西工大机械设计基础课后习题答案

1、.第一章1-1.机械零件常用的材料有哪些？为零件选材时应考虑哪些主要要求？解：机械零件常用的材料有：钢(普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢、铸钢)，铸铁，有色金属（铜及铜合金、铝及铝合金）和工程塑料。为零件选材时应考虑的主要要求：1.使用方面的要求：1）零件所受载荷的大小性质，以及应力状态，2）零件的工作条件，3）对零件尺寸及重量的限制，4）零件的重要程度，5）其他特殊要求。2.工艺方面的要求。3.经济方面的要求。1-2.试说明下列材料牌号的意义：Q235,45,40Cr,65Mn,ZG230-450,HT200,ZcuSn10P1,LC4.解：Q235是指当这种材料的厚度（或直径）1

2、6mm时的屈服值不低于 235Mpa。45是指该种钢的平均碳的质量分数为万分之四十五。40Cr是指该种钢的平均碳的质量分数为万分之四十并且含有平均质量分数低于 1.5%的 Cr元素。65Mn是指该种钢的平均碳的质量分数为万分之六十五并且含有平均质量分数低于 1.5%的Mn元素。ZG230-450表明该材料为铸钢，并且屈服点为 230，抗拉强度为 450.HT200表明该材料为灰铸铁，并且材料的最小抗拉强度值为 200Mpa.ZCuSn10P1铸造用的含 10%Sn、1%P其余为铜元素的合金。LC4表示铝硅系超硬铝。1-6.标准化在机械设计中有何重要意义？解：有利于保证产品质量，减轻设计工作量，

3、便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以及降低生产成本，并且简化了设计方法，缩短了设计时间，加快了设计进程，具有先进性、规范性和实用性，遵照标准可避免或减少由于个人经验不足而出现的偏差。第二章2-7.为什么要提出强度理论？第二、第三强度理论各适用什么场合？解：材料在应用中不是受简单的拉伸、剪切等简单应力状态，而是各种应力组成的复杂应力状态，为了判断复杂应力状态下材料的失效原因，提出了四种强度理论，分别为最大拉应力理论、最大伸长线应变理论、最大切应力理论、畸变能密度理论。第二强度理论认为最大伸长线应变是引起断裂的主要因素，适用于石料、混凝土、铸铁等脆性材料的失效场合。第三强度条件：认为最大切应力

4、是引起屈服的主要因素，适用于低碳钢等塑性材料的失效场合。2-15.画出图示梁的弯矩图。- 1 -F = 0,FA + FB -F = 0,解：MA = 0,FB *3a + M -F* a = 0FB = 0,FA = FF = 0，F1 + F2 + F- 2F- F = 0解：M A = 0,F* 2a + 2F* a + F* 4a - F2 *3a = 0F2 = 8/ 3F,F1 = -2 / 3F- 2 -第三章3-4.计算图示各机构的自由度，并指出复合铰链、局部自由度和虚约束。- 3 -3-5.图示为一简易冲床的拟设计方案。设计者思路是：动力由齿轮 1输入，使轴 A连续回转；而固

5、定在轴 A上的凸轮 2和杠杆 3组成的凸轮机构使冲头 4上下往复运动，以达到冲压的目的。试绘出其机构运动简图，计算机构的自由度，并分析其运动是否确定，如其运动不确定，试提出修改措施。n = 3,PL = 4,PH =1由于 F=0,故不能运动F = 3n-2PL - PH = 33-24-1= 0修改措施为：3-6.试绘出图示机构的运动简图，并计算其自由度。- 4 -n = 3,PL = 4F = 3n-2PL - PH = 33-24 =1n = 5,PL = 7,PH = 0F = 3n-2PL - PH = 35-27=1n = 5,PL = 7,PH = 0F = 3n-2PL - P

