机械设计基础1418章.docx
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机械设计基础1418章
14-1解I为传动轴，II、IV为转轴，III为心轴。
14-2解
圆整后取d=37mm。
14-3解
14-4解
按弯扭合成强度计算，即：
代入数值计算得：
。
14-5解这两个轴都是心轴，只承受弯矩。
两种设计的简化图如下：
图14.5题14-5解图
图14.6（a）中，
因为是心轴，故
，查相关手册得：
，则
考虑到键槽对轴的削弱，直径再扩大4%。
得：
图14.6（b）中，
14-6解
故
。
14-7解由题可知
，
，若不计齿轮啮合及轴承摩擦的功率损失，则
（i=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ）
设：
，则
，
，
14-8解1.计算中间轴上的齿轮受力
中间轴所受转矩为：
图14.8题14-8解图
2.轴的空间受力情况如图14.8（a）所示。
3.垂直面受力简图如图14.8（b）所示。
垂直面的弯矩图如图14.8（c）所示。
4.水平面受力简图如图14.8（d）所示。
水平面的弯矩图如图14.8（e）所示。
B点左边的弯矩为：
B点右边的弯矩为：
C点右边的弯矩为：
C点左边的弯矩为：
5.B点和C点处的合成最大弯矩为：
6.转矩图如图14.8（f）所示，其中
。
7．可看出，B截面为危险截面，取
，则危险截面的当量弯矩为：
查表得：
，则按弯扭合成强度计算轴II的直径为：
考虑键槽对轴的削弱，对轴直径加粗4%后为：
14-9解该题求解过程类似于题14-8。
在此略。
14-10解
钢的切变模量
，按扭转刚度要求计算，应使
即
14-11解1.求该空心轴的内径
空心轴的抗扭截面模量
实心轴的抗扭截面模量
令
，即
解得
圆整后取
。
2．计算减轻重量的百分率
实心轴质量＝密度×体积
空心轴质量
空心轴减轻重量的百分率为42.12%。
15-1答滑动轴承按摩擦状态分为两种：
液体摩擦滑动轴承和非液体摩擦滑动轴承。
液体摩擦滑动轴承：
两摩擦表面完全被液体层隔开，摩擦性质取决于液体分子间的粘性阻力。
根据油
膜形成机理的不同可分为液体动压轴承和液体静压轴承。
非液体摩擦滑动轴承：
两摩擦表面处于边界摩擦或混合摩擦状态，两表面间有润滑油，但不足以将两
表面完全隔离，其微观凸峰之间仍相互搓削而产生磨损。
15-2解
（1）求滑动轴承上的径向载荷
（2）求轴瓦宽度
（3）查许用值
查教材表15-1，锡青铜的
，
（4）验算压强
（5）验算
值
15-3解
（1）查许用值
查教材表15-1，铸锡青铜ZCuSn10P1的
，
（2）由压强
确定的径向载荷
由
得
（3）由
值确定的径向载荷
得
轴承的主要承载能力由
值确定，其最大径向载荷为
。
15-4解
（1）求压强
（5）求
值
查表15-1，可选用铸铝青铜ZCuAl10Fe3
，
15-5证明液体内部摩擦切应力
、液体动力粘度
、和速度梯度之间有如下关系：
轴颈的线速度为
，半径间隙为
，则
速度梯度为
磨擦阻力
摩擦阻力矩
将
、
代入上式
16-1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。
7207CJ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。
16-2解室温下工作
；载荷平稳
，球轴承
查教材附表1，
（1）当量动载荷
时
在此载荷上，该轴承能达到或超过此寿命的概率是90%。
（2）当量动载荷
时
16-3解室温下工作
；载荷平稳
，球轴承
当量动载荷
查教材附表1，可选用轴承6207（基本额定动载荷
）。
16-4解
（1）计算当量动载荷
查手册，6313的
，
，查教材表16-12，并插值可得
，所以
，
当量动载荷
（2）计算所需基本额定动载荷
查教材表16-9，室温下工作
；查教材表16-10有轻微冲击
，球轴承
因所需的
，所以该轴承合适。
16-5解选择轴承型号
查教材表16-9，工作温度125℃时，
；载荷平稳，
选用球轴承时，
查教材附表1，根据
和轴颈
，可选用球轴承6408（基本额定动载荷
）.
