机械设计作业集9答案

《机械设计作业集》（第三版）解题指南西北工业大学机电学院2008.7前言本书是高等教育出版社出版、西北工业大学濮良贵、纪名刚主编《机械设计》（第八版）和李育锡主编《机械设计作业集》（第三版）的配套教学参考书，其编写目的是为了帮助青年教师使用好上述两本教材，并为教师批改作业提供方便。

本书对《机械设计作业集》（第三版）中的大部分作业题给出了参考解答。

对于设计计算类题，由于选材、取值等的不同，会得出不同的解答，这类题的设计计算方法可参考《机械设计》教材中的例题，本书略去解答。

本书是机械设计课程教师的教学参考书，也可供自学机械设计课程的读者和考研学生参考。

《机械设计作业集》已经使用多年，希望广大教师将使用中发现的问题和错误、希望增加或删去的作业题、以及对《机械设计作业集》的改进建议告知编者（电子信箱：****************），我们会认真参考，努力改进。

本书由李育锡编写，由于编者水平所限，误漏之处在所难免，敬请广大使用者批评指正。

编者2008.7目录第三章机械零件的强度 (1)第四章摩擦、磨损及润滑概述 (5)第五章螺纹连接和螺旋传动 (6)第六章键、花键、无键连接和销连接 (9)第七章铆接、焊接、胶接和过盈连接 (11)第八章带传动 (15)第九章链传动 (18)第十章齿轮传动 (19)第十一章蜗杆传动 (24)第十二章滑动轴承 (28)第十三章滚动轴承 (30)第十四章联轴器和离合器 (34)第十五章轴 (36)第十六章弹簧 (41)机械设计自测试题 (43)第三章机械零件的强度3—1 表面化学热处理；高频表面淬火；表面硬化加工；3—2 （3）；3—3 截面形状突变；增大；3—4 （1）；（1）；3—5 （1）；3－6 答：零件上的应力接近屈服极限，疲劳破坏发生在应力循环次数在 103～104范围内，零件破坏断口处有塑性变形的特征，这种疲劳破坏称为低周疲劳破坏，例如飞机起落架、火箭发射架中的零件。

一、填空题：1. 轴按所受载荷性质分类，只承受弯矩的称_______轴，只承受扭矩的称_____轴，承受弯矩和扭矩的称为_________轴。

2. 自行车载重量增大一倍，车轴上的滚动轴承寿命降低到原寿命的_________。

3. 滚动轴承外圈和座孔表面为________制配合，滚动轴承内圈与轴颈为_______制配合。

4. 滚动轴承的主要油润滑方式有 __________________、______________、________________________等。

（要求写出三种）二、判断对错：1. 只承受弯矩，而不承受扭矩的轴称为心轴。

三、选择题：把正确的选项代号填入（）中 (每小题2分, 共20分)1、滚动轴承的寿命计算公式ε)(PC L =中，ε值的大小与____________有关。

A.滚动体的大小B.滚动体的形状C.载荷的大小D.载荷的方向四、回答以下问题。

1. 指出图示轴系的结构错误，齿轮采用油润滑，轴承为脂润滑（用笔圈出错误之处，并注明错误名称，不要求改正）。

2. 下图为一对30307轴承正安装（面对面安装），已知左轴承受径向载荷F r1=4000N ，右轴承承受径向载荷F r2=4400N ，轴向载荷F A =3500N （方向自右向左），轴承转速n =2000r/min ，预期寿命[L h ]=10000h ，冲击载荷系数f d =1.1。

F F ear>时，已知F r1=2600N，F r2=1900N，F A=600 N，载荷系数f P=1.2。

试求：1）轴承的派生轴向力F d1、F d2，并图示方向；=0.41，Y=0.85；a=100 mm，p轴承额定动载荷C=615. kN，求危险轴承寿命。

注：F FSr =8.指出图示齿轮轴轴系的错误结构，并说明错误原因（轴承采用脂润滑，不要求改正）。

9.下图为一对30307轴承正安装（面对面安装），已知左轴承受径向载荷F r1=4000N，右轴承承受径向载荷F r2=4400N，轴向载荷F A=3500N（方向自右向左），轴承转速n=2000r/min，预期寿命L h=10000h，冲击载荷系数f p=1.1=0，当FFear>时，12.改正图示轴系的结构错误（需在答题册上画出正确的轴系装配图）。

