机械设计基础课后习题与答案

./机械设计基础1-5至1-12指出〔题1-5图~1-12图机构运动简图中的复合铰链、局部自由度和虚约束,计算各机构的自由度,并判断是否具有确定的运动.1-5解===11-6解===11-7解===21-8解===11-9解===21-10解===11-11解===21-12解===32-1试根据题2-1图所标注的尺寸判断下列铰链四杆机构是曲柄摇杆机构、双曲柄机构还是双摇杆机构.题2-1图答:a,且最短杆为机架,因此是双曲柄机构.b,且最短杆的邻边为机架,因此是曲柄摇杆机构.c,不满足杆长条件,因此是双摇杆机构.d,且最短杆的对边为机架,因此是双摇杆机构.2-3画出题2-3图所示个机构的传动角和压力角.图中标注箭头的构件为原动件.题2-3图解：2-5设计一脚踏轧棉机的曲柄摇杆机构,如题2-5图所示,要求踏板CD在水平位置上下各摆10度,且,.〔1试用图解法求曲柄AB和连杆BC的长度；〔2用式〔2-6和式〔2-6’计算此机构的最小传动角.题2-5图解:〔1由题意踏板在水平位置上下摆动,就是曲柄摇杆机构中摇杆的极限位置,此时曲柄与连杆处于两次共线位置.取适当比例图尺,作出两次极限位置和〔见图2.17.由图量得：,.解得：由已知和上步求解可知：,,,〔2因最小传动角位于曲柄与机架两次共线位置,因此取和代入公式〔2-6计算可得：==0.5768或：==0.2970代入公式〔2-6′,可知3-1题3-1图所示为一偏置直动从动件盘形凸轮机构.已知AB段为凸轮的推程廓线,试在图上标注推程运动角.题3-1图解题3-1解图如图3.10所示,以O为圆心作圆并与导路相切,此即为偏距圆.过B点作偏距圆的下切线,此线为凸轮与从动件在B点接触时,导路的方向线.推程运动角如图所示.3-2题3-2图所示为一偏置直动从动件盘形凸轮机构.已知凸轮是一个以C为圆心的圆盘,试求轮廓上D点与尖顶接触时的压力角,并作图表示.题3-2图解：如图3.12所示,以O为圆心作圆并与导路相切,此即为偏距圆.过D点作偏距圆的下切线,此线为凸轮与从动件在D点接触时,导路的方向线.凸轮与从动件在D点接触时的压力角如图所示.3-4设计题3-4图所示偏置直动滚子从动件盘形凸轮.已知凸轮以等角速度顺时针方向回转,偏距e=10mm,凸轮基圆半径,滚子半径,从动件的升程及运动规律与3-3相同,试用图解法绘出凸轮的轮廓并校核推程压力角.题3-4图根据3-3题解作图如图3-15所示.根据<3.1>式可知,取最大,同时取最小时,凸轮机构的压力角最大.从图3-15可知,这点可能在推程段的开始处或在推程的中点处.由图量得在推程的开始处凸轮机构的压力角最大,此时＜=30°.4-2已知一对外啮合标准直齿圆柱齿轮的标准中心距a=160mm,齿数,,求模数和分度圆直径.解由可得模数=4mm分度圆直径,4-3已知一正常齿制标准直齿圆柱齿轮的齿数z=25,齿顶圆直径,求齿轮的模数.解由=+=+=+得==5mm4-4已知一正常齿制标准直齿圆柱齿轮,m=5mm,z=40,试分别求出分度圆、基圆、齿顶圆上渐开线齿廓的曲率半径和压力角.解分度圆半径分度圆上渐开线齿廓的曲率半径=34.2mm分度圆上渐开线齿廓的压力角基圆半径基圆上渐开线齿廓的曲率半径为0；压力角为.齿顶圆半径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4-9试根据渐开线特性说明一对模数相等、压力角相等,但齿数不相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,则渐开线曲率大,基圆大,则渐开线越趋于平直.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.5-1在题5-1图所示双级涡轮传动中,已知右旋蜗杆I的转向如图所示,试判断涡轮2与涡轮3的转向,用箭头表示.题5-1图解：5-2在题5-2图所示轮系中,已知〔右旋,〔m=4mm,若,求齿条6的线速度v的大小和方向.