6、H = 35-27=1第四章4-6.在图 4-11 所示的差动螺旋机构中，螺杆 1 与机架 3 在 A 处用右旋螺纹连接，导程SA=4mm，当摇柄沿顺时针方向转动 5圈时，螺母 2向左移动 5mm，试计算螺旋副 B的导程SB，并判断螺旋副 B的旋向。解：由题意判断 B为右旋，A、B同向，固有：l = (SA - SB)j1，故 -5 = (4 - SB)10p22p2pSB = 5mm- 5 -第五章5-7.根据图中所注尺寸，试问如何才能获得曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构？解：根据曲柄存在的条件：（1）最短杆长度+最长杆长度其他两杆长度之和；（2）最短杆为连架杆。根据题意：140+200

7、 b2（大齿轮齿宽）；而在锥齿轮传动中，却取b1 = b2？解：在圆柱齿轮传动中装配、制造都可能有轴向偏差。如果等宽就有可能使接触线长度比齿宽要小（轴向有有错位）。因此有一个齿轮应宽些以补偿可能的轴向位置误差带来的啮合长度减小的问题。加宽小轮更省材料和加工工时。在锥齿轮传动中，安装时要求两齿轮分度圆的锥顶重合，大端对齐，所以取b1 = b2。第八章8-9.在图示轮系中，已知各轮齿数，试计算传动比i14（大小及转向关系）。解：i14 = n1= z2z3z4=453034 =12151517n4 z z z12 38-10.图示为一手动提升机构。已知各轮齿数及蜗轮 2的头数 2=2（右旋），与蜗

8、轮固连的鼓轮 Q 的直径 dQ = 0.2mm，手柄 A 的半径 rA = 0.1m。当需要提升的物品 W 的重力Fw = 20kN时，试计算作用在手柄 A上的力 F（不考虑机构中德摩擦损失）。z- 17 -i13 = z2z3=40120 =120202z1z2d解： F rA w1 = Fw Q w32dFw Q w3= 200.10.1120kN = 1 kN2F =rA w168-11.在图示轮系中，已知各轮齿数，齿轮 1的转速 n1 = 200r / min。试求行星架的转速nH 。= n1H =n1 -nH = n1 -nH = z2z3 = 1745=1.5z z 1730解：i

9、H13n3n3 -nH 0-nH12200-nH-nH=1.5nH = -400r / min8-12.图示为行星搅拌机构简图，已知各轮齿数，当行星架 H以wH = 31rad / s的角速度回转时，求搅拌叶片 F的角速度wF 的大小及转向。- 18 -nH1H =n -nH = w1 -wH0-wH= - z2 = -2040= - 1解：iH12=1=nn2 -nH w -ww2 -wHz222H10-31 = -12w -312w2 = 93rad / s8-13.图示为一矿井用电钻的行星轮系，已知 z1 =15、z3 = 45 ，电动机转速n1 = 3000r / min。试求钻头 H

10、的转速nH 。nH1H =n -nH = n1 -nH = z z3 = z3 =45 = 315解：iH13=12nn3 -nH 0-nHz zz31213000-nH0-nH= 3nH = -1500r / min8-14.在图示轮系中，已知各轮齿数及齿轮 1 的转速 n1 = 50r / min ，行星架 H 的转速nH =100r / min，转向如图所示。试求齿轮 4的转速。- 19 -i12 = n1 = - zn2= - 30 = - 625 52z152506n2 = - n1 = -r / min6= n2 -nH = z4z3 = 5850 145解： iH24=5260

11、156n4 -nH z z3 2250-1001451566=n4 -100n4 = -52.41r / min第九章9-1.带传动中的弹性滑动与打滑有什么区别？对传动有何影响？影响打滑的因素有哪些？如何避免打滑？解：由于紧边和松边的力不一样导致带在两边的弹性变形不同而引起的带在带轮上的滑动，称为带的弹性滑动，是不可避免的。打滑是由于超载所引起的带在带轮上的全面滑动，是可以避免的。由于弹性滑动的存在，使得从动轮的圆周速度低于主动轮的圆周速度，使得传动效率降低。影响打滑的因素有：预紧力大小、小轮包角、当量摩擦因素。避免打滑：及时调整预紧力，尽量使用摩擦因素大的、伸缩率小的皮带，对皮带打蜡。9-3