机械设计测试题1.变应力可由产生，变应力特性可用等五个参数中的任意两个来描述。

2.一优质碳素结构钢零件，其σs=280N/mm2，σ-1=250N/mm2。

承受工作变应力σmax=155N/mm2，σmin =30N/mm2 。

零件的有效应力集中系数kεσ=0.81 β=0.95,σΦ=0.3 。

如取安全系数【S]=1.5。

σ =1.65 ,校核此零件的强度是否足够。

3.什么叫静载荷、变载荷、静应力和变应力？试举出一个机械零件在工作时受静载荷作用而产生变应力的例子。

4.通常典型的应力变化规律有哪几种？绝大多数转轴中的应力状态属于哪一种？机械零件的设计准则有哪些?5.何谓应力零件的静强度、疲劳强度影响是否相同？一钢制轴类零件受非对称循环稳定变应力作用，已知：最大工作应力σmax=250Mpa ，最小工作应力，σmin = -100MPa，有效应力集中系数k，绝对尺寸系数εσ=0.82，表面状态系数β=1,材料的σσ =1.5σs=650MPa，σ-1=460MPa,σ0=700MPa8平均应力折算系数b=820MPa,Φ=0.31。

试计算零件的静强度安全系数和无限寿命时的疲劳安全系σ数。

6.绘图说明对称应力和一般循环应力、脉动循环应力和一般循环应力的σmin、σmax、aσ、mσ，并说明r值的定义。

7.采用螺纹联接时，若被联接件的厚度较大，且材料较软，强度较低，但不需要经常拆卸的情况下，一般宜采用（）。

A、螺栓联接B、螺钉联接C、螺柱联接D、坚定螺钉联接9.温度升高时，润滑油的粘度（）。

A、随之升高B、随之降低C、保持不变D、可能升高也可能降低9、指出下列零件的主要失效形式:联接受横向工作载荷的普通螺栓；普通平键联接。

9.螺纹的螺旋升角愈小，螺纹的自10.螺纹的公称直径是指它的（）。

A、外径dB、中径dC、内径d112.联接螺纹常采用（）。

A、三角螺纹B、矩形螺纹C、梯形螺纹D、锯齿形螺纹13.图11-11所示一悬臂梁采用四个普通螺栓固定在立柱上，悬臂梁与立柱接触面间的摩擦系数f=0.15,试问：（1)单个螺栓所需的预紧力是多少？（可靠性系数K=1.2）？（2）该方案的螺栓布局是否合理？提出一种改进方案并作定量分析。

第三章 机械零件的强度习题答案3-1某材料的对称循环弯曲疲劳极限MPa 1801=-ζ，取循环基数60105⨯=N ，9=m ，试求循环次数N 分别为7 000、25 000、620 000次时的有限寿命弯曲疲劳极限。

[解] MPa 6.373107105180936910111=⨯⨯⨯==--N N ζζN M P a 3.324105.2105180946920112=⨯⨯⨯==--N N ζζN M P a 0.227102.6105180956930113=⨯⨯⨯==--N N ζζN 3-2已知材料的力学性能为MPa 260=s ζ，MPa 1701=-ζ，2.0=ζΦ，试绘制此材料的简化的等寿命寿命曲线。

[解] )170,0('A )0,260(C 012ζζζΦζ-=- ζΦζζ+=∴-121M P a33.2832.0117021210=+⨯=+=∴-ζΦζζ 得)233.283,233.283(D '，即)67.141,67.141(D '根据点)170,0('A ，)0,260(C ，)67.141,67.141(D '按比例绘制该材料的极限应力图如下图所示3-4 圆轴轴肩处的尺寸为：D =72mm ，d =62mm ，r =3mm 。

