机械设计基础答案西工大版.docx
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机械设计基础答案西工大版
前面有一点不一样,总体还行第一章
1-1.机械零件常用的材料有哪些?
为零件选材时应考虑哪些主要要求?
解:
机械零件常用的材料有:
钢(普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢、铸钢铸铁,有色金属(铜及铜合金、铝及铝合金)和工程塑料。
为零件选材时应考虑的主要要求:
1.使用方面的要求:
1)
2)
3)
4)
5)
零件所受载荷的大小性质,以及应力状态,
零件的工作条件,
对零件尺寸及重量的限制,
零件的重要程度,
其他特殊要求。
2.工艺方面的要求。
3.经济方面的要求。
1-2.试说明下列材料牌号的意义:
Q235,45,40Cr,65Mn,ZG230-450,HT200,ZcuSn10P1,LC4.
解:
Q235是指当这种材料的厚度(或直径)w16mm时的屈服值不低于235Mpa。
45是指该种钢的平均碳的质量分数为万分之四十五。
40Cr是指该种钢的平均碳的质量分数为万分之四十并且含有平均质量分数低于元素。
65Mn是指该种钢的平均碳的质量分数为万分之六十五并且含有平均质量分数低于
Mn元素。
ZG230-450表明该材料为铸钢,并且屈服点为230,抗拉强度为450.
HT200表明该材料为灰铸铁,并且材料的最小抗拉强度值为200Mpa.
ZCuSn10P1铸造用的含10%Sn、1%P其余为铜元素的合金。
LC4表示铝硅系超硬铝。
1.5%的Cr
1.5%的
1-6.标准化在机械设计中有何重要意义?
解:
有利于保证产品质量,减轻设计工作量,便于零部件的互换和组织专业化的大生产,以
及降低生产成本,并且简化了设计方法,缩短了设计时间,加快了设计进程,具有先进性、规范性和实用性,遵照标准可避免或减少由于个人经验不足而出现的偏差。
第二章
2-7.为什么要提出强度理论?
第二、第三强度理论各适用什么场合?
解:
材料在应用中不是受简单的拉伸、剪切等简单应力状态,而是各种应力组成的复杂应力
状态,为了判断复杂应力状态下材料的失效原因,提出了四种强度理论,分别为最大拉应力
理论、最大伸长线应变理论、最大切应力理论、畸变能密度理论。
第二强度理论认为最大伸长线应变是引起断裂的主要因素,性材料的失效场合。
第三强度条件:
认为最大切应力是引起屈服的主要因素,
合。
2-15.画出图示梁的弯矩图。
适用于石料、混凝土、铸铁等脆
适用于低碳钢等塑性材料的失效场
2:
F=0,Fa+Fb-F=O,
解:
送Ma=0,FB*3a+M-F*a=0
Fb=0,Fa=F
ZF=0,斤+F-2F-F=0
解:
5:
MA=0,F*2a+2F*a+F*4a-F2*3a=0
5=8/3F,F=—2/3F
第三章
3-4.计算图示各机构的自由度,并指出复合铰链、局部自由度和虚约束。
2"
幵=5,乃=7*乙=0尸=3艸—2人-易=3x5-2x7=l
(a)推土机铲斗机构
”一"一I|心一I
-2/;-/J,=3xS-2X11-1=I
(b)弓锯机机构
尸=3"-2/;—耳=3x6-2x«—I=1
©堵高炉出铁口的泥炮机构
/■^=3h-2/;-7;=3x6-2xS-|-1
(d)仪表机拘
F=—凡=3x4—2x4-2=2
(e)»纫机送布机构
=工刁=人耳=0
F==3x5-2乂7=I
(0牛头ffl床主体机构
而固定在轴A上的凸轮2和杠杆3组成的凸轮机构使冲头目的。
试绘出其机构运动简图,定,试提出修改措施。
修改措施为:
尸二如一鮎;一爲=59-2x12-2=】
(客)带椎料功能的冲床机tt
3-5.图示为一简易冲床的拟设计方案。
设计者思路是:
动力由齿轮1输入,使轴A连续回转;
4上下往复运动,以达到冲压的计算机构的自由度,并分析其运动是否确定,如其运动不确
3-6.试绘出图示机构的运动简图,并计算其自由度。
n=3,PL=4
F=3n-2PL-PH=3^3-2咒4=1
n=5,PL=7,Ph=0
F=3n-2P.-ph=3x5-2x7=1
n=5,Pl=7,Ph=0
F=3n-2FL-Ph=3^5-2咒7=1
第四章
导程Sb,并判断螺旋副B的旋向。
解:
由题意判断B为右旋,A、B同向,固有:
一(Sa-Sb尸1,故_—(4-Sb肿
2兀
Sb=5mm
第五章
5-7.根据图中所注尺寸,试问如何才能获得曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构?
