机械设计习题等.docx
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机械设计习题等
一、课程的性质、目的和任务
1.本课程是高等工业学校本科机械类专业教学计划中的主干课程之一，也是最后的一门技术基础课。
本课程的目的和任务不仅要求学生预先学完机械制图、理论力学、材料力学、工程材料及机械制造基础、机械原理、公差与技术测量等先修课程，而且要求学生结合本课程的学习，能够综合运用所学的基础理论和技术知识，联系生产实际和机器的具体工作条件去设计合用的零（部）件及简单的装置机械，以便为顺利的过度到专业课程的学习及进行专业产品与设备的设计打下基础。
因此本课程具有从理论性课程过度到结合工程实际的设计性课程，从基础课程过度到专业课程的承先启后的桥梁作用。
2.本课程所涉及的内容，主要是通用机械零（部）件设计和选用方面的基本知识、基本理论和基本方法，所以也都是一般机械工程技术人员必备的基础。
学生通过各个教学环节和实践，应达到下列要求：
（1）掌握通用机械零（部）件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有设计通用机械零件和简单的机械装置的能力；
（2）树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政策；
（3）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力；
（4）掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；
（5）对机械设计的新发展有所了解。
二、课程的主要内容
第一章绪论
1．机器的作用，组成机器的基本要素（零件）
2．零件的概括分类
3．零件（局部）与机器（总体）的关系
4．机械设计的主要内容及处理有关矛盾的原则
5．本课程的内容、性质与任务
第二章机械及机械零件设计概要
1．机器总体设计概述
2．机械零件设计概述
3．机械零件的设计方法（含现代设计方法简介）
4．机械零件设计的一般步骤
5．机械零件材料的选用原则
6．机械零件设计的标准化
第三章机械零件的强度
1．疲劳极限线图
2．单向变应力时的强度计算方法
3．疲劳损伤累积概说（Miner法则）
4．双向变应力时强度校核方法
5．机械零件接触强度
第四章摩擦、磨损及润滑概述
1．摩擦、磨损的分类与机理
2．润滑剂和润滑方法
3．流体动压油膜和静压油膜的形成原理
4．弹性流体动压润滑
第五章螺纹联接和螺旋传动
1．螺纹联接的类型及应用
2．螺纹联接件的类型及标准
3．螺纹联接设计及强度计算的理论与方法
4．螺栓组联接的受力分析
5．螺旋传动性能（效率、自锁等）
6．螺纹类型选择及主要零件（螺杆、螺母）的设计计算方法
7．螺旋起重器的设计
第六章键、花键、无键联接和销联接
1．键联接的主要类型及应用特点
2．键的类型及尺寸的选择方法
3．平键联接强度校核计算
4．花键联接的类型、特点和应用
5．花键联接强度校核计算
6．无键联接的类型、特点和应用
7．销联接的类型、特点和应用
第七章铆接、焊接、胶接和过盈联接
1．铆缝的类型、结构及应用场合
2．铆缝的受力状况，破坏形式及设计计算
3．电弧焊缝的基本类型、结构及应用场合
4．电弧焊缝的类型、结构及应用场合
5．胶接接头的类型、结构、应用场合及设计要点
6．过盈联接的类型及应用
7．过盈联接的工作原理、装配方法、应力状态及设计方法
第八章带传动
1．带传动的类型、特点及应用场合
2．普通V带的结构及其标准
3．窄V带的结构及其标准
4．带传动的工作原理、受力情况
5．带传动的弹性滑动及打滑
6．V带传动的失效形式及设计准则