题5-2图解：这是一个定轴轮系,依题意有：,齿条6的线速度和齿轮5′分度圆上的线速度相等；而齿轮5′的转速和齿轮5的转速相等,因此有：通过箭头法判断得到齿轮5′的转向顺时针,齿条6方向水平向右.5-4在题5-4图所示行星减速装置中,已知,.当手柄转过90度时,转盘H转过多少角度？题5-4图解：从图上分析这是一个周转轮系,其中齿轮1、3为中心轮,齿轮2为行星轮,构件为行星架.则有：,,当手柄转过,即时,转盘转过的角度,方向与手柄方向相同.5-8在题5-8图所示锥齿轮组成的行星轮系中,已知各轮的齿数为、、、,,求的大小及方向.题5-8图解：这是一个周转轮系,其中齿轮1、3为中心轮,齿轮2、2′为行星轮,为行星架.,,,与方向相同5-9在题5-9图所示差动轮系中,已知各轮的齿数、、、,齿轮I的转速为200〔箭头向上,齿轮3的转速为50〔箭头向下,求行星架转速的大小及方向.题5-9图解：这是一个周转轮系,其中齿轮1、3为中心轮,齿轮2、2′为行星轮,为行星架.∵设齿轮1方向为正,则=200,=-50∴=∴=,与方向相同.10-2试计算M20、M20X1.5螺纹的升角,并指出哪种螺纹的自锁性较好.解由教材表10-1、表10-2查得,粗牙,螺距,中径螺纹升角,细牙,螺距,中径螺纹升角对于相同公称直径的粗牙螺纹和细牙螺纹中,细牙螺纹的升角较小,更易实现自锁.11-7设斜齿圆柱齿轮传动方向及螺旋线方向如题11-7图所示,试分别画出轮1为主动轮时和轮2为主动轮时轴向力和的方向.轮1主动时轮2主动时题11-7图轮1为主动轮2为主动时题11-7解图11-8在题11-7图中,当轮2为主动时,试画出作用在轮2上的圆周力、轴向力、和径向力的作用线和方向.解见题11-8解图.齿轮2为右旋,当其为主动时,按右手定则判断其轴向力方向；径向力总是指向其转动中心；圆向力的方向与其运动方向相反.题11-8解图11-9设两级斜齿圆柱齿轮减速器的已知条件如题11-9图所示,试问：1低速级斜齿轮的螺旋线方向应如何选择才能使中间轴上两齿轮的轴向力方向相反,2低速级螺旋角应取多大数值才能使中间轴上两个轴向力相互抵消.题11-9图解〔1要使中间轴上两齿轮的轴向力方向相反,则低速级斜齿轮3的螺旋经方向应与齿轮2的旋向同为左旋,斜齿轮4的旋向应与齿轮3的旋向相反,为右旋.〔2由题图可知：、、、、分度圆直径轴向力要使轴向力互相抵消,则：即12-1计算例12-1的蜗杆和涡轮的几何尺寸.解：从例12-1已知的数据有：,,,,,,中心距,因此可以求得有关的几何尺寸如下：蜗轮的分度圆直径：蜗轮和蜗杆的齿顶高：蜗轮和蜗杆的齿根高：蜗杆齿顶圆直径：蜗轮喉圆直径：蜗杆齿根圆直径：蜗轮齿根圆直径：蜗杆轴向齿距和蜗轮端面齿距：径向间隙：12-2如题12-2所示,蜗杆主动,,m=4mm,,,涡轮齿数,传动的啮合效率.试确定：〔1涡轮的转向；〔2蜗杆与涡轮上的作用力的大小和方向.题12-2图解：〔1从图示看,这是一个左旋蜗杆,因此用右手握杆,四指,大拇指,可以得到从主视图上看,蜗轮顺时针旋转.〔2由题意,根据已知条件,可以得到蜗轮上的转矩为蜗杆的圆周力与蜗轮的轴向力大小相等,方向相反,即：蜗杆的轴向力与蜗轮的圆周力大小相等,方向相反,即：蜗杆的径向力与蜗轮的径向力大小相等,方向相反,即：12-3如题12-3所示为蜗杆传动和锥齿轮传动的组合,已知输出轴上的锥齿轮的转向,〔1欲使中间轴上的轴向力能部分抵消,试确定蜗杆传动的螺旋线方向和蜗杆的转向；〔2在图中标出各轮轴向力的方向.题12-3图解：〔1先用箭头法标志出各轮的转向,如图12.5所示.由于锥齿轮轴向力指向大端,因此可以判断出蜗轮轴向力水平向右,从而判断出蜗杆的转向为顺时针,如图12.5所示.因此根据蜗轮和蜗杆的转向,用手握法可以判定蜗杆螺旋线为右旋.〔2各轮轴轴向力方向如图12.5所示.13-1一平带传动,已知两带轮直径分别为150mm和400mm,中心距为1000mm,小轮主动、转速为.试求〔1小轮包角;〔2带的几何长度；〔3不考虑带传动的弹性滑动时弹性滑动时大轮的转速；〔4滑动率时大轮的实际转速.解〔1,〔2=2879.13mm〔3不考虑带的弹性滑动时,〔4滑动率时,13-2题13-1中.若传递功率为5KW,带与铸铁带轮间的摩擦系数f=0.3.所用平带每米长的质量q=0.35kg/m.