机械设计基础(同名392).doc

郑州大学现代远程教育机械设计基础课程考核要求说明：本课程考核形式为提交作业，完成后请保存为WORD格式的文档，登陆学习平台提交，并检查和确认提交成功。一 作业要求1. 作业题中涉及到的公式、符号以教材为主；2. 课程设计题按照课堂上讲的“课程设计任务与要求”完成。设计计算说明书不少于20页。二 作业内容（一）.选择题（在每小题的四个备选答案中选出一个正确的答案，并将正确答案的号码填在题干的括号内，每小题1分，共20分）1在平面机构中，每增加一个高副将引入 。 （ c ）A0个约束 B1个约束C2个约束 D3个约束2.无急回特性的平面四杆机构，其极位夹角为 。 ( c )A.3在圆柱凸轮机构设计中，从动件应采用 从动件。 （ a ） A尖顶 B滚子 C平底 D任意4齿轮的齿形系数只与 有关。 （ a ） A模数 B齿形 C传动比 D中心距5闭式硬齿面齿轮传动中，齿轮的主要失效形式为 。 （ b ） A齿面胶合 B齿面磨损 C齿根断裂 D齿面点蚀6在其它条件相同的蜗杆传动中，蜗杆导程角越大，传动效率 。 （ c ） A越低 B越高 C不变 D不确定7、带传动正常工作时不能保证准确的传动比是因为 _。 （ d ）A.带的材料不符合胡克定律 B.带容易变形和磨损 C.带的弹性滑动. D带在带轮上打滑8、链传动设计中，当载荷大，中心距小，传动比大时，宜选用_。 （ b ）A 大节距单排链 B 小节距多排链C 小节距单排链 D 大节距多排链9、平键联接选取键的公称尺寸b h的依据是_。 （ d ）A.轮毂长 B.键长C.传递的转矩大小 D.轴段的直径10、齿轮减速器的箱体和箱盖用螺纹联接，箱体被联接处的厚度不太大，且经常拆装，一般用 联接. （ b ）A.螺栓联接 B.螺钉联接 C. 双头螺柱联接11、自行车的前轮轴是 。 （ d ）A转轴 B传动轴C心轴 D曲轴12、通常把轴设计为阶梯形的主要目的在于 。 （ a ）A加工制造方便 B满足轴的局部结构要求C便于装拆轴上零件 D节省材料13、 不属于非接触式密封。 （ c ）A .间隙密封 B.曲路密封 C.挡油环密封 D.毛毡圈密封14、工程实践中见到最多的摩擦状况是_。 （ b ）A.干摩擦 B. 流体摩擦 C.边界摩擦 D.混合摩擦15、联轴器和离合器的主要作用是 。 （ a ）A.联接两轴，使其一同旋转并传递转矩 B.补偿两轴的综合位移 C.防止机器发生过载 D.缓和冲击和振动16、对于径向位移较大，转速较低，无冲击的两轴间宜选用_联轴器。 （ b ）A.弹性套柱销 B.万向 C.滑块 D.径向簧片17、采用热卷法制成的弹簧，其热处理方式为_。 （ b ）A.低温回火 B.渗碳淬火 C.淬火 D.淬火后回火18、圆柱形螺旋弹簧的弹簧丝直径按弹簧的_要求计算得到。 （ c ）A.强度 B.稳定性 C.刚度 D.结构尺寸19、回转件达到动平衡的条件是 。 （ a ）A.各不平衡质量的离心惯性合力偶距为零 B.各不平衡质量的离心合力为零 C.回转件上各个质量的离心力系的合力、离心力所形成的合力偶矩为零 20、不均匀系数对机械速度的影响是_。 （ a ）A. 越小，机械速度的波动越大 B. 越小，机械速度的波动越小 C. 与机械速度的波动无关（二）.判断题（在正确的试题后面打，错误的试题后面打。每题 1 分，共 15 分）1 .零件破坏了，那么零件就一定是失效了。 （ ）2.机构具有确定运动的条件是机构的自由度大于零。 （ ）3在铰链四杆机构中，若采用最短杆为曲柄，则该机构为曲柄摇杆机构。 （ ）4在结构允许范围内，凸轮基圆半径越大越好。 （ ）5渐开线上齿廓各点的压力角均相等。 （ ）6闭式齿轮传动中，齿轮的主要失效形式是齿面点蚀。 （ ）7.蜗杆传动的自锁性是指只能由蜗轮带动蜗杆，反之则不能运动。 （ ）8、带传动的打滑和弹性滑动都是其失效形式。 （ ）9、在一定转速下，要减轻链传动的运动不均匀性，设计时，应选择较小节距的链条.