机械设计第九版课后习题答案.pdf
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1、 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MPa1801,取循环基数60105N,9m,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 MPa6.373107105180936910111NNN MP a3.324105.2105180946920112NNN MP a0.227102.6105180956930113NNN 3-2 已知材料的力学性能为MPa260s,MPa1701,2.0,试绘制此材料的简化的等寿命寿命曲线。解 )170,0(A )0,260(C 0012 1210 M P a33.28
2、32.0117021210 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B=420MPa,精车,弯曲,q=1,试绘制此零件的简化等寿命疲劳曲线。解 因2.14554dD,067.0453dr,查附表 3-2,插值得88.1,查附图 3-1 得78.0q,将所查值代入公式,即 69.1188.178.0111kq 查附图 3-2,得75.0;按精车
3、加工工艺,查附图 3-4,得91.0,已知1q,则 35.211191.0175.069.1111kqK 35.267.141,67.141,0,260,35.2170,0DCA 根据 29.60,67.141,0,260,34.72,0DCA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MPa20m,应力幅MPa20a,试分别按Cr C m,求出该截面的计算安全系数caS。解 由题 3-4 可知35.2,2.0MPa,260MPa,170s1-K (1)Cr 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 28.2202.03035.
4、2170ma1-KSca (2)C 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 81.1203035.2202.035.2170mam1-caKKS 第五章 螺纹连接和螺旋传动 p101 习题答案 5-1 分析比较普通螺纹、管螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹的特点,各举一例说明它们的应用 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。同一公称直径按螺距大小,分为粗牙和细牙。细牙螺纹升角小,自锁性较好,搞剪强度高,但因牙细在耐磨,容易滑扣 一般联接多用粗牙螺纹,细牙螺纹常用于细小
5、零件、薄壁管件或受冲击、振动和变载荷的连接中,也可作为微调机构的调整螺纹用 管螺纹 牙型为等腰三角形,牙型角55o,内外螺纹旋合后无径向间隙,牙顶有较大的圆角 管联接用细牙普通螺纹 薄壁管件 非螺纹密封的 55o 圆柱管螺纹 管接关、旋塞、阀门及其他附件 用螺纹密封的 55o 圆锥管螺纹 管子、管接关、旋塞、阀门及其他螺纹连接的附件 米制锥螺纹 气体或液体管路系统依靠螺纹密封的联接螺纹 梯形螺纹 牙型为等腰梯形,牙侧角 3o,内外螺纹以锥面巾紧不易松动,工艺较好,牙根强度高,对中性好 最常用的传动螺纹 锯齿形螺纹 牙型不为等腰梯形,工作面的牙侧角 3o,非工作面的牙侧角30o。外螺纹牙根有较大
6、的圆角,以减少应力集中。内外螺纹旋合后,大径处无间隙,便于对中。兼有矩形螺纹传动效率高和梯形螺纹牙根旨度高的特点 只能用于单向受力的螺纹联接或螺旋传动,如螺旋压力机 5-2 将承受轴向变载荷的联接螺栓的光杆部分做得细些有什么好处?答:可以减小螺栓的刚度,从而提高螺栓联接的强度。5-3 分析活塞式空气压缩气缸盖联接螺栓在工作时的受力变化情况,它的最大应力,最小应力如何得出?当气缸内的最高压 力提高时,它的最大应力,最小应力将如何变化?解:最大应力出现在压缩到最小体积时,最小应力出现在膨胀到最大体积时。当汽缸内的最高压力提高时,它的最大应力增大,最小应力不变。5-4 图 5-49 所示的底板螺栓组
