机械设计教程习题集.docx

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机械设计教程习题集

机械设计教程（3版）作业集

第三章习题

3-1图3-20所示为一直齿圆柱齿轮与轴用圆头平键连接，轴径d＝50mm。

齿轮的材料为铸铁，轴为45钢。

键长L＝60mm，键的截面尺寸为b×h＝14×9mm2，传递的转矩T=200N·m，有轻微冲击。

试校核该平键连接的强度。

3-2图3-21所示的凸缘联轴器，用普通圆头平键与轴连接。

已知轴径d＝55mm，毂长L′=1.5d，联轴器为铸铁，轴为45钢，传递的转矩T=300N·m，载荷平稳无冲击。

试选择键的尺寸并校核其连接强度。

图3-20图3-21

3-3图3-22为一牙嵌式离合器与轴用导向平键连接，轴径d=40mm，键长L=125mm（圆头键），其最小有效工作长度lmin=65mm，离合器与轴均为钢制，传递的转矩T=150N·m，有轻微冲击，要求选择键的截面尺寸并校核其连接强度。

图3-22

3-4若题3-3中的其他条件均不变，而将其改为轻系列的矩形花键连接，离合器在空载条件下接合，制造精度及润滑条件一般，齿面未经淬火处理。

试校核该矩形花键的强度。

第五章习题

5–1何谓螺纹的大径、中径和小径？

它们分别用于什么场合？

5–2螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接的主要区别是什么?

它们的应用场合有何不同？

5–3普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接的结构有何不同？

主要失效形式和设计准则是什么？

5–4螺纹连接预紧的目的是什么？

如何控制预紧力？

5–5连接螺纹能满足自锁条件，为什么在设计螺纹连接时还要考虑防松问题？

在可拆卸的防松措施中哪类工作可靠？

为什么？

5–6紧螺栓连接所受轴向变载荷在0~F之间变化，当预紧力F0一定时，改变螺栓或被连接件的刚度，对螺栓连接的疲劳强度和连接的紧密性有何影响？

5–7螺旋传动按使用特点的不同可分为哪几类？

试举例说明其应用场合。

5–8某普通螺栓连接，螺栓公称直径为M20，性能等级为4.8级。

试求；

（1）当承受轴向变载荷并控制预紧力时，其预紧力F0最大为多少?

（2）若连接承受横向拉力，有一个贴合面，摩擦因数f=0.15，则可能承受的横向载荷为多少（按单个螺栓计算）?

5–9一普通螺栓连接，螺栓的刚度为Cb，被连接件的刚度为Cm。

如果Cm=8Cb，预紧力F0=1000N，轴向外载荷F=1100N，试求螺栓所受的总拉力和被连接件中的残余预紧力。

5–10在图5–34中，用4个M16普通螺栓，其许用应力[σ]=160MPa，贴合面的摩擦因数f=0.15。

求该螺栓组所能承受的横向静载荷。

5–11图5–35所示的联轴器，有6个沿圆周均布的M12铰制孔用螺栓，用以传递两半联轴器之间的转矩，若螺栓性能等级为5.6级，载荷平稳，联轴器的材料为HT250。

试计算该连接所能传递的转矩。

图5–34题5-10图图5–35题5-11图

5–12图5–36所示为一方形盖板，用4个螺栓与机体连接。

盖板中心点的吊环受到垂直于盖板的静拉力F∑=6000N，螺栓性能等级为4.6级，残余预紧力取为拉力的0.6倍，不控制预紧力，试决定该连接所需螺栓的直径。

5–13图5–37所示的连接中有三个铰制孔用螺栓，螺栓性能等级为5.6级，被连接件的材料为Q235钢，在距螺栓组的公共中心线为200mm的右侧作用有静载荷F∑=12kN，试确定螺栓的公称直径。

