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机械设计计算题1、如图所⽰，某轴由⼀对7209 AC 轴承⽀承，轴承采⽤⾯对⾯安装形式。
已知两轴承径向载荷分别为F r1=3000N ，Fr2=4000N ，轴上作⽤有轴向外载荷A=1800N 。
载荷平稳，在室温下⼯作，转速n=1000r/min 。
该轴承额定动载荷C=29800N ，内部轴向⼒S=0.4Fr ，e=0.68，当量动载荷系数如下表所⽰。
试计算此对轴承的使⽤寿命。
（9分）答：内部轴向⼒⽅向如图所⽰（2分），S 1=0.4F r1=1200N (0.5分) S 2=0.4F r2=1600N (0.5分) 因为A+S 1>S 2 故 F a1=S 1=1200N (1分)F a2=S 1+A=3000N (1分)⽐较两轴承受⼒，只需校核轴承2。
F a2/F r2=0.75>e (1分) P=XF r2+YF a2=0.41*4000+0.87*3000=4250N (1分)5.5240)(601036==P C nL h (2分)2．图c 所⽰为⼀托架，20kN 的载荷作⽤在托架宽度⽅向的对称线上，⽤四个螺栓将托架连接在⼀钢制横梁上，螺栓的相对刚度为0.3，螺栓组连接采⽤普通螺栓连接形式，假设被连接件都不会被压溃，试计算: 1) 该螺栓组连接的接合⾯不出现间隙所需的螺栓预紧⼒F′⾄少应⼤于多少？（接合⾯的抗弯剖⾯模量W=12.71×106mm 3）（7分）2）若受⼒最⼤螺栓处接合⾯间的残余预紧⼒F′′要保证6956N ，计算该螺栓所需预紧⼒F ′、所受的总拉⼒F0。
（3分）1）（1）、螺栓组联接受⼒分析：将托架受⼒情况分解成下图所⽰的受轴向载荷Q 和受倾覆⼒矩M 的两种基本螺栓组连接情况分别考虑。
（2分）（2）计算受⼒最⼤螺栓的⼯作载荷F ：（1分） Q 使每个螺栓所受的轴向载荷均等，为)(50004200001N Z Q F ===倾覆⼒矩M 使左侧两个螺栓⼯作拉⼒减⼩；使右侧两个螺栓⼯作拉⼒增加，其值为：)(41.65935.22745.22710626412max2N l Ml F i i ===∑=显然，轴线右侧两个螺栓所受轴向⼯作载荷最⼤，均为： )(41.1159321N F F F=+=（3）根据接合⾯间不出现间隙条件确定螺栓所需的预紧⼒F ’：（4分）预紧⼒F ’的⼤⼩应保证接合⾯在轴线右侧不能出现间隙，即： 2）若F ’’ =6956N ，则：（3分）3、简述蜗杆传动的正确啮合条件。
题1—5 计算题1—5图所示机构的自由度（若有复合铰链，局部自由度或虚约束应明确指出）,并标出原动件。
题1—5图题解1—5图解题分析: 图中C处为3杆形成的复合铰链；移动副M与F导路互相平行，其之一为虚约束；图示有6个杆和10个转动副（I、J、G、L及复合铰链K和H）形成虚约束。
解答：1．机构的自由度：2．选AB杆为原动件。
题2-1在图示铰链四杆机构中，已知l BC=100mm，l CD=70mm，l AD=60mm，AD为机架。
试问：（1）若此机构为曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，求l AB的最大值；（2）若此机构为双曲柄机构，求l AB 最小值； （3）若此机构为双摇杆机构，求l AB 的取值范围。
解题分析：根据铰链四杆机构曲柄存在条件进行计算分析。
在铰链四杆机构中，若满足杆长条件，以最短杆或最短杆相邻的杆为机架，机构则有曲柄，否则无曲柄；若不满足杆长条件，无论取哪个构件为机架，机构均为无曲柄，即为双摇杆机构。
