机械设计习题.docx
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机械设计习题
机械设计习题
集
目录
第一章绪论
一、分析与思考题
第二章机械零件的工作能力和设计准则
一、分析与思考题二、选择与填空题 第三章机械零件的疲劳强度
一、分析与思考题二、设计计算题
第四章摩擦、磨损及润滑概述
一、分析与思考题
第五章螺纹联接和螺旋传动
一、分析与思考题二、选择与填空题三、设计计算题四、结构分析题
第六章键、花键、无键联接和销联接
一、分析与思考题二、选择与填空题三、设计计算题
四、结构设计与分析题第七章带传动
一、分析与思考题二、选择与填空题三、设计计算题第八章齿轮传动
一、分析与思考题二、选择与填空题三、计算题
（一）五、计算题
（二）第九章蜗杆传动
一、分析与思考题二、选择题与填空题三、设计计算题第十章链传动
一、分析与思考题二、选择题三、计算题第十一章轴
一、分析与思考题二、选择题与填空题三、设计计算题第十二章滑动轴承
一、分析与思考题二、选择与填空题三、设计计算题第十三章滚动轴承
一、分析与思考题
二、选择与填空题三、设计计算题
第十四章联轴器和离合器
一、分析与思考题二、选择与填空题三、设计计算题第十五章弹 簧
一、分析与思考题二、选择与填空题三、设计计算题自测题自测题
第一章绪 论
一、分析与思考题
1–1机械设计的内容和一般程序是什么？
其各阶段大致需要完成哪些任务？
1-2什么是零件什么是构件什么是部件
1-3为什么说机械零件是组成机器的基本要素？
根据什么原则把机械零件划分为通用零件和专用零件？
什么叫做一般尺寸和参数的通用零件？
1-4试述机械零件设计的一般步骤。
1–5机械零件的主要失效形式有哪些？
什么是机械零件的工作能力？
工作能力准则有哪些？
1-6何谓工作载荷、名义载荷和计算载荷？
名义载荷与计算载荷有何关系？
1-7降低机器成本主要有哪些措施？
1-8何谓机械零件的失效？
何谓机械零件的工作能力？
第二章机械零件的工作能力和设计准则
一、分析与思考题
2-1什么是机械零件的失效？
机械零件的主要失效形式有那些？
试结合日常接触的机械举出其中几种零件的失效形式并分析其原因。
2-2安全系数选择时应该考虑那些方面的因素？
2-3什么是静载荷、变载荷，静应力和变应力？
试举出两个机械零部件在工作时受静载荷作用而产生变应力的例子。
2-4稳定循环变应力的ζmin，ζmax，ζa，ζm，γ五个参数分别代表什么？
试列出根据已知零件的ζmin，ζmax计算ζa，ζm及γ的公式。
2-5怎样区分表面挤压应力和表面接触应力？
试说明两圆柱体接触应力计算公式ζHmin=FnL1/11/2（11）/E1（12）/E222中各符号的意义。
二、选择与填空题
2-6安全系数选择时，应考虑_______、_______、和_______三方面因素。
2-7材料的无限寿命是指_______下的寿命，其有限寿命是指在_______下的寿命。
2-8机械零件的应力集中系数仅对_______有影响，对_______没有影响。
2-9一般说，机械零件的表面精读越_______，应力集中越严重；表面硬度越_______，疲劳强度越低。
2-10图示某旋转轴直径d=80mm，受径向力F=2Kn,跨距L=2m。
试计算A点的最大、最
小弯曲正应力max、min，应力幅，平均应力m和循环特征系数r，并画出其变应力
图谱。
第三章机械零件的疲劳强度
一、分析与思考题
3-1试述金属材料的疲劳断裂过程。
