第十五章 螺纹连接
15-12、已知气缸的工作压力在00.5a MP 之间变化。汽缸内径500mm D =，汽缸盖螺栓
数目为16，结合面间采用铜皮石棉垫片。试计算汽缸盖螺栓直径。
s 2
2
600.50.510981754
498175
613616
16
1.59204Q Q
D F P F F F F F σσππ?=
=
??==
=
=''===b 解：由于气缸盖螺栓连接需满足气密性、强度等要求，并要求具有足够的疲劳强度。按表选定螺栓强度级别、材料及其主要力学性能如下：
6.8级、45钢、=600MPa 、=480MPa 。汽缸最大荷载N 单个螺栓连接的工作载荷N 有紧密形要求的连接，残余锁紧力
N
单个螺栓受的最大载荷
))111
12
1
12
920461361534013480
1603
12.6mm
mm 20.8153400.861361s
F F S S
d M d c c c c F F F c c σσ''+=+===
=≥
==='=-?=0N 计算静强度，取安全系数，故许用拉应力：
[]=
MPa 螺栓直径
查标准确定标准螺栓尺寸：16内径=13.835螺栓疲劳强度校核：相对刚度、选石棉垫片+锁紧力 =-+022
2
101
04311534010431
2455213.835150.331mm 44
1534010431
16.3272150.331
a 0.87 1.251192
[]1[]3 3.9
a m u a a F F d A F F A K K S K σ
ππσσσεσσ-'--==?==='--===????=
=
=?-1B N 螺栓拉力变化幅 N
2螺栓危险截面积螺栓应力幅MPa
螺栓材料疲劳极限=0.32=0.32600=192MP 许用应力幅
7.8460.87 1.251[]316.327<[]17.846m u a a a K K S εσσ======∴MPa
其中：、、、（控制预紧力）疲劳强度校核：MPa MPa 疲劳强度安全
15-13、一托架用6个铰制孔用螺栓与钢柱相连接，作用在托架上的外载荷4
510Q F N =?。
就图15-48所示的三种螺栓组布置形式，分析哪一种布置形式螺栓受力最小。
(
)1221050000
6
3002309435Q Q Q
S Q Q F F F F F F Tr F F r r F ?===+smax 解：外载荷向螺栓组对称中心简化，则各螺栓组受横向力和旋转力矩300。
三组螺栓组的受力情况可知：三组螺栓所受由横向力引起的工作剪力都 为=
=
=8333N 。
6而各组所受旋转力矩300作用的效果却不同。
螺栓受的最大力为：（a ）=
N 螺栓
受的总载荷最大16
2
max 63
6
222
0.612=30600300150()61503
60.5250006300()
4(150+75)27511
s Q Q Q Q b s Q Q Q F F F F Tr
b F r
F F F F F F Tr C F ==?=
=?==+===
=?+?∑∑amax smax 2
i=1
smax smax 2i
i=1
N
=
螺栓受的总载荷最大N =
r
总受力max 3max max 0.56128050b c s Q Q b c F F F F F F =====< 螺3和4最大 N 所以（）组布置的螺栓受力最大螺栓所受力最小， 4 3 2 1 6 5 1 1 2 2 3 4 6 15-14、图15-49是由两块板焊成的龙门式起重机导轨托架。两块边板各用4个螺栓与立柱（工字钢）相连接，支架所承受的最大载荷为20000N,使设计： （1）、采用普通螺栓连接（靠摩擦传力）的螺栓直径d; （2）、采用铰制孔用螺栓连接（靠剪切传力）的螺栓直径d，设已知螺栓的 为。 MP []28a 4 1 2 3 63 16 22max 20, 203006102010 2.588 7.07812R R s s s F T F F r Tr F r F α==?=??=========解：载荷向螺栓组相对对称中心简化得横向载荷KN 转矩KN mm N mm KN 旋转力矩作用下 KN 而螺栓和所受两力夹角最小，故螺栓1和2所受横向载荷最大则有：( ) 3 max max 2 1 9.01(1)0.39.0110 ==30033 10.3 35300300 150221.3[] 4 s s s s F f F F mF f F mf F d σσσσσπ'=?''≤∴=?== =' =≤KN 采用普通螺栓连接，应先求出螺栓所需预紧力，取钢对钢，，取 选用材料的螺栓，屈服强度MPa 取安全系数S=2，则许用应力= MPa 螺栓危险截面的强度条件为此111max 2 0018.205,=18.376300 (2) 2.5 49.7771011s R d d d S F d d M d τστττπ ≥== ≤≥===时螺栓小径满足mm 选M20，mm 横向力作用下，采用铰制孔螺栓连接，螺栓许用剪应力[]===120MPa 螺栓剪切强度条件为[] 得：mm ，用的铰制孔螺栓，mm 烟台工程职业技术学院课程单元设计教案 任务二螺栓连接的强度计算 为了便于机器的制造、安装、维修和运输，在机器和设备的各零、部件间广泛采用各种联接。联接分可拆联接和不可拆联接两类。不损坏联接中的任一零件就可将被联接件拆开的联接称为可拆联接，这类联接经多次装拆仍无损于使用性能，如螺纹联接、链联接和销联接等。不可拆联接是指至少必须毁坏联接中的某一部分才能拆开的联接，如焊接、铆钉联接和粘接等。 螺纹联接和螺旋传动都是利用具有螺纹的零件进行工作的，前者作为紧固联接件用，后者则作为传动件用。 一、单个螺栓连接的强度计算 单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。根据联接的工作情况，可将螺栓按受力形式分为受拉螺栓和受剪螺栓。针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计计算方法，则失效形式是设计计算的依据和出发点。 