解:
根据曲柄存在的条件:
(1)最短杆长度+最长杆长度W其他两杆长度之和;
(2)最短杆为连架杆。
根据题意:
140+200<170+180
当最短杆AD为连架杆时,即
.C
当最短杆AD为机架时,极限位置如下图所示,为双曲柄机构。
当AD为连杆时,极限位置如下图所示,为双摇杆机构。
5-8.图示铰链四杆机构h=100mm,l2=200mm,l3=300mm,若要获得曲柄摇杆机构,试
问机架长度范围为多少?
解:
根据曲柄存在的条件:
(1)最短杆长度+最长杆长度w其他两杆长度之和;
(2)最短杆为连架杆。
根据题意:
(1)若l4为最长杆(l4>300),I1+I4w
I2+I3,300 (2)若|3为最长杆(14w300),l1+l3w l2+l4,200wl4w300. 故200w|4w400. 5-10.设计一曲柄摇杆机构。 已知摇杆长度 IcD=100mm,摆角屮=300,行程速比系数 K=1.2。 试用图解法根据最小传动角%工400的条件确定其余三杆的尺寸。 K_1 解: 由.=18。 0齐,=16.360. 故,先画出CD和CD,使得/CDC=屮=30°. 由于0=16.360,故过C和C'作/CCO和/CCO=73.640,以0点为圆心作圆 过C做/DCA=450交圆0于A点。 AC=133mm,AC=91.89mm,AD=94.23mm,计算得 AB=20.555mm,BC=112.445mm 所以其他三杆长度为: AD=94.23mm,AB=20.555mm,BC=112.445mm H=50mm,偏距e=20mm,行程速比系数K=1.5.试用 5-11.设计一曲柄滑块机构。 已知滑块行程图解法求出曲柄和连杆的长度。 K_1解: 由0=180°——,0=36°K+1 首先,画出CC'=50mm,作/CCO=/CCO=540,过O作圆交偏心线于A, 连接AC,AC'测得长度如图所示,算出AB=21.505,BC=46.515. 5-12.设计一导杆机构。 已知机架长度Iad=100mm,行程速比系数K=1.4,试求曲柄长度。 解: e=1800^^'6=300,即/BCB=300- 0 AB丄BC,/ACB=15,AC=Iad=100mm. AB=25.88mm 5-13.设计一铰链四杆机构作为加热炉炉门的启闭机构。 已知炉门上两活动铰链间距离为 50mm,炉门打开后成水平位置时,要求炉门温度较低的一面朝上(如虚线所示)。 设固定 铰链在0-0轴线上,其相关尺寸如图所示,求此铰链四杆机构其余三杆的长度。 € 解: 因为点A、D在0-0轴线上,由于AB=AB',AC=AC',所以运用垂直平分线定理,连接BB和CC: 分别作其中垂线交0-0轴线于点A、D,因此找到A点和D点。 AB=67.34,CD=112.09,AD=95.74 第六章 6-2.四种基本运动规律各有何特点? 各适用何种场合? 什么是刚性冲击和柔性冲击? 解: (1)等速运动规律的特点是: 在从动件运动的起始点和终了点都有速度的突变,使加速度趋于无限大,因此会引起强烈的刚性冲击。 这种冲击对凸轮机构的工作影响很大,所以匀速运动规律一般只适用于低速或从动件质量较小的场合。 (2)等加速等减速运动规律的特点是: 在一个运动循环中,从动件的运动速度逐步增大又逐步减小,避免了运动速度的突变;但在从动件运动的起始点、转折点和终了点仍存在着加速度的有限突变,还会有一定的柔性冲击。 所以这种运动规律适用于凸轮为中、低速转动,从动件质量不大的场合。 (3)余弦加速度运动规律的特点是: 推杆的加速度按余弦规律变化,且在起始点和终点推杆的加速度有突变,有一定的柔性冲击。 一般只适用于中速场合。 (4)正弦加速度运动规律的特点是: 推杆的加速度按正弦规律变化,但其加速度没有突变,可以避免柔性冲击和刚性冲击,适用于高速场合。 刚性冲击: 由于加速度有突变,并且加速度值理论上为无穷大,但由于材料具有弹性,使得加速度和惯性达到很大(不是无穷大),从而产生很强烈的冲击,把这一类冲 击称为刚性冲击。 6-7.