机械设计基础课后答案教材

1、第2章习题2- 5计算题2-5图所示各机构的自由度。并指出图中的复合铰、局部自由度和虚约束C处存在复合饺链解答：a) n=7; P i=10; Ph=O，F=3 7-2 10 = 1D处存在局部自由度,GB处存在局部自由度，G或G处存在虚约束,C 处存在局部自由度，I处存在复合铰链,e) n=6; P i=8; P h=1 ,F=3 6 -2 8-1 = 1 f) n=9; P=12; F h=2，F=3 9 -2 12-2 = 1第3章习题3- 3题3-3图所示铰链四杆机构中， BC=100mm , CD=70mm , AD=60mm , AD为机架。试问:(1) 假设此机构为曲柄摇杆机构，

2、且 AB为曲柄，求AB的最大值;(2) 假设此机构为双曲柄机构，求 AB最小值；(3) 假设此机构为双摇杆机构，求 AB的取值范围解：(1)根据题意：AB为最短杆，且满足杆长之和条件，即:AB+ BC CD+ AD，得：AB 30mm , AB 杆最大值为 30 mm。D题3-3图(2) 假设此机构为双曲柄机构，那么 AD 一定为最短杆，即：AD+ BC 90mm，AB 杆最小值为 90 mm。(3) 假设此机构为双摇杆机构，那么可判定该机构不满足杆长之和条件，分三种情况讨论：其一：AB是最短杆，那么有：AB+ BC CD+ AD，得：60 AB 30;其二：AB不是最短杆也不是最长杆，那么A

3、D为最短杆，有：AD+ BC AB+ CD，得：90AB 60;其三：AB是最长杆，那么有:AD+ AB BC+ CD，得：AB 110，又为了满足该机构能成为一个四杆机构，需保证：AB v BC+ CD+ AD=230，即 230 AB 110。综上所述，AB的取值范围为：AB ? (30,90) U (110,230)。3- 4题3-4图所示四杆机构简图中，各杆长度为 a =30 mm, b =60 mm, c =75 mm, d =80 mm ， 试求机构的最大传动角和最小传动角、最大压力角和最小压力角、行程速比系数。(用图解法求解)解：题3-4图1)min = 41.65 ,108.6

4、3 = 41.65 ,71.37 = 41.65_ 90omin = 0max =amax= 90 - 41.65 =48.12)?/ 0=17.62 ; A行程速比系数K= 1.2135题3-5图所示的四杆机构中，各杆长度为试求：a=25 mm,b=90 mm,c=75 mm,d=100 mm1 假设杆AB是机构的主动件,AD为机架，机构是什么类型的机构？2假设杆BC是机构的主动件,AB为机架，机构是什么类型的机构？-曲柄摇杆机-双摇杆机构题3-5图3- 7如题3-7图所示的曲柄滑块机构：1 曲柄为主动件，滑块朝右运动为工作行程，试确定曲柄的合理转向，并简述其理 由;2 当曲柄为主动件时，画

5、出极位夹角二，最小传动角min。3假设杆BC是机构的主动件,CD为机架，机构是什么类型的机构？解：(1曲柄应为顺时针转动，理由可从下两方面说明：a)顺时针转动，滑块朝右运动慢，向左返回运动快，即机构工作行程速度慢，回行程速 度快, 具有急回特性。b)顺时针转动，那么在工作行程中，机构的压力角比拟小，传力特性好;(2)极位夹角如图9角;min ;当曲柄最小传动角min :当曲柄AB位于最上方B 处有工作行程最小传动角AB位于最下方B 处有回行程最小传动角min。B1和B2两个位置处(3) 滑块为主动件时，机构的死点位置：在曲柄与连杆共线的第4章习题4- 8在题4-8图所示的对心直动滚子从动件盘形

