机械设计基础杨可桢版118章答案全Word格式.docx

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先求出各不平衡质径积的大小：

　方向沿着各自的向径指向外面。

用作图法求解，取，作图8.11（a）所示。

　　由图量得，则质心偏移的距离为，偏移的方向就是平衡质径积的方向，与水平夹角为。

（2）求左右支反力实际上就是求动平衡时在左右支点所在平面所需要的平衡力。

先把不平衡质量在两支承所在平面上分解。

左支承：

　；

右支承：

则在两个支承所在平面上的质径积的大小分别为：

用作图法求解，取，作图8.11（b）（c）所示。

由动平衡条件得：

　，量得，

则支反力大小为　

8-7

图8.13

（1）先把不平衡质量在两平衡基面Ⅰ和Ⅱ上分解。

　基面Ⅰ：

　基面Ⅱ：

则在两个基面上的质径积分别为：

　，方向垂直向下。

　基面Ⅱ：

　，方向垂直向上。

用作图法求解，取，作图8.13（a）（b）所示。

　，平衡质径积，方向垂直向上。

　，平衡质径积，方向垂直向下。

8-8

图8.14

先把不平衡质量在两平衡基面和上分解。

基面：

图8.15

基面：

用作图法求解，取，作图8.15（a）（b）所示。

和

由图上量取：

，方向如图8.15（a）（b）所示。

校核。

设坐标轴方向如图8.15所示，用解析法校核。

向有：

两个平面在向和向合力均为零，因此所得结果正确。

由于回转半径为，因此所加的平衡质量应为

8-9

图8.17

先把不平衡质量在两平衡基面Ⅰ和Ⅱ上分解。

基面Ⅰ：

基面Ⅱ：

则在两个基面上的质径积的大小分别为：

用作图法求解，取，作图8.17（a）（b）所示。

由动平衡条

件得：

　　　　　　　　　，

量得，，方向如图所示。

8-10解：

（1）求左右支反力实际上就是求动平衡时在支点Ⅰ、Ⅱ所在平面所需要的平衡力。

先把不平衡质量在两平衡基面Ⅰ和Ⅱ上分解。

用作图法求解，取，作图8.19（a）

图8.19

（b）所示。

　　　　，

量得，则支反力方向如图8.19（a）所示，大小为

。

量得，则支反力方向如图8.19（b）所示，大小为

（2）如果在面上加一平衡质径积进行静平衡，则按静平衡条件求解，只需要，和

三个质径积矢量和为零即可。

用作图法求解，取，作图8.19（c）所示。

量得，方向如图8.19（c）所示。

（3）静平衡之后，按照有三个偏心质量做动平衡计算，求取基面Ⅰ和Ⅱ上的平衡力即可。

同理把所有不

平衡质量在两平衡基面Ⅰ和Ⅱ上分解，然后求基面上的质径积，有：

　　　　　　　　　　，

用作图法求解，取，作图8.19（d）（e）所示。

由动平衡条件

得：

　　　　　　　　　　　　　，

量得，则支反力方向如图8.19（d）所示，大小为

量得，则支反力方向如图8.19（e）所示，大小为

（4）静平衡后，两个支座的支反力一个增大，一个减小。

第九章机械零件设计概论

9-1答退火：

将钢加热到一定温度，并保温到一定时间后，随炉缓慢冷却的热处理方法。

主要用来消除应力、降低硬度，便于切削。

正火：

将钢加热到一定温度，保温一定时间后，空冷或风冷的热处理方法。

