機械設(shè)計基礎(chǔ)課后答案(陶平)

第2章習題2-5計算題2-5圖所示各機構(gòu)的自由度。并指出圖中的復合鉸、局部自由度和虛約束。BACDE解答：a)n=7;P=10;P=0，F(xiàn)=37-210=1b)n=7;Pl=10;Ph=0，F(xiàn)=37-210=1C處存在復合鉸鏈lhEBCDAc)n=3;P=3;P=2，F(xiàn)=33-23-2=1d)n=4;Pl=5;Ph=1，F(xiàn)=34-25-1=1D處存在局部自由度，lhHEGCDIFABHCG'DEJBAFGe)n=6;P=8;P=1，F(xiàn)=36-28-1=1f)n=9;Pl=12;Ph=2，F(xiàn)=39-212-2=1C處存在局部自由度B處存在局部自由度，G或G'處存在虛約束,，I處存在復合鉸鏈,lh第3章習題3-3題3-3圖所示鉸鏈四桿機構(gòu)中，已知BC=100mm，CD=70mm，AD=60mm，AD為機架。試問：（1）若此機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)，且AB為曲柄，求AB的最大值；（2）若此機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)，求AB最小值；（3）若此機構(gòu)為雙搖桿機構(gòu)，求AB的取值范圍。CBDA題3-3圖解：（1）根據(jù)題意：AB為最短桿，且滿足桿長之和條件，即：AB+BC≤CD+AD，得：AB≤30mm，AB桿最大值為30mm。（2）若此機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)，那么AD一定為最短桿，即：AD+BC≤CD+AB，得：AB≥90mm，AB桿最小值為90mm。（3）若此機構(gòu)為雙搖桿機構(gòu)，則可判定該機構(gòu)不滿足桿長之和條件，分三種情況討論:其一：AB是最短桿，則有：AB+BC＞CD+AD，得：60＞AB＞30；其二：AB不是最短桿也不是最長桿，則AD為最短桿，有：AD+BC＞AB+CD，得：90＞AB＞60；其三：AB是最長桿，則有:AD+AB＞BC+CD，得：AB＞110，又為了滿足該機構(gòu)能成為一個四桿機構(gòu)，需保證：AB＜BC+CD+AD=230，即230＞AB＞110。綜上所述，AB的取值范圍為：AB∈(30,90)∪(110,230)。3-4題3-4圖所示四桿機構(gòu)簡圖中，各桿長度為a=30mm，b=60mm，c=75mm，d=80mm，試求機構(gòu)的最大傳動角和最小傳動角、最大壓力角和最小壓力角、行程速比系數(shù)。（用圖解法求解）題3-4圖解：＝[41.65°,108.63°]=[41.65°,71.37°]=41.65°1)minα＝90°-41.65°=48.1°max＝90°;α＝0maxmin∵θ=17.62°;∴行程速比系數(shù)K＝1.212)3-5題3-5圖所示的四桿機構(gòu)中，各桿長度為a=25mm，b=90mm，c=75mm，d=100mm，試求：1)若桿AB是機構(gòu)的主動件，AD為機架，機構(gòu)是什么類型的機構(gòu)？---曲柄搖桿機構(gòu)2)若桿BC是機構(gòu)的主動件，AB為機架，機構(gòu)是什么類型的機構(gòu)？---雙曲柄機構(gòu)3)若桿BC是機構(gòu)的主動件，CD為機架，機構(gòu)是什么類型的機構(gòu)？---雙搖桿機構(gòu)題3-5圖3-7如題3-7圖所示的曲柄滑塊機構(gòu)：（1）曲柄為主動件，滑塊朝右運動為工作行程，試確定曲柄的合理轉(zhuǎn)向，并簡述其理由；（2）當曲柄為主動件時，畫出極位夾角，最小傳動角min。