试求〔1带的紧边、松边拉力；〔2此带传动所需的初拉力；〔3作用在轴上的压力.题13-1图解〔1〔2〔314-1在题14-1图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ轴,是心轴、转轴、还是传动轴？题14-1图解I为传动轴,II、IV为转轴,III为心轴.14-6已知一单级直齿圆柱齿轮减速器,用电动机直拖动,电动机功率P=22KW,转速,齿轮的模数m=4mm,齿数,若支承间跨距l=180mm〔齿轮位于跨距中央,轴的材料用45号钢调质,试计算输出轴危险截面处的直径d.解==故16-1说明下列型号轴承的类型、尺寸系列、结构特点、公差等级及其适用场合.6005,N209/P6,7207C,30209/P5.解由手册查得6005深沟球轴承,窄宽度,特轻系列,内径,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,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,接触角,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,对称布置.30209/P5圆锥滚子轴承,窄宽度,轻系列,内径,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.16-6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16-6图所示.已知两个轴承的载荷分别为,,外加轴向力,轴颈d=40mm,转速,常温下运转,有中等冲击,预期寿命,试选择轴承的型号.题16-6图解〔1按题意,外加轴向力已接近,暂选的角接触轴承类型70000AC.〔2计算轴承的轴向载荷<解图见16.4b>由教材表16-13查得,轴承的内部派生轴向力,方向向左,方向向右因,轴承1被压紧轴承2被放松〔3计算当量动载荷查教材表16-12,,查表16-12得,,查表16-12得,==〔3计算所需的基本额定动载荷查教材表16-9,常温下工作,；查教材表16-10,有中等冲击,取；球轴承时,；并取轴承1的当量动载荷为计算依据查手册,根据和轴颈,选用角接触球轴承7308AC合适〔基本额定动载荷.机械基础8.8试绘出如图8.17所示平面机构的运动简图.图8.178.9试计算如图8.18所示各运动链的自由度〔若含有复合铰链、局部自由度或虚约束,应明确指出,并判断其能否成为机构〔图中绘有箭头的构件为原动件.图8.189.8某铰链四杆机构各杆的长度如图9.20所示,试问分别以a,b,c,d为机架时,将各得到什么类型的机构？若将500改为560,又为何种机构？图9.20解：a为机架且最短杆为机架,因此是双曲柄机构.b为机架且最短杆的邻边为机架,因此是曲柄摇杆机构.c为机架且最短杆的对边为机架,因此是双摇杆机构.d为机架且最短杆的邻边为机架,因此是曲柄摇杆机构.若将500改为560时,,不满足杆长条件,因此无论哪个杆为机架,都是双摇杆机构.9.9在如图9.21所示的铰链四杆机构中,已知,,,AD为机架.试求：1若此机构为曲柄摇杆机构,且AB杆为曲柄,求的最大值；2若此机构为双曲柄机构,求的最小值；3若此机构为双摇杆机构,求的数值.图9.21解：1因为机构为曲柄摇杆机构,且AB杆为曲柄,所以,AB杆为曲柄必为最短杆,有公式得,的最大值为15mm.2因为机构为双曲柄机构,所以,AD杆必为最短杆,有公式,的最大值为45mm.3若此机构为双摇杆机构,求的数值.10.3凸轮机构常用的4种从动件运动规律中,哪种运动规律有刚性冲击？哪种运动规律有柔性冲击？哪种运动规律没有冲击？如何来选择从动件的运动规律？答：刚性冲击：等速运动.柔性冲击：等加速等减速运动规律；余弦加速度运动规律.没有冲击：正弦加速度运动规律.可以根据机构所承受的载荷以及运动速度来选择.10.8如图10.22所示为尖顶直动从动件盘形凸轮机构的运动线图,但给出的运动线图尚不完全,试在图上补全各段的曲线,并指出哪些位置有刚性冲击？