机械设计基础习题含答案.docx
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机械设计基础习题含答案
《机械设计基础课程》习题
第1章机械设计基础概论
1-1试举例说明机器、机构和机械有何不同？
1-2试举例说明何谓零件、部件及标准件？
1-3机械设计过程通常分为几个阶段？
各阶段的主要内容足什么？
1-4常见的零件失效形式冇哪空？
1-5什么绘疲劳点蚀？
影响疲劳强度的主要因素有哪些？
1-6什么是熔损？
分为哪些类型？
1-7什么於零件的工作能力？
寥件的计算准则址如何得出的？
1-8选择零件材料时，应考虑那些原则？
1-9指出卜列材料牌号的含义及主要用途：
Q275、40Mn、40Cr、45、ZG310-570、QT600-3o
第2章现代设计方法简介
2-1简述三维CAD系统的待点。
2-2试写出优化设计数学模型的一般表达式并说明其含义.
2-3简述求解优化问题的数值迭代法的基木思想.
2-4优化设计的一般过程是什么？
2-5机械设计中常用的优化方法育哪些？
2-6常规设计方法与可靠性设计方法有何不同？
2-7常用的可靠性尺度有那些？
2-8简述有限元法的基本原理。
2-9机械创新设计的特点出什么？
2-10简述机械创新设计与常规设计的关系。
第3章平面机构的组成和运动简图
3-1举实例说明零件与构件Z间的区别和联系。
4-
题图3-6與升式水泵机物
2平而机构具冇确定运动的条件圧什么？
3-3运动副分为哪几类？
它在机构中起何作用？
3-4计算|'|山度时需注盘那些事项？
3-5机构运动简图仃何川途？
怎样绘制机构运动简图？
3-6绘制图示提升式水泵机构的运动简图，并计算机构的|'|由度.
3-7试绘制图示缝纫机引线机构的运动简图，井计算机构的自由度。
3-8试绘制图示冲床刀架机构的运动简图，并计算机构的|'|由度.
3-9试判断图a、b、C所示各构件系统足否为机构。
若足，
判定它们的运动是否确定（图中标自箭头的构件为原动件〉。
3-
10计算图a、b、c、d、e、f所示各机构的自由度，如有复合较链、局部自由度、或虚约束请指出。
并判定它们的运动是否确定（图中标有箭头的构件为原动件
题图3-10几种机构的运动简图
超图3-9构件组合累统
第4章平面连杆机构
4-1四杆机构的急回特性圧何金义？
什么条件下机构才具有急冋特性？
4-2什么是四杆机构的死点？
试举出儿个利用和克服死点的实例。
4-3试述压力角的概念，并分析它对机构的工作性能有什么影响？
4-4举例说明较链四杆机构的三种演化方法。
4-5如图所示.已知AD=250min：
BC=265mm：
CD=IIOmni：
AB=60Innι.Il足主动件•试确定:
（1）该狡链四杆机构的类型；
（2）该机构的行程速比系数K。
4・6分析图示偏捏曲柄滑块机构有曲柄的条件。
当取滑块为主动件时•试确定机构的死点位这。
4-
7如图所示.己知狡链四杆机构乞杆长度，试问：
⑴绘牧維四杆机构中的哪种呈本机构；
⑵若AB是原动件，在图中価出此机构最小传动角出现的位置:
⑶若以AB为原动件.该机构有无急回特性•为什么？
4-
8试设计一脚踏轧棉机的曲柄摇杆机构。
如图所示，要求踏板机构CD在水平位置上下各摆10。
，IICD的长度50Omm.AD的长度於IoOOnmI试用图解法求曲柄AB和连杆BC的长度？
4-9试用图解法设计一门动卜•料机所用的偏置曲柄淸块机构•如图所示•要求曲柄主动时，行程速比系数K=14.被推运的工件的长度1=40mm>初选tt⅛e=20mm•工作行程最大FE力角为αm>x=450β滑块的行程H应比工件的长度略大些，以保证料斗上的工件能顺利下落。
3-10试用图解法设计摆动导杆机构.已知机架长度为50nιm.行程速比系数K=2,求曲柄的长度.