（3）設(shè)滑塊為主動件，試用作圖法確定該機構(gòu)的死點位置；BB′BCCAAB2θ題3-7B圖1B〞解：（1）曲柄應(yīng)為順時針轉(zhuǎn)動，理由可從下兩方面說明：a)順時針轉(zhuǎn)動，滑塊朝右運動慢，向左返回運動快，即機構(gòu)工作行程速度慢，回行程速度快，具有急回特性。b)順時針轉(zhuǎn)動，則在工作行程中，機構(gòu)的壓力角比較小，傳力特性好；（2）極位夾角如圖θ角；B′處有工作行程最小傳動角min；當曲柄最小傳動角min：當曲柄AB位于最上方AB位于最下方B〞處有回行程最小傳動角min。（3）滑塊為主動件時，機構(gòu)的死點位置：在曲柄與連桿共線的B1和B2兩個位置處。第4章習題4-8在題4-8圖所示的對心直動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)中，凸輪的實際廓線為一圓，圓心在點A，半徑R=40mm，凸輪繞軸心O逆時針方向轉(zhuǎn)動，LOA=25mm，滾子半徑為10mm，試求：①凸輪的理論廓線；②凸輪的基圓半徑；③從動件行程；④圖示位置的壓力角。解：（1）理論廓線：在實際廓線上畫一系列滾子圓，連接圓心而成。（2）凸輪的基圓半徑指理論廓線的最小向徑：r0=40-25+10=25mm。（3）從動件行程最大向徑減去最小向h=40+25-15=50mm。（4）壓力角如圖徑：α所示。4-9一對心直動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)，已知基圓半徑r0=50mm，滾子半徑rT=10mm，凸輪逆時針等速轉(zhuǎn)動。凸輪轉(zhuǎn)過140°，從動件按簡諧運動規(guī)律上升30mm；凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過40°時，從動件保持不動。在回程中，凸輪轉(zhuǎn)過120°時，從動件以等加速等減速運動規(guī)律返回原處。凸輪轉(zhuǎn)過其余60°時，從動件保持不動。試繪出其從動件位移曲線，并用圖解法設(shè)計凸輪的輪廓曲線。4-13畫出題4-13圖所示凸輪機構(gòu)中凸輪基圓,在圖上標出凸輪由圖示位置轉(zhuǎn)過60°角時從動件的位移和凸輪的壓力角。=OA2-OA1所示；壓力角如解：（a）對心直動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)：從動件上升，位移如圖中h圖α所示；（b）對心直動平底從動件盤形凸輪機構(gòu)：從動件下降，位移如圖中h所示；壓力角α=0°；（c）擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)：從動件與機架之間的夾角減小，角位移為：ψ0—ψ1；壓力角如圖α所示。vψF0FααhA1vA2ψ1α=0°h題4-13圖第5章習題5-2已知一正常齒制標準直齒圓柱齒輪z=26，模數(shù)m=3mm，=20°，h*a=1,試分別求出分度圓、基圓、齒頂圓上漸開線齒廓的曲率半徑和壓力角。rmz/2326/239mm解:分度圓半徑rrcos39cos2036.7mm基圓半徑:brrh*m391342mm齒頂圓半徑aar2r239236.7213.33mm分度圓上漸開線齒廓的曲率半徑:漸開線齒廓的壓力角齒廓的曲率半徑為b分度圓上0；壓力角0?；鶊A上漸開線bb齒頂圓上漸開線齒廓的曲率半徑:r2r242236.7220.5mmaabrbr36.742:arccosarscos29.24齒頂圓上漸開線齒廓的壓力角aa5-3已知一對外嚙合齒標準直齒圓柱齒輪的標準中心距a=160mm，齒數(shù)z=20，齒數(shù)1z2=60，求模數(shù)和分度圓直徑。