那些位置有柔性冲击？图10.2211.21图11.32所示的传动简图中,Ⅱ轴上装有2个斜齿轮,试问如何合理的选择齿轮的旋向？图11.32答：根据Ⅱ轴上所受的轴向力为最小来选择齿轮的旋向.假如Ⅰ轴转向为顺时针,则Ⅱ轴齿轮的转向为逆时针,Ⅱ轴的小斜齿轮假设轴向力向外,根据左手定则,小斜齿轮的旋向为左旋,同理,另一个大齿轮的旋向也是左旋.11.22试分析如图11.33所示的蜗杆传动中,蜗杆的转动方向,并绘出蜗杆和涡轮啮合点作用力的方向.图11.3311.23如图11.34所示为一手摇蜗杆传动装置.已知传动比i=50,传动效率η=0.4,卷筒直径D=0.6m.若作用手柄上的力F=200N,则它能够提升的重量G是多少？图11.3411.24某斜齿圆柱齿轮传动的中心距a=300mm,小齿轮的齿数=40,传动比i=2.7,试确定该对斜齿轮的模数m,螺旋角及主要几何尺寸.11.25已知一对标准斜齿圆柱齿轮传动齿数=21,=22,=20°,=2mm,a=55mm.要求不用变位而凑中心距,这对斜齿轮的螺旋角应为多少？12.1某外圆磨床的进给机构如图12.18所示,已知各轮的齿数为,,,,手轮与齿轮1相固连,横向丝杆与齿轮4相固连,其丝杆螺距为3mm,试求当手轮转动1/100转时,砂轮架的横向进给量S.图12.1812.5在如图12.22所示的轮系中,已知齿数,,,.若,且与转向相反,试求.图12.2215.1轴的功用是什么？答：轴的功用是支撑旋转零件,以实现运动和动力的传递.15.2试说明下列几种轴材料的适用场合：Q235A,45,40Cr,20CrMnTi,QT600-2.答：Q235A用于载荷不大、转速不高的一般不重要的轴.45用于应用于应力集中敏感性小的场合,一般用于用途和较重要的轴.40Cr应用于强度高而尺寸小、重量轻的重要的轴或特殊性能要求的轴.20CrMnTi用于齿轮,轴类,活塞类零配件等.用于汽车,飞机各种特殊零件部位,良好的加工性,加工变形微小,抗疲劳性能相当好.QT600-2应用于制作形状复杂的轴.15.3在齿轮减速器中,为什么低速轴的直径要比高速轴粗得多？答：因为低速轴的扭矩大高速轴的扭矩小所以低速轴要选择粗一些.15.4在轴的结构工艺性来看,在作轴的设计时应该注意哪些问题？答：〔1、轴上零件有准确的位置和可靠的相对固定.〔2、良好的制造和安装公益性.〔3、形状、尺寸应有利于减少应力集中.15.5如图15.13所示为几种轴上零件的轴向定位和固定方式,试指出其设计错误,并画出改正图.16.1滚动轴承一般由哪些基本元件组成？各有什么作用？答：滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成,内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合,起支撑作用；滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间,其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持架能使滚动体均匀分布,防止滚动体脱落,引导滚动体旋转起润滑作用.16.5试说明下列轴承代号的含义,并说明哪个轴承不能承受径向载荷？330862107200AC/P6N409/P55307/P6答：33083——圆锥滚子轴承〔03——宽度系列为0,3为直径系列代号08——内径为40mm62106——深沟球轴承〔02——宽度系列为0,2为直径系列代号10——内径为50mm7200AC/P67——角接触球轴承〔02——宽度系列为0,2为直径系列代号00——内径为10mmAC——公称接触角α=25° P6——轴承公差等级为6级N409/P5N——圆柱滚子轴承〔04——宽度系列为0,4为直径系列代号09——内径为45mm P5——轴承公差等级为5级5307/P65——推力球轴承〔03——宽度系列为0,3为直径系列代号07——内径为35mm P6——轴承公差等级为6级5307/P6不能承受径向载荷.16.7试说明滚动轴承的基本额定寿命、基本额定动载荷、当量动载荷的意义.