郑州大学现代远程教育《机械设计基础》课程 考核要求答案.docx
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郑州大学现代远程教育《机械设计基础》课程考核要求答案
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WORD格式的文档，登陆学习平台提交，并检查和确认提交成功。
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．在平面机构中，每增加一个低副将引入（C ）。
A．0个约束
B．1个约束
C．2个约束
D．3个约束
2.铰链四杆机构ABCD中，AB为曲柄，CD为摇杆，BC为连杆。
若杆长lAB=30mm,lBC=70mm，lCD=80mm，则机架最大杆长为（ C ）
A.80mmB.100mm
C.120mmD.150mm
3．在凸轮机构中，当从动件以运动规律运动时，存在刚性冲击。
（A）
A．等速B．摆线
C．等加速等减速D．简谐
4.棘轮机构中采用了止回棘爪主要是为了（A）
A.防止棘轮反转B.对棘轮进行双向定位
C.保证棘轮每次转过相同的角度D.驱动棘轮转动
5．在标准直齿轮传动中，硬齿面齿轮应按设计。
（B）
A．齿面接触疲劳强度B．齿根弯曲疲劳强度
C．齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度D．热平衡
6．在一对标准直齿轮传动中，大、小齿轮的材料及热处理方式相同时，小齿轮的齿面接触应力
和大齿轮的齿面接触应力
的关系为。
（C）
A．
>
B．
<
C．
=
D．不确定
7．提高蜗杆传动效率的措施是。
（D）
A．增加蜗杆长度B．增大模数
C．使用循环冷却系统D．增大蜗杆螺旋升角
8.在传动中，各齿轮轴线位置固定不动的轮系称为（B）
A.周转轮系B.定轴轮系
C.行星轮系D.混合轮系
9、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
10、链传动设计中，当载荷大，中心距小，传动比大时，宜选用_____。
（B）
A大节距单排链B小节距多排链
C小节距单排链D大节距多排链
11、平键联接选取键的公称尺寸b×h的依据是_____。
（D）
A.轮毂长B.键长
C.传递的转矩大小D.轴段的直径
12、齿轮减速器的箱体和箱盖用螺纹联接，箱体被联接处的厚度不太大，且经常拆装，一般用什么联接？
（A）
A.螺栓联接B.螺钉联接C.双头螺柱联接
13、对轴进行强度校核时，应选定危险截面，通常危险界面为？
（C）
A．受集中载荷最大的截面B．截面积最小的截面C．受载大，截面小，应力集中的截面
14、按扭转强度估算转轴轴颈时，求出的直径指哪段轴颈？
（B）
A．装轴承处的轴颈B．轴的最小直径C．轴上危险截面处的直径
15、在正常条件下，滚动轴承的主要失效形式是______。
（A）
A.工作表面疲劳点蚀B.滚动体破裂C.滚道磨损
16、不属于非接触式密封。
（D）
A.间隙密封B.曲路密封
C.挡油环密封D.毛毡圈密封
17、要求密封处的密封元件既适用于油润滑，也可以用于脂润滑，应采用_____密封方式。
（B）
A.毡圈密封B.唇形密封圈密封C.挡油环密封
18、对于径向位移较大，转速较低，无冲击的两轴间宜选用_____联轴器。
（C）
A.弹性套柱销B.万向C.滑块D.径向簧片
19、联轴器和离合器的主要作用是。
（A）
A.联接两轴，使其一同旋转并传递转矩B.补偿两轴的综合位移
C.防止机器发生过载D.缓和冲击和振动
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.转动副限制了构件的转动自由度。
（×）
2.平面四杆机构的传动角等于90°时，则机构处于死点位置。
（√）
3.凸轮机构工作中，从动件的运动规律和凸轮转向无关。
（√）
4．一对渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件是基圆齿距相等（√）
5．渐开线上齿廓各点的压力角均相等。
（×）
6.将行星轮系转化为定轴轮系后，其各构件间的相对运动关系发生了变化。
（×）
7、为了保证V带传动具有一定的传动能力，小带轮的包角通常要求小于或等于120o（×）
8、链传动属于啮合传动，所以它能用于要求瞬时传动比恒定的场合。
（×）
9、由于花键联接较平键联接的承载能力高，因此花键联接主要用于载荷较大的场合。
（√）
10、对于受轴向载荷的紧螺栓联接，总工作载荷=预紧力+工作载荷。