解答：1．因为AD 为机架，AB 为曲柄，故AB 为最短杆，有AD CD BC AB l l l l +≤+，则m m30)1006070(=-+=-+≤BC AD CD AB l l l l故 mm30max =AB l2．因为AD 为机架，AB 及CD 均为曲柄，故AD 杆必为最短杆，有下列两种情况：若BC 为最长杆，则 m m100=<BC AB l l ，且AB CD BC AD l l l l +≤+，则m m90m m )7010060(=-+=-+≥CD BC AD AB l l l l得 m m 100m m 90≤≤AB l若AB 为最长杆，则m m100=>BC AB l l ，且BC CD AB AD l l l l +≤+，故m m110m m )6070100(=-+=-+≤AD CD BC AB l l l l得m m 110m m 100≤≤AB l故m m 90min =AB l3．如果机构尺寸不满足杆长条件，则机构必为双摇杆机构。
1、一对正常齿标准直齿圆柱齿轮传动。
小齿轮因遗失需配制。
已测得大齿轮的齿顶圆直径,4082mm d a =齿数1002=Z ，压力角︒=20α，两轴的中心距mm a 310=，试确定小齿轮的：①模数m 、齿数1Z ；②计算分度圆直径1d ； ③齿顶圆直径1a d ④基节b P 。
解：（1）模数m 与1z （6分）m h z d a a )2(22*+=将mm d a 4082=，2z ＝100带入解得：m=4 )(21)(212121mz mz d d a +=+=将m=4，2z ＝100，a=310mm 带入求得：551=z（2）分度圆直径：mm mz d 22055411=⨯== （3分）（3）齿顶圆直径：11(2)(552)4228a a d z h m mm *=+=+⨯=（3分）（4）基节：mm m p p b 8.1120cos 414.3cos cos =⨯⨯=== απα（3分）2、V 带传动传递的功率P=7.5kW ，平均带速v=10m/s ，紧边拉力是松边拉力的两倍（F 1=2F 2）。
试求紧边拉力F 1，有效圆周力Fe 和预紧力F 0。
解：有效圆周力：N v P Fe 750105.710001000=⨯== （2分） 紧边拉力：N F F F F F Fe 1500115.0121=⇒-=-= （4分） 预紧力：N F F F F F 1125)15.01(21)21(210=+=+= （4分） 3、如图所示轮系中，已知各齿轮齿数为：13520z z z ===，24640z z z ===，7z =100。
求传动比17i ，并判断 1ω 和7ω 是同向还是反向？解、图中1、2、3、4轮为一定轴轮系（1分）。
4、5、6、7轴构成一周转轮系（1分）。
所以： 212414413(1)4n z z i n z z ==-=（4分） 周转轮系中，6为系杆（1分） 所以：56757756(1)5H H H n n z z i n n z z -==-=--（4分） 2314657又因为4H n n =，15n n =（1分）联立方程可以得到：117710n i n ==（2分）1ω与7ω方向相同（1分）5、在下图所示铰链四杆机构中，各杆的长度分别为： l AB = 25 mm , l BC = 55 mm , l CD = 40 mm , l AD = 50 mm , AD 为机架。
一、计算图所示振动式输送机的自由度。
解：原动构件1绕A 轴转动、通过相互铰接的运动构件2、3、4带动滑块5作往复直线移动。
构件2、3和4在C 处构成复合铰链。
此机构共有5个运动构件、6个转动副、1个移动副，即n ＝5，l p ＝7，h p ＝0。
则该机构的自由度为F =h lp p n --23=07253-⨯-⨯=1二、在图所示的铰链四杆机构中，设分别以a 、b 、c 、d 表示机构中各构件的长度，且设a ＜d 。
如果构件AB为曲柄，则AB 能绕轴A 相对机架作整周转动。
为此构件AB 能占据与构件AD 拉直共线和重叠共线的两个位置B A '及B A ''。
由图可见，为了使构件AB 能够转至位置B A '，显然各构件的长度关系应满足c bd a +≤+ （3-1） 为了使构件AB 能够转至位置B A ''，各构件的长度关系应满足c ad b +-≤)(或b a d c +-≤)(即c db a +≤+ （3-2）或b d c a +≤+ （3-3）将式(3-1)、(3-2)、(3-3)分别两两相加，则得 同理，当设a ＞d 时，亦可得出得c d≤b d ≤a d ≤分析以上诸式，即可得出铰链四杆机构有曲柄的条件为：（1）连架杆和机架中必有一杆是最短杆。