1.失效形式 工程中螺栓联接多数为疲劳失效 受拉螺栓——螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂 受剪螺栓——螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断 2.失效原因：应力集中 应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程 3、设计计算准则与思路 受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度 受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度 （一）受拉螺栓连接 1、松螺栓联接 这种联接在承受工作载荷以前螺栓不拧紧，即不受力，如图所示的起重吊钩尾部的松螺接联接。 螺栓工作时受轴向力F 作用，其强度条件为 []σπσ≤== 4 21 0d F A F 式中d1为螺栓危险截面的直径(即螺纹的小径)，单位为mm ；[σ]为松联接的螺栓的许用拉应力，单位为MPa 。 由上式可得设计公式为 []σπF d 41≥ 计算得出dl 值后再从有关设计手册中查得螺纹的公称直径d 。 2、紧螺栓联接 ⑴只受预紧力的紧螺栓联接 工作前拧紧，在拧紧力矩T 作用下： 复合应力状态：预紧力F0 →产生拉伸应力σ 螺纹摩擦力矩T1→产生剪应力τ 按第四强度理论： ()σσστσσ3.15.03322 22=+=+=e ∴强度条件为：][4 3.12 1σπ σ≤= d F e 设计公式为：[] σπ0 13.14F d ?≥ 由此可见，紧联接螺栓的强度也可按纯拉伸计算，但考虑螺纹摩擦力矩T 的影响，需将预紧力增大30％。 第十四章 机械系统动力学 14-11、在图14-19中，行星轮系各轮齿数为123z z z 、、，其质心与轮心重合，又齿轮1、2对质心12O O 、的转动惯量为12J J 、，系杆H 对的转动惯量为H J ，齿轮2的质量为2m ，现以齿轮1为等效构件，求该轮系的等效转动惯量J ν。 2222 2121221 12323121 13212 1 13222 12311212213121313 ( )()()()1()()()( )()()()o H H H o H J J J J m z z z z z z z z z O O z z z z z z z O O J J J J m z z z z z z z z νννωωω ωωωω ωω ωωωωνω=+++=-= += +=+-=++++++解： 14-12、机器主轴的角速度值1()rad ?从降到时2()rad ?，飞轮放出的功 (m)W N ，求飞轮的转动惯量。 max min 122 2 121 ()2 2F F Wy M d J W J ?ν??ωωωω==-=-? 解： 14-15、机器的一个稳定运动循环与主轴两转相对应，以曲柄和连杆所组成的转动副A 的中心为等效力的作用点，等效阻力变化曲线c A F S ν-如图14-22所示。等效驱动力a F ν为常数，等效构件（曲柄）的平均角速度值25/m rad s ?=， 3 H 1 2 3 2 1 H O 1 O 2 不均匀系数0.02δ=，曲柄长度0.5OA l m =，求装在主轴（曲柄轴）上的飞轮的转动惯量。 (a) W v 与时间关系图 （b ）、能量指示图 a 2 24()2 3015m Wy=25N m 25 6.28250.02 c va OA vc OA OA va F W W F l F l l F N Mva N J kg m νν=∏?∏=∏+==∏= =?解：稳定运动循环过程 14-17、图14-24中各轮齿数为12213z z z z =、，，轮1为主动轮，在轮1上加力矩1M =常数。作用在轮 2 上的阻力距地变化为： 2r 22r 020M M M ??≤≤∏==∏≤≤∏=当时，常数；当时，，两轮对各自中心的转动惯量为12J J 、。轮的平均角速度值为m ω。若不均匀系数为δ，则：（1）画出以轮1为等效构件的等效力矩曲线M ν?-；（2）求出最大盈亏功；（3）求飞轮的转动惯量F J 。 图14-24 习题14-17图 40Nm 15∏ 12.5∏ 22.5∏ 15Nm ∏ 2∏ 2.5∏ 4∏ 25∏ 1 1 z 2 z 2 r M 2 M ∏ 2∏ 2? 7-1何谓蜗杆传动的主平面？在主平面内，蜗杆传动的参数有何意义？ 答：通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的中间平面称为主平面。 在主平面内，蜗杆蜗轮的啮合关系相当于齿条与齿轮的传动。在蜗杆传动的设计计算中，均取主平面的参数和几何尺寸为基准，并沿用齿轮传动的计算关系。主平面内蜗杆的参数为轴面参数，蜗轮的参数为端面参数。 7-2 何谓蜗杆传动的滑动速度？它对效率有何影响？ 答：蜗杆传动时，蜗杆齿面啮合点相对蜗轮齿面的啮合点间的相对速度称为蜗杆传动的滑动速度。滑动速度越大，传动的效率越低。 7-3 蜗杆热平衡计算的前提条件是什么？但热平衡不满足要求时，可采取什么措施？ 答：热平衡计算的前提条件是：使蜗杆传动单位时间内产生的热量与散发热量相等。当热平衡条件不满足时，可采取以下措施：1.在箱体外表面铸出或焊上散热片，以增加散热面积；2.在蜗杆轴端安装风扇，加速空气流动，提高散热能力；3.在箱体油池中安装蛇形冷却水管，利用循环水冷却；4.用压力喷油的方法进行循环润滑，并达到散热目的。 7-4答案略。 7-5图示为一提升机构传动简图，已知电动机轴的转向（图中n1）及重物的运行方向（图中v）。试确定：（1）蜗杆的旋向；（2）各啮合点上的受力方向。 习题7-5图 答：（1）蜗杆为右旋。（2）各传动件的转动方向如图所示。锥齿轮啮合处，圆周力的方向垂直向外；蜗轮处，根据所需蜗轮到转动方向，圆周力的方向与转向相同，如图；蜗轮所受圆周力的方向为蜗杆轴向力的反向，利用“左右手定则”，判断出蜗杆旋向为右旋。 