图5–36题5-12图图5–37题5-13图

5–14图5–38所示为用两只普通螺栓将剖分轮毂夹紧在轴上，剖分面间留有间隙，以便拧紧螺母后，轮毂能将轴夹紧。

利用夹紧表面间的压力在工作时所产生的摩擦力矩来传递扭矩。

若外力矩为60Nm，螺栓性能等级为4.8级，夹紧表面间的摩擦因数f=0.15，不控制预紧力，有关尺寸如图所示。

试确定螺栓的直径，

5–15一升降机构承受的载荷F为100kN，采用梯形螺纹，其参数为d=70mm，d2=65mm，P=10mm，螺旋线数n=4。

下部采用推力球轴承，升降台上下移动由滚动导轨导向，因摩擦很小，故忽略不计，具体情况见图5–39，试计算：

（1）若螺纹间的摩擦因数f=0.1，求工作台稳定上升时的传动效率；

（2）当工作台稳定上升时，加于螺杆上的力矩；

（3）当工作台以800mm/min的速度上升，在稳定运转条件下螺杆的转速和所需的功率；

（4）欲使工作台在载荷F的作用下等速下降，是否需要制动装置？

加于螺杆上的制动力矩应为多少?

图5–38题5-14图图5–39题5-15图

5–16试指出图5-40所示螺纹连接结构中的不合理之处，并将其改正。

图5-40题5-16图

（a）普通螺栓连接；（b）双头螺柱连接；（c）螺钉连接；（d）铰制孔用螺栓连接

第六章习题

6–1有一B型普通V带传动，n1=1460r/min，n2=400r/min，dd1=180mm，中心距a=1600mm，根数z=2，工作时有振动，一天运转16h（即两班制），试求该普通V带所能传递的功率。

6–2某普通V带传动，主动轮所能传递的最大转矩T1=70N·m，已知dd1=200mm，F0=800N。

求F1和F2的值。

若将此带传动传递功率为P=11kW，小带轮转速为n1=1460r/min，问能否正常工作？

6–3有一带式输送装置，其异步电动机与齿轮减速器之间用普通V带传动，电动机功率P=7.5kW，转速n1=970r/min，减速器输入轴的转速n2=330r/min，允许误差为±5%，运输装置工作时有轻度冲击，两班制工作，试设计此普通V带传动。

第七章习题

7–l与带传动相比较，链传动有何优缺点？

一般用在什么场合？

7–2滚子链由哪几种零件组成？

各零件之间如何连接？

滚子链的磨损通常发生在什么部位？

7–3小链轮的齿数过多或过少对链传动有何影响？

通常链轮齿数在什么范围内选取？

7–4何谓链传动的多边形效应？

它是如何产生的？

它对链传动有什么影响？

7–5为什么链轮的节距越大，齿数越少，链速的变化也就越大？

7–6链传动发生脱链的主要原因有哪些？

若只考虑链条铰链的磨损，脱链通常发生在哪个链轮上？

为什么？

7–7图7–15所示为链传动和带传动组成的减速传动装置简图，指出其存在问题，分析原因，并指出改进的措施。

图7-14题7-7图

7–8链传动的中心距过大或过小对链传动有何影响？

一般链传动的中心距在什么范围内选？

7–9已知z1=25，z2=75，n1=800r/min的滚子链传动，可传递功率P=20kW，如果用同样的链，z2不变，用减少z1的办法来使n2=200r/min。

试确定这时可以传递多大功率?

7–10设计一个往复式压气机上的滚子链传动。

已知电动机转速n1=960r/min，P=3kW，压气机转速n2=330r/min。

试确定大、小链轮齿数，链条节距，中心距和链节数。

7–11选择并验算一个输送装置用的传动链。

已知传递的功率P=7.5kW，主动链轮转速n1=970r/min，传动比i=3，工作情况系数KA=1.5，中心距a≤650mm可以调节。

第八章习题

选择与填空题

8–1在齿轮传动的设计计算中，对下列参数和尺寸应标准化的有_______________________；应圆整的有__________________；没有标准化也不应圆整的有___________________。

