机械基础作业.docx
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机械基础作业
郑州大学现代远程教育《机械设计基础》课程
考核要求
说明：
本课程考核形式为提交作业，完成后请保存为WORD2003版本格式的文档，登陆学习平台提交，并检查和确认提交成功（能够下载，并且内容无误即为提交成功）。
一．作业要求
1.作业题中涉及到的公式、符号以教材为主；
2.课程设计题按照课堂上讲的“课程设计任务与要求”完成。
设计计算说明书不少于20页。
二．作业内容
（一）.选择题（在每小题的四个备选答案中选出一个正确的答案，并将正确答案的号码填在题干的括号内，每小题1分，共20分）
1．当计算一机构的自由度为3时，该机构需要个主动件才能具有确定的运动。
（C）
A．0B．1
C．3D．5
2．在平面机构中，每增加一个高副将引入。
（C）
A．0个约束B．1个约束
C．2个约束D．3个约束
3．在曲柄摇杆机构中，压力角与传动角的关系为。
（C）
A．相等B．压力角大于传动角
C．互余D．压力角小于传动角
4.无急回特性的平面四杆机构，其极位夹角为。
（B）
A.
<
B.
=
C.
≥
D.
>
5．在凸轮机构设计中，其压力角越大，传动效率。
（A）
A．越低B．越高
C．不变D．不确定
6．一般常用螺栓上的螺纹属于。
（A）
A．普通螺纹B．管螺纹
C．英制螺纹D．矩形螺纹
7．齿轮齿廓渐开线的形状取决于其的直径。
（D）
A．齿顶圆B．齿根圆
C．基圆D．分度圆
8．闭式软齿面齿轮传动中，齿轮的主要失效形式为。
（D）
A．齿面胶合B．齿面磨损
C．齿根断裂D．齿面点蚀
9．普通圆柱蜗杆传动中，蜗杆的标准模数规定在。
（B）
A．法面B．端面
C．中间平面D．任意平面
10.常用来传递空间两交错轴运动的齿轮机构是。
（D）
A.直齿圆柱齿轮B.直齿圆锥齿轮
C.斜齿圆锥齿轮D.蜗轮蜗杆
11．下列8种机械零件：
涡轮的叶片，飞机的螺旋桨，往复式内燃机的曲轴，拖拉机发动机的气门弹簧，起重机的起重吊钩，火车车轮，自行车的链条，纺织机的纱锭。
其中有是专用零件。
（ D）
A．3种B．4种
C．5种D．6种
12、带传动采用张紧轮的目的是_______。
（D）
A.减轻带的弹性滑动B.提高带的寿命
C.改变带的运动方向D.调节带的拉力
13、在链传动中，链速的不均匀性主要取决于_______。
（C）
A．主动链轮齿数B．从动链轮齿数
C．链的节距D．链的长度
14、当被联接件中有一个厚度较大，而且两被联接件不需要经常拆装的场合，一般选用_______。
（B）
A．螺栓联接B．螺钉联接
C．双头螺柱联接D．紧定螺钉联接
15、计算表明某钢制调质处理的轴刚度不够，采用______措施可以提高轴的刚度。
（A）
A．增加轴的直径尺寸B．用合金钢代替碳素钢
C．采用淬火处理D．加大支撑间距
16、为了把润滑油导入整个摩擦表面之间，应在轴瓦的开设油沟。
（A）
A.非承载区B.承载区
C.任意位置D.承载区与非承载区之间。
17、在良好的润滑和密封条件下，滚动轴承的主要失效形式是。
（D）
A.塑性变形 B.胶合
C.磨损 D.疲劳点蚀
18、零件表面在混合润滑状态时的摩擦系数比液体润滑状态时的摩擦系数。
（A）
A.大B.小
C.相等D.不确定
19、下列4种类型的联轴器中，能补偿两轴的相对位移以及缓和冲击、吸收振动的是。
（D）
A.凸缘联轴器B.齿式联轴器
C.万向联轴器D.弹性柱销联轴器
20、设计时，圆柱螺旋压缩弹簧的工作圈数（有效圈数）应按照计算确定。
（A）
A.变形条件（刚度条件）B.强度条件
C.应力条件D.稳定性条件
（二）.判断题（在正确的试题后面打√，错误的试题后面打×。
每题1分，共15分）
1．运动副是由回转副和高副两部分组成。
（×）
2．当曲柄为主动件时，曲柄摇杆机构存在死点。
（×）
3．等加速等减速运动规律运动时，凸轮机构有柔性冲击。
（√）
4．斜齿圆柱齿轮的标准参数是指其法面参数。
（√）
5．蜗杆传动的传动比为
。
（×）
6.汽车发动机的连杆部件是属于构件，而其中的联接螺栓、螺母则是属于零件。
（√）
7、V带和平带均利用带的底面与带轮之间的摩擦力来传递运动和动力。
（×）
8、布置链传动时，应使链条的紧边在上，松边在下以保证链条工作平稳，噪音小。
（√）
9、平键的工作面是两侧面。
（√）
10、为了防止轴上零件与轴产生相对转动，轴上的各传动件应进行轴向固定。
（×）
11、滚动轴承内圈与轴颈的配合，通常采用基孔制。
（√）
12、边界摩擦是指接触表面吸附着一层很薄的边界膜的摩擦现象，接触情况介于干摩擦与流体摩擦两种状态之间。
