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

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　　《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？

各阶段的主要内容是什么？

1-4常见的零件失效形式有哪些？

　　1-5什么是疲劳点蚀？

影响疲劳强度的主要因素有哪些？

1-6什么是磨损？

分为哪些类型？

　　1-7什么是零件的工作能力？

零件的计算准则是如何得出的？

1-8选择零件材料时，应考虑那些原则？

　　1-9指出下列材料牌号的含义及主要用途：

Q275、40Mn、40Cr、45、ZG310－570、QT600－3。

　　第2章现代设计方法简介

　　2-1简述三维CAD系统的特点。

　　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本思想。

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有哪些？

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是什么？

　　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之间的区别和联系。

3-2平面机构具有确定运动的条件是什么3-3运动副分为哪几类？

它在机构中起何作用？

3-4计算自度时需注意那些事项？

　　3-5机构运动简图有何用途？

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，并计算机构的自度。

　　3-7试绘制图示缝纫机引线机构的运动简图，并计算机构的自度。

　　3-8试绘制图示冲床刀架机构的运动简图，并计算机构的自度。

　　3-9试判断图a、b、c所示各构件系统是否为机构。

若是。

　　1

　　判定它们的运动是否确定。

　　3-10计算图a、b、c、d、e、f所示各机构的自度，如有复合铰链、局部自度、或虚约束请指出。

并判定它们的运动是否确定。

　　2

　　第4章平面连杆机构

　　4-1四杆机构的急回特性是何含义？

什么条件下机构才具有急回特性？

4-2什么是四杆机构的死点？

试举出几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举例说明铰链四杆机构的三种演化方法。

　　4-5如图所示，已知AD=250mm；BC=265mm；CD=110mm；AB=60mm，且是主动件。

试确定：

⑴该铰链四杆机构的类型；⑵该机构的行程速比系数K。

　　4-6分析图示偏置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置。

　　4-7如图所示，已知铰链四杆机构各杆长度，试问：

⑴是铰链四杆机构中的哪种基本机构；

　　⑵若AB是原动件，在图中画出此机构最小传动角出现的位置；

　　3

　　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°，且CD的长度500mm，AD的长度是1000mm。

试用图解法求曲柄AB和连杆BC的长度？

　　4-9试用图解法设计一自动上料机所用的偏置曲柄滑块机构，如图所示。

要求曲柄主动时，行程速比系数K=，被推运的工件的长度l=40mm，初选偏距e=20mm，工作行程最大压力角为αmax=45°。

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。

　　4-10试用图解法设计一摆动导杆机构，已知机架长度为50mm，行程速比系数K=2，求曲柄的长度。

4-11试用图解法设计曲柄摇杆机构ABCD。

已知摇杆CD长度是75mm，行程速比系数K=，机架AD长度为100mm。

摇杆的一个极限位置与机架间的夹角∠CDA=45°。

　　4-12已知某操纵装置采用图示铰链四杆机构，要求两连架杆的对应位置为υ1=45°，ψ1=50°；υ2=80°。

　　ψ2=70°；υ3=120°，ψ3=110°。

试用解析法确定各杆的长度。

　　4

　　第5章凸轮机构

　　5-1凸轮机构常用的四种从动件运动规律中，哪种运动规律有刚性冲击？

哪种运动规律有柔性冲击？

哪种运动规律没有冲击？

　　5-2在图示偏置直动从动件盘形凸轮机构中，已知AB段为凸轮推程廓线，试在图上标出推程运动角δt。

　　5-3已知从动件升程h=30mm，δt=150o，δs=30o，δh=120o，δs′=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－t、v2－t和a2－t。

　　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ω1顺时针方向回转，偏距e=10mm，凸轮基圆半径r0=60mm，滚子半径rT=10mm，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廓并校核推程压力角。