（2）最短杆与最长杆长度之和不大于其他两杆长度之和。
上述两个条件必须同时满足，否则机构中便不可能存在曲柄，因而只能是双摇杆机构。
通常可用以下方法来判别铰链四杆机构的基本类型： （1）若机构满足杆长之和条件，则： ① 以最短杆为机架时，可得双曲柄机构。
② 以最短杆的邻边为机架时，可得曲柄摇杆机构。
③ 以最短杆的对边为机架时，可得双摇杆机构。
（2）若机构不满足杆长之和条件则只能获得双摇杆机构。
三、 k =12v v =121221t C C t C C =21t t =21ϕϕ=θθ-︒+︒180180即k =θθ-︒+︒180180 θ=11180+-︒k k式中k 称为急回机构的行程速度变化系数。
1.一队外啮合齿轮标准直齿圆柱挂齿轮传动，测得其中心距为160mm.两齿轮的齿数分别为Z1=20，Z2=44，求两齿轮的主要几何尺寸。
2.设计一铰链四杆机构，已知其摇杆CD的长度为50mm，行程速比系数K=1.3。
3.有一对标准直齿圆柱齿轮，m=2mm，α=200，Z=25，Z2=50，求（1）如果n1=960r/min，n2=？（2）中心距a=？（3）齿距p=？4.一对标准直齿圆柱齿轮传动，已知两齿轮齿数分别为40和80，并且测得小齿轮的齿顶圆直径为420mm，求两齿轮的主要几何尺寸。
5.某传动装置中有一对渐开线。
标准直齿圆柱齿轮（正常齿），大齿轮已损坏，小齿轮的齿数zz1=24，齿顶圆直径da1=78mm, 中心距a=135mm, 试计算大齿轮的主要几何尺寸及这对齿轮的传动比。
6.图示轮系中，已知1轮转向n1如图示。
各轮齿数为：Z1=20，Z2=40，Z3= 15，Z4=60，Z5=Z6= 18，Z7=1（左旋蜗杆），Z8 =40，Z9 =20 。
若n1 =1000 r/min ，齿轮9的模数m =3 mm，试求齿条10的速度v10 及其移动方向（可在图中用箭头标出）。
7.已知轮1转速n1 =140 r/min，Z1=40，Z2=20。
求：（1）轮3齿数 Z3；（2）当n3 = -40 r/min时，系杆H的转速n H 的大小及方向；（3）当n H= 0 时齿轮3的转速n3。
8.一轴由一对7211AC的轴承支承，Fr1=3300N, Fr2=1000N, Fx=900N, 如图。
试求两轴承的当量动载荷P。
(S=0.68Fr e=0.68 X=0.41,Y=0.87)9．已知一对正确安装的标准渐开线正常齿轮的ɑ=200，m=4mm，传动比i12=3，中心距a=144mm。
试求两齿轮的齿数、分度圆半径、齿顶圆半径、齿根圆半径。
10.设计一铰链四杆机构。
已知摇杆CD的长度为75mm,行程速比系数K=1.5,机架长度为100mm,摇杆的一个极限位置与机架的夹角为450。
四、计算图示机构的自由度（若图中含有复合铰链、局部自由度和虚约束等情况时，应具体指出）。
（每题5分）1、F=3n-2P L-P H=3×4-2×5-1=1 E、F之一为虚约束2、F=3n-2P L-P H=3×7-2×10-0=13、F=3n-2P L-P H=3×7-2×9-2=1 B是局部自由度，E是复合铰链F=3n-2P L-P H=3×5-2×7-0=1 E是虚约束5、F=3n-2P L-P H=3×6-2×8-1=1 D是局部自由度，E、F之一是虚约束6、F=3n-2P L-P H=3×7-2×9-1=2 A是局部自由度，J、K之一是虚约束F=3n-2P L-P H=3×4-2×5-1=1 B是局部自由度8、F=3n-2P L-P H=3×5-2×7-0=19、F=3n-2P L-P H=3×7-2×9-1=2F是局部自由度，E、E’之一是虚约束F=3n-2P L-P H=3×5-2×7-0=1 最上两移动副之一是虚约束11、某车间技术改造需要选配一对标准直齿圆柱齿轮，已知主动轴的转速n1=400r/min，需要从动轴转速n2=100r/min，两轮中心距a=100mm，齿数z1≥17，试确定这对齿轮的模数和齿数以及各齿轮的齿顶圆、分度圆尺寸。