答：基本额定寿命：一批同样的轴承,在相同条件下运转,其中百分之九十的轴承不发生疲劳点蚀时所能达到的寿命.基本额定动载荷：滚动轴承若同时承受径向和轴向联合载荷,为了计算轴承寿命时在相同条件下比较,在进行寿命计算时,必须把实际载荷转换为与确定基本额定动载荷的载荷条件相一致的当量动载荷,用P表示.当量动载荷:使轴承的基本额定寿命恰好为一百万转时,轴承所能承受的载荷值,称为轴承的基本额定动载荷,用C表示.对向心轴承,指的是纯径向载荷,用Cr表示；对推力轴承,指的是纯轴向载荷,用Ca表示.16.11已知一传动轴上的深沟球轴承,承受的径向载荷,轴向载荷,轴承转速,轴颈直径,要求使用,载荷有轻微冲击,常温下工作,试选择轴承的型号尺寸.汽车机械基础4-1轴的功用是什么？根据所受的载荷不同,轴分为哪几种类型？各举一例说明.答：轴的功用是支撑旋转零件,以实现运动和动力的传递.转轴：电动机的输入轴.心轴：火车的轮轴.传动轴：连接汽车变速器与后桥的轴.4-5某传动轴所传递的功率P=750Kw,转速.若采用45钢正火,该轴所需的最小直径是多少？4-6图4-10中,若轴的支承跨距L=400mm,主动齿轮分度圆直径,螺旋角,传递功率,转速,轴的材料采用45钢调质.①试确定轴的危险截面上的直径.②指出图4-10中主动轴结构的不合理之处,并提出改进意见.图4-10主动轴5-8滚动轴承的额定动载荷和当量动载荷有何关系？答：在进行寿命计算时,必须把实际载荷转换为与确定基本额定动载荷的载荷条件相一致的当量动载荷.5-9滚动轴承寿命设计计算的基本思想是什么？什么情况下需要作滚动轴承的静强度计算？答：滚动轴承寿命设计计算的基本思想是轴承寿命不小于滚动轴承的预期寿命.对于承受连续载荷或间断载荷而不旋转的轴承；在载荷作用下缓慢旋转的轴承；承受正常载荷但受到短时冲击的轴承,要考虑静强度计算.5-10说明以下几个代号的含义：7210B、7210AC、N210E、51210、30316、7305B/P4.答：7210B3——角接触球轴承〔02——宽度系列为0,2为直径系列代号10——内径为50mm7200AC7——角接触球轴承〔02——宽度系列为0,2为直径系列代号00——内径为10mmAC——公称接触角α=25°N210EN——圆柱滚子轴承〔02——宽度系列为0,2为直径系列代号10——内径为50E——轴承公差等级为6级512105——推力球轴承1——宽度系列为1,2为直径系列代号10——内径为50303163——圆锥滚子轴承0——宽度系列为0,3为直径系列代号16——内径为82mm7305B/P47——角接触球轴承〔03——宽度系列为0,3为直径系列代号05——内径为25mmB——公称接触角α=40° P4——轴承公差等级为4级5-11一深沟球轴承需要承受的径向载荷为10000N,轴向载荷为2000N,预期寿命为10000h,轴径为50mm.试选择两种型号的轴承并作比较.6-1试说明联轴器和离合器在轴连接中起到什么作用？答：联轴器和离合器都是机械传动中常用件,用于轴与轴〔或其它回转零件的连接,传递运动和动力,也可作为安全装置.区别在于联轴器将两轴连接后,机械在运转中两轴不能分离,只有停机后才能拆开.而离合器在机械运转中能随时结合与分离,实现机械操作系统的断续、变速、换向.联轴器一般用于动力机〔如电机与工作机之间的链接,离合器用于操作机构中,比如汽车离合器是传动系中起到动力传递的结合和分离及过载保护作用.6-2某发动机需要电动机启动,当发动机运行正常后,两机脱开,试问两机间该采用哪种离合器？答：6-4万向节有什么作用？由其结构特点可以分为几类各有什么特点？答：万向节是汽车万向传动装置中实现变角速度传动的一种联轴器.可以分为刚性万向节和绕行联轴节.刚性万向节结构简单,传动效率较高,绕行联轴节的传力单元采用夹布橡胶盘、橡胶块、橡胶环等弹性元件.6-7试述制动器的工作原理及功用.答：万向节是汽车万向传动装置中实现变角速度传动的一种联轴器.7-1常用的不可拆联接有哪些类型？各有什么特点？7-3普通平键联接的主要失效形式是什么？平键剖面尺寸b、h及标准长度L如何确定？7-5螺纹按牙型分哪几种类型？联接