　　5-5已知条件同题5-4，试用解析法通过计算机辅助设计求凸轮理论轮廓和实际轮廓上各点的坐标值，推程压力角的最大值αmax，并打印凸轮轮廓。

　　5-6在图示自动车床控制刀架移动的滚子摆动从动件凸轮机构中，已知lOA=60mm，lAB=36mm，r0=35mm，rT=8mm。

从动件的运动规律如下：

当凸轮以角速度ω1逆时针方向回转150o时，从动件以简谐运动向上摆15o；当凸轮自150o转到180o时，从动件停止不动；当凸轮自180o转到300o时，从动件以简谐运动摆回原处；当凸轮自300o转到360o时，从动件又停止不动。

试绘制凸轮轮廓。

　　5-7试设计一平底直动从动件盘形凸轮机构。

已知凸轮以等角速度ω1逆时针方向回转，凸轮的基圆半径r0=40mm，从动件升程h=20mm。

　　δt=120o，δs=30o，δh=120o，δs′=90o，从动件在推程和回程均作简谐运动。

试绘出凸轮的轮廓。

　　5-8用作图法求图示中各凸轮从图示位置转过45o后机构的压力角α，并在图上标注出来。

　　5

　　第6章齿轮机构

　　6-1渐开线齿轮上哪一圆的压力角为标准值？

哪一圆的压力角最小？

一般所说压力角是指哪个圆上的压力角，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，m3=3mm，z3=60；m4=mm，z4=40；试问:

　　⑴哪些齿轮的渐开线形状相同？

⑵哪些齿轮可以配对正确啮合？

⑶哪些齿轮可用同一把滚刀切制？

　　6-3斜齿轮和锥齿轮的当量齿轮以及当量齿数是如何定义的，其意义何在？

　　6-4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？

能否用分度圆直径之比表示其传动比？

为什么？

6-7为何要引入蜗杆直径系数q

　　6-8有一对外啮合正常齿标准直齿圆柱齿轮机构，已知：

m=mm，a=mm，i=。

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厚。

　　6-9一对外啮合的标准直齿圆柱齿轮的小齿轮丢失，现测得大齿轮：

z2=52，da2=135mm，m=mm，a=mm。

试确定这对齿轮的齿制以及小齿轮的齿数和齿顶圆直径，以便配制。

　　6-10标准直齿圆柱齿轮机构中的一对齿轮，已知模数mn=2mm，α=20，z1=20，z2=40，若安装中心距a=61mm，试问

　　⑴这对齿轮是否属于标准安装？

　　⑵此时，节圆半径与分度圆半径、啮合角与压力角是否相等？

　　6-11用齿条插刀切制一直齿圆柱齿轮。

已知被加工齿轮轮坯的角速度ω1=5rad/s，刀具的移动速度为m/s，刀具的模数m=10mm，压力角α=20，试问：

　　⑴被加工齿轮的齿数z1=

　　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啮合标准斜齿圆柱齿轮z1=33，z2=66，m=5mm。

试问：

⑴若标准中心距a=250mm，试求螺旋角β、分度圆直径d和齿顶圆直径da；⑵若不改变模数和齿数，能否将这对齿轮装在中心距为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，z1=23，z2=98，mn=4mm，试计算

　　6

　　其螺旋角、端面模数、端面压力角、当量齿数、分度圆直径、齿顶圆直径和齿根圆直径。

　　6-14已知一对正常齿制等顶隙收缩的渐开线标准直齿圆锥齿轮，轴交角Σ=90，z1=17，z2=43。

　　m=3mm，试求两轮的分度圆锥角、分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、锥顶距、齿顶角、齿根角、顶锥角、根锥角和当量齿数。

　　6-15已知蜗杆机构的参数如下：

蜗杆头数z1=2，蜗杆直径系数q=8，蜗轮齿数z2=46，模数m=8mm。

试计算该蜗杆机构的传动比i、中心距a及蜗杆和蜗轮的主要尺寸。

　　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τ=表示什么意义为什么运动特性系数必须大于零而小于1五个槽的单销槽轮机构的运动特性系数τ等于多少

　　7-3已知槽轮的槽数z=6，拨盘的圆销数K=1，转速n=60r/min，求槽轮的运动时间td和静止时间tj。

7-4设计一槽轮机构，要求槽轮机构的运动时间等于停歇时间，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，已知槽数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τ及所需的圆销数K。