7-6 图示为蜗杆－斜齿轮传动，为使轴Ⅱ上的轴向力抵消一部分，斜齿轮3的旋向应如何？画出蜗轮及斜齿轮3上轴向力的方向。 答：斜齿轮3的旋向应为左旋。 蜗轮轴向力水平向左，齿轮3的轴向力水平向右 习题7-6答案 第6章圆柱齿轮传动 6.1 齿轮传动的特点、应用和分类 6.1.1齿轮传动的特点 齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，其圆周速度可达到300m/s，传递功率可达105KW，齿轮直径可从不到1mm到150m 以上，是现代机械中应用最广的一种机械传动。 齿轮传动与带传动相比主要有以下优点： （1）传递动力大、效率高； （2）寿命长，工作平稳，可靠性高； （3）能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动。 齿轮传动与带传动相比主要缺点有： （1）制造、安装精度要求较高，因而成本也较高； （2）不宜作远距离传动。 6.1.2齿轮传动的类型 6.2 渐开线的形成原理及其基本性质 6.2.1 渐开线的形成 直线BK沿半径为rb的圆作纯滚动时，直线上任一点K 的轨迹称为该圆的渐开线。该圆称为渐开线的基圆。 --- 渐开线上rb --- 基圆半径；BK --- 渐开线发生线； k K点的展角 6.2.2 渐开线的性质 （1）发生线沿基圆滚过的线段长度等 于基圆上被滚过的相应弧长。 由于发生线BK在基圆上作纯滚动，故 （2）渐开线上任意一点法线必然与基 圆相切。换言之，基圆的切线必为渐开 线上某点的法线。 因为当发生线在基圆上作纯滚动时，它 与基圆的切点B是发生线上各点在这 一瞬时的速度瞬心，渐开线上K点的轨 迹可视为以B点为圆心，BK为半径所 作的极小圆弧，故B点为渐开线上K 点的曲率中心，BK为其曲率半径和K点的法线，而发生线始终相切于基圆，所以渐开线上任意一点法线必然与基圆相切。（3）渐开线齿廓上某点的法线与该点的速度方向所夹的锐角称为该点的压力角。 （4）渐开线的形状只取决于基圆大小。 基圆愈小，渐开线愈弯曲；基圆愈大，渐开线愈平直。当基圆半径为无穷大，其渐开线将成为一条直线。 （5）基圆内无渐开线。 6.2.3 渐开线方程 建立渐开线方程式前，我们先了解一下渐开线压力角的概 念： 第七章 1．轮系的分类依据是什么？ 轮系在运转过程中各轮几何轴线在空间的相对位置关系是否变动 2．怎样计算定轴轮系的传动比？如何确定从动轮的转向？ 定轴轮系的传动比等于组成轮系的各对齿轮传动比的连乘积，也等于从动轮齿数的连乘积与主动轮齿数的连乘积之比。对于首末两轮的轴线相平行的轮系，其转向关系用正、负号表示。还可用画箭头的方法来确定齿轮的转向 3．定轴轮系和周转轮系的区别有哪些? 定轴轮系是指在轮系运转过程中，各个齿轮的轴线相对于机架的位置都是固定的。周转轮系是指在轮系运转过程中，其中至少有1个齿轮轴线的位置不固定，而是绕着其他齿轮的固定轴线回转 4．怎样求混合轮系的传动比？分解混合轮系的关键是什么？如何划分？ 在计算复合轮系时，首要的问题是必须正确地将轮系中的各组成部分加以划分。而正确划分的关键是要把其中的周转轮系部分找出来。周转轮系的特点是具有行星轮和行星架，所以要找到轮系中的行星轮，然后找出行星架（行星架往往是由轮系中具有其他功用的构件所兼任）。每一行星架，连同行星架上的行星轮和行星轮相啮合的太阳轮就组成一个基本的周转轮系，当周转轮系一一找出之后，剩下的便是定轴轮系部分了 5．轮系的设计应从哪些方面考虑? 考虑机构的外廓尺寸、效率、重量、成本等。根据工作要求和使用场合合理地设计对应的轮系。 6．如图7-32所示为一蜗杆传动的定轴轮系，已知蜗杆转速n1 = 750 r/min，z1 = 3，z2 = 60，z3 = 18，z 4 = 27，z5 = 20，z6 = 50。试用画箭头的方法确定z6的转向，并计算其转速。 答：齿轮方向向左，n6=75r/min 7．如图7-33示为一大传动比的减速器，z1 = 100，z2 = 101，z2 = 100，z3 = 99。求：输入件H对输出件1的传动比i H1。 6-1 齿轮啮合传动应满足哪些条件？ 答：齿轮啮合传动应满足：1.两齿轮模数和压力角分别相等；2.12 1≥= p B B b ε，即实际啮 合线B 1 B 2大于基圆齿距p b 。3. 满足无侧隙啮合，即一轮节圆上的齿槽宽与另一轮节圆上的齿厚之差为零。 6-2 齿轮的失效形式有哪些？采取什么措施可减缓失效？ 答：1.轮齿折断。设计齿轮传动时，采用适当的工艺措施，如降低齿根表面的粗糙度，适当增大齿根圆角、对齿根表面进行强化处理（如喷丸、辗压等）以及采用良好的热处理工艺等，都能提高轮齿的抗折断能力。 2.齿面点蚀。可采用提高齿面硬度，降低表面粗糙度，增大润滑油粘度等措施来提高齿面抗点蚀能力。 3.齿面磨损。减小齿面粗糙度、保持良好的润滑、采用闭式传动等措施可减轻或避免磨粒磨损。 4.齿面胶合。可适当提高齿面硬度及降低表面粗糙度，选用抗胶合性能好的材料，使用时采用粘度较大或抗胶合性较好的润滑油等。 5.塑性变形。为减小塑性变形，应提高轮齿硬度。 6-3 现有4个标准齿轮：m 1=4mm ，z 1=25；m 2=4mm ，z 2=50；m 3= 3mm ，z 3=60；m 4=2.5mm ，z 4=40。试问：（1）哪两个齿轮的渐开线形状相同？（2）哪两个齿轮能正确啮合？（3）哪两个齿轮能用同一把滚刀加工？这两个齿轮能否改成同一把铣刀加工？ 答：1.根据渐开线性质4，渐开线的形状取决于基圆半径，基圆半径 ααc o s 2 c o s r mz r b ==。当两齿轮基圆半径相等时，其齿廓形状相同。 98.46cos 2 cos 1 1 11 r == =ααz m r b 97.93cos 2 cos 21 2 22r ===ααz m r b 38.56cos 2 cos 3 3 31b3 r == =ααz m r 98.46cos 2 cos 4 4 44r == =ααz m r b 因此，齿轮1和4渐开线形状相同。 