12、.试分析参数a1、D1、i12的大小对带传动的工作能力有何影响？解：D1越小，带的弯曲应力就越大。a1 的大小影响带与带轮的摩擦力的大小，包角太小容易打滑（一般取a1120 ）0i12越大，单根 V带的基本额定功率的增量就越大。9-4.带和带轮的摩擦因数、包角与有效拉力有何关系？解：Fec=2F0 e -1 Fe，最大有效拉力Fec与张紧力F0、包角 和摩擦系数 f有关，增大faae fa +1aF0、 和 f均能增大最大有效拉力Fec。9-9.设计一由 电动机驱 动的普通 V 带减速传 动，已知 电动机功 率 P=7KW，转速n1=1440r / min，传动比i12 = 3，传动比允许偏差

13、为5%，双班工作，载荷平稳。解：1.计算功率 Pca查表得，KA=1.2，则 Pca=KAP=1.27 = 8.4kW2.选择带的截型- 20 -根据 Pca = 8.4kW和n1 =1440r / min查图9-9选定A型带。3.确定带轮的基准直径D1和D2参 考 图 9-9 和 表 9-3 取 小 带 轮 的 基 准 直 径 D1 =100mm ， 大 带 轮 的 基 准 直 径D2 = i12D1(1-e) = 3100(1-0.01) = 297mm。查表取标准值 D2 = 315mm。i12 = 3.15满足条件。4验算带的速度 vpD1n1=p 1001440 m / s = 7.

14、54m / s601000v =601000带速介于 525m/s之间，合适。5.确定中心距 a和带的基准长度 Ld初定中心距为a0 = 800mm.则带的基准长度 Ld为Ld 2a + p (D1 + D2)+(D2 - D1)224a(315-100) mm = 2266.33mm4800=2800+ p (100+315)+22按表 9-2选取 Ld =2240mm,则 V带传动实际中心距为a a + Ld - Ld= (800+ 2240-2266.33)mm = 786.84mm0226.验算小带轮上的包角a1- D2 - D1 57.3315-10057.3=180 - =164.

15、34 120 (合适）0 0 0 0 0a 786.84a1 18007.带的根数 z根据表 9-4a、b,当D1 =100mm,n1 =1440r / min时，P0 =1.32kW,当i12 = 3时，DP0=0.17kW.查表9-5得Ka = 0.96;查表9-2得KL=1.06.则带的根数为P8.4z =ca= 5.54(P0 + DP0)KaKL (1.32+0.17)0.961.06取 z=68.确定带的张紧力 F0- 21 -根据表 9-1查得 q=0.10kg/m500Pca2.5=5008.4( 2.5 -1)+0.107.54N =154.6N267.54 0.96F0 =

16、(-1)+ qv2zvka9.计算压轴力 FQa1 = 26154.6sin164.34FQ = 2zF0 sin 220N =1837.9N第十一章11-1.常用的连接有哪些类型？它们各有哪些优点？各适用于什么场合？解：常用的连接有螺纹连接、键连接、销连接、铆钉连接、焊接、胶接、过盈配合连接以及型面连接等。螺纹连接具有结构简单、装拆方便、连接可靠、互换性强等特点。键连接具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点，在机械的轴类连接中应用。销连接主要用于确定零件间的相互位置，并可传递不大的载荷，也可用于轴和轮毂或其他零件的连接。铆接具有工艺设备简单，工艺过程比较容易控制，质量稳定，铆接结构抗振、耐冲

