機械設(shè)計基礎(chǔ)左斌課后部分參考答案

機械設(shè)計基礎(chǔ)部分習題參考答案緒論1本課程研究的對象是機構(gòu)和機器。2機械是機器與機構(gòu)的總稱。機械就是能幫人們降低工作難度或省力的工具裝置。3.各種機器盡管有著不同的形式、構(gòu)造和用途，然而都具有下列三個共同特征：①機器是人為的多種實體的組合；②各部分之間具有確定的相對運動；③能完成有效的機械功或變換機械能。機器是由一個或幾個機構(gòu)組成的，機構(gòu)僅具有機器的前兩個特征，它被用來傳遞運動或變換運動形式。若單純從結(jié)構(gòu)和運動的觀點看，機器和機構(gòu)并無區(qū)別，因此，通常把機器和機構(gòu)統(tǒng)稱為機械。4.在日常生活中鑷子、鉗子屬于機構(gòu)，汽車、自行車屬于機器。任務(wù)1.1平面機構(gòu)方案分析1.兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定相對運動的聯(lián)接稱為運動副。運動副的類型可按接觸方式的不同分為低副和高副兩大類。2圖示機構(gòu)簡圖。F=3X3-2X4=1F=3X3-2X4=1F=3X3-2X4=1F=3X3-2X4=13.計算圖1-23平面機構(gòu)的自由度。a）F=3X8-2X11=2b）F=3X5-2X7=1c）F=3X5-2X7=1d）F=3X5-2X6-2=1f）F=3X7-2X10=14.F=3X9-2X12=1=2需要兩個原動件任務(wù)1.2平面機構(gòu)方案分析1從動件的力F與該力作用點C的絕對速度之間所夾的銳角，稱為壓力角。

壓力角的余角稱為傳動角。顯然，愈大，愈小，則使從動桿運動的有效分力就愈小，有害分力就愈大，這對機構(gòu)的傳動不利。在連桿機構(gòu)中，由于角不便于觀察和測量，工程上常以角來衡量機構(gòu)的傳動性能。因為在機構(gòu)運轉(zhuǎn)時，其傳動角是變化的，為了保證機構(gòu)傳動性能良好，設(shè)計時必須規(guī)定最小傳動角的下限。2根據(jù)極限夾角公式求出K40=180（K-1）/(K+1)K=1.57K=t1/t2=10/t2t2=6.36s3a）40+110<70+90曲柄為機架雙曲柄機構(gòu)b）45+120<70+100曲柄為連架桿曲柄搖桿機構(gòu)c）50+100>70+60雙搖桿機構(gòu)d）50+100<70+90曲柄為連桿雙搖桿機構(gòu)