2.两个齿轮能正确啮合条件是两齿轮模数和压力角分别相等。因此，齿轮1和2能够正确啮合。 3.齿轮利用滚刀加工时，只要齿数和压力角相等，齿轮都可用同一把刀具加工。因此，齿轮1和2可用同一把刀具加工。 不能。铣刀加工齿轮为仿形法。需渐开线形状相同。 6-4 什么是软齿面和硬齿面齿轮传动？设计准则是什么？ 答：软齿面齿轮齿面硬度≤350HBS ，应齿面齿轮齿面硬度＞350HBS 。其设计准则分别为： 机械设计基础练习题 绪论和项目一平面机构的结构分析 一、选择题： 1、机构具有确定运动的条件是（）。 A.自由度大于零 B.自由度数等于原动件数 C.自由度大于1 D.自由度数大于原动件数 2、由3个构件汇交而成的复合铰链应具有的转动副数为( )。 A. 1 B.2 C. 3 D.4 3、一个作平面运动的自由构件的自由度数为( )。 A.1 B. 2 C.3 D.4 4、组成机械的各个相对运动的运动单元称为( )。 A．机构 B.构件 C.零件 D.机器 5、机器和机构统称为（）。 A.机器 B.机械 C.构件 D.部件 二、填空题： 1、两构件直接接触并能产生相对运动的活动连接称为。 2、两构件以面接触所形成的运动副称为。 3、两构件以接触或接触所形成的运动副称为高副。 4、平面机构中的低副分为转动副和两种。 5、平面连杆机构各构件以副连接。 6、组成一个机构的四大要素是机架、主动件、从动件和。 7、平面机构自由度的计算公式为。 三、判断题： 1、虚约束对运动不起作用，也不能增加构件的刚性。 2、若两个构件之间组成两个导路平行的移动副，在计算自由度时应算作两个移动副。 3、机构中的虚约束，如果制造、安装精度不够，会成为真约束。 4、一台机器可以只含有一个机构，也可以由几个机构组成。 5、机器的传动部分是完成机器预定的动作，通常处于整个传动的终端。 项目二平面连杆机构 一、选择题： 1、单缸内燃机属于（）机构。 A.曲柄滑块 B.双摇杆 C.导杆 D.摇块 2、以下关于机构急回运动特性的论述正确的是（）。 A.急回运动特性只有曲柄摇杆机构具有。 B.急回运动特性可用来缩短空回行程时间，提高生产率。 C.极位夹角等于零时，机构具有急回特性。 D.行程速度变化系数越小，急回特性越显著。 3、设计连杆机构时，为了具有良好的传动条件，应使（）。 A、传动角大一些，压力角小一些 B、传动角和压力角都小一些 C、传动角和压力角都大一些 D、传动角小一些，压力角大一些 4、曲柄摇杆机构中，摇杆为主动件时，（）死点位置。 第14章轴 14.1复习笔记 一、轴的功用和类型 轴是机器中的重要零件之一，用来支持旋转的机械零件和传递转矩。 1．按承受载荷的不同分类 （1）转轴 既传递转矩又承受弯矩的轴。 （2）传动轴 只传递转矩而不承受弯矩或弯矩很小的轴。 （3）心轴 只承受弯矩而不传递转矩的轴。 2．按轴线的形状不同分类 按轴线的形状可分为直轴、曲轴、挠性钢丝轴。 二、轴的材料 轴的材料常采用碳钢和合金钢。 1．碳钢 45号钢应用最为广泛，为了改善其力学性能，应进行正火或调制处理。不重要或受力较小的轴，则可采用Q235、Q275等碳素结构钢。 2．合金钢 合金钢具有较高的力学性能与较好的热处理性能，但价格高。 三、轴的结构设计 1．制造安装要求 （1）为便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯形； （2）对于一般剖分式箱体中的轴，其直径从轴端逐渐向中间增大； （3）为使轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端部应有倒角； （4）轴上磨削的轴端，应有砂轮越程槽； （5）车制螺纹的轴端，应有螺纹退刀槽； （6）在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工。 2．轴上零件的定位 安装在轴上的零件，必须有确定的轴向定位。阶梯轴上的截面尺寸变化处称为轴肩，可起到轴向定位的作用。 3．轴上零件的固定 （1）轴上零件的轴向固定 零件轴向固定的方法主要有轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈等。 ①当无法采用套筒或套筒太长时，可采用圆螺母加以固定。 ②为保证轴上零件紧靠轴肩，轴肩的圆角半径r必须小于相配零件的倒角C1或圆角半径R，轴肩高h必须大于C1或R。 ③轴向力较小时，零件在轴上的固定可采用弹性挡圈或紧定螺钉。 （2）轴上零件的周向固定 轴上零件的周向固定，大多采用键、花键或过盈配合等连接形式。采用键连接时，为加 §2 螺纹联接Screw joints §2-1 联接类型和螺纹联接简介Types of the joints and screw joints §2-2 螺纹联接的拧紧和防松 Tightening and preventing unscrewing of screw joints §2-3 螺纹组联接的受力分析 Forces in group of screw joints §2-4 单个螺栓强度计算 Strength calculations for a bolt §2-5 提高螺栓联接强度的措施Measures of increasing joint strength of bolts 螺纹联接设计实例 Design example of screw joint §2-1 联接类型和螺纹联接简介Types of the joints and screw joints 联接类型 Types of the joints 螺纹联接简介和应用 Screw joints and their applications 一、联接类型Types of the joints Joints Separable joints Permanent joints Screw joints Key, spline