（1）斜齿轮的法面模数mn

（2）斜齿轮的端面模数mt（3）直齿轮中心距a（4）斜齿轮中心距a

（5）齿宽b（6）齿厚S（7）分度圆压力角α（8）螺旋角β（9）锥距R（10）齿顶圆直径da

8–2材料为20Cr的硬齿面齿轮，适宜的热处理方法是__________。

（1）整体淬火

（2）渗碳淬火（3）调质（4）表面淬火

8–3将材料为45钢的齿轮毛坯加工成为6级精度的硬齿面直齿圆柱外齿轮，该齿轮制造工艺顺序应是______为宜。

（1）滚齿、表面淬火、磨齿

（2）滚齿、磨齿、表面淬火（3）表面淬火、滚齿、磨齿

（4）滚齿、调质、磨齿

8–4一对正确啮合的标准渐开线齿轮作减速传动时，若两轮的材料、热处理及齿面硬度均相同，则齿根弯曲应力____________。

（1）σF1>σF2

（2）σF1=σF2（3）σF1<σF2

8–5直齿圆锥齿轮传动的强度计算方法是以________________________的当量圆柱齿轮为计算基础的。

分析与思考题

8–6在不改变齿轮的材料和尺寸的情况下，如何提高轮齿的抗折断能力?

8–7为什么齿面点蚀一般首先发生在靠近节线的齿根面上?

在开式齿轮传动中，为什么一般不出现点蚀破坏?

如何提高齿面抗点蚀的能力?

8–8在什么工况下工作的齿轮易出现胶合破坏?

胶合破坏通常出现在轮齿的什么部位?

如何提高齿面抗胶合的能力?

8–9闭式齿轮传动与开式齿轮传动的失效形式和设计准则有何不同?

为什么?

8–10通常所谓软齿面与硬齿面的硬度界限是如何划分的?

软齿面齿轮和硬齿面齿轮在加工方法上有何区别?

为什么?

8–11导致载荷沿轮齿接触线分布不均的原因有哪些?

如何减轻载荷分布不均的程度?

8–12齿面接触疲劳强度计算公式是如何建立的?

为什么要选择节点作为齿面接触应力的计算点?

8–13标准直齿圆柱齿轮传动，若传动比i，转矩T1，齿宽b均保持不变，试问在下列条件下齿轮的弯曲应力与接触应力各将发生什么变化?

（1）模数m不变，齿数z1增加；

（2）齿数z1不变，模数m增大；

（3）齿数z1增加一倍，模数m减小一半。

8–14一对圆柱齿轮传动，大齿轮和小齿轮的接触应力是否相等?

如大、小齿轮的材料及热处理情况相同，则其许用接触应力是否相等?

8–15在齿轮设计公式中为什么要引入齿宽系数?

齿宽系数φd的大小主要与哪两方面因素有关?

8–16在直齿、斜齿圆柱齿轮传动中，为什么常将小齿轮设计得比大齿轮宽一些?

在人字齿轮传动和圆锥齿轮传动中是否也应将小齿轮设计得宽一些?

8–17两级展开式齿轮减速器如图8-20所示。

在各齿轮的啮合点处标出齿轮的轴向力Fa、径向力Fr和切向力Ft的方向（切向力的方向分别用符号

或⊙表示向内或向外）。

图8–20题8-17图

设计计算题

8–18一对斜齿圆柱齿轮传动由电动机直接驱动，齿轮材料为45钢，软齿面，齿轮精度等级为8级。

已知法面模数mn=3mm，齿数z1=30，z2=93，螺旋角β=13.82°，齿宽b1=85mm，b2=80mm，转速n1=1440r/min，该齿轮对称布置在两支承之间，载荷平稳。

试确定该齿轮传动的载荷系数K。

8–19在上题的齿轮传动中，小齿轮调质处理，齿面硬度为220~240HBS，大齿轮正火处理，齿面硬度为190~210HBS，要求齿轮的工作寿命为5年（允许出现少量点蚀），每年工作260天，每天工作8小时，齿轮单向转动。