6、凸轮机构中，凸轮的实际廓线为一圆，圆心在点A，半径R=40 mm ,凸轮绕轴心0逆时针方向转动，LOA=25 mm ,滚子半径为10 mm，试 求：凸轮的理论廓线；凸轮的基圆半径；从动件行程；图示位置的压力角。凸轮的基圆半径指理论0=40-25+10=25 mm从动件行程最大向径减去最小h=40+25-15=50 mm。L解：(1)理论廓线：在实际廓线上画一系列滚子圆，连接圆心而成(2)廓线的最小向径：(3) 向径：(4) 压力角如下图4- 9一对心直动滚子从动件盘形凸轮机构,基圆半径ro=50 mm,滚子半径rT=10 mm，凸轮逆时针等速转动。凸轮转过 140。，从动件按简谐运动规律上升

7、30 mm ；凸轮继续转过40。寸，从动件保持不动。在回程中，凸轮转过120。时，从动件以等加速等减速运动规律返回原处。凸轮转过其余60。时，从动件保持不动。试绘出其从动件位移曲线，并用图解法设计凸轮的轮廓曲线。4- 13画出题4-13图所示凸轮机构中凸轮基圆,在图上标出凸轮由图示位置转过60 角 时从动件的位移和凸轮的压力角解:(a)对心直动滚子从动件盘形凸轮机构： 从动件上升，位移如图中 图a所示；h=0A2-0A所示；压力角如(b)对心直动平底从动件盘形凸轮机构：从动件下降，位移如图中h所示；压力角a =0 (C)摆动从动件盘形凸轮机构：从动件与机架之间的夹角减小，角位移为:第5章习5-

8、 2 一正常齿制标准直齿圆柱齿轮 z=26，模数m=3mm ,=20 h *a=1,试分别求出 基 分度圆、圆、齿顶圆上渐开线齿廓的曲率半径和压力角。r = mz/2 = 3 26/2 = 39mm分度圆半径基圆半径:rb =rcos :=39 cos20 =36.7mm齿顶圆半径m = 39 1 3=42 mm书1 ；压力角如图a所示。:jr2 -rb2 *392 -36.72 = 13.33mma =20 分度圆上渐开线齿廓的曲率半径分度圆上渐开线齿廓的压力角基圆上渐开线齿廓的曲率半径为1v压力角a =0bh1(/齿顶圆上渐开线齿廓的曲率半径齿顶圆上渐开线齿廓的压力角rb=arccos a

9、rs cosra36.742=29.24嘉=.ra? -A2 =、422 -36.72 = 20.5mm5-柱齿轮的标准中心距Z2=60,求模数和分度圆直径3一对外啮合齿标准直齿圆a=160mm ,齿数 Zi=20,齿数a = -m (zl+Z2)解：由可得模数2x16020+60分度圆直径5- 6试根据渐开线特性说明一对模数相等，压力角相等，但齿数不等的渐开线标准直齿圆柱齿轮，其分度圆齿厚、齿顶圆齿厚和齿根圆齿厚是否相等？哪一个较大？解：模数相等、压力角相等的两个齿轮，分度圆齿厚?:-相等但是齿数多的齿轮分度圆直径大，所以基圆直径就大。根据渐开线的性质，渐开线的形状取决于基圆的大小，基圆小，

10、那么渐开线曲率大，基圆大，那么渐开线越趋于平直。因此，齿数多的齿轮与齿数少的齿轮相比，齿顶圆齿厚和齿根圆齿厚均为大值。5- 9一对外啮合正常齿制标准斜齿圆柱齿轮传动的中心距a=250mm，法面模数mn=4mm，法面压力角a n=20。齿数zi=23，z2=98，试计算该对齿轮的螺旋角、端面模数 分度圆 直径、齿顶圆直径和齿根圆直径。螺旋角2a少(23+ 附 453。2边犯4 严=申恤 cos/l cosl4.53齿顶圆直径：血=4 +妮=95,04+2二4 10104mm血詢+2人皿4仍+2x胡 2少曲齿根圆直径心=4?旳=9.04-2x1.25x4伽5.04八-A=4)25523x45?5-