可消除应力，降低硬度，便于切削加工；

对一般零件，也可作为最终热处理，提高材料的机械性能。

淬火：

将钢加热到一定温度，保温一定时间后，浸入到淬火介质中快速冷却的热处理方法。

可提高材料的硬度和耐磨性，但存在很大的应力，脆性也相应增加。

淬火后一般需回火。

淬火还可提高其抗腐蚀性。

调质：

淬火后加高温回火的热处理方法。

可获得强度、硬度、塑性、韧性等均较好的综合力学性能，广泛应用于较为重要的零件设计中。

表面淬火：

迅速将零件表面加热到淬火温度后立即喷水冷却，使工件表层淬火的热处理方法。

主要用于中碳钢或中碳合金钢，以提高表层硬度和耐磨性，同时疲劳强度和冲击韧性都有所提高。

渗碳淬火：

将工件放入渗碳介质中加热，并保温一定时间，使介质中的碳渗入到钢件中的热处理方法。

适合于低碳钢或低碳合金钢，可提高表层硬度和耐磨性，而仍保留芯部的韧性和高塑性。

9-2解见下表

9-3解查教材表9-1，Q235的屈服极限

查手册GB706-88标准，14号热轧工字钢的截面面积

则拉断时所所的最小拉力为

9-4解查教材表9-1，45钢的屈服极限　

许用应力　　

把夹紧力向截面中心转化，则有拉力和弯距　　

截面面积　　

抗弯截面模量　　

则最大夹紧力　　

应力分布图如图所示

图9.3题9-4解图

9-5解查手册，查手册退刀槽宽度，沟槽直径，过渡圆角半径，尾部倒角设所用螺栓为标准六角头螺栓，对于的螺栓，最小中心距，螺栓轴线与箱壁的最小距离。

9-6解查手册，当圆轴时，平键的断面尺寸为且轴上键槽尺寸、轮毂键槽尺寸。

图9.5题9-6解图

9-7解

（1）取横梁作为示力体，当位于支承右侧处时

由　　得　

由　　得　

由　　得　

（2）横梁弯矩图

图9.7题9-7解图

（3）横梁上铆钉组的载荷

力矩　　

水平分力　　

垂直分力　　

9-8解水平分力在每个铆钉上产生的载荷

垂直分力在每个铆钉上产生的载荷

力矩在每个铆钉上产生的载荷

各力在铆钉上的方向见图所示

图9.9题9-8解图

根据力的合成可知，铆钉1的载荷最大

9-9解铆钉所受最大载荷

校核剪切强度

校核挤压强度

均合适。

9-10解支承可用铸铁HT200或铸钢ZG270-500。

其结构立体图见图。

图9.10题9-10解图

　　支承的可能失效是回转副的磨损失效，或回转副孔所在横截面处拉断失效。

9-11解

（1）轮齿弯曲应力可看成是脉动循环变应力。

（2）大齿轮循环次数

（3）对应于循环总次数的疲劳极限能提高

提高了1.24倍。

9-12答由图5-1可见，惰轮4的轮齿是双侧受载。

当惰轮转一周时，轮齿任一侧齿根处的弯曲应力的变化规律：

未进入啮合，应力为零，这一侧进入啮合时，该侧齿根受拉，并逐渐达到最大拉应力，然后退出啮合，应力又变为零。

接着另一侧进入啮合，该侧齿根受压，并逐渐达到最大压应力，当退出啮合时，应力又变为零。

所以，惰轮4轮齿根部的弯曲应力是对称循环变应力。

9-13答在齿轮传动中，轮齿工作面上任一点所产生的接触应力都是由零（该点未进入啮合）增加到一最大值（该点啮合），然后又降低到零（该点退出啮合），故齿面表面接触应力是脉动循环变应力。