5-11试用图解法设计曲柄摇杆机构ABCDc己知摇杆CD长度是75mm,行程速比系数K=1.5,机架AD长度为IOOn≡摇杆的一个极限位置与机架间的夹角ZeDA=45%
4-12已知某操纵装置采用图小玫链四杆机构・変求阿连架杆的钊应位雀为Φι=45°,旳=50。
：
φ1=80°.ψ1=70°；Pi=120o.Fj≡∏0o∙试用解析法确定各杆的长度•
题图4・12解析法设计饮紐四杆机松
第5章凸轮机构
6-1凸轮机构常用的四种从动件运动规律中，哪种运动规律冇刚性冲击？
哪种运动规律冇柔性冲击？
哪种运动规律没有冲击？
4-2在图示偏雀也动从动件盘形凸轮机构中，已知AB段为凸轮推程削线，试在图上标出推程运动角
5-3己知从动件升程h=30nmι,JI=ISO0.5产30。
，∂h=120o,∂∕=60o.从动件在推程作简谐运动,在回程作等加速等减速运动.试用作图法或公式计算绘出其运动线图S2-K巾一1和a2-U
5-
4设计图示偏置直动从动件盘形凸轮。
已知凸轮以等角速度型顺时针方向回转，偏距e=10mmt凸轮基圆半径r0=6Omn1,滚子半径IT=IOmm.从动件的升程及运动规律与题5・2相同，试用图解法绘出凸轮的轮綁并校核推程压力角.
第6草齿轮机构
6-1渐开线齿轮匕哪一圆的压力角为标准值？
哪一圆的压力角报小？
一般所说压力角是指哪个饲上的压力角，压力角取50,会有何问题？
6-2现有4个标准齿轮:
m1=4mm,z1=25,m2=4mm.z2=50.ms=3mm.zi=60:
m4=2.5ιum.Z4=40：
试问:
（1）哪些齿轮的渐开线形状柑同？
<2）哪些齿轮町以配对正确啮合？
<3）哪些齿轮可用同…把滚刀切制？
5-3斜齿轮和锥齿轮的肖戢齿轮以及当杲齿数是如何定义的，其意义何在？
7-4渐开线变位齿轮和标准齿轮相比较，哪些参数和尺寸发生了改变？
哪些未发生改变？
6-5试述所学各种齿轮机构的一对齿轮的正确啮合条件。
6-6蜗杆机构的传动比如何计算？
能否用分度圆11径之比表示其传动比？
为什么？
6-7为何要引入蜗杆Il径系数q?
6-8有一对外啮合正常齿标准11齿圆柱齿轮机构,已知:
m=2.5mm.a=112.5rnnι.ι=2.6.试计算这对齿轮的分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径：
齿顶高、齿根高、全齿高、顶隙和公法线长度和分度圆弦齿耳.
6-9一对外啮合的标准克齿圆柱齿轮的小齿轮丢失，现测得大齿轮：
z,=52,d12=135ιnm,m=2.5Inn1.a=112.5mm≈试确宦这对齿轮的齿制以及小肉轮的齿数和肉顶阿辽径，以便配制。
6-10标准总齿圆柱齿轮机构中的一对齿轮，己知模数IlIB=2nmι.α=200,z1=20,z,=40,若安装中心距a=61mm,试问
（!
）这对齿轮足否属于标准安装？
⑵此时，书圆半径与分度圆半径、啮合角与斥力角出否用等？
6-11用齿条插刀切制-山齿圆柱齿轮。
己知被加工齿轮轮坯的角速度ω1=5IadS,刀具的移动速度为0.375mt,刀具的模数m=IOmin.压力角α=20*.试问：
（1）被加工齿轮的齿数Zi=?
⑵如果齿条的中线距离齿轮坯中心为77mm,则被加工齿轮的分度圆齿厚是多大？
6-12一对正常齿制的外呐合标准斜齿圆柱齿轮zι=33.z2=66,m=5mm=试问:
⑴若标准中心^a=25Omm.试求螺旋角0、分度圆直径d和齿顶圆直径d,：
⑵若不戏变模数和肉数，能育将这対肉轮装仕中心距为255mm的两平行轴上。
6-13已知一对正常齿制渐开线标准斜齿圆柱齿轮a=250mm,Zl=23»z2=98.mn=4mm.试计算
其螺旋角、端面模数、端面压力角、当量齿数、分度圆直径、齿IJIEl直径和齿根圆.