17、击，连接牢固可靠，对被连接件材料的力学性能没有不良影响等特点。在承受严重冲击或剧烈振动载荷的金属结构连接中应用。焊接是具有结构成本低、质量轻，节约金属材料，施工方便，生产效率高，易实现自动化等特点。主要应用在五拆卸要求的对受力要求不太高的场合。胶接具有连接后重量轻，材料利用率高，成本低，在全部胶接面上应力集中小，抗疲劳性能好，密封性和绝缘性好等特点。主要用于应力要求不高，对密封性要求较高的场合。11-6.在螺纹连接中，为什么要采用防松装置？解：11-8.平键的截面尺寸 bh和键的长度 L如何确定？平键连接的失效形式是什么？如何进行强度校核？解：bh根据轴径 d有表中查标准得。键长 L按轮毂的长

18、度确定，一般略短于轮毂长度，并符合标准中规定的长度系列。平键的主要失效形式是侧面工作面的压溃。按s bs = F = 4T s 进行强度校核。kl dhl bs11-14.图示刚性联轴器用螺栓连接，螺栓性能等级为 8.8，联轴器材料为铸铁（HT250），若传递载荷 T=1500TN。1）采用 4个 M16的铰制孔用螺栓，螺栓光杆处的直径 ds =17mm，受压的最小轴向长度- 22 -d =14mm，试校核其连接强度。2）若采用 M16的普通螺栓连接，当接合面摩擦因素 f=0.15，安装时不控制预紧力，试确定所需螺栓数目（取偶数）。解：1） F = TD = 1500 -3 =19354.8N

19、1551022sb2502.2s=Mpa =113.64MpaMpa =160Mpabs2.2s s6404 t =St4F419354.82 Mpa = 21.32Mpa t2 =t =zipds 41p 17F= 19354.8 = 20.33Mpa ssbs =zdsd 41714bs其连接强度满足条件。s s6403 s =2）=Mpa = 213.33MpaS1.3Fp s 得， Fp pd2s= p 13.8352213.33 = 24669.3N41.3 由s =pd1241.34由 Fp KSF 得， z KSF = 1.319354.8F if 11390.510.15= 6

20、.8zifp故取 z=811-15.一钢制液压油缸，缸内油压 p=4Mpa，油缸内径 D=160mm（参看图 11-12），沿凸缘圆周均布 8个螺栓，装配时控制预紧力。试确定螺栓直径。解：1.确定单个螺栓的工作载荷 FF = ppD4z2= 4p 160248=10053.1N- 23 -2.确定螺栓的总拉伸载荷 FQ考虑到压力容器的密封性要求，取残余预紧力 Fp =1.6F ，则FQ = F + Fp = 2.6F = 26138.1N3.求螺栓直径s s 选取螺栓性能等级为 8.8，则s s = 640Mpa.由式 s = 确定许用应力 s 时需查找安全s系数 S，当不控制预紧力时，S与螺

21、栓直径 d有关，故需用试算法。由表暂取 S=3（假定 d=20mm），则螺栓许用应力为s s6402.5 s =Mpa = 256Mpas41.3FpsQ =螺栓小径为d1 41.326138.1mm =13.00mmp 256由表查得 d=20mm时，d1 =17.294mm 13.00mm,能满足强度要求，且与原假设相符，故取 M20合适。第十二章12-2.刚性联轴器与挠性联轴器的主要区别是什么？解：刚性联轴器各零件及连接件都是刚性的，它们之间不能作相对运动，不具有补偿两轴相对位移的能力，用于刚性支承的场合。若两轴有偏移，将产生附加载荷，影响传动性能和使用寿命。挠性联轴器分两种，一种是由可

22、作相对移动的刚性件组成，用连接元件间的相对可动性来补偿被连接两轴之间的相对移动，用于弹性支承且载荷大的场合；另一种是连接件都是弹性的，通过连接件的弹性变形来补偿被连接两轴之间的相对移动，用于弹性支承需要缓冲和减振的场合。12-5.试分析自行车“飞轮”中离合器的工作原理。解：自行车后轮有个内棘轮机构，起到了离合器的作用，称为超越离合器,。工作原理是当链条带动棘轮的链齿外圈时， 中心转轴上的棘爪通过弹簧与棘轮保持接触，棘爪将力矩传递给中心转轴，后轮就转动前进。当棘轮的转速低于中心转轴的转速，或骑车者停止脚踏时，棘爪能够在棘轮上滑动，超越外圈棘轮转速，此时就会听见发出的“嗒嗒”声响。因为棘轮只能单向