解:由可得模數(shù)分度圓直徑5-6試根據(jù)漸開線特性說明一對模數(shù)相等，壓力角相等，但齒數(shù)不等的漸開線標準直齒圓柱齒輪，其分度圓齒厚、齒頂圓齒厚和齒根圓齒厚是否相等？哪一個較大？模數(shù)相等、壓力角相等的兩個齒輪，分度圓齒厚相等。解:但是齒數(shù)多的齒輪分度圓直徑大，所以基圓直徑就大。根據(jù)漸開線的性質(zhì)，漸開線的形狀取決于基圓的大小，基圓小,則漸開線曲率大,基圓大，則漸開線越趨于平直。因此，齒數(shù)多的齒輪與齒數(shù)少的齒輪相比，齒頂圓齒厚和齒根圓齒厚均為大值。5-9已知一對外嚙合正常齒制標準斜齒圓柱齒輪傳動的中心距a=250mm，法面模數(shù)、mn=4mm，法面壓力角n=20°，齒數(shù)z=23，z2=98，試計算該對齒輪的螺旋角、端面模數(shù)1分度圓直徑、齒頂圓直徑和齒根圓直徑。解:因螺旋角端面模數(shù)分度圓直徑:齒頂圓直徑:齒根圓直徑:5-10試設(shè)計一對外嚙合圓柱齒輪，已知z1=21，z2=32，mn=2mm，實際中心距為55mm，2）若采用標準斜齒圓柱齒輪傳動來d、d2和節(jié)圓直徑d′、d2′各為若問：（1）該對齒輪能否采用標準直齒圓柱齒輪傳動？（滿足中心距要求，其分度圓螺旋角、分度圓直徑干？111）不能。若采用標準直齒圓柱齒輪傳動，其中心距()53mm，與所給實際中解：（amzz122心距不相等。（2）斜齒輪中心距a()，所以mzz()mzz故15.49870.9636cos12n12n2cos2a分度圓直徑為：，dmz/cos66.42mmdmz/cos43.59mm1n12n2標準斜齒齒輪傳動，未采用變位，其節(jié)圓與分度圓重合，故：，d。2dd2d11第6章習題6-1在題6-6圖所示的輪系中，已知各輪齒數(shù)為：1z＝20，z＝40，z＝20，z＝30，z'2'323＝20，z＝32，z＝40，試求傳動比i。4515zzzz2345zzzzi156123'4題6-6圖6-7在題6-7圖所示輪系中，已知齒輪1轉(zhuǎn)向如圖所示，n1=405r/min。各輪齒數(shù)為：zz2i(1)傳動比；(2)齒輪6的轉(zhuǎn)速n6的大16z1==4=20，z2=z3=z5=30，z4=z6=60，試求：小及轉(zhuǎn)動方向。解：(1)此為定軸輪系，先判定方向，首末兩輪轉(zhuǎn)izzzzzzzz13.5246zzz23456zzzzz1612412345（2）nn/i30r/min61166-9在題6-9圖所示的一手搖提升裝置中，已知各輪齒數(shù)，試求傳動比i15，并指出提升重物時手柄的轉(zhuǎn)向。解：此為定軸輪系，先判定方向，提升重物時，齒輪5逆時針轉(zhuǎn)動；蝸輪4順時針轉(zhuǎn)動，在嚙合點處受力與速度向上，則蝸桿在嚙合點處受力向下，又蝸桿右旋，對蝸桿用右手定則，判定其轉(zhuǎn)動方向為由右指向左；錐齒輪2'方向向上；最后得出齒輪1方向向上。izzzz577.815傳動比：zzzz123423456-10題6-10圖(a)、(b)分別為兩個不同結(jié)構(gòu)的錐齒輪周轉(zhuǎn)輪系，已知z1=20，z2=24，z2=30，z3=40，n1=200r/min，n3=-100r/min。試求兩輪系中行星架H的轉(zhuǎn)速nH的大小和方向。nHnnzzi31.6n600r/min；，代入已知數(shù)據(jù)得：H解：(a)H1311HH2nnzznH3312nHnnzz(b)iH131.63zzn15.4r/min。H，代入已知數(shù)據(jù)得：1H1H2nnn233H16-11在題6-11圖所示的手動葫蘆中，A為手動鏈輪，B為起重鏈輪。已知z1=12，z2=28，z2'=14，z3=54，求傳動比iAB。解：齒輪1與手動鏈輪A相連，系桿H與起重鏈輪B相連，傳動比iAB即為求i1H。掛鉤不動，此為周轉(zhuǎn)輪系中的行星輪系（中心輪3固定），求可看作機架。