6-14己知一对正常齿制等顶隙收缩的渐开线标准直齿圆锥齿轮，轴交∕fjΣ=90∖z1=17,z2=43,m=3n≡・试求两轮的分度圆锥角、分度圆直径、齿顶圆Jl径、齿根圆直径、锥顶距、齿顶角、齿根角、顶锥角、根锚角和当試齿数.
6-15己知蜗杆机构的参数如卜•：
蜗杆头数S=2.蜗杆直径系数q=8∙蜗轮齿数z2=46•模数m=Snim。
试计算该蜗杆机构的传动比1、中心距a及蜗杆和蜗轮的主更尺寸。
第7章间歇运动机构
7-1试比较棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构及凸轮间歇运动机构的特点和用途。
7-2槽轮机构的运动特性系数r=0.4衣示什么意义？
为什么运动特性系数必须大于零而小F1?
五个榊的单•销榊轮机构的运动特性系数r等于多少？
7-3己知榊轮的榊数z=6・拨盘的圆销数K=I.转速n=60rmm・求榊轮的运动时间W和胖止时间®
7-4设计一槽轮机构，嬰求槽轮机构的运动时间等F停放时间，试选择槽轮的槽数和拨盘的圆销数。
7-5在六角车床上六角刀架转位用的槽轮机构中，已知植数z=6・槽轮的静止时间tj=5∕6s,槽轮的运动时间td=2s,求槽轮机构的运动系数T及所需的圆销数K<
第8章联接
題图8-5
S-I试比较普通螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹的特点，*举」例说明它们的应用.
8-2螺纹的Fl锁性和效率各与哪些因索有关？
8-3试计算普通螺纹M20.M20×1.5的螺纹升角：
并说明在静载荷卜「这两种螺纹能否□锁（己知摩擦因数f=0.1→15）.
S-4将承受轴向变载荷的联接螺栓的光杆部分的Jl径缩小，有什么好处？
8-5如图所示三块板用4个MIo螺栓固定，若螺栓的性能等级为4.6,装配时控制预紧力，接合面间的摩擦因数f=0.15,求其允许的向拉力F。
S-6如图所示为■•拉杆螺纹联接，己知拉杆上的拉力F为50000N.馭荷稳定，拉杆材料为Q235钢（对照螺栓的性能等级为4.6）,试设计此联接.
-凸缘联轴器，允许传递的最大转矩T为1500N∙m（静载荷），材料为HT250,半联轴器用4个M16饺制孔螺栓联接成一体.螺栓的性能等级为4.8,试选取合适的螺怡长度，并校核其剪切和挤压强度•如果改为M16的普通螺栓联接，己知螺栓的件•能等级为4.8,接合面的摩擦因数为015,安装时不控制预紧力，试确定螺栓数.
8-S图8-23所示为一汽缸，缸盖和缸体用螺栓联接。
已知汽缸内A（体用力P报大为2.5NlPa-缸盖和缸体均为钢制,汽⅛1.内径D=180Inm=为了保证密封性要求，螺栓间距不得大T-4.5d（d为螺纹大径），试设计此联接并确定螺栓分布圆直径.