（√）
13、联轴器和离合器的主要区别是：
联轴器靠啮合传动，离合器靠摩擦传动。
（×）
14、弹簧刚度与旋绕比C值有关，C值越大，则弹簧的刚度越大。
（×）
15、静平衡的回转件一定也是动平衡。
（×）
（三）.计算分析题（共35分）
1．（7分）计算图示机构的自由度，若有复合铰链、局部自由度、虚约束必须指出。
解：
局部自由度：
D
虚约束：
F、G中有一个为虚约束
活动构件数：
3个
低副：
A、C、F
高副：
B、E
自由度：
F=3n－2PL－PH
=3×3－2×3－2=1
2．（10分）一对渐开线标准圆柱直齿轮外啮合传动，已知齿轮的齿数Z1=30，Z2=40，分度圆压力角
，齿顶高系数
，径向间隙系数C*=0.25，标准中心距a=140mm。
试求出：
（1）齿轮的模数m；
（2）两个齿轮的分度圆半径r1、r2；
（3）基圆半径rb1、rb2；（4）齿顶圆半径ra1、ra2。
解：
3．（8分）已知在某二级直齿圆锥齿轮——斜齿圆柱齿轮传动中，1轮为驱动轮，3轮的螺旋线方向如图所示。
为了使II轴轴承上所受的轴向力抵消一部分，将各轮轴向力Fa1、Fa2、Fa3、Fa4的方向、4轮的螺旋线方向和1轮的转动方向标在图中。
4．（10分）如图所示一对角接触球轴承正安装（面对面）。
轴承1的径向载荷Fr1=2500N，轴承2的径向载荷Fr2=5000N，轴承的附加轴向力FS=0.68Fr。
试求：
（1）当轴上作用的轴向外载荷FA=2000N时，轴承1和轴承2的轴向载荷
和
；
（2）当轴上作用的轴向外载荷FA=1000N时，轴承1和轴承2的轴向载荷
和
；
解：
（1）如图所示两个附加轴向力的方向
（2）∵F′=0.7Fr∴
又∵
∴轴承1被放松，轴承2压紧。
∴轴承1的轴向力
轴承2的轴向力
又∵
∴X=0.41，Y=0.87
∴F1=XFr1+YFa1=0.41*2200+0.87*1540=2241.8N
又∵
∴X=0.41，Y=0.87
∴F2=XFr2+YFa2=0.41*2000+0.87*2540=3029.8
（四）课程设计题（30分）
1、绘制一级直齿圆柱齿轮减速器装配图、齿轮轴零件图；
2、书写设计计算说明书。
一级圆柱齿轮减速器设计说明书
目录
一、课程设计的目的··········································1
二、课程设计的内容和任务··································2
三、课程设计的步骤··········································2
四、电动机的选择·············································3
五、传动零件的设计计算····································5
（1）带传动的设计计算·····································5
（2）齿轮传动的设计计算···································7
六、轴的计算···················································9
七、轴承的校核················································13
八、联轴器的校核············································13
九、键联接的选择与计算·····································14
十、减速器箱体的主要结构尺寸·····························14
十一、润滑方式的选择········································14
十二、技术要求················································15
十三、参考资料···············································16
十四、致谢····················································17
一、课程设计的目的：
机械设计基础课程设计是机械设计基础课程的重要实践性环节，是学生在校期间第一次较全面的设计能力训练，在实践学生总体培养目标中占有重要地位。
本课程设计的教学目的是：
1、综合运用机械设计基础课程及有关先修课程的理论和生产实际知识进行机械设计训练，从而使这些知识得到进一步巩固和扩张。