盘形凸轮基圆半径的选择与哪些因素有关? V2 柔性冲击: 由于加速度有突变,但这一突变为有限值,引起的冲击较为平缓,故称这一类为柔性冲击。 解: 由于r。 =一-一-S,故盘形凸轮基圆半径的选择与推杆的运动规律,推杆的工作行 ⑷tana 凸轮的基圆半径,使凸轮机构的尺寸不至过大。 6-8.试设计一对心直动滚子推杆盘形凸轮机构的凸轮廓线,已知凸轮作顺时针方向旋转、推 杆行程h=30mm,基圆半径r0=40mm,滚子半径仃=10mm,凸轮各运动角为: 2=120°、©S=150°、叮=150°、帚=60°,推杆的运动规律可自选。 解: 由题意得: 凸轮理论廓线基圆半径为4°mm,实际半径为3°mm. 等速推程时,由公式hW30®得: ph S=h之。 -60: : ^50和等减速公式S二需⑴。 '-切2=(160)2[15°0-伴T5°0)]2得: %(150)光(150) 凸轮转角半/(0) 150 180 210 240 270 300 推杆位移s/mm 30127.6120.4 9.612.4 0 故根据反转法画出下图: 变大。 分度圆半径与基圆半径与齿轮本身相关,故不会发生变化。 7-8.模数和齿数相同的正变位齿轮与标准齿轮相比,下列参数d、db、P、s、e、hj、hf、da、df r「230—217 〔叫1彳301+務而 zT513+|5^"545—513)]mPa=523.95MPa "315—301)>c0.7MPa=214.05MPa 大齿轮的齿面平均硬度为180HBS。 查表得: [b[2=171J80"163天(189-171)”0.7MPa=126MPa卞2L197-163」 2. 计算小齿轮的转矩 3.按齿面接触疲劳强度计算 d1X76.63|-^•吐i停530%^30西mm=86.13mm Y屮db[2uY0.972X285.523.06 根据题目中,d1二mz1=4X18=72mm不能满足齿面疲劳强度要求。 4.按齿根弯曲强度计算 由z,=18,Z2=55,查表得YFS1=4.45,Yfs2=4.005 YFS1 445=—=0.02077214.2 丫FS2 4005=0.03174126Y 由于_^竽较大,故将其带入下式中: [珂2 "“/KTYfs2,»/.6咒53056X4.005* m>1.263』2-: ―—=1.26J2mm=2.55mm y^dz1[cr*2V0.972咒18咒126 由以上计算结果可见,满足齿根弯曲强度要求。 故不能满足强度要求。 7-12.设计一单级减速器中的直齿轮传动。 已知传递的功率P=10KW,小齿轮转速 m=960r/min,传动比i12=4.2,单向转动,载荷平稳,齿轮相对轴承对称布置。 解: 1.材料选择 单级减速器工作载荷相对平稳,对外廓尺寸也没有限制,故为了加工方便,采用软齿面齿轮传动。 小齿轮选用45钢,调质处理,齿面平均硬度为240HBS;大齿轮选用45钢,正火处理,齿面平均硬度为190HBS。 2.参数选择 1)齿数由于采用软齿面传动,故取Zi=20,Z2=ii2Zi=4.2X20=84 2)齿宽系数由于是单级齿轮传动,两支承相对齿轮为对称布置,且两轮均为软齿面,查 表得屮d=1-4 3)载荷系数因为载荷比较平稳,齿轮为软齿面,支承对称布置,故取 K=1.4. 4)齿数比对于单级减速传动,齿数比U=斤2=4.2 3.确定需用应力 小齿轮的齿面平均硬度为240HBS。 许用应力根据线性插值计算: [叫广帆+^4^2^45—513巾Pa=532MPa 列q301+l4h>^(315-301)」MPa=309MPa 大齿轮的齿面平均硬度为190HBS,许用应力根据线性插值计算: [叫2 =^68+190T63咒(513-468)]MPa=491MPa L217-162」 〔珥2 r190—162T 十19^伽―280)"Pa=291MPa 4.计算小齿轮的转矩 960 T1=9.5空亜=^55“*10N•mm=99479N•mmn1 5.按齿面接触疲劳强度计算 取较小应力[cT^2带入计算,得小齿轮的分度圆直径为 KT1u+1」1.4x994794.2+1 •=76.63•mm=61.23mm uV1.4x4914.2 6.