机械制造装备设计第二章习题集答案（关慧贞）

机械制造装备设计第二章习题集答案（关慧贞）说明：本答案对应关慧贞版《机械制造装备设计》第二章习题，涵盖基本概念、填空、简答、计算等常见题型，解析结合教材知识点，兼顾准确性和易懂性，助力备考复习。一、基本概念题（简答题）题目：按牙型剖面分，工程上常用的螺纹分为哪几类？简述各类螺纹的主要特点和应用场合。

答案：工程上常用螺纹按牙型剖面主要分为4类，特点及应用如下：

（1）三角形螺纹：牙型角α=60°，牙根较厚、强度高，自锁性能好，加工简便，主要用于连接场合（如螺栓、螺母连接），是应用最广泛的连接螺纹。

（2）梯形螺纹：牙型角α=30°，牙型对称，传动效率较高（低于矩形螺纹），牙根强度高，磨损后可补偿，主要用于传递动力和直线运动（如机床丝杠、起重设备的螺杆）。

（3）矩形螺纹：牙型为矩形，传动效率最高，但牙根强度低、加工困难，且无自锁性能，常用于对传动效率要求高、无需自锁的场合（如精密机床的进给机构）。

（4）锯齿形螺纹：牙型不对称（工作面牙型角3°，非工作面30°），兼具矩形螺纹的高效率和三角形螺纹的强度，主要用于单向传递较大动力（如压力机、千斤顶的螺杆）。

题目：螺纹连接为何要进行防松？简述工程上常用的螺纹连接的防松方法，并举出实例。

答案：

防松原因：螺纹连接在冲击、振动、变载荷或温度变化等工况下，螺纹副间的摩擦力会减小，导致螺母松动，影响连接可靠性，甚至引发设备故障，因此必须采取防松措施。

常用防松方法及实例：

（1）摩擦防松：依靠增加螺纹副间的摩擦力防止松动，结构简单、操作方便，如双螺母防松、弹簧垫圈防松（常用于机床箱体连接）。

（2）机械防松：通过机械结构限制螺纹副的相对转动，防松可靠，如开口销与槽形螺母配合（常用于轴类零件连接，如机床主轴与齿轮的连接）、止动垫圈防松、串联钢丝防松。

（3）永久防松：将螺纹副永久固定，不可拆卸，如焊接防松、冲点防松（常用于不需要拆卸的固定连接，如机床底座与地脚螺栓的固定）。

题目：简述拧紧螺母时，螺栓螺纹部分的横截面上受何种力和力矩作用，该横截面上产生何种应力，其强度条件是什么？

答案：

（1）受力与力矩：拧紧螺母时，螺栓螺纹部分横截面受轴向拉力F（由预紧力产生）和扭矩T（由拧紧力矩传递）作用。

（2）应力类型：轴向拉力产生拉应力σ，扭矩产生切应力τ，横截面上最终产生拉扭合成应力。

（3）强度条件：考虑拉扭合成的影响，强度条件为：σ_eq≤[σ]，其中σ_eq=√(σ²+3τ²)，[σ]为螺栓材料的许用应力；简化计算时，强度条件可表示为σ=1.3F/(πd₁²/4)≤[σ]，其中1.3为拉扭合成系数，d₁为螺栓螺纹的小径。

题目：简述提高螺纹连接强度的措施，并结合实例加以说明。

答案：常用提高螺纹连接强度的措施及实例如下：

（1）改善螺纹牙间载荷分布不均：采用减薄螺母或加高螺母的方式，使螺纹牙受力更均匀，如机床丝杠的螺母采用减薄结构，减少螺纹牙的载荷集中。

（2）减小应力集中：在螺栓头部与杆部的过渡处采用圆角或卸荷槽，降低应力集中，如机床连接用的高强度螺栓，头部均设有圆角过渡。

（3）提高螺栓材料强度：选用高强度合金钢制作螺栓，如40Cr、35CrMo等，用于机床重要连接（如主轴箱与床身的连接），提升承载能力。

（4）合理选择螺纹类型：受变载荷的连接选用梯形螺纹，减少磨损和应力集中，如机床进给丝杠的螺纹连接。

（5）采用合理的预紧力：适当提高预紧力，增强连接的可靠性，同时避免预紧力过大导致螺栓损坏，如机床地脚螺栓的预紧，需按设计要求控制预紧力矩。

题目：按摩擦副的性质螺旋传动分为几类？简述各类螺旋传动的特点及应用。

答案：按摩擦副性质，螺旋传动主要分为3类，特点及应用如下：

（1）滑动螺旋传动：摩擦副为滑动摩擦，结构简单、加工方便、成本低，但传动效率低（一般为30%~60%），磨损大，常用于低速、轻载、精度要求不高的场合（如普通机床的进给机构、千斤顶）。

（2）滚动螺旋传动：摩擦副为滚动摩擦（通过滚珠或滚柱传递运动），传动效率高（85%~95%），磨损小，精度高，运动平稳，但结构复杂、成本高，常用于高速、高精度、重载的场合（如数控机床的进给丝杠、精密仪器的传动机构）。

（3）静压螺旋传动：摩擦副间形成静压油膜，摩擦系数极小，传动效率高、磨损几乎为零，精度极高，但需要一套完整的液压系统，成本高，常用于超精密机床、大型机床的传动机构。