2、学习和掌握设计机械传动和简单机械的基本方法与步骤，培养学生工程能力及分析问题、解决问题的能力。
3、提高学生在计算、制图、计算机绘图、运用设计资料、进行经验估算等机械设计方面的基本技能。
二、课程设计的内容和任务：
1、课程设计的内容应包括传动装置全部设计计算和结构设计，具体如下：
1）阅读设计任务书，分析传动装置的设计方案。
2）选择电动机，计算传动装置的运动参数和运动参数。
3）进行传动零件的设计计算。
4）减速器装配草图的设计。
5）计算机绘制减速器装配图及零件图。
2、课程设计的主要任务：
1）设计减速器装配草图1张。
2）计算机绘制减速器装配图1张、零件图2张（齿轮、轴等）
3）答辩。
三、课程设计的步骤：
1、设计准备
准备好设计资料、手册、图册、绘图用具、计算用具、坐标纸等。
阅读设计任务书，明确设计要求、工作条件、内容和步骤；通过对减速器的装拆了解设计对象；阅读有关资料，明确课程设计的方法和步骤，初步拟订计划。
2、传动装置的总体设计
根据任务书中所给的参数和工作要求，分析和选定传动装置的总体方案；计算功率并选择电动机；确定总传动比和各级传动比；计算各轴的转速、转矩和功率。
3、传动装置的总体方案分析
传动装置的设计方案直观地反应了工作机、传动装置和原动机三者间的
动和力的传递关系。
满足工作机性能要求的传动方案，可以由不同传动机构类型以不同的组合形式和布置顺序构成。
合理的方案首先应满足工作机的性能要求，保证工作可靠，并且结构简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、传动效率高和使用维护方便。
四、电动机的选择
电动机已经标准化、系列化。
应按照工作机的要求，根据选择的传动方案选择电动机的类型、容量和转速，并在产品目录总共查出其型号和尺寸。
选择电动机类型、型号、结构等，确定额定功率、满载转速、结构尺寸等。
1、选择电动机类型
电动机有交流和直流电动机之分，一般工厂都采用三相交流电，因而多采用交流电动机。
交流电动机有异步电动机和同步电动机两类，异步电动机又分为笼型和绕线型两种，其中以普通笼型电动机应用最多/目前应用最广的是Y系列自扇冷式笼型三相异步电动机，其结构简单、起动性能好、工作可靠、价格低廉，维护方便，适用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体、无特殊要求的场合，如运输机、机床、风机、农机、轻工机械等。
在经常需要起动、制动和正、反转的场合（如起重机），则要求电动机转动惯量小、过载能力大，应选用起重及冶金用三相异步电动机YZ型（笼型）或YZR型（绕线型）。
按已知的工作要求和条件，选用Y型全封闭笼型三相异步电动机。
2、电动机功率的选择
1）工作机所需的电动机输出功率为
Pd=Pw/η=Fv/1000ηwη
已知滚筒直径D=450mm，滚筒圆周力F=2.2KN，输送带速度V=1.6m/s，由表查联轴器，圆柱齿轮传动减速器：
传动带传动效率0.96，圆柱齿轮传动的轴承传动效率0.99，齿轮传动传动效率0.97，弹性联轴器传动效率0.99，卷筒轴的轴承传动效率0.98，卷筒传动效率0.96。
ηw·η=0.96·（0.99·0.99）·0.97·0.99·0.98·0.96=0.85
Pd=2200x1.6/1000x0.85=4.14kw
2）确定电动机转速
卷筒轴的工作转速为
nw=60x1000v/3.14D=60x1000x1.6/3.14x450=67.94r/min
取V带传动比i1'=2~4,单极齿轮传动比i'2=3~5，w则总传动比范围i'=6~20
故电动机转速范围为：
n'd=i'·nw=（60~20）x67.94=408~1359r/min
经查表得有两种适用的电动机型号
方案
电动机型号
额定功率Ped（kw）
满载转速（r/min）
1
Y160M2—8
5.5
720
2
Y132M2—6
5.5
960
综合考虑电动机和装动装置尺寸，重量以及减速器的传动比，其中1号电动机总传动比比较适用，传动装置结构较紧凑。
所选电动机额定功率Ped=5KW,满载转速nm=720r/min
3、计算总传动比和分配传动比
由选定电动机的满载转速nm和工作机主动轴的转速nw，可得传动装置的总传动比为
i=nm/nw=720/67.94=10.60
传动装置的实际传动比要由选定的齿轮齿数或带轮基准直径准确计算，因而很可能与设定的传动比之间有误差。
一般允许工作机实际转速，与设定转速之间的相对误差为±（3~5）%
对于多级传动i为
i=i1·i2·i3·```````````·in
计算出总传动比后，应合理地分配各级传动比，限制传动件的圆周速度以减小动载荷，降低精度.