（ ）10、平键的工作面是两侧面。 （ ）11、为了使滚动轴承内圈轴向定位可靠，轴肩高度应大于轴承内圈高度。 （ ）12、滚动轴承的基本额定寿命是指一批相同的轴承的寿命的平均值。 （ ）13、若两轴刚性较好，且安装时能精确对中，可选用刚性凸缘联轴器。 （ ）14、弹簧秤是利用弹簧的变形量与其承受的载荷成正比的原理制成的。 （ ）15、回转件的动平衡要在两个校正平面内加校正质量。 （ ）（三）计算分析题（共35分）1、（5分）标出下列铰链四杆机构的压力角。判定该机构是否会出现死点，为什么？解：局部自由度D处，E与F、G处有一个约束， F=3*3-3*2-2=12、（8分）1一对外啮合标准直齿圆柱齿轮传动，正常齿制，小齿轮损坏需配制，已知：，标准中心距，试求：（1），；（2）， 。解：对心曲柄滑块机构无急回运动，因为该机构极位夹角a=0 根据公式k=180+a/180-a得行程速比系数为1，则证明该机构无急回特性，所以不会产 生急回运动。 2、（8分）1一对外啮合标准直齿圆柱齿轮传动，正常齿制，小齿轮损坏需配制，已知：3(6分)所示为一手摇提升装置,其中各轮的齿数为：z1=20, z2=50, z2=15, z3=45, z3=1，z 4= 40, z 4=17, z 5 =51。12233445(1) 试在图上标出提升重物时手柄及各个轮的转向；（2）试求传动比i15 。 解：(1)104)224()2z11=+=+=mda（，m=104/26=4 232)2(22=+=mdza z2 =232/4-2=56 (2)12i= z2/1z=56/24=2.33 (3)=104+232/2=168mm4（6分）有一组紧螺栓联接，螺栓的个数为6，受横向工作载荷R15000N的作用（如图）。已知螺栓材料为45钢，被联接件之间的摩擦系数f =0.15，C=1.2，试计算所需螺栓的最小直径 。 1、由于中间轴两齿轮分别为主动轮和从动轮，且旋转方向相同，因此使轴向力方向相反，必须使齿轮3的螺旋方向与齿轮2的相同。齿轮2为左旋，故齿轮3必须左旋，齿轮4右旋。2、使中间轴上轮2和轮3的轴向互相完全抵消，需要满足Fa2=Fa3 Ft2=Ft3tan2， Ft3=Ft3tan3 因齿轮2和齿轮3传递的转矩相同， T= Ft2d2/2= Ft3 d1/2 且5（10分） 根据工作条件，决定在某传动轴上安装一对角接触球轴承， 如图所示，轴承型号为7208，已知轴承的径向载荷分别为 Fr1=1470N， Fr2=2650N，作用在轴上的轴向的外载荷FA1000N，判别系数e0.7，FS0.7Fr ，试画出内部轴向力FS1、FS2的方向，并计算轴承的当量动载荷P1、P2。（注：当 时，X=0.41 , Y=0.87 ；当 时，X=1 , Y=0） （四）课程设计题（30分）1、绘制一级直齿圆柱齿轮减速器装配图、齿轮轴零件图；2、书写设计计算说明书。一、课程设计的目的： 机械设计基础课程设计是机械设计基础课程的重要实践性环节，是学生在校期间第一次较全面的设计能力训练，在实践学生总体培养目标中占有重要地位。 本课程设计的教学目的是： 1、综合运用机械设计基础课程及有关先修课程的理论和生产实际知识进行机械设计训练，从而使这些知识得到进一步巩固和扩张。 2、学习和掌握设计机械传动和简单机械的基本方法与步骤，培养学生工程能力及分析问题、解决问题的能力。 3、提高学生在计算、制图、计算机绘图、运用设计资料、进行经验估算等机械设计方面的基本技能。 二、课程设计的内容和任务： 1、课程设计的内容应包括传动装置全部设计计算和结构设计，具体如下： 1）阅读设计任务书，分析传动装置的设计方案。 2）选择电动机，计算传动装置的运动参数和运动参数。 3）进行传动零件的设计计算。 4）减速器装配草图的设计。 5）计算机绘制减速器装配图及零件图。 2、课程设计的主要任务： 1）设计减速器装配草图1张。 2）计算机绘制减速器装配图1张、零件图2张（齿轮、轴等） 3）答辩。 