选用滚子轴承时，
查教材附表1，根据
和轴颈
，可选用圆柱滚子轴承N208（基本额定动载荷
）。
（2）滚子轴承的载承能力较大，并查手册可知其径向尺寸小。
16-6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
）。
16-7根据工作要求，选用内径
的圆柱滚子轴承。
轴承的径向载荷
，轴的转速
，运转条件正常，预期寿命
，试选择轴承型号。
解正常条件下，
；
；滚子轴承
当量动载荷
查手册，根据
和轴颈
，选用圆柱滚子轴承N310（基本额定动载荷
）。
16-8解
（1）求斜齿轮上的作用力
齿轮传递的转矩
齿轮的分度圆直径
齿轮的圆周力
齿轮的径向力
齿轮的轴向力
由图可知,斜齿轮为右旋,主动小齿轮,顺时针方向旋转时其轴向力指向右
（2）求轴承径向载荷
假设小齿轮与大齿轮的啮合点位于小齿轮的上端。
图16.12题16-8解图1
垂直方向
水平方向
左端轴承1的径向载荷
右端轴承2的径向载荷
（3）求轴承的派生轴向力
现已知
、
、
（向右）
查教材附表3，圆锥滚子轴承30206的接触角
（向右）
（向左）
（4）求轴承的轴向力
因
向右、
向右、
向左
图16.13题16-8解图2
左端轴承1被放松
右端轴承2被压紧
（5）求当量动载荷
查教材表16-12圆锥滚子轴承
，查表16-12得
，
查表16-12得
，
（6）求轴承的基本额定寿命
正常条件下，
；
；滚子轴承
，查教材附表3，圆锥滚子轴承30206的
当量动载荷取
17-1解1）选择型号：
因此类机组一般为中小型，所需传递的功率中等，直流发电机载荷平稳，轴的
弯曲变形较小，联接之后不再拆动，故选用传递转矩大、结构简单的固定式刚性联轴器，如凸缘联轴器。
2）按传递最大功率
求计算转矩
转矩
。
由教材表17-1查得，当工作机为发电机时的工作情况系数
。
则计算转矩
根据计算转矩、轴的转速
、外伸轴直径d=45mm查手册，可用标准GB5843-
1986铰制孔型凸缘联轴器YL9。
其许用转矩为
，许用最大转速
。
其
他主要尺寸：
螺栓孔中心所在圆直径
，6只M10螺栓。
17-2解
（1）选择型号：
因汽轮发电机组的转子较重，传递的转矩特大，轴有一定的弯曲变形，工作
环境为高温高压蒸汽，轴有伸长，故选用耐温的齿式联轴器。
（2）求计算转矩
转矩
。
由教材表17-1,当工作机为发电机原动机为汽轮机时的工作情况系数仍可取
。
则计算转矩
根据计算转矩、轴的转速
、外伸轴直径d=120mm查手册，可用标准ZB19012-
1989GCLD型鼓型齿式联轴器GCLD7。
其许用转矩为
，许用最大转速
。
17-3
图17.2题17-3图 图17.3题17-3解图
解可选用一超越离合器，如图17.3所示。
电动机1和电动机2的转速是相同的，但电动机1经过蜗杆蜗
轮传动后，转速降至
，并有
。
当两电机同时开动时，因
，超越离合器松开，
传不到
轴上，
轴由电机2带动。
若电动机1开动后，再停止电动机2，那么当电动机2停止转动
时，
，
，超越离合器被滚珠楔紧带动
轴旋转。
所以任何时间都不会卡死。
17-4
图17.4题17-4图
解
（1）求计算转矩
转矩
。
由教材表17-1查得，当工作机为车床时的工作情况系数
。
则计算转矩
（2）求摩擦面数目
由教材式（17-7）
得
由教材表17-2查得
，并将
、
、
、
代入上式
得
摩擦面数应为10。
主动摩擦片为6片，从动摩擦片为5片时，摩擦面数
即可实现。
（3）验算压强
查教材表17-2，取
合适。
17-5
答：
自行车从动链轮与内棘轮3相固联，棘爪4通过弹簧始终与棘齿啮合。
当脚蹬踏板顺时转动时，经
主动链轮1、链条2带动从动链轮3顺时针转动，再通过棘爪4使后轮轴5顺时转动，驱动自行车前行。
自
行车前进时，如果脚踏板不动，从动链轮（内棘轮）不转，后轮轴5便超越内棘轮3而转动，棘爪4在棘轮