7、联接受外力 F 作用在包含 x 轴并垂直于底板接合面的平面内。试分析底板螺栓组的受力情况,并判断哪个螺栓受力最大?堡证联接安全工作的必要条件有哪些?5-5 图5-49是由两块边板和一块承重板焊接的龙门起重机导轨托架。两块边板各用4个螺栓与立柱相连接,托架所承受的最大载荷为 20kN,载荷有较大的变动。试问:此螺栓连接采用普通螺栓连接还是铰制孔用螺栓连接为宜?为什么?Q215,若用 M6 40 铰孔用螺栓连接,已知螺栓机械性能等级为 8.8,校核螺栓连接强度。解 采用铰制孔用螺栓连接为宜 因为托架所受的载荷有较大变动,铰制孔用螺栓连接能精确固定被连接件的相对位置,并能承受横向载荷,增强连接的可靠
8、性和紧密性,以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移,而普通螺栓连接靠结合面产生的摩擦力矩来抵抗转矩,连接不牢靠。(1)确定 M6 40 的许用切应力 由螺栓材料 Q215,性能等级 8.8,查表 5-8,可知MPa640s,查表 5-10,可知0.55.3S MPa12886.1820.55.3640sS M P a67.4265.1640sppS(2)螺栓组受到剪力 F 和力矩(FLT),设剪力 F 分在各个螺栓上的力为iF,转矩 T 分在各个螺栓上的分力为jF,各螺栓轴线到螺栓组对称中心的距离为 r,即mm27545cos2150r kN2510275810300208 kN5.22
9、0818133rFLFFFji 由图可知,螺栓最大受力 kN015.945cos255.22)25(5.2cos22222maxFFFFFjiji 319106410015.9423320maxdF 8.131104.1110610015.9333min0maxppLdF 故 M6 40 的剪切强度不满足要求,不可靠。5-6 已知一个托架的边板用 6 个螺栓与相邻的机架相连接。托架受一与边板螺栓组的垂直对称轴线相平行、距离为 250mm、大小为 60kN 的载荷作用。现有如图 5-50 所示的两种螺栓布置形式,设采用铰制孔用螺栓连接,试问哪一种布置形式所用的螺栓直径最小?为什么?解 螺栓组受到
10、剪力 F 和转矩,设剪力 F 分在各个螺栓上的力为iF,转矩 T 分在各个螺栓上的分力为jF (a)中各螺栓轴线到螺栓组中心的距离为 r,即 r=125mm kN2010125610250606 kN1060616133rFLFFFji 由(a)图可知,最左的螺栓受力最大kN302010maxjiFFF (b)方案中 kN10606161FFi kN39.24101252125421252101252125102506062223223612max612maxmaxiiiijrFLrrMrF 由(b)图可知,螺栓受力最大为 kN63.335239.24102)39.24(10cos22222m
11、axFFFFFjiji 直径较小)布置形式所用的螺栓可知采用(由aFdmax04 5-7 图 5-52 所示为一拉杆螺纹联接。已知拉杆所受的载荷 F=56KN,载荷稳定,拉杆材料为 Q235 钢,试设计此联接。5-8 两块金属板用两个 M12 的普通螺栓联接。若接合面的摩擦系数 f=0.3,螺栓预紧力控制在其屈服极限的70%。螺栓用性能等级为 4.8 的中碳钢制造,求此联接所能传递的横向载荷。5-9 受轴向载荷的紧螺栓联接,被联接钢板间采用橡胶垫片。已知螺栓预紧力 Fo=15000N,当受轴向工作载荷 F10 000N 时,求螺栓所受的总拉力及被联接件之间的残余预紧力。5-10 图 5-24
12、所示为一汽缸盖螺栓组联接。已知汽缸内的工作压力 P=01MPa,缸盖与缸体均为钢制,直径D1=350mm,D2=250mm.上、下凸缘厚均为 25mm.试设计此联接。5-11 设计简单千斤顶(参见图 5-41)的螺杆和螺母的主要尺寸。起重量为 40000N,起重高度为 200mm,材料自选。(1)选作材料。螺栓材料等选用 45 号钢。螺母材料选用 ZCuA19Mn2,查表确定需用压强P=15MPa.(2)确定螺纹牙型。梯形螺纹的工艺性好,牙根强度高,对中性好,本题采用梯形螺纹。(3)按耐磨性计算初选螺纹的中径。因选用梯形螺纹且螺母兼作支承,故取,根据教材式(5-45)得 按螺杆抗压强度初选螺纹