7．柔韧体摩擦的欧拉公式、带的应力及其变化规律
8．V带传动的设计方法和步骤
9．传动的张紧方法和装置
10．V带带轮的结构形式及设计
第九章链传动
1．链传动的工作原理、特点及应用
2．滚子链的标准、规格及链轮的结构特点
3．滚子链传动的受力分析和运动分析
4．滚子链传动的设计计算方法和步骤
5．链传动的布置、张紧和润滑
6．齿形链的结构和特点
第十章齿轮传动
1．齿轮传动的失效形式及设计准则
2．齿轮的常用材料及选择
3．轮齿受力分析及选择
4．标准有齿圆柱齿轮传动的和设计方法
5．标准斜齿圆柱齿轮体传动的强度计算和设计方法
6．标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算和设计方法
7．变位齿轮传动的强度计算
8．提高齿轮传动疲劳强度的措施
9．齿轮结构形式及其设计
10．齿轮传动的润滑
第十一章蜗杆传动
1．蜗杆传动的类型及应用
2．普通圆柱蜗杆传动及圆弧圆柱蜗杆传动的几何参数的计算及选择方法
3．蜗杆传动的失效形式、受力分析及强度计算
4．蜗杆传动的热平衡原理和计算方法
5．变位蜗杆传动
6．蜗杆、蜗轮的结构形式、材料及设计
7．蜗杆的刚度计算
第十二章滑动轴承
1．滑动轴承的特点、典型结构及应用场合
2．轴承材料及其选用
3．不完全液体润滑滑动轴承的设计及设计方法
4．流体动力润滑径向滑动轴承的设计原理及设计方法
第十三章滚动轴承
1．滚动轴承的类型及代号
2．滚动轴承的类型选择
3．滚动轴承的尺寸选择与寿命验算
4．滚动轴承的工作情况分析
5．轴承的装置设计
6．轴承的润滑及密封
第十四章联轴器和离合器
1．联轴器的类型、结构、特点及应用场合
2．联轴器的类型及型号选择与计算方法
3．离合器的类型、结构、特点及应用场合
4．离合器的类型及型号选择与计算方法
第十五章轴
1．轴的类型及常用材料
2．转轴、心轴和传动轴的载荷和应力特点
3．轴上零件的轴向和周向定位方法及其特点
4．轴的结构设计方法及提高轴的承载能力的措施
5．心轴的强度计算方法
6．传动轴的强度计算方法
7．转轴最小直径的估算方法
8．转轴的弯扭合成强度校核计算方法
9．转轴的疲劳强度精确校核计算方法
10．轴的刚度校核计算方法
11．轴的振动稳定性
第十六章弹簧
1．弹簧的功用、类型、结构形式、制造方法
2．弹簧的材料及许用应力
3．圆柱螺旋弹簧的设计计算方法
第十七章机座及箱体
1．机座及箱体的一般类型、材料及制造方法
2．常用的截面形状和肋板的布置原则
3．设计机座及箱体零件时应该考虑的问题
第十八章减速器为变速器
1．减速变速器的变速原理、特点和应用场合
2．机械变速器的变速原理、特点和应用场合
3．常用机械变速器的变速范围
4．摩擦轮传动的基本知识和圆柱摩擦轮传动的强度计算方法
三、课程的教学要求及辅助教学环节的说明
1．本大纲的教学要求中对具体内容所规定的深浅程度同意采用以下各个层次：
（1）对于基本理论和基本知识的内容用"理解"和"了解"两个层次。
（2）对于基本技能和设计计算的内容用"掌握"和"了解"两个层次。
2．本课程内容的基本要求
（1）理解机器的作用和组成机器的基本要素。
了解零件（局部）与机器（总体）的关系，理解机械设计的主要内容及处理有关矛盾的原则。
（2）理解机器总体设计和机械零件设计的过程，掌握对机器和机械零件的基本要求。
掌握机械零件的设计方法和了解现代设计方法。
（3）了解疲劳极限应力图的意义及用途，掌握绘制零件的疲劳极限应力简化线图的方法。
（4）掌握机械零件受单向变应力时的强度计算方法和双向应力时的强度校核方法，了解应力等效率转化的概念。
（5）了解疲劳损伤累积假说（Miner法则）的意义及其应用，理解以应力和以载荷计算的情况系数之间的联系及差别。