如用题3-2中的材料，设其强度极限σB =420MPa ，精车，弯曲，βq =1，试绘制此零件的简化等寿命疲劳曲线。

[解] 因2.14554==d D ，067.0453==d r ，查附表3-2，插值得88.1=αζ，查附图3-1得78.0≈ζq ，将所查值代入公式，即()()69.1188.178.0111k =-⨯+=-α+=ζζζq查附图3-2，得75.0=ζε；按精车加工工艺，查附图3-4，得91.0=ζβ，已知1=q β，则35.211191.0175.069.1111k =⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=q ζζζζββεK ()()()35.267.141,67.141,0,260,35.2170,0D C A ∴根据()()()29.60,67.141,0,260,34.72,0D C A 按比例绘出该零件的极限应力线图如下图3-5 如题3-4中危险截面上的平均应力MPa 20m =ζ，应力幅MPa 20a =ζ，试分别按①C r =②C ζ=m ，求出该截面的计算安全系数ca S 。

一、填空题：1. 轴按所受载荷性质分类，只承受弯矩的称_______轴，只承受扭矩的称_____轴，承受弯矩和扭矩的称为_________轴。

2. 自行车载重量增大一倍，车轴上的滚动轴承寿命降低到原寿命的_________。

3. 滚动轴承外圈和座孔表面为________制配合，滚动轴承内圈与轴颈为_______制配合。

4. 滚动轴承的主要油润滑方式有 __________________、______________、________________________等。

（要求写出三种）二、判断对错：1. 只承受弯矩，而不承受扭矩的轴称为心轴。

三、选择题：把正确的选项代号填入（）中 (每小题2分, 共20分)1、滚动轴承的寿命计算公式ε)(PC L =中，ε值的大小与____________有关。

A.滚动体的大小B.滚动体的形状C.载荷的大小D.载荷的方向四、回答以下问题。

1. 指出图示轴系的结构错误，齿轮采用油润滑，轴承为脂润滑（用笔圈出错误之处，并注明错误名称，不要求改正）。

2. 下图为一对30307轴承正安装（面对面安装），已知左轴承受径向载荷F r1=4000N ，右轴承承受径向载荷F r2=4400N ，轴向载荷F A =3500N （方向自右向左），轴承转速n =2000r/min ，预期寿命[L h ]=10000h ，冲击载荷系数f d =1.1。

F F ear>时，已知F r1=2600N，F r2=1900N，F A=600 N，载荷系数f P=1.2。

试求：1）轴承的派生轴向力F d1、F d2，并图示方向；=0.41，Y=0.85；a=100 mm，p轴承额定动载荷C=615. kN，求危险轴承寿命。

注：F FSr =8.指出图示齿轮轴轴系的错误结构，并说明错误原因（轴承采用脂润滑，不要求改正）。

9.下图为一对30307轴承正安装（面对面安装），已知左轴承受径向载荷F r1=4000N，右轴承承受径向载荷F r2=4400N，轴向载荷F A=3500N（方向自右向左），轴承转速n=2000r/min，预期寿命L h=10000h，冲击载荷系数f p=1.1=0，当FFear>时，12.改正图示轴系的结构错误（需在答题册上画出正确的轴系装配图）。

第三章 机械零件的强度p45习题答案3-1某材料的对称循环弯曲疲劳极限MPa 1801=-σ，取循环基数60105⨯=N ，9=m ，试求循环次数N分别为7 000、25 000、620 000次时的有限寿命弯曲疲劳极限。

[解] MPa 6.373107105180936910111=⨯⨯⨯==--N N σσN 3-2已知材料的力学性能为MPa 260=s σ，MPa 1701=-σ，2.0=σΦ，试绘制此材料的简化的等寿命寿命曲线。