and pin joints Shaped joints Interference fit joints Riveted joints Welded joints Adhesive joints Elastic ring joints Shaft－hub joints 《机械设计基础》作业答案 第一章平面机构的自由度和速度分析1－1 1－2 1－3 1－4 1－5 自由度为： 1 1 19 21 1 )0 1 9 2( 7 3 ' )' 2( 3 = -- = - - + ? - ? = - - + - =F P P P n F H L 或： 1 1 8 2 6 3 2 3 = - ? - ? = - - = H L P P n F 1－6 自由度为 1 1 )0 1 12 2( 9 3 ' )' 2( 3 = - - + ? - ? = - - + - =F P P P n F H L 或： 1 1 22 24 1 11 2 8 3 2 3 = -- = - ? - ? = - - = H L P P n F 1－10 自由度为： 1 128301)221142(103')'2(3=--=--?+?-?=--+-=F P P P n F H L 或： 1 22427211229323=--=?-?-?=--=H L P P n F 1－11 2 2424323=-?-?=--=H L P P n F 1－13：求出题1-13图导杆机构的全部瞬心和构件1、3的角速度比。 1334313141P P P P ?=?ωω 1 4 1314133431==P P P P ωω 1－14：求出题1-14图正切机构的全部瞬心。设s rad /101=ω，求构件3的速度3v 。 s mm P P v v P /20002001013141133=?===ω 1－15：题1-15图所示为摩擦行星传动机构，设行星轮2与构件1、4保持纯滚动接触，试用瞬心法求轮1与轮2的角速度比21/ωω。 构件1、2的瞬心为P 12 P 24、P 14分别为构件2与构件1相对于机架的绝对瞬心 1224212141P P P P ?=?ωω 1 2 12141224212r r P P P P ==ωω 1－16：题1-16图所示曲柄滑块机构，已知：s mm l AB /100=，s mm l BC /250=， s rad /101=ω，求机构全部瞬心、滑块速度3v 和连杆角速度2ω。 在三角形ABC 中， BCA AB BC ∠= sin 45sin 0 ，52sin = ∠BCA ，5 23cos =∠BCA ， 《机械设计基础》 习 题 解 答 机械工程学院 目录 第0章绪论-------------------------------------------------------------------1 第一章平面机构运动简图及其自由度----------------------------------2 第二章平面连杆机构---------------------------------------------------------4 第三章凸轮机构-------------------------------------------------------------6 第四章齿轮机构------------------------------------------------------- -----8 第五章轮系及其设计------------------------------------------------------19 第六章间歇运动机构------------------------------------------------------26 第七章机械的调速与平衡------------------------------------------------29 第八章带传动---------------------------------------------------------------34 第九章链传动---------------------------------------------------------------38 第十章联接------------------------------------------------------------------42 第十一章轴------------------------------------------------------------------46 第十二章滚动轴承---------------------------------------------------------50 第十三章滑动轴承-------------------------------------------- ------------ 56 第十四章联轴器和离合器------------------------------- 59 第十五章弹簧------------------------------------------62 第十六章机械传动系统的设计----------------------------65 十四平面连杆机构 1．教学目标 1）铰链四杆机构的基本类型； 2）铰链四杆机构的演化； 3）对曲柄存在的条件、传动角、死点、急回运动、行程速比系数等有明确的概念； 4）平面四杆机构的设计； 2．教学重点和难点 1）曲柄存在条件、传动角、死点、行程速比系数； 2）平面四杆机构的图解法设计； 3）有关曲柄存在条件的杆长关系式的全面分析、平面四杆机构最小传动角的确定等问题。3．讲授方法：多媒体课件 正文 我们在实际生活中已经见过许多的平面连杆机构，被广泛地使用在各种机器、仪表及操纵装置中。例如内燃机、牛头刨、钢窗启闭机构、碎石机等等，这些机构都有一个共同的特点：其机构都是通过低副连接而成，故此这些机构又称低副机构。 