3-2试根据材料的疲劳曲线，说明什么叫循环基数N0，条件疲劳极限ζrN和疲劳极限ζr，并根据疲劳曲线方程导出ζrN的计算式。
3-3影响机械零件疲劳强度的主要因素有哪些？
原因是什么？
为什么影响因素中的Kζ、εζ、β只对变应力的应力幅部分有影响？
3-4如何绘制考虑Kζ、εζ和β影响的极限应力图？
它有何用途？
二、设计计算题
3-5某合金钢材制成的零件，其材料性能为：
800MPa1450MPa$s,,。
已知工作应力为min80MPa，max280MPaK，应力变化规律为r=常数，弯曲疲劳极限的综合影响系数。
若设计安全系数是S=，并按无限寿命考虑，试用解析法校核该零件是否安全。
3-8某试件材料的应力循环基数N0＝5106次，ζ-1＝170Mpa，m＝9。
试问：
当工作应力ζN＝300Mpa时，试件寿命为多少？
绘制试件的lgζ—lgN图。
3-9某零件材料在N0＝510次时，ζ-1＝300Mpa，m＝9。
若零件在ζ1＝500Mpa下工作n1＝10次，在ζ2＝400Mpa下工作n2＝410次。
试问：
若又在ζ3＝350Mpa下工作，允许工作多少次？
$
第四章摩擦、磨损及润滑概述
一、分析与思考题
4-1试述摩擦，磨损，润滑对现代机器设计有何意义？
4-2各种磨擦状态与摩擦系数及摩擦特性曲线有何关系？
4-3在工程中，常用金属材料副的摩擦系数是如何得来的4-4零件的正常磨损分为几个阶段？
每阶段各有何特点？
4-5润滑油，润滑脂各有何主要性能指标？
如何理解粘度的概念？
4-6润滑油常用的粘度单位有几种？
彼此之间如何换算？
压力，温度对粘度有何影响？
第五章螺纹联接和螺旋传动
一、分析思考题
5-1螺母材料选择与螺栓有何不同？
为什么？
5-2为什么螺纹联接常需要防松？
防松的实质是什么？
有哪几类防松措施？
5-3在螺栓联接中，螺纹牙间载荷分布为什么会出现不均匀现象？
常用哪些结构形式可使
螺纹牙间载荷分布趋于均匀？
5-4常用螺纹有哪几种类型各用于什么场合对联接螺纹和传动螺纹的要求有何不同
4465-5简述提高螺纹联接强度的四种措施：
5-6试述螺纹升角ψ和牙型角α与联接的自锁性和传动的效率之间的关系。
5-7螺纹联接中摩擦防松、机械防松装置各有哪几种？
。
5-8计算普通螺栓联接时，为什么只考虑螺栓危险截面的拉伸强度，而不考虑螺栓头、螺母和螺纹牙的强度
5-9滚动螺旋传动与滑动螺旋传动相比较，有何优缺点
二、选择与填空题
5-10普通螺纹的公称直径指的是螺纹的__________，计算螺纹的摩擦力矩时使用的是螺纹的_______，计算螺纹危险截面时使用的是螺纹的_______。
5-11若螺纹的直径和螺纹副的摩擦系数一定，则拧紧螺母时的效率取决于螺纹的__________和__________。
5-12紧螺栓联接受轴向外载荷。
假定螺栓的刚度Cb与被联接件的刚度Cm相等，联接的预紧力为F0，要求受载后接合面不分离，当外载荷F等于预紧力F0时，则_______________。
（1）被联接件分离，联接失效
（2）被联接件即将分离，联接不可靠 （3）联接可靠，但不能继续再加载 （4）联接可靠，只要螺栓强度足够，还可以继续加大外载荷F5-13螺栓的材料性能等级标成级，其数字代表_______。
（1）对螺栓材料的强度要求；
（2）对螺栓的制造精度要求； （3）对螺栓材料的刚度要求； （4）对螺栓材料的耐蚀性要求。
三、设计计算题
5-14图示螺栓连接中采用2个M20的螺栓，其许用拉应力为=160Mpa，被连接件结合面的摩擦系数=，若考虑摩擦传力的可靠系数kf=，试计算该连接允许传递的静载荷FQ。
图5—3—1