（6）了解摩擦学所包含的主要内容，研究对象及发展摩擦学的重要经济价值。
了解磨损的一般规律及各种磨损的机理和物理特征，了解润滑的作用及润滑剂的主要质量指标。
理解滚体动润滑的基本概念及楔效应承载原理。
（7）了解螺纹联接的基本知识，掌握螺栓联接结构设计原理及强度计算的理论和方法。
掌握螺旋传动性能对螺纹选型的要求及主要零件的设计计算方法。
（8）了解键联接的原理、特点和应用，掌握普通平键联接的设计和强度校核方法。
了解花键、无键及销联接的原理、特点和应用。
（9）掌握铆接、焊接、胶接和过盈联接的特点及应用，了解他们的设计方法。
（10）了解各类机械传动性能特点及常用参数范围，掌握根据使用要求选择机械传动类型的原则。
（11）掌握带传动、链传动、齿轮传动的设计准则、设计方法和步骤；掌握带传动和链传动的受力分析和运动分析方法；掌握齿轮轮齿受力分析方法；掌握带轮、链轮和齿轮结构设计原则和方法。
了解变位齿轮传动的设计方法。
（12）掌握蜗杆传动的特点和几何参数的计算及选择方法；掌握蜗杆传动的受力分析及强度计算。
了解蜗杆传动的热平衡原理和计算方法；了解蜗杆传动的类型、变形及蜗杆的刚度计算。
掌握蜗杆、蜗轮的材料选择为结构设计原则。
（13）了解滑动轴承的特点和应用。
理解滑动轴承的类型结构，轴承材料及其选用原则。
掌握不完全液体润滑的滚动轴承和流体动力润滑径向滑动轴承的设计原理及设计方法。
（14）掌握滚动轴承的类型选择和尺寸选择原则与寿命校核方法。
掌握滚动轴承装置设计原则和方法。
了解常用密封方式和适用范围。
（15）了解常用联轴器和离合器的类型、结构、特点及应用，掌握类型选择原则和计算方法。
（16）了解轴的设计特点，掌握轴上零件的轴向和周向定位方法、特点与轴的结构设计方法。
掌握轴的强度计算方法和刚度计算方法。
了解轴的振动起因和振动稳定性的粗略校核方法。
（17）掌握各种圆柱螺旋弹簧的设计计算方法，了解其他类型弹簧的特点和应用。
（18）了解各类机座和箱体的材料及制法，常用截面形状和肋板的布置原则。
（19）了解减速器和变速器的主要类型，特点和应用，掌握机械变速器的变速原理。
了解摩擦轮传动的基本知识和圆柱摩擦轮传动的强度计算方法。
3．实验内容及要求
实验教学是本课程的重要教学环节之一。
实验小组人数不能多于5人。
要求学生作好预习，实验课内进行提问和检查。
学生在实验课后一周内完成实验报告，实验一般不得少于三个实验，作为平时学习成绩。
实验课一般安排在课外学时内。
（1）螺栓组受力实验分析
观察螺栓组受力分析实验装置的工作原理和加载方式。
了解应力分析实验方法，学会仪器调零和读数。
绘制螺栓组受力分布图。
（2）带传动实验
了解实验台组成和工作原理，学会带传动测试方法，掌握加载和读取数据，观察带传动的弹性滑动打滑现象。
绘制带传动滑差率曲线和效率曲线。
（3）滑动轴承实验
了解滑动轴承实验台组成和工作原理，观察轴承转动对流体动压润滑承载能力的影响，学会实验台操作方法和读取油膜压力数值，绘制油膜压力分布图形。
（4）齿轮传动实验
了解机械密封功率齿轮传动实验台的构造和加载方式。
理解封闭功率流的流向，学会加载方法和读取加载扭矩。
（5）减速器装拆
了解减速器的结构和附件的功用，学会减速器的装拆工艺方法，绘制一根轴的轴学结构装配图。
4．关于习题课
本课程不单独设立习题课，教师根据学生课外作业中共性问题，可在课内或课外集中解答。
每个学生在课外完成1~2个设计大作业（包括设计计算书和结构装配图）。
5．课程设计内容及要求
本课程学习考试结束后进行课程设计，课程设计时间为三周。
进行方式为集中三周进行或每周一天分散在一学期内进行，每位指导教师指导15名学生。