三、课程设计的步骤： 1、设计准备 准备好设计资料、手册、图册、绘图用具、计算用具、坐标纸等。阅读设计任务书，明确设计要求、工作条件、内容和步骤；通过对减速器的装拆了解设计对象；阅读有关资料，明确课程设计的方法和步骤，初步拟订计划。 2、传动装置的总体设计 根据任务书中所给的参数和工作要求，分析和选定传动装置的总体方案；计算功率并选择电动机；确定总传动比和各级传动比；计算各轴的转速、转矩和功率。 3、传动装置的总体方案分析 传动装置的设计方案直观地反应了工作机、传动装置和原动机三者间的 动和力的传递关系。满足工作机性能要求的传动方案，可以由不同传动机构类型以不同的组合形式和布置顺序构成。合理的方案首先应满足工作机的性能要求，保证工作可靠，并且结构简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、传动效率高和使用维护方便。 四、电动机的选择 电动机已经标准化、系列化。应按照工作机的要求，根据选择的传动方案选择电动机的类型、容量和转速，并在产品目录总共查出其型号和尺寸。 选择电动机类型、型号、结构等，确定额定功率、满载转速、结构尺寸等。 1、选择电动机类型 电动机有交流和直流电动机之分，一般工厂都采用三相交流电，因而多采用交流电动机。交流电动机有异步电动机和同步电动机两类，异步电动机又分为笼型和绕线型两种，其中以普通笼型电动机应用最多/目前应用最广的是Y系列自扇冷式笼型三相异步电动机，其结构简单、起动性能好、工作可靠、价格低廉，维护方便，适用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体、无特殊要求的场合，如运输机、机床、风机、农机、轻工机械等。在经常需要起动、制动和正、反转的场合（如起重机），则要求电动机转动惯量小、过载能力大，应选用起重及冶金用三相异步电动机YZ型（笼型）或YZR型（绕线型）。 按已知的工作要求和条件，选用Y型全封闭笼型三相异步电动机。 2、电动机功率的选择 1） 工作机所需的电动机输出功率为 Pd =Pw/=Fv/1000w 已知滚筒直径D=450mm，滚筒圆周力F =2.2KN，输送带速度V=1.6m/s，由表查联轴器，圆柱齿轮传动减速器：传动带传动效率0.96，圆柱齿轮传动的轴承传动效率0.99，齿轮传动传动效率0.97，弹性联轴器传动效率0.99，卷筒轴的轴承传动效率0.98，卷筒传动效率0.96。 w =0.96（0.990.99）0.970.990.980.96=0.85 Pd=2200 x 1.6/1000 x 0.85=4.14 kw 2） 确定电动机转速 卷筒轴的工作转速为 nw=60 x 1000v/3.14D=60 x 1000 x 1.6/3.14 x 450=67.94r/min 取V带传动比i1=24 , 单极齿轮传动比 i2=35 ，w则总传动比范围 i=620 故电动机转速范围为：nd= inw =(6020) x 67.94=4081359r/min综合考虑电动机和装动装置尺寸，重量以及减速器的传动比，其中1号电动机总传动比比较适用，传动装置结构较紧凑。所选电动机额定功率Ped=5KW,满载转速nm=720r/min 3、计算总传动比和分配传动比 由选定电动机的满载转速nm和工作机主动轴的转速nw，可得传动装置的总传动比为 i = nm / nw =720/67.94 =10.60 传动装置的实际传动比要由选定的齿轮齿数或带轮基准直径准确计算，因而很可能与设定的传动比之间有误差。一般允许工作机实际转速，与设定转速之间的相对误差为（35）% 对于多级传动i为 i =i1i2i3in 计算出总传动比后，应合理地分配各级传动比，限制传动件的圆周速度以减小动载荷，降低精度. 分配各级传动装置传动比： 取带传动比i1=3。 齿轮传动比i2=3.5。 4、计算传动装置的运动和动力参数 为了进行传动件的设计计算，应首先推算各轴的转速。