5-15如图所示支承杆用三个M12铰制孔螺栓联接在机架上，若螺杆与孔壁的挤压强度足够，试求作用于该悬壁梁的最大作用力F。
图5—3—2
5-16图示一圆盘锯片用一个M20的螺纹联接夹紧，锯片和锯盘的摩擦系数us，螺纹轴的许用拉应力144MPa，若切削力F1280N，螺栓强度是否足够？
图5—3—3
5-17如图凸缘联轴器，用六个普通螺栓联接，螺栓分布在D=100mm的圆周上，接合面摩擦系数f=，防滑系数KS=，若联轴器传递扭矩为150N2m，试求螺栓螺纹小径。
图5—3—4
5-18如图所示的气缸盖连接中，已知：
气缸中的压力在0到间变化，气缸内径D=250mm，螺栓分布圆直径D0=346mm，凸缘与垫片厚度之和为50mm。
为保证气密性要求，螺栓间距不得大于120mm。
试选择螺栓材料，并确定螺栓数目和尺寸。
图5—3—5四结构分析题
5-19请指出图5—4—1所示结构错误或设计不合理的地方，并改正。
8-2-8有两个标准直齿圆柱齿轮，齿轮1的模数m1=5mm，齿数zl=30；齿轮2的模数m2=3mm，齿数z2=50，则齿形系数和应力校正系数的乘积YFa1YSa1_________YFa2YSa2。
（1）大于
（2）等于（3）小于（4）不一定大于、等于或小于
8-2-9齿轮的弯曲疲劳强度极限σFlim和接触疲劳强度极限σHlim是经持久疲劳试验并按失效概率为_________来确定的，试验齿轮的弯曲应力循环特性为__________________循环。
8-2-10在齿轮传动中，为减少动载，可采取的措施是 。
①改用好材料；②提高齿轮制造精度；③降低润滑油粘度；④加大模数
8-2-11.在齿轮传动中，为改善齿端偏载现象，可采取的措施之一是 。
①增加齿宽；②将齿轮轮齿作成鼓形齿；③把齿轮悬臂布置；④加大齿面硬度
8-2-12.直齿和斜齿圆柱齿轮组成的减速器，为使传动平稳，应将直齿圆柱齿轮布置在 。
①高速级；②低速级；③高速级或低速级；④哪一级，无法判断。
8-2-13.一对齿轮传动,已知z1z2,HB1>HB2,则轮齿的许用接触应力[H1] [H2.]
①大于 ②等于 ③小于
8-2-14.图示圆锥齿轮传动中z1主动,转向如图,单向转动,则在传力过程中,齿轮2工作齿面上的接触应力
为 变应力，齿根的弯曲应力为 变应力。
①对称循环 ②脉动循环 ③不对称循环 Z1Z3 Z2
8-2-15为提高齿轮接触疲劳强度应______________。
1）分度圆直径不变条件下增大模数2）增大分度圆直径
3）分度圆直径不变条件下增加齿数 4）减小齿宽
8-2-16为了提高齿根弯曲强度应_________。
1）增大模数2）增大分度圆直径3）增加齿数4）减小齿宽
8-2-17一减速齿轮传动，主动轮1和从动轮2的材料和热处理要求均相同，工作时，两轮齿根危险剖面上的弯曲应力____________。
1）σFl>σF2 2）σFlYFa2 3）YFa1=YFa2
8-2-20在圆柱齿轮传动中，常使小轮齿宽b1略大于大轮齿宽b2，其目的是________。
1）提高小轮齿面接触强度 2）提高小轮齿根弯曲强度3）补偿安装误差，以保证全齿宽接触4）减少小齿轮载荷分布不均
8-2-21齿轮传动中，小轮齿面硬度与大轮齿面硬度差，应取____________较合理。
1）30~50HBS2）03）小于30HBS4）大于30HBS
8-2-22选择齿轮毛坯的形式时，主要考虑________。
1）齿宽2）齿轮直径3）齿轮在轴上的布置位置4）齿轮精度