　　第8章联接

　　8-1试比较普通螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹的特点，各举一例说明它们的应用。

　　8-2螺纹的自锁性和效率各与哪些因素有关？

　　8-3试计算普通螺纹M20、M20×的螺纹升角；并说明在静载荷下这两种螺纹能否自锁。

　　8-4将承受轴向变载荷的联接螺栓的光杆部分的直径缩小，有什么好处？

8-5如图所示三块板用4个M10螺栓固定，若螺栓的性能等级为，装配时控制预紧力，接合面间的摩擦因数f=，求其允许的最大横向拉力F。

　　8-6如图所示为一拉杆螺纹联接，已知拉杆上的拉力F为50000N，载荷稳定，拉杆材料为Q235钢，试设计此联接。

　　8-7

　　一凸缘联轴器，允许传递的最大转矩T为1500Nm，材料为HT250。

半联轴器用4个M16铰制孔螺栓联接成一体，螺栓的性能等级为，试选取合适的螺栓长度，并校核其剪切和挤压强度。

如果改为M16的普通螺栓联接，已知螺栓的性能等级为，接合面的摩擦因数为，安装时不控制预紧力，试确定螺栓数。

　　8-8图8-23所示为一汽缸，缸盖和缸体用螺栓联接。

已知汽缸内气体压力p最大为MPa，缸盖和缸体均为钢制，汽缸内径D=180mm。

为了保证密封性要求，螺栓间距不得大于，试设计此联接并确定螺栓分布圆直径。

　　8-9受轴向载荷的紧螺栓联接，被联接件间采用橡胶垫片。

已知螺栓预紧力Q0=15000N，轴向工作载荷Qe=10000N，求螺栓所受的总拉

　　7

　　力和被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9-1a所示的千斤顶的螺杆和螺母的主要尺寸。

已知起重量最大为40kN，最大举起高度450mm，螺杆用45钢，螺母用铸铁。

　　第10章齿轮传动

　　10-1齿轮传动的主要失效形式有那些？

设计准则如何？

　　10-2齿宽系数的大小对齿轮传动有何影响？

模数和齿数对齿轮传动有何影响？

设计时应如何选取？

　　10-3齿形系数YF与哪些因素有关？

两个直齿圆柱齿轮的模数和齿数分别为m1=20mm，z1=20；m2=2mm，z2=20，其齿形系数是否相等？

　　10-4根据蜗杆传动的失效特点，设计时应如何选择蜗杆副材料？

10-5蜗杆传动为什么要进行热平衡计算？

　　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n1。

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n1′=2n1时，该齿轮传动能传递的功率P′为若干？

　　10-7有一直齿圆柱齿轮传动，允许传递功率P，若通过热处理方法提高材料的力学性能，使大小齿轮的许用接触应力[σH2]、[σH1]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：

　　有一直齿圆柱齿轮传动，允许传递功率P，若通过热处理方法提高材料的力学性能，使大、小齿轮的许用接触应力[σH2]、[σH1]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？

　　解公式

　　可知，抗疲劳点蚀允许的最大扭矩有关系：

　　设提高后的转矩和许用应力分别为T1’、[σH’]

　　当转速不变时，转矩和功率可提高69%。

　　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ZG310-570正火，P=4kW，n1=720r/min，m=4mm，z1=25，z2=73，b1=84mm，b2=78mm，单向传动，载荷有中等冲击，用电动机驱动，试问这对齿轮传动能否满足强度要求而安全工作。