根据这一特点，我们定义：若干构件通过低副（转动副或移动副）联接所组成的机构称作连杆机构。连杆机构中各构件的相对运动是平面运动还是空间运动，连杆机构又可以分为平面连杆机构和空间连杆机构。 平面连杆机构是由若干构件用平面低副（转动副和移动副）联接而成的平面机构，用以实现运动的传递、变换和传送动力。平面连杆机构的使用更加广泛，所以主要讨论平面连杆机构。 平面连杆机构的类型很多，单从组成机构的杆件数来看就有四杆、五杆和多杆机构。一般的多杆机构可以看成是由几个四杆机构所组成。所以平面四杆机构不但结构最简单、应用最广泛，而且只要掌握了四杆机构的有关知识和设计方法，就为进行多杆机构的设计和分析奠定了基础，所以本章我们重点讨论四杆机构。 3.1 平面四杆机构的类型及应用 一、平面四杆机构的基本型式 构件之间都是用转动副联接的平面四杆机构称为铰链四 杆机构,如图2-1所示。铰链四杆机构是平面机构的最基本的 可以实现运动和力转换的连杆机构型式。 也就是说：铰链四杆机构是具有转换运动功能而构件 数目最少的平面连杆机构。其它型式的四杆机构都可以看成 是在它基础上通过演化而来的。 在此机构中，AD固定不动，称为机架；AB、CD两 构件与机架组成转动副，称为连架杆；BC称为连杆。在连 架杆中，能作整周回转的构件称为曲柄，而只能在一定角 度范围内摆动的构件称为摇杆。 因此，根据机构中有无曲柄和有几个曲柄，铰链四 杆机构又有三种基本形式： 1．曲柄摇杆机构：两连架杆中一个为曲柄而另一个为摇杆的机构。 当曲柄为原动件时，可将曲柄的连续转动转 图2—2 曲柄连杆机构图2－1 第 6 章间歇运动机构 （一）教学要求 1．掌握各种常用机构的工作原理 2．了解各种机构的组成及应用 （二）教学的重点与难点 1．工作原理 2．常用机构的应用 （三）教学内容 6.1槽轮机构 一、组成、工作原理 1．组成：具有径向槽的槽轮，具有圆销的构件，机架 2．工作原理： 构件 1→连续转动；构件2（槽轮）→时而转动，时而静止 当构件 1 的圆销 A 尚未进入槽轮的径向槽时，槽轮的内凹锁住弧被构件 1 的外凸圆弧卡住，槽轮静止不动。 当构件 1 的圆销 A 开始进入槽轮径向槽的位置，锁住弧被松开，圆销驱使槽轮传动。 当圆销开始脱出径向槽时，槽轮的另一内凹锁住弧又被构件 1 的外凸圆弧卡住，槽轮静止不动。 往复循环。 4 个槽的槽轮机构：构件 1 转一周，槽轮转1 周。4 6 个槽的槽轮机构：构件 1 转一周，槽轮转1 周。6 二、槽轮机构的基本尺寸和运动系数 1．基本尺寸 b l (r r s )r s——圆销的半径 r l sin2b——槽轮回转中心到径向槽底的距离 a l cos2a——槽轮回转中心到径向槽口的距离 r——圆销中心到构件 1 中心的距离 l ——两轮回转中心之间的距离 2．运动系数（τ ）：槽轮每次运动的时间 m t 之比。 t 对主动构件回转一周的时间 t m21（构件 1 等速回转） t2 2 1——槽轮运动时构件 1 转过的角度 （通常，为了使槽轮 2 在开始和终止运动时的瞬时角速度为零。以避免圆销与槽发生撞击，圆销进入、退出径向槽的瞬间使O1A ⊥O2A ） ∴ 2 1222 Z ∴ 21Z211 22Z2Z 讨论： 1、τ>0，∴ Z ≥3 τ=0，槽轮始终不动。 2、111 2Z ：槽轮的运动时间总小于静止时间。 2 3、要使1 ，须在构件 1 上安装多个圆销。2 设 K为均匀分布的圆销数， K (Z2) 2Z 三、槽轮机构的特点和应用 优点：结构简单，工作可靠，能准确控制转动的角度。常用于要求恒定旋转角的分度机构中。 缺点：①对一个已定的槽轮机构来说，其转角不能调节。 ②在转动始、末，加速度变化较大，有冲击。 应用：应用在转速不高，要求间歇转动的装置中。 电影放映机中，用以间歇地移动影片。 自动机中的自动传送链装置。（布图） 第13章机械传动设计 13.1简述机械传动装置的功用。 答： (1) 把原动机输出的速度降低或增速。 （2) 实现变速传动。 （3）把原动机输出转矩变为工作机所需的转矩或力。 （4）把原动机输出的等速旋转运动，转变为工作机的转速或其它类型的运动。 （5）实现由一个或多个原动机驱动若干个相同或不同速度的工作机。 13.2选择传动类型时应考虑哪些主要因素？ 答：根据各种运动方案，选择常用传动机构时，应考虑以下几个主要因素： （1）实现运动形式的变换。 （2）实现运动转速（或速度）的变化。 （3）实现运动的合成与分解。 （4）获得较大的机械效益。 13.3常用机械传动装置有哪些主要性能？ 答：（1）功率和转矩；（2）圆周速度和转速；（3）传动比；（4）功率损耗和传动效率；（5）外廓尺寸和重量。 13.4机械传动的总体布置方案包括哪些内容？ 答：总体布置方案包括合理地确定传动类型；多级传动中各种类型传动顺序的合理安排及各级传动比的分配。 13.5简述机械传动装置设计的主要内容和一般步骤。 答：（1）确定传动装置的总传动比。 （2）选择机械传动类型和拟定总体布置方案。 （3）分配总传动比。 （4）计算机械传动装置的性能参数。性能参数的计算，主要包括动力计算和效率计算等。 （5）确定传动装置的主要几何尺寸。 （6）绘制传动系统图。 （7）绘制装置的装配图。 第14章轴和轴毂连接 14.1轴按功用与所受载荷的不同分为哪三种？常见的轴大多属于哪一种？ 答：轴按功用与所受载荷不同可分为心轴、传动轴和转轴三类。常见的轴大多数属于转轴。 14.2轴的结构设计应从哪几个方面考虑？ 答：轴的结构设计应从以下几方面考虑：（1）轴的毛坯种类；（2）轴上作用力的大小及其分布情况；(3)轴上零件的位置、配合性质以及连接固定的方法；（4）轴承的类型、尺寸和位置；（5）轴的加工方法、装配方法以及其它特殊要求。 