9-14解

（1）若支承可以自由移动时，轴的伸长量

（2）两支承都固定时，因轴的温升而加在支承上的压力

9-15基孔制优先配合为、、、、、、、、、、、、，试以基本尺寸为绘制其公差带图。

图9.13题9-15解图

9-16答

（1）公差带图见题9-16解图。

（2）、均采用的是基轴制，主要是为了制造中减少加工孔用的刀具品种。

图9.15题9-16解图

第十章连接

10-1证明当升角与当量摩擦角符合时，螺纹副具有自锁性。

当时，螺纹副的效率

所以具有自锁性的螺纹副用于螺旋传动时，其效率必小于50%。

10-2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。

10-3解查教材表10-1得

　　粗牙螺距中径小径

　　螺纹升角　

　　普通螺纹的牙侧角　，螺纹间的摩擦系数　

　　当量摩擦角　

　　拧紧力矩　

　　由公式　　　　可得预紧力

　　拉应力　

查教材表9-1得35钢的屈服极限

拧紧所产生的拉应力已远远超过了材料的屈服极限，螺栓将损坏。

10-4解

（1）升角　　

　　当量摩擦角　　

　　工作台稳定上升时的效率：

（2）稳定上升时加于螺杆上的力矩

（3）螺杆的转速　　

　　螺杆的功率　　

（4）因，该梯形螺旋副不具有自锁性，欲使工作台在载荷作用下等速下降，需制动装置。

其制动力矩为

10-5解查教材表9-1得Q235的屈服极限　　，

查教材表10-6得，当控制预紧力时，取安全系数

由许用应力　　

查教材表10-1得的小径

由公式　　得

预紧力　　

由题图可知，螺钉个数，取可靠性系数

牵曳力　　

10-6解此联接是利用旋转中间零件使两端螺杆受到拉伸,故螺杆受到拉扭组合变形。

查教材表9-1得，拉杆材料Q275的屈服极限　　，

取安全系数，拉杆材料的许用应力　　

所需拉杆最小直径　　

查教材表10-1，选用螺纹（）。

10-7解查教材表9-1得，螺栓35钢的屈服极限　，

查教材表10-6、10-7得螺栓的许用应力　

查教材表10-1得，的小径　

螺栓所能承受的最大预紧力

所需的螺栓预紧拉力　

则施加于杠杆端部作用力的最大值

10-8解在横向工作载荷作用下，螺栓杆与孔壁之间无间隙，螺栓杆和被联接件接触表面受到挤压；

在联接接合面处螺栓杆则受剪切。

假设螺栓杆与孔壁表面上的压力分布是均匀的，且这种联接的预紧力很小，可不考虑预紧力和螺纹摩擦力矩的影响。

　　挤压强度验算公式为：

其中；

为螺栓杆直径。

　　螺栓杆的剪切强度验算公式

其中表示接合面数，本图中接合面数。

10-9解

（1）确定螺栓的长度

　　由教材图10-9a）得：

螺栓螺纹伸出长度　

　　螺栓螺纹预留长度　

　　查手册选取六角薄螺母GB6172-86，厚度为

　　垫圈GB93-8716，厚度为

　　则所需螺栓长度　

　　查手册中螺栓系列长度，可取螺栓长度

　　螺栓所需螺纹长度　，

　　取螺栓螺纹长度

（2）单个螺栓所受横向载荷

（3）螺栓材料的许用应力

　　由表9-1查得被联接件HT250的强度极限　

　　查表10-6取安全系数　

　　被联接件许用挤压应力　

　　查教材表9-1得螺栓35钢的屈服极限　，

　　查表10-6得螺栓的许用剪切应力　

　　螺栓的许用挤压应力　

（4）校核强度

　　查手册，六角头铰制孔用螺栓GB28-88，其光杆直径

　　螺栓的剪切强度　

　　最小接触长度：

　　挤压强度　

所用螺栓合适。

10-10解

（1）每个螺栓所允许的预紧力

查教材表9-1得45钢的屈服极限，

查教材表10-6、10-7得，当不能严格控制预紧力时，碳素钢取安全系数

由许用应力　

由公式　得

（2）每个螺栓所能承担的横向力

由题图可知，取可靠性系数

横向力　

（4）螺栓所需承担的横向力

（5）螺栓的个数

取偶数。

在直径为155的圆周上布局14个的普通螺栓，结构位置不允许。

10-11解

（1）初选螺柱个数　　

（2）每个螺柱的工作载荷

（3）螺柱联接有紧密性要求，取残余预紧力

（4）螺柱总拉力

（5）确定螺柱直径

　　选取螺柱材料为45钢，查表9-1得屈服极限　，

　　查教材表10-6得，当不能严格控制预紧力时，暂时取安全系数　

　　许用应力　　　　　　　　　

　　螺栓小径　　　　　　　　

　　查教材表10-1，取螺栓（），由教材表10-7可知取安全系数是合适的。

（6）确定螺柱分布圆直径

　　由题10-11图可得　　　　

　取。

（7）验证螺柱间距

　所选螺柱的个数和螺柱的直径均合适。

10-12解

（1）在力作用下，托架不应滑移，设可靠性系数，接合面数，此时每个

螺栓所需的预紧力

（2）在翻转力矩作用下，此时结合面不应出现缝隙。

托架有绕螺栓组形心轴线O-O翻转的趋势，上边两个螺栓被拉伸，每个螺栓的轴向拉力增大了，下边两个螺栓被放松，每个螺栓的轴向力减小了

，则有力的平衡关系，故可得

为使上边两个螺栓处结合面间不出现缝隙，也即残余预紧力刚为零，则所需预紧力

（3）每个螺栓所需总的预紧力

（4）确定螺栓直径

　选取螺栓材料为35钢，查教材表9-1屈服极限，