功率和转矩。 则各轴的转速为 1)、各轴转速 n=nm / i1 =720/3=240r/min n = n/ i2=240/3.5=68.6/min n卷= n=68.6r/min2)、各轴的输入功率 P =pd1 =4.14 x 0.96=3.971kw P = P12= 3.97x0.99x0.97 =3.80 kw P卷= P23 = 3.80x0.99x0.99=2.4 kw 3）各轴的输入转矩 Td =95504.14/720=54.9Nm T= Td i11=54.9x3x0.96 =158Nm T= Ti223=158x 4x 0.99x 0.97 =531 Nm T卷 = T i342=531x1x0.99 x0.99 =520Nm 参数 轴名 电动机轴 一轴 二轴 卷筒轴 转速n（r/min） 720 240 68.6 68.6 输入功率P(kw) 4.14 3.97 3.80 3.74 输入转矩T(N.m) 54.9 158 531 520 传动比i 3 3.5 1 效率 0.96 0.96 0.98 五、传动零件的设计计算 （1）带传动的设计计算 1、计算功率Pc Pc=KAP=1.2 x 5.5=6.6kw 2、选带型据Pc=6.6 kw ，n=720r/min ,由表10-12选取A型带 3、带轮基准直径 带轮直径较小时结构紧凑，弯矩应力不大，且基准直径较小时，单根V带所能传递的基本额定功率也较小，从而造成带的根数增多，因此一般取dd1dd2 并取标准值。查表得10-9确定dd1，dd2。 dd1=140mm dd2=425 mm 4、验算带速 当传递功率一定时，带速过低，则需要很大的圆周力，带的数要增多， 而带速过高则使离心力增大，减小了带与带轮间的压力，容易打滑。所以带传动需要验算带速，将带速控制在5m/sV25m/s,否则可调整小带轮的基准直径dd1 ，为充分发挥V带的传动能力，应使带速V=20m/s为最佳，带速V=3.14n dd1/60x1000=5.3m/s 5、验算带长 一般中心距a0取值范围：0.7（dd1+ dd2) = a0 =2(dd1+ dd2) 395.5= a0 120。 若a1过小可以加大中心距，改变传动比或增设张紧轮，a1可由下式计算 a1=180。-57.3 x (dd2 - dd1 )/ a =149。 a1120。 故符合要求 8、单根V带传动的额定功率 根据dd1和n查图10-11得：P1=1.4 kw 9、单根V带额定功率增量 根据带型及i查表10-5得：P1=0.09kw 10、确定带的根数 为了保证带传动不打滑，并具有一定的疲劳强度，必须保证每根V带所传递的功率不超过它所能传递的额定功率有 查表得 10-6: Ka=0.917 查表得 10-7: Kl=1.03 Z=Pc/(P1+P) Ka Kl =4.68 所以取Z =5 11、单根V带初拉力 查表10-1得 q =0 . 10kg/m F0 =500(2 .5/ Ka) -1( Pc /zv)+qv2 =218N 12、作用在轴上的力 为了进行轴和轴承的计算，必须求出V带对轴的压力FQ FQ =2Z F0 SIN（a1 /2）=2100.7N 13、注意事项 检查带轮尺寸与传动装置外廓尺寸的相互关系，带轮直径与电动机的中心高应相称，带轮轴孔的直径，长度应与电动机的轴直径长度对应，大带轮的外圆半径不能过大，否则回与机器底座相互干涉等。 带轮的结构形式主要取决于带轮直径的大小，带轮直径确定后应验算实际传动比和带轮的转速。 （2）齿轮传动的设计计算 已知i=3.5 n1=240 r/min 传动功率p=3.97 两班制，工作期限10年，单向传动载荷平稳 1、选材料与热处理。所设计的齿轮属于闭式传动,通常才用软齿面的钢制齿轮,小齿轮为45号钢,调质处理，硬度为260HBW，大齿轮材料也为45钢，正火处理，硬度为215HBS，硬度差为45HBS较合适。 