分配各级传动装置传动比：
取带传动比i1=3。
齿轮传动比i2=3.5。
4、计算传动装置的运动和动力参数
为了进行传动件的设计计算，应首先推算各轴的转速。
功率和转矩。
则各轴的转速为
1）、各轴转速
nⅠ=nm/i1=720/3=240r/min
nⅡ=nⅠ/i2=240/3.5=68.6/min
n卷=nⅡ=68.6r/min
2）、各轴的输入功率
PⅠ=pd·η1=4.14x0.96=3.971kw
PⅡ=PⅠ·η12=3.97x0.99x0.97=3.80kw
P卷=PⅡ·η23=3.80x0.99x0.99=2.4kw
3）各轴的输入转矩
Td=9550·4.14/720=54.9N·m
TⅠ=Td·i1·η1=54.9x3x0.96=158N·m
TⅡ=TⅠ·i2·η23=158x4x0.99x0.97=531N·mT卷=TⅡ·i3·η4·η2=531x1x0.99x0.99=520N·m
参数轴名
电动机轴
一轴
二轴
卷筒轴
转速n（r/min）
720
240
68.6
68.6
输入功率P（kw）
4.14
3.97
3.80
3.74
输入转矩T（N.m）
54.9
158
531
520
传动比i
3
3.5
1
效率η
0.96
0.96
0.98
五、传动零件的设计计算
（1）带传动的设计计算
1、计算功率PcPc=KAP=1.2x5.5=6.6kw
2、选带型
据Pc=6.6kw，n=720r/min,由表10-12选取A型带
3、带轮基准直径带轮直径较小时结构紧凑，弯矩应力不大，且基准直径较小时，单根V带所能传递的基本额定功率也较小，从而造成带的根数增多，因此一般取dd1查表得10-9确定dd1，dd2。
dd1=140mmdd2=425mm
4、验算带速当传递功率一定时，带速过低，则需要很大的圆周力，带的数要增多，而带速过高则使离心力增大，减小了带与带轮间的压力，容易打滑。
所以带传动需要验算带速，将带速控制在5m/s5、验算带长
一般中心距a0取值范围：
0.7（dd1+dd2）<=a0<=2（dd1+dd2）
395.5<=a0<=1130
初定中心距a0=500mm
Ld0=2a0+3.14（dd1+dd2）/2+（dd2+dd1）2/4a0
=2x500+3.14x（140+425）/2+（425-140）2/4x500
=1927.66mm
由表10-2选取相近的Ld=2000mm
6.确定中心距
中心距取大些有利于增大包角，但中心距过大会造成结构不紧凑，在载荷变化或高速运转时，将会引起带的抖动，从而降低了带传动的工作能力，若中心距过小则带短，应力循环次数增多，使带易发生疲劳破坏，同时还使小带轮包角减小，也降低了带传动的工作能力，确定中心距
a=a0+（Ld1–Ld2）/2=536mm
amin=a-0.015Ld=506mm
amax=a+0.03Ld=596mm
7、验算小带轮包角要求a1>120。
若a1过小可以加大中心距，改变传动比或增设张紧轮，a1可由下式计算
a1=180。
-[57.3x（dd2-dd1）/a]=149。
a1>120。
故符合要求
8、单根V带传动的额定功率根据dd1和n查图10-11得：
P1=1.4kw
9、单根V带额定功率增量根据带型及i查表10-5得：
ΔP1=0.09kw
10、确定带的根数为了保证带传动不打滑，并具有一定的疲劳强度，必须保证每根V带所传递的功率不超过它所能传递的额定功率有
查表得10-6:
Ka=0.917查表得10-7:
Kl=1.03
Z=Pc/[（P1+ΔP）KaKl]=4.68
所以取Z=5
11、单根V带初拉力查表10-1得q=0.10kg/m
F0=500[（2.5/Ka）-1]（Pc/zv）+qv2=218N