　　解：

　　软齿面闭式齿轮传动应分别验算其接触强度和弯曲强度。

许用应力

　　查教材表11-1小齿轮45钢调质硬度：

210～230HBS取220HBS；大齿轮ZG270-500正火硬度：

140～170HBS，取155HBS。

　　查教材图11-7知

　　8

　　σHlim1=560MPa，σHlim2=335MPa查教材图11-10

　　σFlim1=180MPa,σFlim1=130MPa查教材表11-4取SH=，SF=故：

　　验算接触强度，验算公式为：

　　其中：

小齿轮转矩

　　查教材表11-3得,载荷系数K=齿宽b=b2=78mm中心距

　　齿数比u=z2/z1=73/25=

　　则：

σH＜[σH1],σH＜[σH2]，能满足接触强度。

验算弯曲强度，验算公式：

　　其中：

查教材图11-9得,齿形系数：

YF1＝,YF2＝则：

　　满足弯曲强度

　　9

　　10-9已知闭式直齿圆柱齿轮传动的传动比i=，n1=730r/min，P=30kW，长期双向转动，载荷有中等冲击，要求结构紧凑。

且z1=27，大小齿轮都用40Cr表面淬火，试计算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，设计方法是按弯曲强度设计，并验算其齿面接触强度。

　　许用弯曲应力

　　查教材表11-1，大小齿轮材料40Cr表面淬火硬度：

52～56HRC，取54HRC。

查教材图11-10得σFlim=320MPa，查材料图11-7得σHlim=1220MPa。

　　查教材表11-4SF=，SH=，

　　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%。

　　故

　　按弯曲强度设计，设计公式：

　　其中：

小齿轮转矩

　　查教材表11-3得，载荷系数K=取齿宽系数ψa=

　　齿数z2=iz1=×27=，取z2=124

　　齿数比u=z2/z1=124/27=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YF1＝

　　因此

　　取模数m=3mm

　　验算接触强度，验算公式：

　　其中：

中心距

　　齿宽取b=90mm

　　10

　　⑵当n1=n4时，nP=？

　　⑶当n1=10000r/min，n4=10001r/min时，nP=？

　　11-11在图示轮系中，已知z1=z4=40，z2=z5=30，z3=z6=100，求i1H。

　　11-12图示轮系中，已知z1=z3=16，z2=32，z4=80，z5=42，z6=z7=14，z8=46，求i18。

　　第12章带传动

　　12-1为什么在带传动中弹性滑动不可避免？

12-2V带传动的最大有效拉力Fec与哪些因素有关？

12-3简述造成带传动传动比不能保持恒定的原因。

　　12-4有一带式输送装置，其异步电动机和齿轮减速器之间用普通V带传动，电动机功率P=8kW，转速n1=960r/min，减速器输入轴的转速n2=360r/min，允许误差为±5%，运输装置工作时有轻度冲击，两班制工作，试设计此带传动。

　　12-5一普通V带传动，带的型号为B型，传递的功率P=9kW，带速v=11m/s，带与带轮间的摩擦因数f=，带在小轮上的包角α1=170°。

试求：

（1）传递的圆周力；

（2）紧边、松边拉力；（3）离心力在带中引起的拉力；（4）所需的初拉力；（5）压轴力。

　　12-6计算习题12-5的带传动中的各种应力以及最大应力。

　　第13章链传动

　　13-1链传动有那些特点，适用那些场合？

　　13-2链传动中小链轮齿数z1不能过少，大链轮齿数z2不能过多，其原因是什么？

13-3分析链传动工作时动载荷的大小与那些因素有关。

　　13-4用P=kW，n1=1450r/min的电动机，通过链传动驱动一液体搅拌机，载荷平稳，传动比i=3，试设计此链传动。

　　13-5选择并验算一输送装置用的传动链。

已知链传动传递的功率P=kW，主动链轮的转速n1=960r/min，传动比i=，工作情况系数KA=，中心距a≤650mm。

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　　第14章轴

　　14-1轴按承载性质的不同可分为哪三种？

　　14-2轴最常用的材料是什么？

如果优质碳素钢的轴刚度不足，改用合金钢能否解决问题？

14-3零件在轴上轴向固定的常见方法有哪些？

各有何特点？

14-4图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV轴是心轴、转轴、还是传动轴？

　　14-5已知一传动轴传递的功率为37kW，转速n=900r/min，如果轴上的扭切应力不许超过40MPa，试求该轴的直径？

　　14-6已知一传动轴直径d=32mm，转速n=1725r/min，如果轴上的扭切应力不许超过50MPa，问该轴能传递多大功率？

　　14-7图示的转轴，直径d=70mm，a=320mm，传递的转矩T=2350Nm，F=9200N。

若轴的许用弯曲应力[σ-1b]=80MPa，求长度x的大小。

　　14-8已知一单级直齿圆柱齿轮减速器，用电动机直接拖动，电动机功率P=22kW，转速n1=1470r/min，齿轮的模数m＝4mm，齿数z1=18，z2=82，若支承间跨距l=180mm，轴的材料用45号钢调质，试计算输出轴危险截面处的直径d。