13、的内径。根据第四强度理论,其强度条件为 但对中小尺寸的螺杆,可认为,所以上式可简化为 式中,A 为螺杆螺纹段的危险截面面积,;S 为螺杆稳定性安全系数,对于传力螺旋,S=3.5-5.0;对于传导螺旋,S=2.5-4.0;对于精密螺杆或水平螺杆,S4.本题取值为 5.故 (5)综合考虑,确定螺杆直径。比较耐磨性计算和抗压强度计算的结果,可知本题螺杆直径的选定应以抗压强度计算的结果为准,按国家标准 GB/T5796-1986 选定螺杆尺寸参数:螺纹外径 d=44mm,螺纹内径d1=36mm,螺纹中径 d2=40.5mm,螺纹线数 n=1,螺距 P=7mm.(6)校核螺旋的自锁能力。对传力螺旋传动来
14、说,一般应确保自锁性要求,以避免事故。本题螺杆的材料为钢,螺母的材料为青铜,钢对青铜的摩擦系数 f=0.09(查机械设计手册)。因梯形螺纹牙型角,所以 因,可以满足自锁要求。注意:若自锁性不足,可增大螺杆直径或减沾上螺距进行调整。(7)计算螺母高度 H.因选所以 H=,取为 102mm.螺纹圈数计算:z=H/P=14.5 螺纹圈数最好不要超过 10 圈,因此宜作调整。一般手段是在不影响自锁性要求的前提下,可适当增大螺距 P,而本题螺杆直径的选定以抗压强度计算的结果为准,耐磨性已相当富裕,所以可适当减低螺母高度。现取螺母高度 H=70mm,则螺纹圈数 z=10,满足要求。(8)螺纹牙的强度计算。
15、由于螺杆材料强度一般远大于螺母材料强度,因此只需校核螺母螺纹的牙根强度。根据教材表 5-13,对于青铜螺母,这里取 30MPa,由教材式(5-50)得螺纹牙危险截面的剪切应力为 满足要求 螺母螺纹根部一般不会弯曲折断,通常可以不进行弯曲强度校核。(9)螺杆的稳定性计算。当轴向压力大于某一临界值时,螺杆会发生侧向弯曲,丧失稳定性。好图所示,取 B=70mm.则螺杆的工作长度 l=L+B+H/2=305mm 螺杆危险面的惯性半径 i=d1/4=9mm 螺杆的长度:按一端自由,一段固定考虑,取 螺杆的柔度:,因此本题螺杆,为中柔度压杆。棋失稳时的临界载荷按欧拉公式计算得 所以满足稳定性要求。第六章
16、键、花键、无键连接和销连接 p115 习题答案 6-1 6-2 6-3 在一直径mm80d的轴端,安装一钢制直齿圆柱齿轮(如下图),轮毂宽度1.5dL,工作时有轻微冲击。试确定平键的尺寸,并计算其允许传递的最大扭矩。解 根据轴径mm80d,查表得所用键的剖面尺寸为mm22b,mm14h 根据轮毂长度mm120805.1 1.5dL 取键的公称长度 mm90L 键的标记 键79-90GB109622 键的工作长度为 6 8 m m2290bLl 键与轮毂键槽接触高度为 mm72hk 根据齿轮材料为钢,载荷有轻微冲击,取许用挤压应力 1 1 0 M P ap 根据普通平键连接的强度条件公式 102
17、3ppkldT 变形求得键连接传递的最大转矩为 mN20942000110806872000pmaxkldT 6-4 6-5 6-6 第八章 带传动 p164 习题答案 8-1 V 带传动的min14501rn,带与带轮的当量摩擦系数51.0vf,包角1801,初拉力N3600F。试问:(1)该传动所能传递的最大有效拉力为多少?(2)若mm100dd1,其传递的最大转矩为多少?(3)若传动效率为 0.95,弹性滑动忽略不计,从动轮输出效率为多少?解 N4.4781111360211112151.01151.00eeeeFFvvffec mmN92.232101004.4782d2-3d1ecF
18、T kW45.395.0100060100010014.314504.4781000601000d10003d11nFFPecec 8-2 V 带传动传递效率7.5kWP,带速sm10,紧边拉力是松边拉力的两倍,即21FF,试求紧边拉力1F、有效拉力eF和初拉力0F。解 1000FPe N75 0105.710001000PFe 21212FFFFFe且 1500N750221eFF 201eFFF 1 1 2 5 N27501500210eFFF 8-3 8-4 有一带式输送装置,其异步电动机与齿轮减速器之间用普通 V 带传动,电动机功率 P=7kW,转速min9601rn,减速器输入轴的转
19、速min3302rn,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。解 (1)确定计算功率caP 由表 8-7 查得工作情况系数2.1AK,故 4kW.872.1AcaPKP (2)选择 V 带的带型 根据caP、1n,由图 8-11 选用 B 型。(3)确定带轮的基准直径dd,并验算带速 由表 8-6和 8-8,取主动轮的基准直径mm1801dd 验算带速 sm043 2.9100 06096018010006011ndd 带速合适sm30sm5 计算从动轮的基准直径 mm45.49733005.0196018012112nndddd (4)确定 V 带的中心距a和基