按齿根弯曲疲劳强度计算 3976=0.013663 291 m-26辰=1.26^RmrmZ.89mm 7. m>3.065mm为准。 取标准 确定模数 由上述结果可见,该齿轮传动的接触疲劳强度较薄弱,故应以 模数m=4mm 8.计算齿轮的主要几何尺寸 d,=mz,=4x20mm=80mm d2=mz2=4x84mm=336mm da"! =(乙+2ha)m=(20+2x1)x4mm=88mmda2=(Z2+2h: )m=(84+2咒1)x4mm=344mm a+d280+336ccc a===208mm 22 b=fdd1=1.4x70mm=98mm 取b2=98mm,b^=b2+(2~10),取b,=104mm 7-14.图示为一双级斜齿轮传动。 齿轮1的转向和螺旋线旋向如图所示,为了使轴n上两齿 轮的轴向力方向相反,是确定各齿轮的螺旋线旋向,并在啮合点处画出齿轮各力的方向。 解: 1和3为左旋,2和4为右旋。 F血爪 7-17.一对斜齿轮的齿数为Zi=21,Z2=37,法向模数mn=3.5mm.若要求两轮的中心 距a=105mm,试求其螺旋角p。 解: 由a=m^得,cosP」5(27+37)=0.9667 2COSP2咒105 P=14.83° 7-19.一对锥齿轮传动,已知Zj=20,Z2=50,m=5mm,试计算两轮的主要几何尺寸及当量 齿轮数zv。 解: 右=h扣=m=5mm hf=(h: +cj=1.2m=6mm h=hjhf=11mm c=c"m=1mm ®=arctan(z,/z? )=21.8° §2=arctan(z2/z,)=68.2° 4=mz=100mm d2=mz2=250mm da1=d1+2haCOs61=109.3mm da2=d2+2hacos62=253.7mm df1=4-2hfcos§1=88.84mmdf2=d2-2hfco^^245.56mm R=1Jd;+d2=mJz: +z;=134.63mmb=VrR,=0.3R=40.39mm屮r=0.25-0.30f=arctang/R^2.550 dr=6+日f=24.35^ 每2=6+6=70.75° 勺〔=®-Of=19.25° 1=65.6弓 "z1 =21.54 cos6 =134.64 cos® 6f2=右2—日 7-21.图示蜗杆传动中,蜗杆均为主动件。 试在图中标出未注明的蜗杆或蜗轮的转向及螺旋线的旋向,在啮合点处画出蜗杆和蜗轮各分力的方向。 解: 题7-21图 7-24.为什么在圆柱齿轮传动中,通常取小齿轮齿宽bi》b2(大齿轮齿宽);而在锥齿轮传动中,却取b=b2? 解: 在圆柱齿轮传动中装配、制造都可能有轴向偏差。 如果等宽就有可能使接触线长度比齿宽要小(轴向有有错位)。 因此有一个齿轮应宽些以补偿可能的轴向位置误差带来的啮合长度减小的问题。 加宽小轮更省材料和加工工时。 在锥齿轮传动中,安装时要求两齿轮分度圆的锥顶重合,大端对齐,所以取 第八章 8-9.在图示轮系中,已知各轮齿数,试计算传动比ii4(大小及转向关系)。 5) 04 *34)"II I片一L- 头2(45) L3(30) 解: i14=n n4 Z2Z3Z445咒30^3412 2’的头数Z2=2(右旋),与蜗轮固连的 z1z2z^15X15X17 8-10.图示为一手动提升机构。 已知各轮齿数及蜗轮 鼓轮Q的直径do=0.2mm,手柄A的半径 rA=0.im。 当需要提升的物品W的重力 Fw=20kN时,试计算作用在手柄A上的力F (不考虑机构中德摩擦损失)。 1(20) 2' (2) 2(40) 3(120) ii3= Z2Z340x120/20 z1z^20^2 民dQ 解: F『A=Fw——©3 2 nH。 2-(30) 1(17} 0-31 mi试求钻头H的转速nH。 八2(30) 1(25) ii2 =n_=_至= n2Z1 一5口一竺r/min66 解: n2,-riHzz58x50 n^nHz3-z2-52x60250"c100“c61456—100"156n4=-52.41r/min .H i24 145"156第九章 9-1.