　　14-9图示二级圆柱齿轮减速器。

已知高速级传动比i12=，低速级传动比i34=4。

若不计轮齿啮合及轴承摩擦的功率损失，试计算三根轴传递转矩之比，并按扭转强度估算三根轴的轴径之比。

　　14-10设计图示直齿圆柱齿轮减速器的输出轴。

已知该轴传递的功率P=11kW，转速n=225r/min，从动齿轮的齿数z2=72，模数m=4mm，轮毂宽度lh=70mm，选用直径系列为2的深沟球轴承，两轴承中心间距离为130mm。

　　14-11一钢制等直径直轴，只传递转矩T=4000Nm，许用切应力[=50MPa。

长度为1800mm，要求轴每米长的扭转角υ不超过。

试求该轴的直径。

　　14-12与直径Φ75mm实心轴等扭转强度的空心轴，其外径do=85mm，设两轴材料相同，试求该空

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　　心轴的内径di和减轻重量的百分率。

　　14-13图示为某减速器输出轴的装配结构图，指出图中1、2、3、4处结构错误，并绘制正确的结构草图。

　　第15章轴承

　　15-1滑动轴承的摩擦状态有几种？

各有什么特点？

　　15-2滑动轴承有哪些类型？

滑动轴承的结构型式有哪几种？

各适用在何种场合？

15-3对轴瓦轴承衬的材料有哪些基本要求？

15-4滚动轴承类型选择的基本原则有哪些？

　　15-5角接触轴承的内部轴向力是如何产生的，其方向如何判断？

大小如何计算？

角接触轴承为何通常成对使用？

　　15-6说明下列滚动轴承代号的意义。

　　6208　　N208/P6　　7207C　　30209/P5

　　15-7有一非液体摩擦径向滑动轴承，已知轴颈直径为100mm，轴瓦宽度为100mm，轴的转速为1200r/min，轴承材料为ZCuSn10P1，试问它允许承受多大的径向载荷？

　　15-8已知某支承采用非液体摩擦径向滑动轴承，轴承所受径向载荷Fr=25000N，轴颈直径d=90mm，轴的转速为n=r/min，材料为ZCuZn38Mn2Pb2，试设计此滑动轴承。

　　15-9已知下列轴承承受的径向载荷Fr和轴向载荷Fa，试计算当量动载荷。

N207轴承，Fr=3553NFa=0；6215轴承，Fr=6500NFa=1100N；30313轴承，Fr=8700NFa=5310N。

　　15-10某机械传动装置中，已知轴承型号是6312，轴承所受径向载荷Fr=5400N，轴向载荷Fa=2600N，轴的转速n=1250r/min，运转中有轻微冲击，预期寿命[Lh]=5000h，工作温度t

问该轴承是否适用？

　　15-11根据工作条件，某机械传动装置中，轴的两端各采用一个深沟球轴承，轴径d=35mm，转速n=20XXr/min，每个轴承承受径向载荷Fr=20XXN，常温下工作，载荷平稳，预期寿命[Lh]=8000h，试选轴承型号。

　　15-12根据工作条件，决定在某传动轴上安装一对角接触球轴承，如图所示。

已知两个轴承的载荷分别为Fr1=1470N，Fr2=2650N，外加轴向载荷Ka=1000N，轴颈直径d=40mm，转速n=5000r/min，常温下运转，有中等冲击，预期寿命[Lh]=20XXh，试选轴承型号。

　　15-13根据工作条件，初步决定在轴的两端选用两个角接触球轴承7207AC，如图所示，轴颈直径d=35mm，工作中有中等冲击，转速n=1800r/min，已知Fr1=3390N，Fr2=1040N，轴向载荷Ka=870N，试计算其工作寿命。

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