11、10试设计一对外啮合圆柱齿轮，zi=21, Z2=32, mn=2mm ,实际中心距为55mm ,问:1该对齿轮能否采用标准直齿圆柱齿轮传动？2假设采用标准斜齿圆柱齿轮传动来满足中心距要求，其分度圆螺旋角0、分度圆直径di、d2和节圆直径di、d2各为假设干？解:1 不能。假设采用标准直齿圆柱齿轮传动，其中心距a=mzi P=53mm，与所给实际中2心距不相等。2斜齿轮中心距a =讪乙2，所以SSI _mnZi佳二0.9636故0 =15.4987 2cosP2a分度圆直径为:dt =mn 乙 /cosP =43.59mm ，d2=r nn Z2/COS P =66.42mm标准斜齿齿轮传动，

12、未采用变位，其节圆与分度圆重合，故：d1=d1，d2=d2。6-1在题6-6图所示的轮系中，各轮齿数为:Z1 = 20，Z2= 40，Z2 = 20，Z3= 30， z$=20， Z4= 32， Z5= 40，试求传动比 i15H512I IWL4kwlPT Lid5 T题6-6图6-7在题6-7图所示轮系中，齿轮1转向如下图，n仁405 r/min。各轮齿数为:z 仁 z2 =乙=20， z2=z3=z5=30, z4=z6=60,试求:及转动方向。传动比16 ;齿轮6的转速n6的大解：1此为定轴轮系，先判定方向，向相反，末两轮转传动比为:Z2Z3Z4Z5Z6Z2Z4Z616 = = 13.

13、5Z| 乙 Z Z4 Z5乙Z2 Z4 *(2) rfe /i16 - -30r /min34rR716 T3V77X 丄26-9在题6-9图所示的一手摇提升装置中，各轮齿数 时手柄的转向。解：此为定轴轮系，先判定方向，提升 重物时，齿轮5逆时针转动；蜗轮4顺时 针转动，在啮合点处受力与速度向上， 那么蜗杆在啮合点处受力向下，又蜗杆右 旋，对蜗杆用右手定那么，判定其转动方 向为由右指向左；锥齿轮2方向向上；最 后得出齿轮1方向向上。Z2Z3Z4Zi15 = 5=577.8传动比：z1 z2 ZR毗=盂空罕忘46-10 题6-10图a、b分别为两个不同结构的锥齿轮周转轮系，z1=20 , z2=

14、24 ,z2 =30，z3=40 ，n1=200 r/min，n3=-100 r/min。试求两轮系中行星架 H的转速nH的大小和方向。Y/A.1解:(a) inHn311I、ly2X1Z32f /1fZ2e3 =1.6，代入数据得:g - n hZ1 Z2(b)nH600r/min ；hm口(b) ii3Hn3 _ nHn3Z2 Z3 =-i.6，代入数据得:nH = i5.4r / min 。N Z26-ii在题6-ii图所示的手动葫芦中，A为手动链轮，B为起重链轮z2=14, z3=54,求传动比 iAB。解：齿轮1与手动链轮A相连，系杆H与起重链轮B相连，求 动比iAB即为求i1H。挂

15、钩不动，可看作机架。此为周转轮系中的行星轮系中心轮 3固定，其转化轮系的 动比为：H门!113 二口 一nHZ2 Z3八八9门3卡Zi Z2。H =门3将门3 = 0代入得：iAB=iiH =106-i2在图6-i2所示的电动三爪自定心卡盘传动轮系中，设各轮的齿数为Z2 二 Z2,25，Z3=57，Z4=56,试求传动比 ii4解：该轮系为3K-H型周转轮系，固定系杆H，转化为定轴轮对1-2-3-H可得：HiiH =1 - ii3 1Z3对 3-2-2-4-Hi4HH4310.5Zi可得：Zv %1Z2 Z456所以i-i h14iiH iH4 =10? 5 ( -56)588-H - 4轮1