　查教材表10-6得，当不能严格控制预紧力时，暂时取安全系数

　许用应力　　　　　　　　

　螺栓小径　　　　　　　

查教材表10-1，取螺栓（），由教材表10-7可知取安全系数也是合适的。

10-13解

（1）计算手柄长度

查手册,梯形螺纹GB5796-86，公称直径，初选螺距,则中径，小径　

螺纹升角　　

当量摩擦角　　

所需的转矩

则,手柄的长度　

（2）确定螺母的高度

　初取螺纹圈数,则

　螺母的高度

　这时处于1.2～2.5的许可围。

10-14解选用梯形螺纹。

（1）根据耐磨性初选参数

初选查表10-8螺旋副的许用压强，取

查手册，选取梯形螺纹GB5796-86，选取公称直径，中径，小径，螺距。

（2）初选螺母

初步计算螺母的高度　

则螺栓与螺母接触的螺纹圈数　，取

螺母的高度　

系数　

（3）校核耐磨性

螺纹的工作高度　

则螺纹接触处的压强

合适。

（4）校核螺杆的稳定性

起重器的螺母端为固定端，另一端为自由端，故取，螺杆危险截面的惯性半径

，螺杆的最大工作长度，则

螺杆的长细比　

临界载荷　

取安全系数

，不会失稳

（5）校核螺纹牙强度

对于梯形螺纹　

对于青铜螺母，合适。

10-15解

（1）初选螺纹直径

（2）验证其自锁性

　螺纹升角　

　当量摩擦角　，所以满足自锁条件。

（3）校核其耐磨性

设螺栓与螺母参加接触的螺纹圈数，

则螺母的高度，，处于1.2～2.5的许可围。

螺纹的工作高度

查教材表10-8，钢对青铜许用压强，合适。

（4）校核螺杆强度

取，则所需扭矩

则危险截面处的强度

对于45钢正火，其许用应力，故合适。

（5）校核螺杆的稳定性

压力机的螺母端为固定端，另一端为铰支端，故取，螺杆危险截面的惯性半径，螺杆的最大工作长度，则螺杆的长细比，不会失稳。

（6）校核螺纹牙强度

对于梯形螺纹

（7）确定手轮的直径

由得

10-16解

（1）选用A型平键，查教材表10-9，由轴的直径可得平键的截面尺寸，；

由联轴器及平键长度系列，取键的长度。

其标记为：

键GB1096-79

（2）验算平键的挤压强度

由材料表10-10查得，铸铁联轴器的许用挤压应力

A型键的工作长度

，使用平键挤压强度不够，铸铁轴壳键槽将被压溃。

这时可使轴与联轴器孔之间采用过盈配

合，以便承担一部分转矩，但其缺点是装拆不便。

也可改用花键联接。

10-17解

（1）选择花键

根据联轴器孔径，查手册可知花键小径最接近，故选择矩形花键的规格为花键GB1144-87

花键的齿数、小径，大径，键宽，键长取，倒角.

（2）验算挤压强度

取载荷不均匀系数

齿面工作高度　

平均半径　

查教材表10-11，在中等工作条件Ⅱ、键的齿面未经热处理时，其许用挤压应力，故合适。

第十一章齿轮传动

11-1解1）由公式可知：

轮齿的工作应力不变，则

则，若，该齿轮传动能传递的功率

11-2解由公式

可知，由抗疲劳点蚀允许的最大扭矩有关系：

设提高后的转矩和许用应力分别为、

当转速不变时，转矩和功率可提高69%。

11-3解软齿面闭式齿轮传动应分别验算其接触强度和弯曲强度。

（1）许用应力

查教材表11-1小齿轮45钢调质硬度：

210～230HBS取220HBS；

大齿轮ZG270-500正火硬度：

140～170HBS，取155HBS。

查教材图11-7，

查教材图11-10,

查教材表11-4取，

故：

（2）验算接触强度，验算公式为：

其中：

小齿轮转矩

载荷系数查教材表11-3得

齿宽

中心距

齿数比

则：

、，能满足接触强度。

（3）验算弯曲强度，验算公式：

齿形系数：

查教材图11-9得、

则：

满足弯曲强度。

11-4解开式齿轮传动的主要失效形式是磨损，目前的设计方法是按弯曲强度设计，并将许用应力降低以弥补磨损对齿轮的影响。

（1）许用弯曲应力查教材表11-1小齿轮45钢调质硬度：

大齿轮45钢正火硬度：

170～210HBS，取190HBS。

查教材图11-10得

查教材表11-4，并将许用应用降低30%

故　　　　　　　　　　　　　　

（2）其弯曲强度设计公式：

小齿轮转矩　　

取齿宽系数

齿数　　，取

齿数比　　

齿形系数查教材图11-9得、

因　　

故将　　代入设计公式

因此　　　

取模数

中心距　　　

齿宽　　

11-5解硬齿面闭式齿轮传动的主要失效形式是折断，设计方法是按弯曲强度设计，并验算其齿面接触强度。

（1）许用弯曲应力

查教材表11-1，大小齿轮材料40Cr表面淬火硬度：

52～56HRC，取54HRC。

查教材图11-10得，查材料图11-7得。

查教材表11-4，

因齿轮传动是双向工作，弯曲应力为对称循环，应将极限值乘70%。

故　　　　　　　　　　　　　

（2）按弯曲强度设计，设计公式：

小齿轮转矩　　

齿形系数应将齿形系数较大值代入公式，而齿形系数值与齿数成反比，将小齿轮的齿形系数代入设计公

式，查教材图11-9得

因此　　　　　

（3）验算接触强度，验算公式：

中心距　　

齿宽