20、准长度dL 由式2102127.0ddddddadd,初定中心距mm5500a。计算带所需的基准长度 mm2214550418050050018025502422202122100addddaLddddd 由表 8-2 选带的基准长度mm2240dL 实际中心距a mm563222142240550200ddLLaa 中心距的变化范围为mm630550。(5)验算小带轮上的包角1 901475633.571805001803.57180121adddd 故包角合适。(6)计算带的根数z 计算单根 V 带的额定功率rP 由sm960 mm18011ndd和,查表8-4a得25kW.30P 根据3
21、03kW.0B9.2330960s,m960 01Pin型带,查表得和 查表 8-5 得914.0k,表 8-2 得1k L,于是 kW25.31914.0)303.025.3(kk00LrPPP 计算 V 带的根数z 58.225.34.8carPPz 取 3 根。(7)计算单根 V 带的初拉力的最小值 min0F 由表 8-3 得 B 型带的单位长度质量mkg018q,所以 N2830432.918.00432.93914.04.8914.05.2500kk5.250022min0qzPFca (8)计算压轴力 N16282147sin283322sin21min0FzFp (9)带轮结构
22、设计(略)第九章 链传动 p184 习题答案 9-2 某链传动传递的功率kW1P,主动链轮转速minr481n,从动链轮转速minr142n,载荷平稳,定期人工润滑,试设计此链传动。解(1)选择链轮齿数 取小链轮齿数191z,大链轮的齿数6519144812112znnizz(2)确定计算功率 由表 9-6 查得0.1AK,由图 9-13 查得52.1zK,单排链,则计算功率为 kW52.1152.10.1PKKPzAca(3)选择链条型号和节距 根据minr48kW52.11nPca及,查图 9-11,可选 16A,查表 9-1,链条节距mm4.25p(4)计算链节数和中心距 初选中心距mm
23、12707624.25)5030()5030(0pa。取mm9000a,相应的链长节数为 3.1149004.2521965265194.259002222202122100apzzzzpaLp 取链长节数节114pL。查表 9-7 得中心距计算系数24457.01f,则链传动的最大中心距为 mm895651911424.2524457.02211zzLpfap (5)计算链速,确定润滑方式 sm386.01000604.25194810006011pzn 由sm386.0和链号16A,查图 9-14 可知应采用定期人工润滑。(6)计算压轴力pF 有效圆周力为 N2591386.0110001
24、000pFe 链轮水平布置时的压轴力系数15.1pFK,则压轴力为N2980259115.1eFpFKFp 9-3 已知主动链轮转速minr8501n,齿数211z,从动链齿数992z,中心距mm900a,滚子链极限拉伸载荷为 55.6kN,工作情况系数1AK,试求链条所能传递的功率。解 由kW6.55limF,查表 9-1 得mm4.25p,链型号 16A 根据minr850mm4.251np,查图 9-11 得额定功率kW35caP 由211z查图 9-13 得45.1zK 且1AK kW14.2445.1135zAcaKKPP 第十章 齿轮传动 p236 习题答案 10-1 试分析图 1
25、0-47 所示的齿轮传动各齿轮所受的力(用受力图表示各力的作用位置及方向)。解 受力图如下图:补充题:如图(b),已知标准锥齿轮mmN1042,3.0,50,20,5521TzzmR,标准斜齿轮 24,63zmn,若中间轴上两齿轮所受轴向力互相抵消,应为多少?并计算 2、3 齿轮各分力大小。解 (1)齿轮 2 的轴向力:222222222s i nt a n5.012s i nt a n2s i nt a nzmTdmTFFRta 齿轮 3 的轴向力:zmTzmTdTFFnntas i n2t a nc o s2t a n2t a n33333333 3232,20,TTFFaa zmTzmT
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