16、与轮4转向相反。注: 此题有多种解法，请思考第 8 章习题8-1 机械零件的主要失效形式是什么？相应的计算准那么是什么？8-2 简述机械零件设计的一般步骤。8-3 按应力随时间的变化关系，交变应力分为几种？许用应力和极限应力有什么不 同？8-4 什么是钢？什么是铸铁？碳素钢的力学性能主要取决于什么？如何划分高碳钢、 中碳钢、 低碳钢？8-5 在机械设计中，常用的材料有哪些？8-6 钢、铸铁和铜合金等材料的牌号是怎样表示的？说明以下材料牌号的含义及材料 的主要用途： Q235,45, 40Cr , 65Mn , 20CrMnTi ,ZG310-570 , HT200, QT500-7 , ZCu

17、Sn10P1, ZCuAI10Fe3 。9-1 解：第 9 章习题试计算 M20 、M20 X 1.5 螺纹的升角，并通过计算指出哪种螺纹的自锁性较好。 由教材表 9-1 、表 9-2 查得M20，粗牙，螺距 P=2.5mm，中径 dA18 376mmP2.5二 arctan-d2螺纹升角arctan 2.483.14 18.376M20M5 ，细牙，螺距P=1.5mm ，中径 d2 =d 1 +0. 026 =19 .026 诃15=arcta n =arcta n 螺纹升角 二 d2 对于相同公称直径的粗牙螺纹和细牙螺纹，细牙螺纹的升角较小，更易实现自锁。14 19 263.- 1.449

18、-8 解1) 选用 C 型平键，查教材表 9-7 ，由轴的直径 d=52mm 可得平键的截面尺寸If一 ；由轮毂宽度初估键的长度 L= 70- ( 5? 10) = 60? 65,L = 63mm由平键长度系列，取键的标准长度2验算平键的挤压强度由材料表9-8查得，铸铁的许用挤压应力按静载荷考虑gF=70*A8MPaC型键的工作长度 I = L b/2 = 63 - 8 = 55mm4Tdhl34 400 10 二 56MPa52 10 55 p 1L-那么该平键挤压强度合格。其标记为：键 C 16 X 63 GB1096-2003如用A型平键:4T 4汇400汇键的工作长度I = L b =

19、 63 16= 47mm10PP3=66MPa110 47那么键挤压强度合格。其标记为：键 16X 63 GB1096-2003如用B型平键：键的工作长度I = L = 63mm=48MPa : :卜4T 4X400X10 pp dhl 52 10 63那么键挤压 强度合格。其标记为：键 B16X 63 GB1096-2003轴 *题10-8图III轴冥a2Fa3II轴I轴主动FFr2F r1 GVFa1X第10章习题10-8如下图为二级斜齿圆柱齿轮减速器，主动轴的转速和斜齿轮“4的螺旋线方向图示。为使得II轴所受的轴向力较小，试分析确定：1其余斜齿轮的合理螺旋线方向；2各齿轮在啮合点所受各分

20、力的方向。 解：根据I轴的转向，画出II轴和III轴的转向如图。1齿轮4为右旋，齿轮3为左旋，对3用左手定那么，判断III 其轴向力方向向右，贝U齿轮2所受的轴向力的方向应 向左， 齿轮1所受的轴向力的方向应向右，对齿轮 1用左右手定那么判断 出其应为右旋，那么齿轮2为左旋。如下图。II2 如图标出了齿轮1和齿轮3的受力，包括径向力、圆周力 和轴向力；齿轮2和齿轮4的受力分别与1、3各力成反力，大I轴 小相等，方向相反，图中简化未标出。自己补上10-9 一直齿圆锥齿轮一斜齿圆柱齿轮传动系统如下图。主动轴的转速，为使得II轴所受的轴向力较小，试分析确定：1斜齿轮的合理螺旋线方向；2各齿轮在啮合点