（10分题）解：i=n1/n2=400÷100=4所以z2=4z1因 a=m(z1+z2)/2=5mz1/2=100又因z1≥17，所以mz1=40所以取m=2，z1=20，则z2=80d1=mz1=2×20=40mm，da1=m(z1+2)=2×(20+2)=44mmd2=mz2=2×80=160mm，da2=m(z2+2)=2×(80+2)=164mm已知z1=z2=z3’=z4=20,又齿轮1、3、3’、5在同一轴线上，均为标准齿轮传动，n1=1440r/min。
机械设计基础公式计算例题文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）一、计算图所示振动式输送机的自由度。
解：原动构件1绕A 轴转动、通过相互铰接的运动构件2、3、4带动滑块5作往复直线移动。
构件2、3和4在C 处构成复合铰链。
此机构共有5个运动构件、6个转动副、1个移动副，即n ＝5，l p ＝7，h p ＝0。
则该机构的自由度为F =h l p p n --23=07253-⨯-⨯=1二、在图所示的铰链四杆机构中，设分别以a 、b 、c 、d 表示机构中各构件的长度，且设a ＜d 。
如果构件AB 为曲柄，则AB 能绕轴A 相对机架作整周转动。
为此构件AB 能占据与构件AD 拉直共线和重叠共线的两个位置B A '及B A ''。
由图可见，为了使构件AB 能够转至位置B A '，显然各构件的长度关系应满足c b da +≤+ （3-1）为了使构件AB 能够转至位置B A ''，各构件的长度关系应满足c ad b +-≤)(或b a d c +-≤)(即c d b a +≤+（3-2）或b d c a +≤+（3-3）将式(3-1)、(3-2)、(3-3)分别两两相加，则得 同理，当设a ＞d 时，亦可得出得c d ≤b d ≤a d ≤分析以上诸式，即可得出铰链四杆机构有曲柄的条件为： （1）连架杆和机架中必有一杆是最短杆。
（2）最短杆与最长杆长度之和不大于其他两杆长度之和。
上述两个条件必须同时满足，否则机构中便不可能存在曲柄，因而只能是双摇杆机构。
通常可用以下方法来判别铰链四杆机构的基本类型： （1）若机构满足杆长之和条件，则： ① 以最短杆为机架时，可得双曲柄机构。
② 以最短杆的邻边为机架时，可得曲柄摇杆机构。
③ 以最短杆的对边为机架时，可得双摇杆机构。
（2）若机构不满足杆长之和条件则只能获得双摇杆机构。
三、 k =12v v =121221t C C t C C =21t t =21ϕϕ=θθ-︒+︒180180即k =θθ-︒+︒180180 θ=11180+-︒k k式中k 称为急回机构的行程速度变化系数。
四、从动件位移s 与凸轮转角ϕ之间的关系可用图表示，它称为位移曲线(也称ϕ-S 曲线)位移曲线直观地表示了从动件的位移变化规律，它是凸轮轮廓设计的依据凸轮与从动件的运动关系五、凸轮等速运动规律⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫======000dtdv a hS hv v ϕϕωϕ常数从动件等速运动的运动参数表达式为 等速运动规律运动曲线 等速运动位移曲线的修正六、凸轮等加等减速运动规律（抛物线运动规律）等加等减速运动曲线图七、凸轮简谐运动规律（余弦加速度运动规律）简谐运动规律 简谐运动规律运动曲线图 八、压力角凸轮机构的压力角⎭⎬⎫⋅=⋅=ααcos sin n Y n X F F F F 法向力可分解为两个分力压力角的检验九、B 型V 带传动中，已知：主动带轮基准直径d1=180mm ，从动带轮基准直径d2=180mm ，两轮的中心距α=630mm ，主动带轮转速1n 1 450 r/min ，能传递的最大功率P=10kW 。