（×）
11、一般机械中的轴多采用阶梯轴，以便于零件的装拆、定位。
（√）
12、一批在同样载荷和同样工作条件下运转的同型号滚动轴承，其寿命相同。
（×）
13、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。
（√）
14、对于多盘摩擦式离合器，当压紧力和摩擦片直径一定时，摩擦片越多，传递转矩的能力越大。
（√）
15、非周期性速度波动可用加飞轮的方法调节。
（×）
（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处，E与F、G处有一个约束，
F=3*3-3*2-2=1
2.（10分）图示为一曲柄滑块机构，要求：
（1）在图中标出压力角α、传动角γ；
（2）分析说明对心曲柄滑块机构是否具有急回运动；
（3）以哪个构件为原动件会出现死点位置？
绘图说明死点位置。
解：
对心曲柄滑块机构无急回运动，因为该机构极位夹角a=0
根据公式k=180+a/180-a得行程速比系数为1，则证明该机构无急回特性，所以不会产生急回运动。
3．（8分）一对外啮合标准直齿圆柱齿轮传动，正常齿制，小齿轮
，
；大齿轮
，试求：
（1）齿轮模数m和大齿轮齿数z2；
（2）传动比
；（3）标准中心距。
解：
（1）
，m=104/26=4
z2=232/4-2=56
（2）
=z2/
=56/24=2.33
（3）α=104+232/2=168mm
4．（10分）设两级斜齿圆柱齿轮减速器的已知条件如图，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同?
（2）画出中间轴上两齿轮的圆周力Ft2、Ft3和轴向力Fa2、Fa3方向。
解：
1、由于中间轴两齿轮分别为主动轮和从动轮，且旋转方向相同，因此使轴向力方向相反，必须使齿轮3的螺旋方向与齿轮2的相同。
齿轮2为左旋，故齿轮3必须左旋，齿轮4右旋。
2、使中间轴上轮2和轮3的轴向互相完全抵消，需要满足Fa2=Fa3
Ft2=Ft3tanβ2，Ft3=Ft3tanβ3
因齿轮2和齿轮3传递的转矩相同，T=Ft2d2/2=Ft3d1/2且
（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、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=3x106）
弯曲疲劳的最小安全SFmin，按一般可靠性要求，取SFmin=1，
计算得弯曲疲劳许用应力为：
［σbb1］=σbblim1xYN1/SFmin=（490/1）X1=490Mpa
［σbb2］=σbblim2xYN2/SFmin=（410/1）X1=410Mpa
3）校核计算：
σbb1=2kT1/bmd1·YFS1=2X1.2X160000X4.35/82X3.5X70
=83.15＜［σbb1］
σbb2=2kT1/bmd1·YFS2=2X1.2X160000X3.98/77X3.5X70
=81＜［σbb2］
故弯曲疲劳强度足够.
六、轴的计算
1、Ⅱ轴的设计
（1）选择轴的材料,确定许用应力.
选用轴的材料为45号钢,调质处理,查表12-1知
σb1=σb2=650Mpa,σS1=σS2=360Mpa,查表12-6可知
［σ+1］bb=215Mpa［σ0］bb=102Mpa,［σ-1］bb=60Mpa
（2）按扭转强度估算轴的最小直径
单级齿轮减速器的低速轴为转轴,输出端与联轴器相连接,从结构要求考虑输入端轴径应最小,最小直径为:
查表12-5可得,45钢取C=118,则
考虑键槽的影响以及联轴器孔径系列标准,取d=48mm
（3）齿轮上作用力的计算
齿轮所受的转矩为
T=9.55X106XP2/n2=9.55X106X3.80/68.6=530000N·mm
齿轮作用力：
圆周力FT=2T/d2=2x530000/245=4326.5N
径向力Fr=
=4326.5Xtan20=1574.7N
轴向力Fa=0
（4）、轴的结构设计
轴结构设计时,需同时考虑轴系中相配零件的尺寸以及轴上零件的固定方式,按比例
绘制轴承结构草图.
1、确定轴上零件的位置及固定方式
单级齿轮减速器,将齿轮布置在箱体内壁的中央,
轴承对称布置在齿轮两边,轴外伸端安装联轴器。
齿轮靠轴环和套筒实现轴向定位和固定，靠平键和过盈配合实现周向固定，两段
轴承靠套筒实现轴向定位，靠过盈配合
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