21、所受各分力的方向。解：1根据I轴的转向，画出II轴和III轴的转向如图。锥齿轮2所受的轴向力的方向向 左 由小端指向大端，那么斜齿轮3所受的轴向力的方向应向右，对齿轮3用左右手定那么判断 出 其应为右旋，那么齿轮4为左旋。如下图。2如图标出了齿轮1、齿轮2和齿轮3的受力，齿轮4各力与3成反力，图中简化未标出。题 10-9 图10-11 设计一用于带式运输机上的单级齿轮减速器中的斜齿圆柱齿轮传动。 ：传递功 率 Pi=10kW 转速 ni=1450r/min , m=340r/min ，允许转速误差为土 3% 电动机驱动，单向旋 转，载荷存在中等冲击。要求使用寿命 10 年，每年按 300 工作

22、日计，每日工作 8 小时不 要解：分析：通用机械一般齿轮传动，按 软齿面闭式齿轮传动设计。设计准那么：按接触强度设计，然后验算其弯曲强度1材料及许用应力查教材表 10-1、表10-2 :小齿轮 45钢调质，硬度： 197? 286HBS 大齿轮 45钢正火，硬度： 156? 217HBS查教材表 10-1 : QHlim1 =550620MPa 书上有误； H lim 2 = 350 400MPa查教材表 10-1 :;二 fei =410480MPa ； cfea 280 340MPa故:查教材表 10-3: 按一般可靠度，取 SH =1 , SF =1.25it J1 = 600 =600

23、MPaSH1=型=380MPaSH1?F1旦 450 = 360MPaSF 1.25F2 田=320 _ 256MPaSF 1.252 按齿面接触疲劳强度设计，其设计公式：3 2KT 1 u1 Z EZHZ 讦一 -Lh 严丿其中：小齿轮转矩h =9.55 10 6 =9.55 10 66.59 1 0 4 N mmn11450传动比： i=n 1/n2=1450/340=4.265 初定齿轮精度为： 8 级；初取 =15载荷系数 查教材表 10-4 得 K =1.21.6齿宽系数 查教材表 10-8 ，按对称布局，取0.8 1.4齿数比 u=4.265 ; Z 二 COS ： =0.983屛

24、2】许用应力:代入设计公式=467MPa那么:2幻 .5 X 6.59 X10 4 d 1 仝士 I -上:一:-4.265+1 A4.265X :X189 .82.50.9924467.6(1 +i)取中心距a=159.3;圆整为a=160mm2确定模数：模确定齿数：由Z1 Z2 = 2a COS 和i =空mn乙得：z 仁 23.4,取 z1=23,贝y z2=98,贝U i 实=98/23=4.26演算： 实际的转速：n 2=5 勺=1450 23 =340.31 r/minZ298M2 = 340.31 一 340 如 00% =0.09% c3%,可行340精确螺旋角d2mnZ22.

25、5 98-259.18cos :cos19.03d1mnZ 2.5 23=60.82cos :cos19.03(3)验算其齿根弯曲疲劳强度小齿轮当量齿数3cos 19.0327.22大齿轮Z2乙2cos -983cos 19.03=116查教材表10-6得:Yf： 1=2.57;Yf2 =2.167Ys： 1 =1.60;Ys2 =1.817b = d a =1.1 60.82 = 66.9取 b 仁 75, b2=67R ZKEYFGYA F1 =八=bd1m2A1.5 x 6.59 10 4=79.8MPa :67 60.82 2.5JIYF ： 2YS ： -2 _a F 1YF ：1Y