[解] )170,0('A )0,260(C得)233.283,233.283(D '，即)67.141,67.141(D '根据点)170,0('A ，)0,260(C ，)67.141,67.141(D '按比例绘制该材料的极限应力图如下图所示 3-4 圆轴轴肩处的尺寸为：D =72mm ，d =62mm ，r =3mm 。

如用题3-2中的材料，设其强度极限σB =420MPa ，精车，弯曲，βq =1，试绘制此零件的简化等寿命疲劳曲线。

[解] 因2.14554==d D ，067.0453==d r ，查附表3-2，插值得88.1=ασ，查附图3-1得78.0≈σq ，将所查值代入公式，即查附图3-2，得75.0=σε；按精车加工工艺，查附图3-4，得91.0=σβ，已知1=q β，则 根据()()()29.60,67.141,0,260,34.72,0D C A 按比例绘出该零件的极限应力线图如下图3-5 如题3-4中危险截面上的平均应力MPa 20m =σ，应力幅MPa 20a =σ，试分别按①C r =②C σ=m ，求出该截面的计算安全系数ca S 。

[解] 由题3-4可知35.2,2.0MPa,260MPa,170s 1-====σσK Φσσ（1）C r =工作应力点在疲劳强度区，根据变应力的循环特性不变公式，其计算安全系数 （2）C σ=m工作应力点在疲劳强度区，根据变应力的平均应力不变公式，其计算安全系数第五章 螺纹连接和螺旋传动p101习题答案螺纹类型 特点应用普通螺纹 牙形为等力三角形，牙型角60o ，内外螺纹旋合后留有径向间隙，外螺纹牙根允许有较大的圆角，以减少应力留集中。

机械设计作业集参考答案（选择、填空题）第三章机械零件的强度一、选择题二、填空题3-16 最大应力法、安全系数法、σ ≤[σ] 、S ca≥[S]3-17 静、变3-18 疲劳失效、光滑区、粗糙区3-19无限寿命、有限寿命3-20复合（双向）、疲劳或静、复合（双向）、静3-21化学热处理、高频表面淬火、表面硬化加工3-22截面形状突变处、增大第四章摩擦、磨损及润滑概述二、填空题4-11摩擦、磨损及润滑4-12吸附4-13温度、压力4-14干摩擦、边界摩擦、液体摩擦4-15流动阻力4-16降低、降低4-17 高、低4-18齿轮齿面的胶合、齿轮齿面的磨损、齿轮齿面的点蚀4-19相对滑动的两表面间必须形成收敛的楔形间隙、相对速度，其运动方向必须使油由大端流进，小端流出、滑油必须有一定的粘度，且充分供油。