试求：V 带中各应力，并画出各应力1σ、σ2、σb1、σb2及σc 的分布图。
附：V 带的弹性模量E=130~200MPa ；V 带的质量q=0.8kg/m ；带与带轮间的当量摩擦系数fv=；B 型带的截面积A=138mm2；B 型带的高度h=10.5mm 。
解题要点：V 带传动在传递最大功率时，紧边拉力F1和松边拉力F2的关系符合欧拉公式，即F1/F2=551.0≈=πe eaf v 。
带速sm n d /67.13100060145018010006011=⨯⨯⨯=⨯=ππυ有效圆周力 NPF e 73267.131010001000=⨯==υV 带中各应力：紧边拉应力63.613891511===A F σ MPa离心力 6.3367.1318.022=⨯==υq F e N离心拉应力24.01386.33===A F c c σ MPa弯曲应力92.91805.1017011=⨯==d h Eb σ MPa最大应力 55.16)92.963.6(11max =+=+≈b σσσ MPa 各应力分布如图所示。
十、设计一铣床电动机与主轴箱之间的V 带传动。
已知电动机额定功率P = 4 kW ，转速nl = 1 440 r/min ，从动轮转速n2 =440 r/min ，两班制工作，两轴间距离为500 mm 。
解：十一、已知一对标准直齿圆柱齿轮传动，齿数z1=20，传动比i=3，模数m=6mm ，25.0,1**==c h a 。
试计算两齿轮的分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、齿距、齿厚及中心距。
解：该齿轮传动为标准直齿圆柱齿轮传动，按表7-2所列公式计算如下： 由12z z i =得，6020312=⨯==iz z分度圆直径 mm mm mz d 12020611=⨯==齿顶圆直径 mm mm m h z d a a 1326)1220()2(*11=⨯⨯+=+= 齿根圆直径mmmm m c h z d a f 1056)25.021220()22(**11=⨯⨯-⨯-=--=齿距 mm mm m p 85.186=⨯==ππ齿厚mmmm m s s 42.962221=⨯===ππ中心距mm mm m z z a 24062)6020(2)(21=⨯+=+=十二、试设计一级直齿圆柱齿轮减速器中的齿轮传动。
已知传递功率P1=10kW ，主动轮转速n1=970r/min ，传动比i=，电动机驱动，载荷平稳，单向运转。
解 一般用途的减速器，常采用软齿面钢制齿轮。
（1）选择齿轮材料并确定许用应力 根据表7-9，小齿轮采用45钢调质，齿面硬度取240HBW ，大齿轮采用45钢正火，硬度取190HBW ；由图7-29查得1lim H σ=580MPa ，2lim H σ=540MPa ；由图7-30查得1lim F σ=230MPa ，2lim F σ=220MPa ；由表7-10取SHmin=1，SFmin=1，则由式（7-19）、（7-20）得（2）按齿面接触疲劳强度设计计算 由于是软齿面闭式齿轮传动，齿轮的主要参数应按齿面接触强度确定。
传递转矩T1：T1=m N mm N n P ⋅=⋅⨯⨯=⨯98454)970101055.9(1055.96116载荷系数K ：因载荷平稳，齿轮相对于轴承对称布置，由表7-6取K= 齿宽系数d ϕ：由表7-7取d ϕ=1许用接触应力[]H σ：[]1H σ=[]2H σ=540MPa 传动比i: i=将以上参数代入式（7-16）[]()31211671i i KT d d H ϕσ+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≥=mm mm 05.6104.41)104.4(984542.1)540671(32=⨯+⨯⨯ （3）确定齿轮参数及主要尺寸1）齿数 取z1=29，则16.1172904.412=⨯==iz z ，取z2=117。