带传动中的弹性滑动与打滑有什么区别? 对传动有何影响? 影响打滑的因素有哪些? 如何避免打滑? 解: 由于紧边和松边的力不一样导致带在两边的弹性变形不同而引起的带在带轮上的滑动,称为带的弹性滑动,是不可避免的。 打滑是由于超载所引起的带在带轮上的全面滑动,以避免的。 由于弹性滑动的存在,使得从动轮的圆周速度低于主动轮的圆周速度,使得传动效率降低。 影响打滑的因素有: 预紧力大小、小轮包角、当量摩擦因素。 避免打滑: 及时调整预紧力,尽量使用摩擦因素大的、伸缩率小的皮带,对皮带打蜡。 是可 9-3.试分析参数%、Di、ii2的大小对带传动的工作能力有何影响? 解: Di越小,带的弯曲应力就越大。 %的大小影响带与带轮的摩擦力的大小,包角太小容易打滑(一般取 a1>1200) ii2越大,单根V带的基本额定功率的增量就越大。 9-4.带和带轮的摩擦因数、包角与有效拉力有何关系? fa. e—1 解: Fee=2F0—>Fe,最大有效拉力Fee与张紧力F0、包角《和摩擦系数f有关, e+1 增大 F。 、a和f均能增大最大有效拉力Fee。 9-9.设计一由电动机驱动的普通V带减速传动,已知电动机功率P=7KW, 转速 ni=1440r/min,传动比b=3,传动比允许偏差为±5%,双班工作,载荷平稳。 解: 1.计算功率Pea 查表得,Ka=1.2,贝UFCa二KaP=1.2X7=8.4kW 2.选择带的截型 根据FCa=8.4kW和rn=1440r/min查图9-9选定A型带。 3.确定带轮的基准直径D禾口D2 参考图9-9和表9-3取小带轮的基准直径q=100mm,大带轮的基准直径 D2=ii2Di(1—S)=3X100X(1—0.01)=297mm。 查表取标准值D2=315mm。 i12=3.15满足条件。 4.验算带的速度v -兀(D2-DJ2 Ld俺2a+—(Dj+D2)+——— 24a 2 兀(315-100) =[2X800+-(100+315)+]mm=2266.33mm 24咒800 a沁+号=(800+2240;266.33)mm=786.84mm 6.验算小带轮上的包角«1 「冲8。 0-冒>™0=1800-還6等57.30十込讪合适) 7.带的根数z 根据表9-4a、b,当D=100mm,n1=1440r/min时,F0=1.32kW,当=3时,AR=0.17kW.查表 9-5得Ka=0.96;查表9-2得Kl=1.06.则带的根数为 取z=6 8.确定带的张紧力F。 根据表9-1查得q=0.10kg/m F0J00PCa(25一1)+qv2=[50^“空一1)+0.10"542]N=154.6Nzv6x7.540.96 9.计算压轴力Fq Fq=2zF0sin乞=2咒6x154.6咒sin164.34N=1837.9N 22 第十一章 11-1.常用的连接有哪些类型? 它们各有哪些优点? 各适用于什么场合? 解: 常用的连接有螺纹连接、键连接、销连接、铆钉连接、焊接、胶接、过盈配合连接以及型面连接等。 螺纹连接具有结构简单、装拆方便、连接可靠、互换性强等特点。 键连接具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点,在机械的轴类连接中应用。 销连接主要用于确定零件间的相互位置,并可传递不大的载荷,也可用于轴和轮毂或其他零 件的连接。 铆接具有工艺设备简单,工艺过程比较容易控制,质量稳定,铆接结构抗振、耐冲击,连接牢固可靠,对被连接件材料的力学性能没有不良影响等特点。 在承受严重冲击或剧烈振动载 荷的金属结构连接中应用。 焊接是具有结构成本低、质量轻,节约金属材料,施工方便,生产效率高,易实现自动化等特点。 主要应用在五拆卸要求的对受力要求不太高的场合。 胶接具有连接后重量轻,材料利用率高,成本低,在全部胶接面上应力集中小,抗疲劳性能 好,密封性和绝缘性好等特点。 主要用于应力要求不高,对密封性要求较高的场合。 11-6.在螺纹连接中,为什么要采
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