4-20最小厚度h min ≥ 许用油膜厚度[h]第五章螺纹连接二、填空题5-20 60°、联接、30°、传动5-21大、中、小5-22普通螺纹、米制锥螺纹、管螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹、锯齿形螺纹 5-23螺纹升角ψ 、牙型斜角β（牙侧角）5-24螺纹副间的摩擦阻力矩T 1 、螺母环形端面与被联接件（或垫圈）支承面间的摩擦阻力矩T 2 5-25 90、螺纹根部 5-26拉、扭切5-27 接合面间的摩擦力、预紧（拉伸、扭转）、接合面间的滑移、螺栓被拉断、铰制孔用螺栓抗剪切、剪切、挤压、螺杆被剪断、螺杆与孔壁接触面被压溃（碎） 5-28 F 0+FC b /（C b +C m ）、 F 0-FC m /（C b +C m ）、[]σπσ≤⨯=212314d F . 5-29螺栓、被联接件、螺栓的刚度、被联接件的刚度，同时适当增大预紧力 5-30弯曲5-31 摩擦、机械、其它（破坏螺纹副的关系）5-32 求出螺栓组中受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行强度计算5-33合理的确定联接结合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求每个螺栓和联接结合面间受力均匀，便于加工和装配、① 联接结合面设计成轴对称的简单几何形状；② 螺栓的布置应使各螺栓的受力合理；③螺栓的排列应有合理的间距、边距；④分部在同一圆周上螺栓数目应取成4、6、8等偶数 5-34 受载较大且经常装拆、调整或承受变载荷第六章 键、花键、无键联接和销联接一、选择题二、填空题6-11 普通平键、薄型平键、导向平键、滑键、普通平键、薄型平键、导向平键、滑键 6-12 B 型(方头)键 、键宽20mm 、公称长度80mm 6-13工作面压溃、工作面的过度磨损6-14两侧面、键与键槽侧面的挤压、间隙、上下两面、键的楔紧作用（摩擦力）传递转矩 6-15不6-16 1 、2、120°～130° 6-17小径 、齿形6-18 高、加工精度高，能用磨削的方法消除热处理引起的变形第七章 铆接、焊接、胶接和过盈连接一、选择题二、填空题7-4对接焊缝、角焊缝、同一平面内、不同一平面内 7-5剪切、拉伸第八章 带传动一、选择题二、填空题8-21 初拉力F0、摩擦系数f（当量摩擦系数f V）、小带轮包角 18-22紧边、松边拉应力（σ1、σ2）、离心拉应力σc、弯曲应力（σb1、σb2）、σmax=σ1+σc+σb1、紧边与小带轮接触处8-23 疲劳破坏、打滑、在不打滑的条件下，使带具有一定的疲劳强度和寿命8-24 1500、7508-25 安装张紧轮、调整中心距8-26小、小带轮包角小于大带轮包角8-27 高速、提高带传动的能力、工作平稳性好及起到过载保护的作用8-28计算功率、小轮转速8-29带两边的拉力差及弹性变形8-30带绕在带轮上的部分第九章链传动9-17内链板和套筒、外链板和销轴、滚子和套筒、套筒和销轴9-18越高、越大、越少9-19链的疲劳破坏、链条铰链的磨损、胶合、链条静力拉断、链板的疲劳强度9-20平均、瞬时9-21 A系列、链节距为25.4mm9-22 链节距、链速第十章齿轮传动二、填空题10-23 硬、韧、齿面硬度、HBS＜350、30~50、小齿轮的循环次数多、HB S≥350、HBS1 = HBS210-24调质、正火、渗碳淬火、整体淬火、表面淬火10-25 齿面点蚀、断齿、磨损、胶合10-26 节线附近靠近齿根、为单齿啮合区、摩擦力大润滑不良10-27 悬臂梁、模数m 、不相等10-28 赫芝、分度圆直径d1（中心距a）、不变10-29渐轮齿形状对弯曲应力的影响、齿数、C、A10-30脉动10-31对称、脉动循环、-300MPa 、300MPa，、010-32 斜齿轮的优点不能充分发挥、轴向力过大、8°~ 20°、中心距10-33第十一章蜗杆传动11-15 q =d1/m11-16γ≤ϕv11-17 m a1= m t2 = m，α a1 = α t2=α，γ1＝β211-18低、好、1、2、4、611-19合金钢、淬火、锡青铜11-20蜗轮、材料上，蜗轮采用青铜，强度差、结构上，蜗杆的齿是连续的，蜗轮的齿是独立的11-21 相同、导程角11-22 啮合摩擦损耗、轴承摩擦损耗、溅油损耗第十二章滑动轴承二、填空题12-15避免过度磨损、限制温升，避免胶合12-16 增大、减小12-17提高、提高、增加12-18 p≤[p] 、pv ≤[pv]、v ≤ [v]12-19 相对滑动的两表面间必须形成收敛的楔形间隙、有相对速度，其运动方向必须使油由大端流进，小端流出、润滑油必须有一定的粘度，且充分供油、h min≥[h]第十三章滚动轴承二、填空题13-16 N316/P6 、51316(2) 51316 、N316/P6(3) 6306 /P5 、51316(4) 6306 /P5(5) 3030613-17深沟球轴承的外圈边沿两端厚度一样，公称接触角为0；而角接触球轴承外圈边沿两端有厚薄之分，公称接触角不为0、深沟球轴承可以承受不大的双向轴向力，而角接触球轴承只可承受单向轴向力13-18疲劳寿命13-19静强度13-20 规律性非稳定的脉动循环、稳定的脉动循环13-21 双支点各单向固定（两端固定）、一支点双向固定，另一端支点游动（一端固定、一端游动）、两端游动支承（两端游动）13-22提高轴承的旋转精度、支承刚度、减小机器工作时轴的振动、在安装时用某种方法在轴承中产生并保持一轴向力，以消除轴承中的游隙13-23精度不同数值较小的负偏差、0、负值13-24为了防止灰尘、水、酸气和其它杂物进入轴承，并阻止润滑油流失、接触式密封（中低速）、非接触式密封（高速）、混合式密封（密封效果较好）第十四章联轴器和离合器14-11 变刚度、增大14-12 对中榫、铰制孔螺栓14-13齿顶制成球面，具有适当的顶隙和侧隙14-14 工况（计算力矩）、最大转速、轴孔直径14-15 破断式、嵌合式、摩擦式第十五章轴二、填空题15-13转、心、传动、转15-14 便于轴上零件安装定位、近似等强度15-15非对称循环15-16 对称、脉动15-17小于15-18 低速轴受到的转矩大得多15-19轴的强度、轴的刚度15-20轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴挡档圈、挡圈等、键、花键、过盈配合等15-21合理布置轴上零件的位置和改进轴上零件的结构以减小轴的载荷、改进轴的结构以减小应力集中、改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度15-22 改善轴的支承情况(减小跨距、改悬臂为简支、采用支承刚度大的轴承等)、增大轴的直径、采用空心轴、合理布置轴上零件的位置和改进轴上零件的结构以减小轴的载荷等。