其轉(zhuǎn)化輪系的傳動比為：nnnnn3zz39H1H3iH1H2nzz132H1n0將代入得：iAB=i1H=10。3z6,6-12在圖6-12所示的電動三爪自定心卡盤傳動輪系中，設(shè)已知各輪的齒數(shù)為1zz25z57z56，，，試求傳動比i14。3243224解：該輪系為3K-H型周轉(zhuǎn)輪系，固定系桿H，轉(zhuǎn)化為定軸輪系。2H對1-2-3-H可得：i1iH1z310.51z1H131對3-2-2'-4-H可得：zzi1iH1312zz564H4324ii10.5(56)5881H1HH4所以i1414H4輪1與輪4轉(zhuǎn)向相反。注：此題有多種解法，請思考。第8章習題8-1機械零件的主要失效形式是什么？相應(yīng)的計算準則是什么？8-2簡述機械零件設(shè)計的一般步驟。8-3按應(yīng)力隨時間的變化關(guān)系，交變應(yīng)力分為幾種？許用應(yīng)力和極限應(yīng)力有什么不同？8-4什么是鋼？什么是鑄鐵？碳素鋼的力學性能主要取決于什么？如何劃分高碳鋼、中碳鋼、低碳鋼？8-5在機械設(shè)計中，常用的材料有哪些？8-6鋼、鑄鐵和銅合金等材料的牌號是怎樣表示的？說明下列材料牌號的含義及材料的主要用途：Q235，45，40Cr，65Mn，20CrMnTi，ZG310-570，HT200，QT500-7，ZCuSn10P1，ZCuAl10Fe3。第9章習題9-1試計算M20、M20×1.5螺紋的升角，并通過計算指出哪種螺紋的自鎖性較好。由教材表9-1、表9-2查得解:d18.376mmM20，粗牙，螺距P2.5mm，中徑2P2.5arctanarctand23.1418.3762.48螺紋升角dd10.02619.026mmM201.5，細牙，螺距P1.5mm，中徑2P1.5arctanarctand23.1419.0261.44螺紋升角對于相同公稱直徑的粗牙螺紋和細牙螺紋，細牙螺紋的升角較小，更易實現(xiàn)自鎖。9-8解1）選用C型平鍵，查教材表9-7，由軸的直徑d=52mm可得平鍵的截面尺寸，；由輪轂寬度初估鍵的長度L＝70－（5～10）＝60～65，由平鍵長度系列，取鍵的標準長度L＝63mm。2）驗算平鍵的擠壓強度由材料表9-8查得，鑄鐵的許用擠壓應(yīng)力（按靜載荷考慮）C型鍵的工作長度l＝L－b／2＝63－8＝55mm4T440010356MPadhl521055pp則該平鍵擠壓強度合格。其標記為：鍵C16×63GB1096-2003如用A型平鍵：鍵的工作長度l＝L－b＝63－16＝47mm66MPap4T4400103dhl521047p則鍵擠壓強度合格。其標記為：鍵16×63GB1096-2003如用B型平鍵：鍵的工作長度l＝L＝63mm48MPap4T4400103dhl521063p則鍵擠壓強度合格。其標記為：鍵B16×63GB1096-2003第10章習題10-8如圖所示為二級斜齒圓柱齒輪減速器，已知主動軸的轉(zhuǎn)速和斜齒輪“4”的螺旋線方向（圖示）。為使得II軸所受的軸向力較小，試分析確定：（1）其余斜齒輪的合理螺旋線方向；4（2）各齒輪在嚙合點所受各分力的方向。解：根據(jù)I軸的轉(zhuǎn)向，畫出（1）齒輪4為右旋，齒輪3為左旋，對2所受的軸向力的方向應(yīng)1所受的軸向力的方向應(yīng)向右，對齒輪1用左2為左旋。如圖所示。II軸和III軸的轉(zhuǎn)向如圖。3用左手定則，III軸2判斷其軸向力方向向右，則齒輪Fr3向左，齒輪Ft3Fa3右手定則判斷出其應(yīng)為右旋，則齒輪II軸（2）如圖標出了齒輪圓周力1和齒輪3的受力，包括徑向力、Fr1Fa13和軸向力；齒輪2和齒輪4的受力分別與1、3各力成反Ft1I軸力，大小相等，方向相反，圖中簡化未標出。