机械设计习题解答

1《教学日历上规定的作业》注：1、蓝色字体表示已用word文档制出；2、黑色字体是图片，请改为word文档（分给学生做）；3、没有答案的部分，请将答案做出（写了“答案略”的题不做答案）一章1—2什么是零件？什么是构件？什么是部件？试各举三个实例。答：零件是组成机器的不可拆的最小单元，可以分为通用零件和专用零件，例如：螺栓、齿轮、轴、弹簧。构件是机器中每一个独立的运动单元体，例如：连杆、曲轴。部件是机械的一部分，由若干装配在一起的零件所组成，例如：发动机底盘、车身、电气设备。1—4机械设计课程研究的内容是什么？答：主要是介绍整台机器机械部分设计的基本知识，重点讨论一般尺寸和常用工作参数下的通用零件下的设计，包括它们的基本设计理论和方法以及技术资料、标准的应用等。具体内容包括：1）总论部分——机器及零件设计的基本原则，设计计算理论，材料选择，结构要求，以及摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识；2）联接部分——螺纹联接，键、花键及无键联接，销联接，铆接，焊接，胶接与过盈联接等；3）传动部分——螺旋传动，带传动，链传动，齿轮传动，蜗杆传动以及摩擦轮传动等；4）轴系传动——滑动轴承、滚动轴承，联轴器与离合器以及轴等；5）其它部分——弹簧，机座和箱体，减速机和变速器等。二章2—3机械零件主要有哪些失效形式？常用的计算准则主要有哪些？答：机械零件主要失效形式有：1）整体断裂——过载、疲劳；2）过大的残余应变——应力超过屈服极限；3）零件的表面破坏——腐蚀磨损点蚀；4）破坏正常的工作条件而引起的失效——带传动的打滑，共振，螺纹的松弛。常用的计算准则主要有：1）强度准则；2)刚度准则；3)寿命准则；4)振动稳定性准则；5）可靠性准则。2—8机械零件设计中选择材料的原则是什么？答：机械零件设计中选择材料的原则有：一，载荷及应力的大小和性质；二，零件的工作情况；三，零件的尺寸及重量；四，零件的结构复杂程度及工艺性；五，材料的经济性；六，材料的供应状况。22—9指出下列材料的种类，并说明代号中符号及数字的含义：HT150，ZG230—450，65Mn,45,Q235,40Cr,20CrMnTi,ZCuSn10Pb5。答：HT150为黑色金属，“HT”代表灰铸铁，“150”代表最小抗拉强度为150MPa。ZG230—450为黑色金属，“ZG”代表铸钢，“230—450”中“230”代表最小屈服强度为230MPa，“450”代表最小抗拉强度为450MPa。65Mn为黑色金属（合金弹簧钢），“65”代表含碳量为0.65％，“Mn”为加入合金元素。45为黑色金属（优质碳素结构钢），“45”代表含碳量为0.45％。Q235为黑色金属（低合金高强度钢），“Q”代表低合金高强度钢，“235”代表屈服强度为235MPa。40Cr为黑色金属（合金调质钢）,“40”代表含碳量为0.40％，“Cr”代表加入的合金元素。20CrMnTi为黑色金属（合金渗碳钢），“20”代表含碳量为0.20％，“Cr”“Mn”“Ti”为加入的合金元素。ZCuSn10Pb5为有色金属（铸造锡青铜），“ZCuSn”代表铸造锡青铜，“Sn”“Pb”为合金元素，“10”“5”为合金元素“Sn”“Pb”的含量分别为0.10％、0.05％。三章3—18某材料的对称循环弯曲疲劳极限σ-1=350MPa，屈服极限σs=550MPa，强度极限σв=750MPa，循环基数Nо=5×106,m=9,试求对称循环次数N分别为5×104、5×105、5×107次时的极限应力。解：由公式9011NNN得：当N=5×104时，MpaNNN5839011﹥σs=550MPa，已发生塑性变形，因此认为该点处于应变疲劳区，所以取σ-1N=σs=550MPa；N=5×105时，MpaNNN4529011，所以取σ-1N=452MPa；N=5×107时，MpaNNN2719011σ-1N=350MPa，所以取σ-1N=350MPa（或N﹥Nо,处于无限寿命阶段）五章题5－20如图所示，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。（解答见PPT习题，移植成word文档）3题5－22受轴向载荷的紧螺栓联接，被连接件间采用橡胶垫片。已知预紧力F0=1500N，当工作载荷F=1000N时，求螺栓受到的总拉力及被连接件之间的残余预紧力。（解答见PPT习题，移植成word文档）题5－23图示凸缘联轴器（GB/T5843—1986）的型号为YLD10，允许传递的最大转矩T=630N·m，两半联轴器采用4个M12的铰制孔螺栓联接，螺栓规格为M12×60（GB/T27—1988），螺栓的性能等级为8.8级，联轴器材料为HT200，试校核其联接强度。降低螺栓的刚度，提高被连接件的刚度和提高预紧力，其受力变形线图参见教材图5－28c。5－17答：在螺纹连接中，约有1/3的载荷集中在第一圈上，第八圈以后的螺纹牙几乎不承受载荷。因此采用螺纹牙圈数过多的加厚螺母，并不能提高螺纹连接的强度。采用悬置螺母，环槽螺母，内斜螺母以及钢丝螺套，可以使各圈螺纹牙上的载荷分布趋于均匀。5－18答：滑动螺旋的主要失效形式是螺纹磨损，滑动螺旋的基本尺寸为螺杆直径和螺母高度，通常是根据耐磨性条件确定的。5－19（略）5—20答：1．公式中螺栓数8z错误，应当取4z。2．螺纹由mm7.91d圆整为mm10d错误，应当根据小径mm7.91d，由螺纹标准中查取螺纹大径d。5—21解：6.8级螺栓的屈服极限σs=480MPa，许用应力［σ］＝σs/s＝480/3＝160MPa。