题目：机械制造装备的机电一体化体现在哪些方面？

答案：机电一体化是指机械技术与微电子、传感检测、信息处理、自动控制和电力电子等技术，按系统工程和整体优化的方法有机组成的最佳技术系统，在机械制造装备中的体现主要有：

（1）结构简化：通过电子控制替代部分机械传动结构，使装备结构更紧凑，如数控机床用伺服电机直接驱动丝杠，替代传统的齿轮传动机构。

（2）功能提升：集成传感检测、自动控制功能，实现装备的自动化、智能化，如加工中心的自动换刀系统、工件自动检测功能。

（3）性能优化：通过电子反馈控制，提高装备的精度、稳定性和可靠性，如数控机床的误差补偿系统，可修正机械加工误差。

（4）节能节材：优化机电配合，降低能耗和材料消耗，如变频电机在机床中的应用，可根据负载调节转速，节约电能。

题目：数控机床总体设计包含哪些主要内容？

答案：数控机床总体设计是装备设计的核心，主要包含以下内容：

（1）运动设计及表面形成方法：确定机床的运动形式（如直线运动、旋转运动），明确工件与刀具的相对运动关系，保证加工表面的形成精度。

（2）机床总体结构方案设计：规划机床的整体布局（如卧式、立式），设计床身、立柱、工作台等主要部件的结构形式，确保结构刚度和稳定性。

（3）主要参数设计：包括主参数（如机床最大加工尺寸）、尺寸参数（如工作台尺寸）、运动参数（如主轴转速、进给速度）和动力参数（如电机功率），确保满足加工需求。

（4）伺服进给系统设计：选择合适的伺服电机、丝杠螺母机构，设计控制系统，保证进给运动的精度和响应速度。

二、填空题（含答案）在常用的螺纹连接中，自锁性能最好的螺纹是（三角形螺纹）；传动效率最高的螺纹是（矩形螺纹）。当被连接件比较薄时，应采用（螺栓连接）；当两个被连接件之一很厚、不宜制成通孔、且需要经常拆装时，应采用（双头螺柱连接）；当两个被连接件之一很厚、不能制成通孔、且该连接不需要经常拆装时，通常采用（螺钉连接）。为了改善螺纹牙上的载荷分布不均现象，通常都以（采用减薄螺母）的方法来实现。只受预紧力Fˊ的紧连接螺栓的强度条件是σ=1.3Fˊ/(πd₁²/4)≤[σ]，其中1.3的物理意义是（拉扭合成的结果）；既受预紧力、又受工作拉力的紧连接螺栓的强度条件是σ=1.3F₀/(πd₁²/4)≤[σ]，其中1.3的物理意义是（拉扭合成的结果）。普通螺纹的牙型角α=60°，当螺纹的摩擦系数μ=0.1时，则该螺纹的当量摩擦系数μᵥ等于（0.115）。螺纹连接预紧的目的之一是（增强连接的可靠性和紧密性）。既受预紧力Fˊ、又受轴向变载荷F的紧螺栓连接，当其螺栓的总拉力F₀的最大值和被连接件的刚度不变时，如果螺栓的刚度愈小，则（螺栓中总拉力的变化幅度愈小）。承受预紧力Fˊ和轴向变载荷F的紧螺栓连接，当其螺栓的总拉力F₀的最大值和螺栓的刚度不变时，如果被连接件的刚度愈小，则（螺栓中总拉力的变化幅度愈大）。三、计算题（典型题型）题目：已知某紧连接螺栓受预紧力Fˊ=10000N，工作拉力F=5000N，螺栓的小径d₁=10mm，螺栓材料的许用应力[σ]=120MPa，试校核该螺栓的强度。

答案：

（1）计算螺栓的总拉力F₀：对于紧连接，总拉力F₀=Fˊ+Kb/(Kb+Kc)×F（Kb为螺栓刚度，Kc为被连接件刚度，通常取Kb/(Kb+Kc)=0.2~0.3，此处取0.25）

F₀=10000+0.25×5000=11250N

（2）计算螺栓的拉扭合成应力：σ=1.3F₀/(πd₁²/4)

代入数据：σ=1.3×11250/(3.14×10²/4)=14625/78.5≈186.3MPa

（3）强度校核：由于σ=186.3MPa＞[σ]=120MPa，因此该螺栓强度不足，需更换更大直径的螺栓或选用更高强度等级的材料。

题目：普通螺纹M16（小径d₁=13.835mm），牙型角α=60°，摩擦系数μ=0.15，试计算该螺纹的当量摩擦系数μᵥ和自锁条件。

答案：

（1）计算当量摩擦系数μᵥ：当量摩擦系数公式为μᵥ=μ/cos(α/2)

代入数据：μᵥ=0.15/cos(30°)=0.15/0.866≈0.173

（2）自锁条件：螺纹的升角λ≤当量摩擦角ρᵥ，其中ρᵥ=arctan(μᵥ)

计算ρᵥ：ρᵥ=arctan(0.173)≈9.83°

对于M16普通螺纹（螺距P=2mm），升角λ=arctan(P/(πd₁))=arctan(2/(3.14×13.835))≈arctan(0.046)≈2.63°

由于λ=2.63°≤ρᵥ=9