第一章 前面有一点不一样，总体还行~~~ 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）零件所受载荷的大小性质，以及应力状态， 2）零件的工作条件， 3）对零件尺寸及重量的限制， 4）零件的重要程度， 5）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）≤16mm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1.5%的Cr 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1.5%的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。 1-6.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，适用于石料、混凝土、铸铁等脆性材料的失效场合。 第三强度条件：认为最大切应力是引起屈服的主要因素，适用于低碳钢等塑性材料的失效场合。 2-15.画出图示梁的弯矩图。 《螺纹连接练习题》 一、单选题(每题1分) 1. 采用凸台或沉头座其目的为 。 A 便于放置垫圈 B 避免螺栓受弯曲力矩 C 减少支承面的挤压应力 D 增加支承面的挤压应力 2. 联接螺纹要求自锁性好，传动螺纹要求 。A 平稳性 B 效率高 C 螺距大 D 螺距小 3. 连接用的螺纹，必须满足 条件。A 不自锁 B 传力 C 自锁 D 传递扭矩 4. 单线螺纹的螺距 导程。A 等于 B 大于 C 小于 D 与导程无关 5. 同一螺栓组的螺栓即使受力不同，一般应采用相同的材料和尺寸，其原因是 。 A 便于装配 B 为了外形美观 C 使结合面受力均匀 D 减少摩损 6. 用于联接的螺纹，其牙形为 。A 矩形 B 三角形 C 锯齿形 D 梯形 7. 螺纹的标准是以 为准。A 大径 B 中径 C 小径 D 直径 8. 螺纹的危险截面应在 上。A 大径 B 小径 C 中径 D 直径 9、在常用的螺旋传动中，传动效率最高的螺纹是__________。 A 三角形螺纹 B 梯形螺纹 C 锯齿形螺纹 D 矩形螺纹 10、在常用的螺纹联接中，自锁性能最好的螺纹是__________。 A 三角形螺纹 B 梯形螺纹 C 锯齿形螺纹 D 矩形螺纹 11、当两个被联接件不太厚时，宜采用__________。 A 双头螺柱联接 B 螺栓联接 C 螺钉联接 D 紧定螺钉联接 12、当两个被联接件之一太厚，不宜制成通孔，且需要经常拆装时，往往采用__________。 A 螺栓联接 B 螺钉联接 C 双头螺柱联接 D 紧定螺钉联接 13、当两个被联接件之一太厚，不宜制成通孔，且联接不需要经常拆装时，往往采用__________。 A 螺栓联接 B 螺钉联接 C 双头螺柱联接 D 紧定螺钉联接 14、普通螺纹的牙型角α为60o ，当摩擦系数μ＝0.10时，则该螺纹副的当量摩擦系数μv ＝__________。 A0.105 B 0.115 C 0.1115 D 0.104 15、在拧紧螺栓联接时，控制拧紧力矩有很大方法，例如__________。 A 增加拧紧力 B 增加扳手力臂 C 使用测力矩扳手或定力矩扳手 16、螺纹联接防松的根本问题在于__________。 A 增加螺纹联接的轴向力 B 增加螺纹联接的横向力 C 防止螺纹副的相对转动 D 增加螺纹联接的刚度 17、螺纹联接预紧的目的之一是__________。 A 增强联接的可靠性和紧密性 B 增加被联接件的刚性 C 减小螺栓的刚性 18、承受预紧力F ′的紧螺栓联接在受工作拉力F 时，剩余预紧力为F ″，其螺栓所受的总拉力F 0为__________。 A 0F F F =+' B 0F F F =+" C 0F F F ='"＋ D 0b b m C F F F C C =+ + 19、承受预紧力和轴向变载荷的紧螺栓联接，当其螺栓的总拉力F 0的最大值和被联接件的刚度C m 不变时，螺栓的刚度C b 愈小，则__________。 A 螺栓中总拉力的变化幅度愈大 B 螺栓中总拉力的变化幅度愈小 C 螺栓中总拉力的变化幅度不变 D 螺栓中的疲劳强度降低 20、承受预紧力和轴向变载荷的紧螺栓联接，当其螺栓的总拉力F 0的最大值和螺栓的刚度C b 不变时，被联接件的刚度C m 愈小，则__________。 A 螺栓中总拉力的变化幅度愈大 B 螺栓中总拉力的变化幅度愈小 C 螺栓中总拉力的变化幅度不变 D 螺栓疲劳强度愈高 21、承受横向载荷或旋转力矩的紧螺栓联接，该联接中的螺_________。 A 受剪切作用 B 受拉伸作用 C 受剪切和拉伸作用 D 既可能受剪切作用又可能受拉伸作用 22、 对受轴向变载荷的紧螺栓联接，在限定螺栓总拉力的情况下，提高螺栓疲劳强度的有效措施是__________。 A 增大被联接件的刚度 B 减小被联接件的刚度C 增大螺栓的刚度 机械设计基础课程形成性考核作业（一） 第1章 静力分析基础 1．取分离体画受力图时，__CEF__力的指向可以假定，__ABDG__力的指向不能假定。 A ．光滑面约束力 B ．柔体约束力 C ．铰链约束力 D ．活动铰链反力 E ．固定端约束力 F ．固定端约束力偶矩 G ．正压力 2．列平衡方程求解平面任意力系时，坐标轴选在__B__的方向上，使投影方程简便；矩心应选在_FG_点上，使力矩方程简便。 A ．与已知力垂直 B ．与未知力垂直 C ．与未知力平行 D ．任意 E ．已知力作用点 F ．未知力作用点 G ．两未知力交点 H ．任意点 3．画出图示各结构中AB 构件的受力图。 4．如图所示吊杆中A 、B 、C 均为铰链连接，已知主动力F ＝40kN,AB ＝BC ＝2m,α＝30?.求两吊杆的受力的大小。 解：受力分析如下图 列力平衡方程： 又因为 AB=BC 第2章 常用机构概述 1．机构具有确定运动的条件是什么? 答：当机构的原动件数等于自由度数时，机构具有确定的运动 2．什么是运动副？什么是高副？什么是低副？ 答：使两个构件直接接触并产生一定相对运动的联接，称为运动副。以点接触或线接触的运动副称为高副，以面接触的运动副称为低副。 3．计算下列机构的自由度，并指出复合铰链、局部自由度和虚约束。 （1）n ＝7，P L ＝10，P H ＝0 （2）n ＝5，P L ＝7，P H ＝0 C 处为复合铰链 （3）n ＝7，P L ＝10，P H ＝0 （4）n ＝7，P L ＝9，P H ＝1 E 、E ’有一处为虚约束 F 为局部自由度 C 处为复合铰链 第3章 平面连杆机构 1．对于铰链四杆机构，当满足杆长之和的条件时，若取_C_为机架，将得到双曲柄机构。 A ．最长杆 B ．与最短杆相邻的构件 C ．最短杆 D ．与最短杆相对的构件 2．根据尺寸和机架判断铰链四杆机构的类型。 a ）双曲柄机构 b ）曲柄摇杆机构 c ）双摇杆机构 d ）双摇杆机构 3．在图示铰链四杆机构中，已知，l BC =150mm ，l CD =120mm ，l AD =100mm ，AD 为机架；若想得到双曲柄机构，求l AB 的最小值。 解：要得到双曲柄机构，因此AD 杆必须为最短杆； 若AB 为最长杆，则AB ≥BC ＝150mm 若BC 为最长杆，由杆长条件得： 因此AB l 的最小值为130mm 4．画出各机构的压力角传动角。箭头标注的构件为原动件。 ．如下图： 第4章 凸轮机构 1．凸轮主要由__凸轮___，___推杆__和___机架___三个基本构件组成。 2．凸轮机构从动件的形式有__尖顶_从动件，_滚子_从动件和_平底__从动件。 3．按凸轮的形状可分为__盘形_凸轮、_圆柱_凸轮和__曲面__凸轮。 4．已知图示凸轮机构的偏心圆盘的半径R ＝25mm ，凸轮轴心到圆盘中心的距离L=15mm ，滚子半径r T =5mm 。试求： （1）凸轮的基圆半径R O ＝？解：（1）mm r L R R T 15515250=+-=+-= （2） （4）mm r L R L r R S T T 98.10)()(22=----+= 第三章部分题解参考 3-5 图3-37所示为一冲床传动机构的设计方案。设计者的意图是通过齿轮1带动凸轮2旋转后，经过摆 杆3带动导杆4来实现冲头上下冲压的动作。试分析此方案有无结构组成原理上的错误。若有，应如何修改？ 习题3-5图 习题3-5解图(a) 习题3-5解图(b) 习题3-5解图(c) 解 画出该方案的机动示意图如习题3-5解图(a)，其自由度为： 14233 2345=-?-?=--=P P n F 其中：滚子为局部自由度 计算可知：自由度为零，故该方案无法实现所要求的运动，即结构组成原理上有错误。 解决方法：①增加一个构件和一个低副，如习题3-5解图(b)所示。其自由度为： 1 15243 2345=-?-?=--=P P n F ②将一个低副改为高副，如习题3-5解图(c)所示。其自由度为： 1 23233 2345=-?-?=--=P P n F 3-6 画出图3-38所示机构的运动简图（运动尺寸由图上量取），并计算其自由度。 习题3-6(a)图 习题3-6(d)图 解(a) 习题3-6(a)图所示机构的运动简图可画成习题3-6(a)解图(a)或习题3-6(a)解图(b)的两种形式。 自由度计算： 1042332345=-?-?=--=P P n F 习题3-6(a)解图(a) 习题3-6(a)解图(b) 解(d) 习题3-6(d)图所示机构的运动简图可画成习题3-6(d)解图(a)或习题3-6(d)解图(b)的两种形式。 自由度计算： 1042332345=-?-?=--=P P n F 习题3-6(d)解图(a) 习题3-6(d)解图(b) 3-7 计算图3-39所示机构的自由度，并说明各机构应有的原动件数目。 解(a) 10102732345=-?-?=--=P P n F A 、 B 、 C 、 D 为复合铰链 原动件数目应为1 说明：该机构为精确直线机构。当满足B E =BC =CD =DE ，AB =AD ， AF =CF 条件时，E 点轨迹是精确直线，其轨迹垂直于机架连心线AF 第十四章轴 题14－1 简述轴的结构设计应满足的基本要求。指出图中结构设计的错误，在错误处标出序号，并按序号一一说明理由。 题14－1图 解题分析：轴的结构设计应满足的基本要： 1．轴及轴上零件应有确定的位置和可靠固定； 2．轴上零件应便于安装，折卸和调整； 3．轴应具有良好的加工工艺性； 4．力求受力合理，有利提高疲劳强度和刚度。 解答：图中的主要错误分析（题解 14-1 图） 题解14－1图 1．轴肩过高挡住了轴承圈，轴承不便于折卸； 2．与齿轮相配合的轴的两边均有轴肩，齿轮无法安装； 3．键的顶面应与轮毂槽底面应有间隙，且轮毂槽应开通，轴上键槽处应有局部剖视； 4．轴承不便于安装，此处应该有过渡轴肩； 5．此处的轮毂没有确定的位置，且无轴向固定； 6．键过长，且两键不在同一方位，不便于加工； 7．轴端过长，轮毂无法进行轴向固定。 题14－2根据图示卷筒轴的三种设计方案填写下表（表中轴的类型为按承载情况分）： 方案轴的类型轴上应力应力循环特性 a b c 题14－2图 解答： 题14－3 设计图示单级斜齿圆柱齿轮减速器低速轴的结构。已知齿轮相对于支承为对称布置，齿轮宽度b 2＝100 mm ，轴承为7308AC ，两支承间的跨度L ＝200mm ，外伸端装有一个半联轴器，孔的直径在25～35mm 之间，轴与孔的配合长度为L ′＝60mm 。 解答：1、确定各段轴的直径： （1）与联轴器配合处的直径d ：选联轴器的型 号为 82YA302 6YC28HL2 ??，半联轴器的孔径d =28 mm ， 长圆柱形轴孔，孔长L = 62 mm 。 （2）轴身处直径d 1：考虑半联轴器的定位和固 定，应有一个定位轴肩，此段轴为外伸轴，其上装有 密封圈，应取相应的标准直径。所以取d 1 =35mm 。 （3）安装滚动轴承处轴颈直径d 2、、d 6 ：为便于轴 承安装，d 1与d 2之间应有一非定位轴肩，轴肩高度一 般为1～3 mm ，且轴颈直径必须满足滚动轴承孔径要求。 题14-3 图机械设计基础——螺纹连接的强度计算
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