齿背上滑过，从而实现图17.5题17-5解图不蹬脚踏板的自行滑行。
17-6
图17.6题17-6图
解自动离心离合器的工作原理是：
活动瓦块在离心惯性力的作用下克服弹簧拉力压紧鼓轮内壁，当输入
轴转速达到一定值时，压紧力所产生的摩擦力矩克服外力矩后，离合器处于接合状态。
故离合器所能传递
的转矩与轴的转速之间的关系是：
则：
当输入轴的角速度为
时，传递转矩
18-1解1）弹簧丝最大剪应力取
时对应着最大工作载荷
由弹簧的材料、载荷性质查教材
表18-1得
；由弹簧丝直径
查教材表18-2得
。
故
由式（18-2）可解得最大工作载荷
将
，及由教材图18-6查得
代入上式，得
在
作用下的变形量
即为最大变形量，由式（18-4）得
2）采用端部磨平结构时，设两端各有3/4圈并紧，其有效圈数为
圈
则其并紧高度
将
代入自由高度计算式，得其自由高度
3）验算稳定性
符合稳定性要求。
18-2解
（1）初选弹簧丝直径根据对结构尺寸的限制条件，此弹簧的内径应
，弹簧外径应
，故弹簧丝直径
，初选
（2）确定许用应力
弹簧用碳素钢丝
组制造，承受冲击载荷，由教材表18-1、表18-2查得
（3）确定弹簧丝直径
由式（18-2）可解得
因
，取
，则
，查教材图18-6得
，将各值
代入上式，得
说明取
的碳素钢丝满足强度要求。
（4）确定弹簧有效圈数
由式（18-5）得
将弹簧的刚度
代入上式，得
圈，取
圈
（5）计算弹簧的其他尺寸
弹簧内径：
弹簧外径：
弹簧间距：
，
弹簧节距：
螺旋升角：
弹簧总圈数：
两端各并紧3/4圈磨平，则
圈
弹簧丝的展开长度：
自由高度：
安装高度：
（6）验算弹簧的稳定性
符合稳定性要求。
18-3解1）弹簧储存的变形能为：
由题意可知
，
，
，代入上式可得
则弹簧刚度：
2）由
，查教材表18-1得
代入式（18-2）得
说明此弹簧的强度足够。
3）弹簧的有效圈数：
圈
18-4解1）由弹簧的材料、载荷性质查教材表18-1得
，且
弹簧中径
由旋绕比
，查教材表18-1得
则极限载荷
由于
，所以在最大工作载荷
作用时弹簧不会拉断。
2）由式（18-5）得弹簧刚度
则弹簧的工作行程
18-5解1）计算初拉力
由弹簧的刚度公式可得
将已知数据代入上式：
得：
2）因两根弹簧的尺寸完全相同，故其刚度也完全相同
没有初拉力的弹簧在
时的伸长量：
故此时弹簧高度
18-6解
（1）初选弹簧丝直径
。
（2）确定材料的许用应力
由题意知弹簧材料为碳素弹簧，载荷性质为静载，按Ⅲ类载荷计算，查教材表18-1及表18-2得
（3）初估弹簧中径
，由弹簧中径标准系列可取
。
（4）根据弹簧强度确定弹簧丝直径
由式（18-2）可解得
由
，查教材图18-6得
，将各值代入上式得
说明取
的碳素钢丝满足强度要求。
（5）确定弹簧有效圈数
由式（18-5）得
将弹簧的刚度
代入上式，得
圈
（5）计算弹簧的其他尺寸
弹簧内径：
弹簧外径：
弹簧间距：
，取
弹簧节距：
螺旋升角：
（在5°～9°之间）
弹簧总圈数：
两端各并紧3/4圈磨平,则
圈
弹簧丝的展开长度：
自由高度：
（6）验算弹簧的稳定性
在弹簧内部有导向杆的条件下,虽高径比略高出许用值,也可满足稳定性。
（7）讨论本解选用的材料是Ⅲ组碳素弹簧钢丝,其许用应力较小,在此条件下,设计出的弹簧体积可能不是最
优的。
若选用强度好的Ⅰ或Ⅱ组碳素弹簧钢丝，尺寸会更小，更符合本题意。
18-7解1）选取弹簧旋绕比
，则
当门转到180°时，弹簧承受最大转矩
，由式（18-8）得
将
及
代入上式，得
取弹簧丝直径
，则
弹簧中径
，符合弹簧中径标准系列。
2）计算弹簧的有效圈数
因初始转矩
，则
由式（18-9）可得
，取
圈
3）所需初始扭转角
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