由式（5－28），螺栓上的预紧力987243.1106.1016043.12210π］［dFN由式（5－9），最大横向力32912.1122.098720sKfziFFN5—22（略）5—23解：1．计算单个螺栓的工作剪力N2423130410630223zDTF2．确定许用应力联轴器的材料为铸铁HT200，MPa200B，设联轴器工作时受变载荷，查表5-10，取3pS。螺栓的性能等级为8.8级，MPa640s，查表5-10，取5S，许用应力MPa7.663200][pBpS；MPa1285640][Ss3．验算连接强度查手册，铰制孔用螺栓GB/T27-88M12×60，光杆部分的直径mm130d，光杆部分的长度为60－22＝38mm，因此连接处的最小挤压高度mm18minL，由公式（5-35），接合面的挤压应力][MPa35.1018132423min0ppLdF由公式（5-36），螺栓杆的剪切应力][MPa25.1813242344220dF满足强度条件。5—24解：采用橡胶垫片密封，螺栓的相对刚度9.0mbbCCC，由公式（5-32），螺栓的总拉力题5－24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？（解答见PPT习题，移植成word文档）4六章题6－16图示减速器的低速轴与凸缘联轴器及圆柱齿轮之间分别用键联接。已知：轴传递的转矩T＝1000N·m，齿轮材料为锻钢，凸缘联轴器的材料为HT200，工作时有轻微冲击，联接处轴及轮毂的尺寸如图示。试选择键的类型和尺寸，并校核其联接强度。6—12答：胀套串联使用时，由于各胀套的胀紧程度有所不同，因此，承受载荷时各个胀套的承载量是有区别的。所以，计算时引入额定载荷系数m来考虑这一因素的影响。6－13答：销的类型和应用场合略，销连接的失效形式为销和孔壁的挤压破坏以及销的剪断。6－14答：定位用销的尺寸按连接结构确定，不做强度计算。连接用销的尺寸根据连接的结构特点按经验或规范确定，必要时校核其剪切强度和挤压强度。安全销的直径按过载时被剪断的条件确定。6—15答：1．键的工作长度mm15822180l错误，应当为mm11452/22130l。2．许用挤压应力MPa110][p错误，应当为MPa40][P。6—16解：1．确定联轴器处键的类型和尺寸选A型平键，根据轴径mm70d，查表6-1得键的截面尺寸为：mm20b，mm12h，取键长mm110L，键的标记为：键20×110GB/T1096-2003。2．校核连接强度联轴器的材料为铸铁，查表6-2，取MPa55][p，mm6125.05.0hk，bLlmm9020110，由公式（6-1），挤压应力][MPa9.5270906100020002000ppkldT满足强度条件。3．确定齿轮处键的类型和尺寸。选A型平键，根据轴径mm90d，查表6-1得键的截面尺寸为：mm25b，mm14h，取键长mm80L，键的标记为：键25×80GB/T1096-2003。4．校核连接强度齿轮和轴的材料均为钢，查表6-2，取MPa110][p，mm7145.05.0hk，bLlmm552580，由公式（6-1），挤压应力][MPa7.5790557100020002000ppkldT满足强度条件。6—17解：1．轴所传递的转矩mN5.1872/25015002/dedFT2．确定楔键尺寸根据轴径mm45d，查手册得钩头楔键的截面尺寸为：mm14b，mm9h，取键长mm70L，键的标记为：键14×70GB/T1565-1979。3．校验连接强度带轮的材料为铸铁，查表6-2，取MPa55][p，取15.0f，mm61970hLl，由公式（6-3），挤压应力][MPa3.48)4515.0614(61145.18712000)6(12000ppfdbblT满足强度条件。八章题8-22一V带传动传递的功率p=7.5KW，带速v=10m/s，测得紧边拉力是松边拉力的两倍，即F1=2F2，试求紧边拉力F1、有效拉力Fe和预紧力F0。5mm16065304)90250()25090(253024)()(22202122100addddaLddddd查表8-2，mm1600dL，0aa，由公式（8-7），小带轮的包角6.1625.57530902501805.57180121adddd查表8-5，取955.0K，查表8-2，取99.0LK，查表8-4a，取kW07.10P。查表8-4b，取kW17.00P，由公式（8-26），带的根数68.399.0955.0)17.007.1(32.4)(00LcaKKPPPz取4z，型号为A型。8—22解：由公式（8-4），带传动的有效拉力N750105.710001000vPFe由公式（8-3），有效拉力222212FFFFFFe。因此，带的松边拉力和紧边拉力分别为N7502eFF；N1500221FF由公式（8-1），带的初拉力N1125)7501500(21)(21210FFF8—23（略）8－24答：图（a）为平带传动，张紧轮应布置在松边，从外向内张紧，张紧轮靠近小带轮，可增大小带轮的包角。图（b）为V带传动，张紧轮应布置在松边，从内向外张紧，张紧轮靠近大带轮，以免减少小带轮的包角。8—25解题解8—25图题8-23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P=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，并选定带轮结构形式与材料。（答案略）九章题9－18有一链传动，小链轮主