（自己補（主1上）題10-8圖一直齒圓錐齒輪—斜齒圓柱齒輪傳動系統(tǒng)如圖所示。已知主動軸的轉(zhuǎn)速，為使得II軸10-9所受的軸向力較小，試分析確定：（1）斜齒輪的合理螺旋線方向；（2）各齒輪在嚙合點所受各分力的方向。解：（1）根據(jù)左(由小端指向大端)，則斜齒輪4為左旋。如圖所示。（2）如圖標出了齒輪1、齒輪2和齒輪I軸的轉(zhuǎn)向，畫出2所受的軸向力的方向向3所受的軸向力的方向應(yīng)向右，對齒輪3用左右手定則判斷II軸和III軸的轉(zhuǎn)向如圖。錐齒輪出其應(yīng)為右旋，則齒輪3的受力，齒輪4各力與3成反力，圖中簡化未標出。4I軸（主動）III軸Fr2Ft1Fr3Fr1Fa2Fa31Fa1Ft2Ft3II軸23題10-9圖10-11設(shè)計一用于帶式運輸機上的單級齒輪減速器中的斜齒圓柱齒輪傳動。已知：傳遞功率P=10kW，轉(zhuǎn)速n=1450r/min，n=340r/min，允許轉(zhuǎn)速誤差為±3%，電動機驅(qū)動，單向旋等沖擊。要求使用壽命10年，每年按300工作日計，每日工作8小時（不111轉(zhuǎn)，載荷存在中要）。解：分析：通用機械一般齒輪傳動，按軟齒面閉式齒輪傳動設(shè)計。設(shè)計準則：按接觸強度設(shè)計，然后驗算其彎曲強度（1）材料及許用應(yīng)力查教材表10-1、表10-2：小齒輪45鋼調(diào)質(zhì)，硬度：197～286HBS；大齒輪45鋼正火，硬度：156～217HBS。查教材表10-1：Hlim1550~620MPa（書上有誤）；Hlim2350~400MPa查教材表10-1：；410~480MPa；FE2280~340MPaFE1S1，S1.25查教材表10-3：按一般可靠度，取HF6001Hlim1S600MPa故：H1H380Hlim2380MPa1H2SHFE1450360MPa1.25F1SFFE1320256MPa1.25F2SF（2）按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，其設(shè)計公式：u12KTZZEZ2dmm1H31udH其中：小齒輪轉(zhuǎn)矩：10T9.55101P9.55106.5910Nmm664n14501傳動比：i=n1/n2=1450/340=4.26515初定齒輪精度為：8級；初取載荷系數(shù)查教材表10-4得K1.2~1.60.8~1.4查教材表10-8，按對稱布局，取d齒寬系數(shù)Zcos0.983齒數(shù)比u=4.265；查表10-5：Z189.8;標準齒輪Z=2.5；HE600380,1.23380代入設(shè)計公式許用應(yīng)力：H2min,1.23H2minH122H467MPa則：21.56.591044.2651189.82.50.9924260.64.265d311.1467取中心距a(1i)d159.3;圓整為a=160mm21m確定模數(shù)：模數(shù)mn=(0.007~0.02)a=1.12～3.2mm;取n=2.5mmzz2acos和i由1z2z確定齒數(shù)：2mn1得：z1=23.4,取z1=23,則z2=98,則i=98/23=4.26實nn145023340.31r/minz1z演算：實際的轉(zhuǎn)速：98212n340.31340100%0.09%3%,可行3402m(zz)19.03arccos精確螺旋角n122amz2.52360.82,mz2.598259.18dcos2d1n1n2coscos19.03cos19.03（3）驗算其齒根彎曲疲勞強度：z1323zcos319.0327.22小齒輪當量齒數(shù)cosv1z2398z當量齒數(shù)v2cos319.03116大齒輪cosY2.57;Y2.1672查教材表10-6得：1FFY1.60;Y1.817s1s2bd1.160.8266.9d1取b1=75,b2=672KTYY21.56.59102.571.60479.8MPa1F1s1bdm6760.822.5F1F11nYY2.1671.81779.876.4MPa2.571.60F2F2s2YYF2F1F1s1滿足彎曲強度。