8-9受轴向载荷的紧據性联找，被联接件间采用橡胶唱片.已知螺栓预紧力Qo=15OOON,轴向L作载荷Qe=IOoOON,求螺栓所受的总拉
力和披联接件间的残余预紧力。
8-10试为题8-7中的联轴器选择平键并校核平键联接的强度。
第9章螺旋传动
9-1试确定图所示的「斤顶的螺杆和螺母的主要尺寸。
已知起重戢鼓大为40kN,愎大举起高度
450Imm螺杆用45钢，螺阳用铸铁.（注总：
需耍校核螺杆稳定性和自锁性）
第W章齿轮传动
10-1齿轮传动的主要失效形式有那些？
设计准则S何？
10-2齿宽系数的大小对齿轮传动有何影响？
模数和齿数刘齿轮传动有何影响？
设计旳应如何选取？
10-3齿形系数X与哪些因素有关？
两个直齿园柱齿轮的模数和齿数分别为ml=20mm.z1=20;m2=2mm,z2=20,其齿形系数是否相等？
10-4根据退杆传动的失效特点•设计肘应如何选擡退杆副材料？
10-5蝎杆传动为什么要逬行热平衡计算？
10-6有一直齿圆柱齿轮传动.原设计传递功率P.主动轴转速n】。
若其他条件不变，轮齿的工作应力也不变.当主动轴转速提高一倍，即n√=2n1时.该齿轮传动鉴传递的功率P'为若干？
10-7有一直齿圆柱齿轮传动.允许传递功率P.若通过辣处理万法提高材料的力学性能，使大小齿轮的许用接絶应力［。
扭］、ShJ各提高30%.试问此传动在不改变工作条件及其他设计参数的情况下.抗疲劳点蚀允许传递的扭矩和允许传递的功率可提高百分之几？
解：
有一直齿圆柱IS轮传动.允许传递功率P.若通过兔处理方法提高材料的力学性婪，使大、小齿轮的许用接触应力［σH2h［σHl］各提高30%。
试问此传动在不改变工作条件及其他i殳计參数的情况下.抗疲劳点蚀允许传递的扭矩和允许传递的功率可提总百分之几？
解由公式
设提;S后的转矩和许用应力分别为TL、［＜τH'］
当转速不变时，转矩和功率可提H69%o
10-8单级闭式直齿圆柱齿轮传动.小齿轮的材料为45钢调质，大齿轮材料为ZG31O-57O正火.
P=4k∖V.n1=720r∕mιn,m=4Illm,z1=25,z2=73.b1=84mm,b2=78Ililιι,单向传动，戦荷有中
等冲出.用电动机驱动.试i可这对齿轮传动能否满足强度要求而安全工作。
解：
软齿商闭式齿轮传动应分别验算其接触强度和弯曲强度。
（1）许用应力
查教材表11」小齿轮45观调质硬度：
210~230HBS取220HBS;大齿轮ZG270-500正火硬度:
140-17OHBS,取IRHBSo
查教材图11-7知
σHIInIl=560MPatσHlmι2=335NIPa查教材图IMO
σFlIml=180MPa,σFhlnl=130MPa
查教材表11∙4取
SH=Il.SF=I.4
故：
r■Og560W[σjvf]===5QSMPa
ZTItO
[<7-1l=—=129MPa
LZIl⅝1.4
[α.1l-—■的MPa
lS.1.4
（2）
验算接触强度•验算公式为:
（3）
IaMPa≤knl
10・9己知闭式直齿圆柱齿轮传动的传动比ι=46tnl=730r∕mm.P=30k∖Vt长期双向转动.载荷有中等冲击.要求结构紧凑。
且zl=27.大小齿轮都用400表面淬火，试计霾此单级齿轮传动的强度。
解：
硬齿面闭式齿轮传动的主要失效形式是折断.设计方法是按童曲强度设计.井验算其齿面接腔强度。
（1）许用蛮曲应力
查教材表11-1.大小齿轮材料40Cr表面淬火硬度：
52—56HRC.取54HRCO查教材图IlJO得σFllm=320MPat查材料图11・7得σHlim=1220MPao
查教材表114SF=I6.SH=I.2.