试确定该齿轮传动的许用接触应力和许用弯曲应力。

8–20设计一直齿圆柱齿轮传动，原用材料的许用接触应力为[σH]1=700MPa，[σH]2=600MPa，求得中心距a＝100mm；现改用[σH]1＝600MPa，[σH]2＝400MPa的材料，若齿宽和其它条件不变，为保证接触疲劳强度不变，试计算改用材料后的中心距。

8–21一直齿圆柱齿轮传动，已知z1=20，z2=60，m=4mm，b1=45mm，b2=40mm，齿轮材料为锻钢，许用接触应力[σH]1=500MPa，[σH]2=430MPa，许用弯曲应力[σF]1=340MPa，[σF]2=280MPa，载荷系数K=1.85，求大齿轮所允许的输出转矩T2（不计功率损失）。

8–22设计铣床中一对直齿圆柱齿轮传动，已知功率P1=7.5kW，齿主动轮转速n1=1450r/min，齿数z1=26，z2=54，双向传动，工作寿命Lh=12000h。

小齿轮对轴承非对称布置，轴的刚性较大，工作中受轻微冲击，7级制造精度。

8–23设计一斜齿圆柱齿轮传动，已知功率P1=40kW，转速n1=2800r/min，传动比i=3.2，工作寿命Lh=1000h，小齿轮作悬臂布置，载荷系数K=1.25。

8–24设计由电动机驱动的闭式圆锥齿轮传动。

已知功率P1=9.2kW，转速n1=970r/min，传动比i=3，小齿轮悬臂布置，单向转动，载荷平稳，每日工作8小时，工作寿命为5年（每年260个工作日）。

第九章习题

9-1试分析图9-15所示蜗杆传动中各轴的回转方向，蜗轮轮齿的螺旋方向及蜗杆、蜗轮所受各力的作用位置及方向。

图9-15两级蜗杆传动

9-2试设计一单级圆柱蜗杆减速器中的蜗杆与蜗轮。

驱动电动机功率为7.5kW，转速为1440r/min。

蜗轮转速为80r/min，载荷平稳，单向传动。

每次启动连续工作时间8小时以上。

9-3设计一个起重设备用的蜗杆传动，工作时有中等冲击载荷。

蜗杆轴由电动机驱动，传递的额定功率P1＝11kW，n1＝r/min，n2＝120r/min，间歇工作，平均约为每日工作2h，要求工作寿命为10年（每年按300个工作日计）。

第十章习题

10-1说明下列滚动轴承代号的意义，并画出这几类轴承的结构示意简图。

N208/P5，7312C，6101，30316，5207

10-2某设备中采用了一个单列深沟球轴承，装轴承处轴颈直径为35mm，转速为3000r/min。

已知径向载荷Fr=1800N，轴向载荷Fa=750N，预期工作寿命为8000h。

试选择此轴承型号。

10-3有一斜齿圆柱齿轮减速器，其低速轴的受载、几何尺寸及寿命要求等与【例题10-3】相同，若选用两个30206轴承且反装。

验算轴承能否达到预期寿命要求。

10-4在重量为8000kg的水闸起吊机构上安装上两个单列深沟球轴承，如果安装轴承处轴颈直径d=50mm。

试确定此轴承型号。

10-5某减速器的不完全液体润滑径向滑动轴承，轴的材料为45钢。

轴瓦材料为ZPbSb16Sn16Cu2，承受载荷F=35kN，轴颈直径d=190mm，轴承宽度B=250mm，转速n=150r/min。

试验算轴承是否合用？

10-6试设计某轻纺机械一个转轴上两个相同的不完全液体润滑径向滑动轴承。

已知轴颈的直径d=55mm，轴承的宽度B=44mm，轴颈上所受径向载荷F=24200N，轴的转速n=2000r/min，轴的材料为45钢。

10-7主轴端部的止推滑动轴承，已知转速n=520r/min，为使磨损均匀，取空心轴颈内径d1等于或大于1/2轴承外径d2（见图10-35a），轴向力为2000N，[p]=4MPa，[pv]=2MPa·m/s。

