 2 2 22 1 77 2 1 965 tFasat F t KFYYKF bmb KF b 两对齿轮的应力比两对齿轮的应力比 第二对齿轮比第一对齿轮的弯曲应力大 第二对齿轮比第一对齿轮的弯曲应力大 1 1 1 085 0 54 2 004 F F 2 2 1 002 0 51 1 965 F F 因为许用弯曲应力相等 则第二对齿轮的弯曲疲劳强度低 因为许用弯曲应力相等 则第二对齿轮的弯曲疲劳强度低 2 2 接触应力比和接触疲劳强度 接触应力比和接触疲劳强度 11 22 11 2211 2 52 5 HEE KTKTuu ZZ ubdbud 2 1 40 2 20 z u z 2 1 80 2 40 z u z uu 2 11 1 2 111 2 40 1 4 20 H H dm z dm z 补充补充 1 1 一对标准直齿圆柱齿轮传动参数见表 试问 一对标准直齿圆柱齿轮传动参数见表 试问 1 1 比较哪个齿轮容易疲劳点蚀 哪个齿轮易弯曲疲劳折断 比较哪个齿轮容易疲劳点蚀 哪个齿轮易弯曲疲劳折断 2 2 齿宽系数等于多少 齿宽系数等于多少 3 3 若载荷系数若载荷系数 K 1 3K 1 3 按齿根弯曲疲劳强度计算 齿轮允许传递的最大转矩等于多少 按齿根弯曲疲劳强度计算 齿轮允许传递的最大转矩等于多少 齿轮齿轮模数模数 mm mm齿数齿数齿宽齿宽 mm mm Fa Y Sa Y MPa F MPa H 1 13 3171760602 972 971 521 52390390500500 2 23 3454555552 352 351 681 68370370470470 解 解 1 1 2 2 齿轮容易疲劳点蚀 齿轮容易疲劳点蚀 12HH 12 HH 1 32 1 2 Fasa FF d Y YKT m Z 1 32 1 2 F F FasadFasa KT Y Ym ZY Y 1 11 390 86 39 2 97 1 52 F Fasa YY 2 22 370 93 72 2 35 1 68 F Fasa YY 1 1 齿轮易弯曲疲劳折断 齿轮易弯曲疲劳折断 2 2 齿宽系数齿宽系数 11 55 1 078 3 17 d bb dmz 3 3 传递的最大转矩应由齿轮传递的最大转矩应由齿轮 1 1 的弯曲疲劳强度决定 的弯曲疲劳强度决定 3232 1 1 1 11 317 1 078 86 39279N 22 1 3 d F Fasa m Z Tm K YY A 补充补充 2 2 一对标准直齿圆柱齿轮 模数 一对标准直齿圆柱齿轮 模数 m 5mmm 5mm 大小齿轮的齿数 大小齿轮的齿数 z2 60z2 60 z1 25z1 25 查得大小 查得大小 齿轮的应力校正系数齿轮的应力校正系数 YSa2 1 76YSa2 1 76 YSa1 1 58YSa1 1 58 大小齿轮的齿形系数 大小齿轮的齿形系数 YFa2 2 32YFa2 2 32 YFa2 2 72YFa2 2 72 而大小齿轮的许用弯曲应力 而大小齿轮的许用弯曲应力 300Mpa 300Mpa 320Mpa 320Mpa 并且 并且 2 F 1 F 算得大齿轮的齿根弯曲应力算得大齿轮的齿根弯曲应力 280Mpa 280Mpa 试问 试问 2F 1 1 哪个齿轮的弯曲疲劳强度高 哪个齿轮的弯曲疲劳强度高 2 2 两个齿轮的弯曲疲劳强度是否足够