机械设计作业集（答案）第五章螺纹一、简答题1.相同公称直径的细牙螺纹和粗牙螺纹有何区别?答普通三角螺纹的牙型角为60 º，又分为粗牙螺纹和细牙螺纹，粗牙螺纹用于—般连接，细牙螺纹在相同公称直径时，螺距小、螺纹深度浅、导程和升角也小，自锁性能好，适合用于薄壁零件和微调装置。

细牙螺纹的自锁性能好，抗振动防松的能力强，但由于螺纹牙深度浅，承受较大拉力的能力比粗牙螺纹差。

2.螺栓、双头螺柱、紧定螺钉连接在应用上有何不同?答(1)普通螺栓连接：被连接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。

装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装拆方便，可多个装拆，应用较广。

(2)精密螺栓（铰制孔螺栓）连接：装配间无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制配合铰制扎螺栓连接。

(3)双头螺柱连接：螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被连接件，另一端配以螺母，适于常拆卸而被连接件之一较厚时。

装拆时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被连接件中拧出。

(4)螺钉连接：适于被连接件之一较厚(上带螺纹孔)、不需经常装拆、受载较小的情况。

一端有螺钉头、不需螺母。

(5)紧定螺钉连接：拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。

可传递不大的轴向力或扭矩。

3.为什么多数螺纹连接都要求拧紧?预紧的目的是什么？答绝大多数螺纹连接在装配前都必须拧紧，使连接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用。

这个预先加的作蝴用力称为顶紧JJ力。

预紧的目的在于增强连接的紧密性和可靠性，以防止被连接件在受力后出现松动、缝隙或发生滑移。

4.连接用螺纹已经满足自锁条件，为什么在很多连接中还要采取防松措施?答; 对于一般单线螺纹，螺旋升角小于螺旋副的当量摩擦角，本身能满足自锁条件，但是在冲击、振动或变载荷作用下，螺旋副摩擦力可能减小或瞬时消失，多次反复作用后，就可能松脱。

另外，在温度大幅度变化的情况下，反复的热胀冷缩，也会造成松脱。