试选择轴承材料并设计此轴承尺寸。

10-8船用止推轴承，轴的转速为400r/min，轴向推力为4200N，轴的直径为90mm，轴环外径为166mm，[pv]=0.5MPa·m/s。

仅从pvm值验算的角度出发需要几个轴环？

第十一章习题

11-1离心式水泵采用弹性柱销联轴器与电动机联接，传递功率P=11kW，转速n=970r/min，联轴器所联接轴端直径分别为d1=40mm，d2=42mm。

试选择该联轴器的型号。

若原动机改为单缸内燃机，原先选择的型号是否需要改变？

11-2拟用联轴器连接电动机和齿轮减速器。

已知电动机功率P=15kW，转速n=1460r/min，电动机轴伸直径d1=42mm，减速器输入轴端部直径d2=45mm，中等冲击载荷。

试选择电动机与减速器之间的联轴器类型和型号。

11-3图11-16所示多盘摩擦离合器用于车床上，传递的功率P=1.5kW，转速n=600r/min。

若摩擦盘接合面圆环外半径Ro=60mm，内半径Ri=40mm，摩擦盘材料用淬火钢，摩擦片间的压紧力F=260N，摩擦因数f=0.18。

问需要多少摩擦盘才能实现上述要求？

第十二章习题

12–1某轴传递功率P=10kW，转速n=600r/min，所受最大弯矩为M=4×105N·mm，若其材料为20Cr调质钢。

试按弯扭合成强度条件确定其最大弯矩处轴的直径。

12–2在轴上安装有4个带轮（图12-24）。

带轮1把电动机的功率55kW分别通过带轮2、3和4传给工作机，其功率P2=25kW，P3=19kW，P4=11kW；带轮的直径D1=500mm，D2=450mm，D3=320mm，D4=600mm；各带轮的包角α=180°，带的紧边拉力为松边拉力的2倍，转速n=400r/min。

试按弯扭合成强度条件确定轴的危险剖面的直径。

图12-24采用带传动的轴系结构图

12–3设计图12-25所示的单级斜齿圆柱齿轮减速器的低速轴。

已知电动机功率P=4kW，转速n1=750r/min，n2=136r/min，大齿轮的分度圆直径d2=300mm，齿宽B2=90mm，轮齿螺旋角β=12°，法面压力角αn=20°，箱体宽度（内壁间距离）为140mm。

要求：

（1）完成轴的全部结构设计；

（2）验算所设计轴的强度。

图12-25单级斜齿圆柱齿轮减速器简图

12–4图12-26所示为某减速器输出轴的结构图。

试指出其结构设计的不合理之处，并画出改正图形。

图12-26设计不合理的轴结构图

12–5有一实心轴直径为80mm，另一空心轴外径为80mm，内径为40mm。

两轴用相同材料制成。

试比较两根轴同时承受弯矩和扭矩的能力（简支跨距自定）。

第十三章习题

13-1现有一圆柱螺旋压缩弹簧，外径D2=36mm，d=3mm，n=5，材料为SL型碳素弹簧钢丝，最大工作载荷Fmax=100N，载荷性质属于Ⅱ类。

试校核其强度，并计算其最大变形量λmax。

13-2设计一圆柱螺旋拉伸弹簧，工作环境条件及载荷性质一般。

要求外径D2≤16mm，中径D≈11mm，当F1=180N时，λ1=7.5mm；F2=340N时，λ2=17mm。

13-3设计一具有预应力的圆柱螺旋拉伸弹簧，要求外径D2<16mm，中径D≈10mm；当F1=160N时，λ1=6mm；F2=320N时，λ2=15mm。

13-4设计一圆柱螺旋扭转弹簧，载荷平稳，工作条件一般。

最小工作扭矩Tmin=2N·m，最大工作扭矩Tmax=6.5N·m，工作时杆臂的扭转角为θ=ϕmax-ϕmin=45°。