12、作用在轴上的力为了进行轴和轴承的计算，必须求出V带对轴的压力FQ
FQ=2ZF0SIN（a1/2）=2100.7N
13、注意事项
※检查带轮尺寸与传动装置外廓尺寸的相互关系，带轮直径与电动机的中心高应相称，带轮轴孔的直径，长度应与电动机的轴直径长度对应，大带轮的外圆半径不能过大，否则回与机器底座相互干涉等。
※带轮的结构形式主要取决于带轮直径的大小，带轮直径确定后应验算实际传动比和带轮的转速。
（2）齿轮传动的设计计算
已知i=3.5n1=240r/min传动功率p=3.97
两班制，工作期限10年，单向传动载荷平稳
1、选材料与热处理。
所设计的齿轮属于闭式传动,通常才用软齿面的钢制齿轮,小齿轮为45号钢,调质处理，硬度为260HBW，大齿轮材料也为45钢，正火处理，硬度为215HBS，硬度差为45HBS较合适。
2、选择精度等级，输送机是一般机械，速度不高，故选择8级精度。
3、按齿面接触疲劳强度设计。
本传动为闭式传动，软齿面，因此主要失效形式为疲劳点蚀，应根据齿面接触疲劳强度设计，根据式（6-41）
d1>（671/［σH］）2kT1（i+1）/
1）载荷因数K.
圆周速度不大,精度不高,齿轮关于轴承对称布置,按表6-9取K=1.2.
2）转矩T
T=9.55X106XP/n1=9.55x106X3.97/240=160000N·mm
3）弯曲后减切应力［σH］
据式（6-42）
σH］=σHmin/SHmin·zN
由图6-36查得.σHlim1=610Mpa,Hlim2=500Mpa
接触疲劳寿命系数ZN按一年300工作日，两班制工作每天16小时，由公式N=60njth算得
N1=60X240X10X300X16=0.69X109
N2=N1/i=0.69X109/3.5=0.19X109
查图6-37中曲线：
ZN1=1.02
ZN2=1.12
按一般可靠性要求，取SHmin=1
［σH1］=σHlim1xZn1/SHmin=610x1.02/1Mpa=622.2Mpa
［σH2］=σHlim2xZn2/SHmin=500x1.12/1Mpa=560Mpa
4）计算小齿轮分度圆直径d1
查表取6-11齿宽系数1.1
d1>=（671/［σH］）2kT1（i+1）/i
=68.6mm
取d1=70mm
5）计算圆周速度V
V=3.14n1d1/60x1000=3.14x240x70/60x1000=0.879m/s
因V<6m/s，故去取8级精度合适。
4、确定主要参数，计算主要几何尺寸。
取小齿轮齿数为
Z1=20Z2=ixZ1=70
m=d1/Z1=3.5mm
取标准模数m=3.5mm
分度圆直径
d1=mz1=3.5x20=70mm
d2=mz2=3.5x70=245mm
1）中心距aa=（d1+d2）/2=157.5mm
2）齿宽bb=1.1x70=77mm
取b2=77mm则b1=5+b2=77+5=82mm
3）齿顶高haha=ha*m=3.5mm
齿根高hfhf=（ha*+c*）m=1.25x3.5=4.375
5、校核弯曲疲劳强根据式（6-44）
σbb=2kT1/bmd1·YFS
1）复合齿形因数YFS如图6-39得，YFS1=4.35，YFS2=3.98
2）弯曲疲劳许用应力
［σbb］=σbblim/SfminxYN
由图6-40的弯曲疲劳极限应力
σbblim1=σbblim1=490Mpa
σbblim2=410Mpa
由图6-41得弯曲疲劳寿命系数YN；YN1=1（N1＞N0，N0=3x106）
YN2=1（N2＞N0,N0=3x
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