因齿轮传动是双向工作•弯曲应力为对称循环.应将极限值乘70%o
140KFfl
故5>lββ
[o.]■也三M-1017
l*l⅛12
（2）按蛮曲强度设计.设计公式:
其中：
小齿轮转矩
η=955×10^≡955×10∙χ⅛≡3^^
查教材表11・3得.戦荷系数K=13
取齿宽系数"a=0-4
齿数z2=ιzl=46×27=124.2t
取z2=124
齿数比u=z2∕zl=124∕27=459应将齿形系数较大值代入公式.而齿形系数值与齿数成反比，将小齿轮的齿形系数代入设计公式.查教材图11-9得，齿形系数YFl=2-67
因此
Ir4×1¾X⅜9246^267
0.4x（43»+l）x2Txl40
取模数m=3mm
（3）验算接触强度•验算公式:
其中：
中心距
a=Jw（Zl+z1）=x3x（27÷124）=226.5ιIVW
齿宽
〃W.α=0.4X226上=90<6mm
取b=90mιn
-畔=岬详牆^皿知
满足接触强度
IO-IO说明下列几种情况下应采用的是斜齿轮的齿数还是当量齿数:
（1）廿算斜齿圆柱齿轮传动的角速比；
⑵用成型法切制斜齿轮时选盘形铳刀；
⑶计算斜齿轮的分度圆直径；
（4）齿根省曲强度计算旳查取齿形系数。
解斜齿圆柱齿轮的齿数Z与其当量齿数ZV之间的关系：
（1）计算传动的角速比用齿数。
（2）用威型法切制斜齿轮时用当量齿数选盘形铳刀刀号。
（3）计算斜齿轮分度圆直径用齿数。
（4）计算進曲强度时用当星齿数查取齿形系数。
IO-Il两对齿轮分别为：
1I⅛=5mm.Zι=40.z:
=158,0=8°O6'34"及mtl=10.Zι=20,z2=79.B=8。
06,34”，其他条件（如材料、硬度、齿宽、转数等）均为主动轮与主动轮.从动轮与从动轮对应相等。
试问：
（1）两对齿轮的接融疲劳强度是否相等？
西曲疲劳强度是否相等？
（2）若传动速度低.短时超载大.用哪一对合适？
若传动速度荷・用哪一对合适？
10-12斜齿圆柱齿轮传动的转动方向及螺旋线方向如图a所示.试分别在图b和图C中画出轮1为主动时和轮2为主动时轴向力FaI及Ft2的万向
题图10*12
解见趣11・7解图。
从題图中可看出.齿轮1为左SL齿轮2为右旋。
当齿轮1为主动时按左手定则判断其轴向力：
当齿轮2为主动时按右手定则判断其轴向力
1043某两级斜齿圆柱齿轮减速崙•传递功率P=40kW.电机驱动.双向转动•载荷平稳.高速级转速Ill=I470Mmin.齿数z1=19.z2=63,模数n⅛=3mm.螺旋角严18。
53丁8".齿宽bi=60mm,b2=55IIml.小齿轮材料为20CrMnTI碳淬火，大齿轮材料为20Cr渗碳淬火.试校核此高速级齿轮传动的强度。
解软齿面闭式齿轮传动应分别校孩其接触强度和蛮曲强度。
（1）许用应力
查教材表IlJ小齿轮40、InB调质硬度：
240^280HBS取260HBS;大齿轮35SIMn调质硬度：
200-26OHBSt取230HBSo
查教材图11∙7.
σHlIm=690MPa.σHlIm=660MPa;
查教材图11-10：
σFhml=240MPa.σFlun2=23OMPa;
查教材表11-4取SH=I.1.SF=1.4
故：
其中：
小齿轮转矩
Z=935χl0∙Δ=935χl0i×-≡-=1.43χiσ5λ^-
♦1470
载荷系数K=Il查教材表11∙3得
齿宽b=b2=80nιm
中心距
小齿轮当量齿数
21
n.=—^―=——=23.72*0*16o15l
大齿轮当缰齿数
益107120血
rlCn^fl∞√16β15l
查教材图11-9得齿形系数YF1=2.77.YF2=2.18
2EζIrmβ一2XLlχl.43×10f×2∏XCoSle-fI⅛n⅛Mχ31χ21
J"寺=芳3喘=3β⅛g]
tθ×31χ21
满足弯曲强度。
10-14已知单级闭式斜齿圆柱齿轮传动.P=10kW.n1=1210IinIn.ι=43.电机驱动，双向传动.载荷有中等冲击.设小齿轮用45MnB调质.大齿轮用45钢调质.z1=21,试计算此单级齿轮传动。
解软齿面闭式齿轮传动应按接触冬度设计.然后验算其弯曲强度：
（1）许用应力
查教材表11-1小齿轮40MnB调质硬度:
240一280HBS取260HBS;大齿轮45钢调质硬度:
210一230HBS,取220HBSO
查教材图11-7:
σHlInI=690MPa.σHllm=555MPa:
查教材图11-10:
σFlIml=240MPa.σFIUn2=180MPa;
查教材表11-4取SH=Il.SF=1.4.