在课程设计期间内教师组织学生参观课程设计陈列室进行减速器装拆实验，观看电教片。
课程设计题目由指导教师与学生商定。
每位指导教师指导的题目类型不得少于三个，每位学生的设计参数均不相同。
课程设计结束后，由指导教师对学生逐一进行答辩，并单独记录成绩。
教师主要依据学生的设计能力，设计质量和答辩情况综合判定成绩，满分为100分。
学生完成的工作量包括：
设计计算说明书1份（约15页），装配结构图一张（0号图纸），零件工作图二张（1号图纸），其中一张为箱体零件。
四、学时分配（供教师参考）
教学环节
课程内容
讲课
实验
小计
备注
绪论
1
1
机械及机械零件设计概要
2
2
机械零件强度
4
4
摩擦、磨损及润滑概述
2
2
螺纹联接和螺旋传动
6
2
8
大作业、实验
键、花键、无键联接和销联接
2
2
铆接、焊接、胶接的过盈联接
1
1
带传动
4
2
6
实验
链传动
2
2
齿轮传动
8
1
9
大作业、实验
蜗杆传动
4
4
滑动轴承
4
1
5
实验
滚动轴承
6
6
联轴器和离合器
2
2
看电教片
轴
4
4
大作业
弹簧
2
2
机床和箱体简介
0
0
减速器和变速器
0
0
机动
2
2
总计
54
6
60
注：
大作业题目及课外习题由教师在"作业集"中选取。
教学环节
学时数
说 明
讲 课
64
课内学时
实验课
3
课外学时
观看录相
由认课教师自行确定
课程设计
3周
单独计学分
习题
1.题目：
受轴向载荷的紧螺栓联接，被联接钢板间采用橡胶垫片。
已知预紧力为1500N，当轴向工作载荷为1000N时，求螺栓所受的总拉力及被联接件之间的残余预紧力。
2.题目：
图示汽缸螺栓联接，汽缸内压力p在0-1.5MPa间变化，缸盖和缸体均为钢制，为保证气密性要求，试选择螺栓材料，并确定螺栓数目和尺寸。
3.题目：
图示两根梁用8个4.6级普通螺栓与两块钢盖板相联接，梁受到的拉力F=28kN，摩擦系数f=0.2，控制预紧力，试确定所需螺栓的直径。
4.题目：
图示YLD10凸缘联轴器，允许传递的最大转矩为630N·m，两半联轴器采用4个M12×60的铰制孔螺栓，性能等级为8.8级，联轴器材料为HT200，试校核联接强度。
5.题目：
铰制孔用螺栓组联接的三种方案如图所示，已知L=300mm，a=60mm，试求三个方案中，受力最大的螺栓所受的力各为多少？
哪个方案较好？
6.题目：
图示底板螺栓组联接受外力Fe作用，外力Fe作用在包含x轴并垂直于底板结合面的平面内。
试分析螺栓组受力情况，并判断哪个螺栓受载最大？
保证联接安全的必要条件有哪些？
7.题目：
指出下列图中的错误结构，并画出正确的结构图。
1.题目：
图示减速器的低速轴与凸缘联轴器及圆柱齿轮之间分别采用键联接。
已知轴传递的转矩为1000N.m，齿轮的材料为锻钢，凸缘联轴器材料为HT200，工作时有轻微冲击，联接处轴及轮毂尺寸如图示。
试选择键的类型和尺寸，并校核联接的强度。
2.题目：
轴与轮毂分别采用B型普通平键联接和中系列矩形花键联接。
已知轴的直径（花键的大径）d=102mm，轮毂宽L=150mm，轴与轮毂的材料均为碳钢，取许用挤压应力为100MPa，试计算两种联接各允许传递的转矩。
3.题目：
试指出下列图中的错误结构，并画出正确的结构图。
1.题目：
图示带式输送机装置。
小带轮直径140mm，大带轮直径为400mm，鼓轮直径250mm，为提高生产率，在载荷不变条件下，提高带速度，设电机功率和减速器的强度足够，忽略中心距变化，下列哪种方案更为合理？
1、大轮直径减小到280mm；2、小轮直径增大到200mm；3、鼓轮直径增大到350mm。
提示
（采用第（3）方案不合理,因为转速n不变,D增大,v加大,F不变,则工作转矩,V带承载能力不够。
采用