8-2-23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
8-2-24一闭式软齿面齿轮传动中最可能出现的失效形式是_______________，开式齿轮传动中最可能出现的失效形式是______。
1）轮齿折断2）齿面疲劳点蚀3）齿面磨损4）齿面胶合
8-2-25对高速齿轮或齿面经硬化处理的齿轮的齿顶进行适量修缘，可以_______。
1）减小载荷分布不均2）减少动载荷3）提高轮齿的弯曲强度4）使齿轮易于跑合
8-2-26正交直齿锥齿轮传动的齿数z1、z2，节圆锥角δ1、δ2，其传动比I=z1/z2=_____。
1）ctgδ12）tgδ13）cosδ24）sinδ2
8-2-27图示从动直齿锥齿轮的受力简图，其中_____________是正确的。
三、计算题
8-3-1图示为蜗杆、齿轮传动装置。
右旋蜗杆I为主动件，为使轴Ⅱ、Ⅲ上传动件的轴向力能相抵消，试确定：
蜗杆的转向1；
一对斜齿轮3、4轮齿的旋向；
用图表示轴Ⅱ上传动件的受力情况。
8-3-2在上题的齿轮传动中，小齿轮调质处理，齿面硬度为220～240HBS，大齿轮常化处理，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250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。
8-3-3如图9-3-3所示为二级圆柱齿轮减速器，高速级和低速级均为标准斜齿轮传动。
已知：
电机功率P3kW；转速n970r/min高速级：
n，1。
'''z2531125019m3mmz22z50110mm，。
低速级：
n，3，4，，计
算时不考虑摩擦损失，求：
为使Ⅱ轴所承受的轴向力较小，确定齿轮3、4的螺旋线方向； 求齿轮3的分度圆螺旋角的大小；
m2mmz25 画出齿轮3、4在啮合点处所受各分力的方向，计算齿轮3所受各分力的大小。
图8-3-3
8-3-4一直齿圆柱齿轮传动，已知zl=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，弯曲载荷系数K=，接触载荷系数K=，求大齿轮所允许的输出转矩T2（不计功率损失）。
8-3-5现有一对啮合的大、小齿轮，试求：
①哪个齿轮的弯曲应力大；②大、小齿轮齿根弯曲疲劳强度相等的条件的表达式；③大、小齿轮齿根弯曲应力之间的关系式；④若两轮的材料、热处理及齿面硬度均相同，且寿命系数KFN1=KFN2=1，那么，哪一个齿轮齿根弯曲疲劳强度高？
附齿根弯曲应力校核式如下：
2KT1bd1mFYFaYSaF（MPa）
8-3-6单级闭式直齿圆柱齿轮传动中，小齿轮的材料为45钢调质处理，大齿轮的材料为ZG270-500正火，P=，n1=960r/min，m=4mm，z1=25，z2=73，b1=84mm，b2=78mm，单向转动，载荷有中等冲击，用电动机驱动，试验算此单级传动的强度。
8-3-7如图9-3-7所示为直齿圆锥齿轮和斜齿圆柱齿轮组成的两极传动装置，动力轴Ⅰ输入，轴Ⅲ输出，Ⅲ周的转向如图箭头所示，试分析：
在图中画出各轮的转向；为使中间轴Ⅱ所受的轴向力可以抵消一部分，确定斜齿轮3和4的螺旋方向；画出圆锥齿轮2和谐齿轮3所受各分力的方向。
图8-3-7
8-3-8已知闭式直齿圆柱齿轮传动的传动比i=，n1=1440r/min，P=25kW，长期双向转动，载荷有中等冲击，要求结构紧凑，采用硬齿面材料。
试设计此齿轮传动，校核齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。