故：
-x（L7=9OlfFfl
1.4
（2）按接越强度设计.其设计公式:
其中：
小齿轮转矩
Z=955×10iΔ=955×10i×JL=719×104^≡ι场1210
查教材表11-3得戦荷系数K=L3.齿宽系数.取”a=0.3
中心距
齿数比
u=ι=4.3
将许用应力较小者[σH]=[σH2]=505MPa代入设计公式,
取中心距a=170ιnm
初选螺旋角
^=14o
大齿轮齿数
z2=ιzl=4.3×21=90.3.
取z2=90
齿数比：
u=z2∕zl=90∕21=4.29
模数
2acus02x165XcaSI4°„
≡===2.97JIeR
¾+⅞21÷90
取mn=3mm
螺旋角
0=—s0（g）=βrais沁迪=1Γ59∙'2a2x170
（3）验算其弯曲强度.校核公式：
小齿轮当星齿数
T
°”47χ^-37MPα≤∣σMl
满足蛮曲强度。
1045斜齿圆柱齿轮减速器的己知条件如图所示•试冋：
⑴低速级斜齿轮的螺旋线方向应如何选择才箜使中间轴上两齿轮的轴向力万向相反；
（2）低速级螺旋角0应取多大值才能使中间釉上两个轴向力相互抵消。
解
（1）要使中间轴上两齿轮的轴向力方向相反.则低速级斜齿轮3的螺旋经方向应与齿轮2的旋向同为左旋.斜齿轮4的旋向应与齿轮3的旋向相反.为右旋。
（2）由題图可知：
nm2=3mm、z2=52./∕2=153、mn3=5mm、z3=17
分度圆直径
d=mnz∙,,cosB
轴向力
妄使轴口刀互相抵洎•则:
Fa2=Fa3
即
10-16-对闭式直齿圆锥齿轮传动.B¾）Σ=要求结构紧凑.故大小齿轮的材料均选40Cr表面淬火.试计算此传动。
解硬齿面闭式齿轮传动应按弯曲强度设廿.然后验算其接触强度。
（1）许用应力
查教材表11-1齿轮40Cr表面淬火穫度：
52一56HRC取54HRCO
查教材图11-7：
σHlmi=I220MPa
查教材图1M0:
σFlIm=320NfPa
查教材表IM取SH=I2SF=I.6
故:
其中：
小齿轮转矩
「955XWW955W囁=FMNe
查教材表11・3得载荷系数K=13,齿宽系数.取”R=O.3大齿轮齿数
z2=ιzl=2.7×1.6=43.2t
取z2=43
齿数比：
u=z2∕zl=43/16=269
分度圆锥角
J1=90o-J1=90°-20.41°=6959°
小齿轮当屋齿数
大齿轮当呈齿数
z>-
43一m.3
COSJV
CoS6959°
查教材图11∙9得■齿形系数YF1=3O8,YF2≡2.18
则平均模数:
Q3x√269,
大端模数
=
-33IWlI
1一»
1-05x03
取me=4Ium
（3）校核其接触强度，验算公式:
其中：
分度圆直径
dι=mezι=4×16=64mmd->=mez^=4×43=172mmt⅛
儿=厲*图谄卜俘卜9"
齿宽b=ψRRe=0.3×91.8=27.5mm取b=28mm
满足接触强度。
10-17已知直齿圆链-斜齿圆柱齿轮减速器布置如图。
锥齿轮m=5mm.b=50mm.z1=25.z,=60;斜齿轮InB=<5nιm,z1=21.z2=84o欲使轴II上的轴向力在轴承上的作用完全抵消.求斜齿轮3的螺旋角爲的大小和旋向。
解
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