2、选择精度等级，输送机是一般机械，速度不高，故选择8级精度。 3、按齿面接触疲劳强度设计。 本传动为闭式传动，软齿面，因此主要失效形式为疲劳点蚀，应根据齿面接触疲劳强度设计，根据式(6-41) d1 (671/H)2 kT1(i+1)/ 1)载荷因数K. 圆周速度不大,精度不高,齿轮关于轴承对称布置,按表6-9取K =1.2. 2)转矩T T=9.55X106XP/n1=9.55x106X 3.97/240=160000Nmm 3)弯曲后减切应力H 据式(6-42) H =Hmin/SHminzN 由图6-36查得. Hlim1 =610Mpa, Hlim2 =500Mpa 接触疲劳寿命系数 ZN按一年300工作日，两班制工作每天16小时，由公式N=60njth算得 N1 =60 X 240 X 10X 300X16 =0.69X109 N2 = N1/i =0.69X109/3.5=0.19 X109 查图6-37中曲线： ZN1 =1.02 ZN2 =1.12 按一般可靠性要求，取SHmin =1 H1=Hlim1 x Zn1/ SHmin =610x 1.02/1 Mpa =622.2 Mpa H2=Hlim2 x Zn2/ SHmin =500 x 1.12/1 Mpa =560Mpa 4）计算小齿轮分度圆直径d1 查表取6-11 齿宽系数1.1 d1 = (671/H)2 kT1(i+1)/ i =68.6mm 取d1=70 mm 5）计算圆周速度V V=3.14n1d1/60x1000=3.14x240x70/60x1000=0.879m/s 因V6 m/s，故去取8级精度合适。 4、确定主要参数，计算主要几何尺寸。 取小齿轮齿数为 Z1=20 Z2=ixZ1=70 m=d1/Z1=3.5mm 取标准模数m=3.5mm 分度圆直径 d1=mz1=3.5x20=70mm d2=mz2=3.5x70=245mm 1)中心距a a = (d1+d2)/2=157.5mm 2)齿宽b b = 1.1 x 70 =77mm 取b2 = 77mm 则b1 = 5 + b2 =77+5 =82mm 3)齿顶高ha ha= ha* m=3.5mm 齿根高 hf hf=（ha*+c*）m=1.25x3.5=4.375 5、校核弯曲疲劳强 根据式 (6-44) bb =2kT1/bmd1YFS 1）复合齿形因数YFS 如图6-39得，YFS1 =4.35 ， YFS2 =3.98 2 ) 弯曲疲劳许用应力 bb= bblim/ Sfmin x YN 由图6-40的弯曲疲劳极限应力 bblim1 =bblim1=490Mpa bblim2 =410 Mpa 由图6-41得弯曲疲劳寿命系数YN ；YN1 =1（N1N0，N0 =3x106） YN2=1 (N2N0, N0 =3x106 ） 弯曲疲劳的最小安全SFmin，按一般可靠性要求，取SFmin =1， 计算得弯曲疲劳许用应力为：bb1 =bblim1 x YN 1/ SFmin =（490/1）X 1 =490 Mpa bb2 =bblim2 x YN 2/ SFmin =（410/1）X 1 =410Mpa 3）校核计算： bb1 =2kT1/bmd1YFS1 =2 X 1.2 X160000 X 4.35/82X 3.5X 70 =83.15bb1 bb2 =2kT1/bmd1YFS2 =2 X 1.2 X 160000 X3.98/77 X 3 .5X 70 =81bb2 故弯曲疲劳强度足够. 六、轴的计算 1、轴的设计 （1）选择轴的材料,确定许用应力. 选用轴的材料为45号钢,调质处理,查表12-1知 b1=b2 =650 Mpa, S1=S2=360 Mpa , 查表12-6可知 +1bb=215 Mpa0bb=102 Mpa, -1 bb=60 Mpa （2）按扭转强度估算轴的最小直径 单级齿轮减速器的低速轴为转轴,输出端与联轴器相连接,从结构要求考虑输入端轴