23、传递转矩，不能双向传递转矩，使得自行车具有正常行驶功能，不能后退行驶。因此也称为单向超越离合器.- 24 -第十三章13-5.说明下列滚动轴承代号的意义：N208/P5,7321C，6101,30310，5207.解：N208/P5表示圆柱滚子轴承，宽度系列为0系列，直径系列为2系列，内径为40mm，5级公差等级；7321C表示角接触球轴承，宽度系列为0系，直径系列为3系列，内径为105mm，公称接触角a =15o，0级公差等级；6101表示深沟球轴承，宽度系列为0系，直径系列为1系列，内径为12mm，0级公差等级；30310表示圆锥滚子轴承，宽度系列为0系，直径系列为3系列，内径为50mm，

24、0级公差等级；5207表示推力球轴承，宽度系列为0系，直径系列为2系列，内径为35mm，0级公差等级；13-8.试设计一提升机用非液体摩擦滑动轴承，已知每个轴承的径向载荷为 210 N，轴颈4直径为100mm，转速为1200r/min.解：1.选择轴承类型和轴瓦材料因轴承承受径向载荷，并考虑使用条件，选用剖分式径向轴承。此轴承载荷大，转速高，根据表13-1选择轴瓦材料为ZPbSb16Sn16Cu2，其p=15Mpa,v=12m/s,pv=10Mpam/s2.选取轴承宽径比选取轴承宽径比B/d=1.0，则轴承宽度B=d=100mm.3.验算轴承工作能力轴承的p,pv,v分别为：p = F=100

25、00Mpa =1MpaBd 100100Fn=100001200 MPam / s = 6.28MPam / s19100B 19100100pdnpv =v =p 1001200 m / s = 6.283m / s601000601000计算表明，pp,pvpv,v Fs1可知轴承1为压紧端，两轴承的载荷分别为Fa1 = FA + Fs2 = (880+ 405.2)N =1285.2NFa2 = Fs2 = 405.2N3.计算轴承1、2的当量动载荷Fa11285.2 = 0.6426 e=Fr12000Fa2405.2= 0.4052 = eFr21000由表13-7查得 X1 = 0

26、.44,由线性插值得 Y1 =1.3018; X 2 =1,Y2 = 0.故当量动载荷为- 26 -()P1 = X1Fr1 +Y1Fa1 = 0.442000+1.30181285.2 = 2553.1N()P2 = X 2Fr2 +Y2Fa2 = 11000+0405.2 =1000N4.计算所需的径向基本额定动载荷因轴的结构要求两端选同样尺寸的轴承，而 P1 P2，故应以轴承1的当量动载荷 P1为计算依据。因工作温度正常查表 13-5得 ft =1；按中等冲击载荷，查表 13-6取 fP =1.25。所以C = fPP (60nLh13131.252553.1(6050005000)N

27、= 36532.1N 36.8KN2)=1106106ft1故选择7208C轴承合适。第十四章14-4.指出图示中轴的结构有哪些不合理和不完善的地方，提出改进意见，并画出改进后的结构图。14-5.图示为二级斜齿圆柱齿轮减速器（ z1 = 22,z2 = 77,z3 = 21,z4 = 78），由高速输入的功率P=40kW，转速n1 = 590r / min，轴的材料为45钢。试按扭转强度计算三根轴的最小直径（不考虑摩擦损失）。- 27 - 解：轴的材料为45钢查表14-1得 t =3040MPazn1 = 22590r / min =168.6r / min77n2 = z12z3n2 = 21168.6r / min = 45.4r / minn3 = z784d1 3 9.55106P = 3 9.55106 40mm = 43.26mm 0.2 t n10.240