（1）
（2）方案时,由于D不变,作用于带上有效圆周力F不变,故较方案（3）好。
但在方案
（2）中,由于小带轮直径加大,应力减小,提高了带的承载能力,方案
（1）中小带轮直径较小,应力较大,故不如方案
（2））
2.题目：
某车床电动机和主轴箱之间为窄V带传动，电动机转速n1=1440r/min，主轴箱负载为4.0kW,带轮基准直径分别为90mm、250mm,传动中心距a=527mm,预紧力按规定条件确定,每天工作16小时,试确定该传动所需窄V带的型号和根数。
3.题目：
现设计一带式输送机的传动部分，该传动部分由普通V带传动和齿轮传动组成。
齿轮传动采用标准齿轮减速器。
原动机为电动机，额定功率为11kW，转速n1=1460r/min，减速器输入轴转速为400r/min，允许传动比误差为±5%，该输送机每天工作16小时，试设计此普通V带传动。
4.题目：
图示为带传动的张紧方案，试指出不合理之处。
（a）平带传动,张紧轮宜装于松边外侧靠近小轮,主要用以增大平带传动包角;b）V带传动,张紧轮不宜装在紧边,应装于松边内侧,使带只受单向弯曲,且靠近大轮,防止小带轮包角减小。
）
1.题目：
滚子链传动传递的功率P=8.5kW，工况系数KA=1.2，主动链轮转速n1=960r/min，齿数z1=21，从动链轮转速n2=330r/min，中心距a≤600mm，链节距p=12.7mm，试计算需要几排链。
2.题目：
单排滚子链传动，主动链轮转速n1=600r/min，齿数z1=21，从动链轮齿数z2=105，中心距a=910mm，该链的节距p=25.4mm，工况系数KA=1.2，试求链传动所允许传递的功率P。
3.题目：
设计一输送装置用的链传动。
已知传递的功率P=16.8kW，主动轮转速n1=960r/min，传动比i=3.5，原动机为电动机，工作载荷冲击较大，中心距a≤800mm，水平布置。
1.题目：
在下列各齿轮受力图中标注各力的符号（齿轮1主动）。
提示
（各力符号应与教材一致，如Ft1，Ft2等。
）
（各力符号应与教材一致，如Ft1，Ft2等。
）
2.题目：
两级展开式齿轮减速器如图所示。
已知主动轮1为左旋，转向n1如图所示，为使中间轴上两齿轮所受轴向力互相抵消一部分，试在图中标出各齿轮的螺旋线方向，并在各齿轮分离体的啮合点处标出齿轮的轴向力Fa、径向力Fr和圆周力Ft的方向。
提示
（先根据已知条件确定Fa2方向，由题意Fa3方向与Fa2方向相反条件，标出Fa3方向，再确定齿轮3的螺旋线方向。
）
（先根据已知条件确定Fa2方向，由题意Fa3方向与Fa2方向相反条件，标出Fa3方向，再确定齿轮3的螺旋线方向。
）
3.题目：
图示定轴轮系，已知z1=z3=25，z2=20，齿轮1的转速为450r/min，工作寿命为Lh=2000h。
齿轮1为主动且转向不变，试问：
（1）齿轮2在工作过程中轮齿的接触应力和弯曲应力的循环特性系数r各为多少？
（2）齿轮2的接触应力和弯曲应力的循环次数N2各为多少？
提示
（a）齿轮的工作应力循环次数N=60njLh,j为齿轮每转一转时,同一齿侧面啮合次数;b）分析齿轮2轮齿弯曲应力的循环特性系数时,注意在每转一转时，同一齿侧面齿根是否发生受拉与受压的交替现象。
）
（a）齿轮的工作应力循环次数N=60njLh,j为齿轮每转一转时,同一齿侧面啮合次数;b）分析齿轮2轮齿弯曲应力的循环特性系数时,注意在每转一转时，同一齿侧面齿根是否发生受拉与受压的交替现象。
）
4.题目：
设计铣床中的一对直齿圆柱齿轮传动，已知功率P1=7.5kW,小齿轮主动,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。
5.题目：