26、S ?12? 167 佃 779.8 =76.4MPa4 2】2.57 1.60满足弯曲强度。精度验算：由表10-7 V吨60 82 1450 =4.6r/min , 10.6r/min60x100060x1000那么8级精度等级可用2.5 232.5 98m nZ1mnZ2d1cos19.03 = 60.82d2cos19.03=259.18COS :cos :(5)计算主要几何尺寸：dal =d1 2ha 二 60.822 2.5 = 65.82mmda2 =d2 2ha =259.182 2.5 = 264.18mmdi d2a 12 二60.82259.18/2 二 160mm26结构

27、设计：略第11章习题11-2 如题 11-2 图所示，蜗杆主动，T,=20N m , m=4mm，乙=2, d,=50mm，蜗轮齿数Z21 =50，传动的效率=0.75。试确定：1蜗轮的转向；2蜗杆与蜗轮上作用题仆2图力的大小和方向。11-4题11-4图所示为某手动简单起重设备，按图示方向转动蜗杆，提升重物G试确定：1蜗杆与蜗轮螺旋线方向；2蜗杆与蜗轮上作用力的方向；3假设蜗杆自锁， 反转 手柄使重物下降，求蜗轮上作用力方向的变化。解：1 重物上升，即蜗轮2为顺时针转动，即2所受到的圆周力的方向向右，那么蜗杆 1所受的 轴向力的方向应向左，对蜗杆1用左右手定那么判断出其应为右旋，贝 U蜗轮2也

28、为右旋。2蜗杆与蜗轮上作用力的方向如下图。3假设蜗杆自锁，反转手柄使重物下降，蜗轮上的作用力：径向力方向不变，圆周力和轴向力方向与原来相反。题11-4图11-5如题11-5图所示为蜗杆传动和锥齿轮传动的组合，输出轴上的锥齿轮向，1欲使U轴所受轴向力互相抵消一局部，试确定蜗杆传动的螺旋线方向和蜗杆的转 各轮啮合点处所受作用力的方向。解：1根据III轴的转向，画出II轴的转向如图。锥齿轮3所受的轴向力的方向向左 向大端，那么蜗轮2所受的轴向力的方向应向右，即蜗杆 1所受的圆周力方向向左， 同，那么蜗杆1应为逆时针转动；又根据蜗轮2的转动方向知蜗轮2的圆周力方向向内， 的轴向力方向向外，对蜗杆1用左

29、右手定那么判断出其应为右旋，那么蜗轮3也为右旋。I4的转向；2由小端指 根据主反从 贝U蜗杆1题1V5图2如图标出了蜗杆1和锥齿轮3的受力，其余齿轮受力简化未标出，自己补上。第12章习题第13章习题6005,13-1说明以下型号轴承的类型、尺寸系列、结构特点、公差等级及其适用场合N209/P6, 7207C, 30209/P5解：6005 :深沟球轴承，窄宽度，特轻系列，内径 d二右诃，普通精度等级(0级)。主要 承受径向 载荷，也可承受一定的轴向载荷；可用于高速传动。N209/P6:圆柱滚子轴承，窄宽度，轻系列，内径 d =45讪，6级精度。只能承受径向载 荷，适 用于支承刚度大而轴承孔又能

30、保证严格对中的场合，其径向尺寸轻紧凑。7207C:角接触球轴承，窄宽度，轻系列，内径 d =35mm，接触角：.J5，钢板冲压保持架，普通 精度等级。既可承受径向载荷，又可承受轴向载荷，适用于高速无冲击，一般成对使用，对称布30209/P5 :圆锥滚子轴承，窄宽度，轻系列，内径 d=45血，5级精度。能同时承受径 向载荷 和轴向载荷。适用于刚性大和轴承孔能严格对中之处，成对使用，对称布置。13-6图所示。已13-6根据工作条件，决定在某传动轴上安装一对角接触球轴承，如题知两个轴承的载荷分别为 Fri=1470 N，Fr2=2650 N，外加轴向力 Fa=1000 N，轴颈d=40 mm,解:(1)按题