2）模数 mm mm z d m 1.2)2905.61(11===，取标准值m=2.5mm 。
3）中心矩 标准中心矩 mm mm z z m a 5.182)11729(25.2)(221=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯=+= 4）其它主要尺寸 分度圆直径： 齿顶圆直径：齿宽：mm mm d b d 5.72)5.721(1=⨯==ϕ，取b2=72mm ，mm b b 8277105(21～）～=+=，取b1=80mm（4）验算齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数YFS ：由x=0（标准齿轮）及z1、z2，查图7-28得YFS1=，YFS2=，则弯曲强度足够。
（5）确定齿轮传动精度 齿轮圆周速度查表7-4、表7-5，确定为9级。
（6）齿轮结构设计小齿轮 da1=77.5mm ，尺寸较小，采用齿轮轴。
大齿轮 da2=297.5mm ，采用腹板式齿轮。
十三、设计螺旋输送机传动装置中单级减速器的一对标准斜齿圆柱齿轮传动。
已知传递功率P 1=7kW ，主动轮转速n 1=550r/min ，i=4，电动机驱动，载荷有轻微冲击。
解：（1）选择齿轮材料并确定许用应力根据表7-9，大、小齿轮均采用45钢调质，齿面硬度分别为240HBW 、200HBW ；由图7-29、图7-30查得：MPa H 5801lim =σ、、MPa F 2401lim =σ 、MPa H 5602lim =σMPa F 2202lim =σ；取S Hmin =1，S Fmin =1。
则（2）按齿面接触疲劳强度设计计算 传递转矩T 1：mm N mm N n P T •=•⨯⨯=⨯=121550)55071055.9(1055.961161 载荷系数K ：因载荷有轻微冲击，齿轮相对于轴承对称布置，由表7-6取K= 齿宽系数d ϕ：由表7-7取d ϕ= 许用接触应力[][][]MPa H H H 5602==σσσ： 将以上参数代入式 （7-37） （3）确定齿轮参数及主要尺寸 1）齿数 取z 1=23，z 2=iz 1=4×23=92 2）模数 初选螺旋角 15=β，则法向模数 取标准值m n =2.5mm 3）中心距标准中心距 mm mm z z m a n 82.148)15cos 2)9223(5.2(cos 2)(21=⨯+⨯=+=β 为了便于箱体的加工和测量，取a=150mm ，则实际螺旋角 在8°～25°范围内，合适。
4）其他主要尺寸 分度圆直径：mm mm z m d mm mm z m d n n 00.2405978.16cos 925.2cos 00.605978.16cos 235.2cos 22111=⨯===⨯== ββ齿顶圆直径：mmmm m d d mm mm m d d n n a 245)5.22240(265)5.2260(22211=⨯+=+==⨯+=+=齿宽：mm mm d b d 72)602.1(1=⨯==ϕ，取b 2=72mm （4）验算齿根弯曲疲劳强度当量齿数z v ：53.1045978.16cos 92cos 13.265978.16cos 23cos 33223311======ββz z z z v v复合齿形系数Y FS ：根据z v1、z v2查图7-28得Y FS1=，Y FS2= 弯曲强度足够。
（5）确定齿轮传动精度 齿轮圆周速度 s m s m n d v /56.4/1000605506010006011=⨯⨯⨯=⨯=ππ（6）齿轮结构设计 小齿轮d a1=65mm ，尺寸较小，采用齿轮轴（工作图略）；大齿轮d a2=245mm ，采用腹板式齿轮，其结构尺寸由经验公式确定，设计大齿轮配合处的轴径d=60mm十四、如图中，已知1n ＝960min r ，转向如图，各齿轮的齿数分别为1z ＝20，2z ＝60，'2z ＝45，3z ＝90，'3z ＝30，4z ＝24，5z ＝25。