设计一斜齿圆柱齿轮传动，已知功率P1=40kW，转速n1=2800r/min，传动比为3.2,工作寿命Lh=1000h,小齿轮作悬臂布置,工作情况系数为1.25。
6.题目：
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,传动比为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）。
1.题目：
图示为简单手动起重装置。
若按图示方向转动蜗杆，提升重物G，试确定：
1）蜗杆和蜗轮齿的旋向;2）蜗轮所受作用力的方向（画出）;3）当提升重物或降下重物时,蜗轮齿面是单侧受载还是双侧受载。
2.题目：
图示蜗杆传动均以蜗杆为主动件，试在图上标出蜗轮（或蜗杆）的转向，蜗轮的旋向，蜗杆、蜗轮所受各分力的方向。
3.题目：
图示为某起重设备的减速装置。
已知各轮齿数z1=z2=20，z3=60，z4=2，z5=40，轮1转向如图所示，卷筒直径D=136mm。
试求：
1）此时重物是上升还是下降;2）设系统效率η=0.68,为使重物上升,施加在轮1上的驱动力矩T1=10N.m,问重物的重量是多少?
4.题目：
蜗轮滑车如图所示，起重量F=10kN,蜗杆为双头,模数m=6.3mm,分度圆直径d1=63mm,蜗轮齿数z2=40,卷筒直径D=148mm,蜗杆传动的当量摩擦系数fv=0.1,轴承、溅油和链传动效率损失为8%,工人加在链上的作用力F'=200N。
试求链轮直径D',并验算蜗杆传动是否自锁。
5.题目：
试设计轻纺机械中的一单级蜗杆减速器，传递功率P1=8.5kW,主动轴转速n1=1460r/min,传动比i=20,载荷平稳,单向工作,长期连续运转,润滑情况良好,工作寿命Lh=15000h。
6.题目：
已知一蜗杆传动，蜗杆为主动，转速n1=1440r/min，蜗杆头数z1=2，模数m=4mm，蜗杆直径系数q=10，蜗杆材料为钢，齿面硬度大于45HRC，磨削，蜗轮材料为铸锡青铜，求该传动的啮合效率。
7.题目：
图示传动系统中,件1、5为蜗杆，件2、6为蜗轮，件3、4为斜齿圆柱齿轮，件7、8为直齿锥齿轮。
已知蜗杆1为主动，要求输出齿轮8的回转方向如图。
试确定：
1）各轴的回转方向;2）考虑各中间轴上所受轴向力能互相抵消一部分,定出各轮旋向;3）画出各轮的轴向分力的方向。
8.题目：
图示三级减速装置传动方案简图，要求传动比i=50，这样布置是否合理？
为什么？
试画出合理的传动方案简图（不采用蜗杆传动）。
1.题目：
有一不完全液体润滑径向滑动轴承，轴颈直径d=200mm，轴承宽度B=250mm，轴承材料选用ZCuAl10Fe3，当轴的转速为60r/min、100r/min、500r/min时，轴承允许的最大径向载荷各为多少？
2.题目：
一液体动力润滑径向滑动轴承，承受径向载荷F=70kN，转速n1=1500r/min，轴颈直径d=200mm，宽径比B/d=0.8，相对间隙ψ=0.0015，包角α=180°，采用32号全损耗系统用油（无压供油），假设轴承中平均温度为50℃，油的粘度η=0.018Pa.s，求最小油膜厚度。
3.题目：
某汽轮机用动力润滑径向滑动轴承，轴承直径d=80mm，转速n=1000r/min，轴上的径向载荷F=10kN，载荷平稳，试确定轴瓦材料、轴承宽度B、润滑油牌号、流量、最小油膜厚度、轴与孔的配合公差及表面粗糙度，并进行轴承热平衡计算。
1.题目：
如图所示，轴上装有一斜圆柱齿轮，轴支承在一对正安装的7209AC轴承上。
齿轮轮齿上受到圆周力Fte=8100N，径向力Fre=3
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