dn60.8214504.6r/min10.6r/min601000驗算:由表10-7V（4）精度11601000則8級精度等級可用（5）計算主要幾何尺寸：mz2.52360.82,mz2.598259.18d1d2n1n2coscos19.03coscos19.03da1d12ha60.8222.565.82mmda2d22ha259.1822.5264.18mmadd2(60.82259.18)/2160mm12（6）結(jié)構(gòu)設(shè)計：略第11章習題11-2如題11-2圖所示，蝸桿主動，T20，4，2，d50mm，蝸Nmmmmz111輪齒數(shù)z50，傳動的效率0.75。試確定：（1）蝸輪的轉(zhuǎn)向；（2）蝸桿與蝸輪上作用21力的大小和方向。題11-2圖11-4題11-4圖所示為某手動簡單起重設(shè)備，按圖示方向轉(zhuǎn)動蝸桿，提升重物G。試確定：（1）蝸桿與蝸輪螺旋線方向；（2）蝸桿與蝸輪上作用力的方向；（3）若蝸桿自鎖，反轉(zhuǎn)手柄使重物下降，求蝸輪上作用力方向的變化。（1）重物上升，即蝸輪2為順時針轉(zhuǎn)動，即1用左右手定則判斷出其應(yīng)為右旋，則蝸輪3）若蝸桿自鎖，反轉(zhuǎn)手柄使重物下降，蝸輪2所受到的圓周力的方向向右，則蝸桿1解：所受的軸向力的方向應(yīng)向左，對蝸桿2也為右旋。（2）蝸桿與蝸輪上作用力的方向如圖所示。（上的作用力：徑向力方向不變，圓周力和軸向力方向與原來相反。Fr2Ft1Ft2Fa1Fa2Fr1題11-4圖11-5如題11-5圖所示為蝸桿傳動和錐齒輪傳動的組合，已知輸出軸上的錐齒輪1）欲使Ⅱ軸所受軸向力互相抵消一部分，試確定蝸桿傳動的螺旋線方向和蝸桿的轉(zhuǎn)2）各輪嚙合點處所受作用力的方向。4的轉(zhuǎn)向，（向；（解：（1）根據(jù)III軸的轉(zhuǎn)向，小端指向大端)，則蝸輪2所受的軸向力的方向應(yīng)向右，即蝸桿1應(yīng)為2的轉(zhuǎn)動方向1的軸向力方向向1用左右手定則判斷出其應(yīng)為右旋，則蝸輪畫出II軸的轉(zhuǎn)向如圖。錐齒輪1所受的圓周力方向向左，2的圓周力方向3所受的軸向力的方向向左(由根據(jù)主反從同，則蝸桿逆時針轉(zhuǎn)動；又根據(jù)蝸輪知蝸輪向內(nèi)，則蝸桿。I（2）如圖標出外，對蝸桿3也為右旋了蝸桿1和錐齒輪3的受力，其余齒輪受力簡化未標出，自己補上。Fa1Ft1Fr1Fa3Ft3Fr3題11-5圖第12章習題第13章習題13-1說明下列型號軸承的類型、尺寸系列、結(jié)構(gòu)特點、公差等級及其適用場合。6005，N209/P6，7207C，30209/P5。解:6005：深溝球軸承，窄寬度，特輕系列，內(nèi)徑d承受徑向載荷，也可承受一定的軸向載荷；可用于高速傳動。25mm，普通精度等級（0級）。主要N209/P6：圓柱滾子軸承，窄寬度，輕系列，內(nèi)徑d45mm，6級精度。只能承受徑向載荷，適用于支承剛度大而軸承孔又能保證嚴格對中的場合，其徑向尺寸輕緊湊。7207C：角接觸球軸承，窄寬度，輕系列，內(nèi)徑d35mm，接觸角15，鋼板沖壓保持架，普通精度等級。既可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷，適用于高速無沖擊,一般成對使用，對稱布置。30209/P5：圓錐滾子軸承，窄寬