题图8-3-10
8-3-9设有一对标准直齿圆柱齿轮，已知齿轮的模数m5，小、大齿轮的齿数分别为
z121z273YFa1，，小、大齿轮的齿形系数分别为FP1314N/mm22、
YFa2，小、大齿轮
的许用应力分别为。
FP2286N/mm，并算得小齿轮的齿根弯曲
应力为。
试问：
哪一个齿轮的弯曲疲劳强度较大？
这对齿轮的弯曲疲劳强度是否均满足要求？
8-3-10设两级斜齿圆柱齿轮减速器的已知条件如题图9-3-10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β应取多大数值才能使中间轴上两个轴向力互相抵消。
8-3-11图示两级斜齿轮传动，已知第一对齿轮：
z1=20，z2=40，mn1=5mm，°；第二对齿轮；z3=17，z4=52，mn2=7mm。
今使轴Ⅱ上传动件的轴向力相互抵消，试确定：
斜齿轮3、4的螺旋角β2的大小及轮齿的旋向；
用图表示轴Ⅱ上传动件的受力情况。
F1306N/mm
8-3-12在图示的展开式二级斜齿圆柱齿轮传动中，已知：
高速级齿轮齿数z1=44，z2=94，模数mnⅠ=。
低速级齿轮齿数z3=43，z4=95，模数mnⅡ=，分度圆螺旋角βⅡ=9°42′。
输出功率PⅢ=,输出轴转速nⅢ=309r/min。
齿轮啮合效率η1=，η2=。
试求：
1）高速级大齿轮的齿向，以使中间轴上的轴承所受的轴向力较小；
2）高速级斜齿轮螺旋角β1为多少时，中间轴上的轴承所受的轴向力完全抵消？
3）各轴转向及所受扭矩；
4）齿轮各啮合点作用力的方向和大小。
8-3-13有一直齿圆锥-斜齿圆柱齿轮减速器如图所示。
已知：
P1=17kW。
n1=720r/min。
圆锥齿轮几何尺寸与参数为m=5mm，z1=25，z2=60，b=50mm。
斜齿圆柱齿轮几何尺寸与参数为mn=6mm，z3=21，z4=84。
锥齿轮啮合效率η1=，斜齿圆柱齿轮啮合效率η2=，滚动轴承效率η3=。
Ⅰ轴转向如图所示，单向转动。
1）绘图标出各齿轮的转向；2）计算各轴的扭矩；
3）当斜齿圆柱齿轮分度圆螺旋角β为何旋向及多少度时，方能使大锥齿轮和小斜齿圆柱齿轮的轴向力完全抵消？
4）绘图标出齿轮各啮合点作用力的方向，并计算其大小。
斜齿圆柱齿轮的螺旋角按β=10°8′30″计算。
四、计算题
（二）
n820r/min8-4-1设计直齿锥齿轮传动，传递功率P，主动轮转速1。
传动比i，有轻微冲击，寿命10年
8-4-2设计一斜齿圆柱齿轮传动，已知功率Pl=40kW，转速n1=2800r/min，传动比i=，工作寿命Lh=1000h，小齿轮作悬臂布置，工作情况系数KA=。
8-4-3设计电动机驱动的闭式圆锥齿轮传动。
已知功率P1=，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250个工作日）。
T1=9550P1/n1
T2=9550P2/n2
4．V带传动的设计计算
V带传动的设计计算、带轮结构尺寸的确定可参考教材和机械设计手册。
小带轮的孔径和轮毂部分尺寸应根据电动机的轴伸直径和长度确定，小带轮的半径应小于电动机的机座中心高。
图3是供参考的V带轮零件图。
图3V带轮零件图
5．齿轮传动的设计计算
齿轮传动的设计计算、齿轮结构尺寸的确定可参考主教材和机械设计手册。
大齿轮的孔径是根据与其相配合的轴径来确定的，本作业将大齿轮的孔径定为d=60mm：
图4是供参考的齿轮零件图。
图4齿轮零件图
6．对零件图的要求
零件图是零件制造和检验的依据，工艺人员根据零件图制定工艺规程，检验人员按照零件图进行成品的检验和验收。
因此，一张完整的零件图应满足以下要求：
（1）清楚而正确地表达出零件各部分的结构形状；
（2）标出零件各部位的尺寸及其精度；
（3）标出零件各部位必要的形状位置公差；
（4）标出零件各表面的粗糙度；
（5）注明对零件的其它技术要求，例如圆角半径、倒角尺寸及传动件的主要参数等，对于齿轮还应列出其主要几何参数、精度等级及检验项目等；
（6）填写清楚零件图标题栏。
三、设计计算步骤
1．选择电动机，分配传动比，计算传动参数。
2．V带传动设计计算或（和）齿轮传动设计计算。
3．画小带轮零件图或（和）大齿轮零件图。
作业三轴系组件设计
一、任务书
题目1斜齿圆柱齿轮传动输出轴的轴系组件设计（图5）
1．原始数据
题号
参数1234
输出轴转速n2/（r/min）137145153165
输出轴功率P/kW
齿轮齿数z101107113120
齿轮模数mn/mm3333
齿轮齿宽b/mm 808080
80
齿轮螺旋角β（右旋）/（°）
a/mm（见图5）80808080
c/mm（见图5） 100100100100
注：
滚动轴承寿命为10000h，工作温度小于120℃，有轻微冲击。
图5斜齿圆柱齿轮轴系结构
2．工作量
（1）输出轴的轴系组件装配图一张。
（2）设计计算说明书一份，主要内容包括：
输出轴的设计计算，轴承类型选择和寿命计算，以及其它必要的计算。
题目2圆锥齿轮传动输入轴的轴系组件设计（图6）
1．原始数据
题号
参数1234
输入轴转速n1/（r/min）960960960960
输入轴功率P/kW
小圆锥齿轮齿数z123252728
齿轮模数m/mm3333
小圆锥齿轮分度圆锥角δl/（°）
a/mm（见图6）100100100100
b/mm（见图6）50505050
c/mm（见图6）80808080
注：
滚动轴承寿命为10000h，工作温度小于120℃，有轻微冲击。
图6圆锥齿轮轴系结构
2．工作量
（1）输入轴的轴系组件装配图一张。
（2）设计计算说明书一份，主要内容包括：
输入轴的设计计算，轴承类型选择和寿命计算，以及其它必要的计算。
二、设计指导
1．轴和齿轮的结构
轴和齿轮的结构设计参考主教材中的有关章节。
对于小圆锥齿轮，当齿根圆与轴径接近时，可将齿轮与轴制成一体，但要注意齿轮轴的装拆问题。
轴承正装的小圆锥齿轮轴系结构如图7所示。
图a是齿轮轴结构。
这种结构当齿轮外径比套杯孔大时，轴承和套筒是在套杯内进行安装，很不方便。
因此，如果用正装结构，只有当小圆锥齿轮外径比套杯孔小时，才能采用齿轮轴结构，这时可在套杯外先将轴承和套筒装在齿轮轴上后，一起装入套杯。
图b是齿轮与轴分开的结构。
这种结构轴承安装方便。
轴承反装的小圆锥齿轮轴系结构于装配和调整都比较麻烦，因此本作业要求采用正装结构。
图7小圆锥齿轮轴系结构
2．滚动轴承的组合、固定和调整
对于斜齿圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动，轴上受到径向力和轴向力，因此，需采用向心推力轴承，支承方式通常为两支承各单向固定结构。
滚动轴承支承的结构形式参考主教材。
滚动轴承的外圈以及轴系的轴向固定采用轴承端盖。
轴承端盖有凸缘式和嵌入式两种，本作业要求采用凸缘式端盖，其结构尺寸参考机械设计手册。
向心推力轴承是可调间隙轴承，在安装时，其间隙可通过在轴承端盖与箱体间加装调整垫片组进行调整（参看
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