4180+400<360+290最長桿為機架有曲柄存在最短桿為機架雙曲柄機構(gòu)最短桿為連桿雙搖桿機構(gòu)5.圖示a)b)6.7(1)選取適當比例尺，根據(jù)已知條件，如圖所示繪出連桿BC的兩個位置，同時繪出軸線yy。(2)連接B1和B2點，C1和C2點，分別作出B1B2、C1C2兩線段的垂直平分線。(3)兩垂直平分線與yy軸線的交點即為固定鉸鏈中心A和D的位置。(4)連接A和B1點、B2和D點、A和D點，即可測算出各桿長度為，，。9計算=36°并根據(jù)滑塊行程H作出極位夾角。如圖所示。任務(wù)2.11選擇從動件運動規(guī)律時，應(yīng)主要考慮哪些問題？答：選擇從動件運動規(guī)律時，首先應(yīng)考慮機械的工作過程對其提出的要求，同時又應(yīng)使凸輪機構(gòu)具有良好的動力特性。2按照從動件的形式凸輪可以分為哪幾種？分別具有具有哪些特點？答：尖頂，適合高速輕載；滾子，耐磨性好；平底從動件，凸輪不能有凹的輪廓等。3何謂凸輪機構(gòu)壓力角？壓力角的大小對凸輪機構(gòu)的作用力和傳動有何影響？答：凸輪的壓力角為凸輪廓線上傳力點B的法線與推桿（從動件）上點B的速度方向所夾的銳角。對于滾子從動件，滾子中心可視作B點。壓力角α是影響凸輪機構(gòu)受力情況的一個重要參數(shù)。在其它條件相同的情況下，α越大、則分母越小、P力將越大。當α增大到某一數(shù)值時，分母將減小為零，作用力P將增至無窮大，此時該凸輪機構(gòu)將發(fā)生自鎖現(xiàn)象。而這時的壓力角我們稱為臨界壓力角αc，為使凸輪機構(gòu)工作可靠，受力情況良好，必須對壓力角進行限制。最基本的要求是：α4用作圖法求出下列各凸輪從圖示位置轉(zhuǎn)到B點接觸時凸輪的轉(zhuǎn)角?(在圖2-18上標出)。圖2-18答案：略（提示：找到對用位置）5設(shè)計一尖頂對心直動從動件盤形凸輪機構(gòu)。凸輪順時針勻速轉(zhuǎn)動，基圓半徑r0=30mm，從動件的運動規(guī)律見下表。φ0~90180240運動規(guī)律等加速等減速上升停止等速下降停止答案：略，參照本任務(wù)中例題。6圖3-35所示為尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)的位移線圖，但圖中給出的位移線圖尚不完全，試在圖上補全各段曲線，并指出哪些位置有剛性沖擊，哪些位置有柔性沖擊。解：圖1圖2①②⑤⑥兩點有柔性沖擊；③④兩點有剛性沖擊；7已知一對心移動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)的基圓半徑r0=30mm，滾子半徑任務(wù)2.21常用的間歇機構(gòu)有哪些?各有何特點?解：常有的間歇運動機構(gòu)有棘輪機構(gòu)和槽輪機構(gòu)。棘輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運動可靠，在各類機械中有較廣泛的應(yīng)用。槽輪機構(gòu)構(gòu)造簡單，機械效率高，并且傳動平穩(wěn)，因此在自動機床轉(zhuǎn)位機構(gòu)、電影放映機卷片機構(gòu)等自動機械中得到廣泛的應(yīng)用。2請舉出應(yīng)用上述這些間歇運動機構(gòu)的實例。答：棘輪機構(gòu)的應(yīng)用實際案例有：起重設(shè)備棘輪制動器。槽輪機構(gòu)的應(yīng)用有電影放映機卷片機構(gòu)、自動機床轉(zhuǎn)位機構(gòu)。任務(wù)3.1進給系統(tǒng)連接件的設(shè)計常見的螺紋是右旋，單線。單線螺紋螺旋升角較小，螺絲和螺母旋合形成的摩擦力較大，具有自鎖能力。右旋螺紋比較多是因為右旋符合大多人用手習慣。普通螺栓連接時，被連接件上的通孔和螺桿間留有間隙，受橫向載荷時，依據(jù)連接摩檫力來抵抗，故承受橫向載荷能力較差。鉸制孔用螺栓連接時，用螺栓桿抵抗橫向載荷，適用于承受橫向載荷或精確固定被連接件相對位置的場合。普通螺栓連接結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，適用于被連接件不太厚和兩邊都有足夠裝配空間的場合；而鉸制孔用螺栓連接則適用于利用螺桿承受橫向載荷或精確固定被連接件相對位置的場合。雙頭螺柱連接適用于被連接零件之一太厚，不便制成通孔，或材料比較軟且需要經(jīng)常拆裝的場合。螺釘連接適用于被連接零件之一太厚而不需要經(jīng)常拆裝的場合。螺紋連接的防松的方法按其工作原理可分為摩擦防松、直接鎖住和破壞螺紋副運動關(guān)系三種。摩擦防松可以使用雙螺母，也可以加墊圈；直接鎖住防松可使用開口銷、槽形螺母、止動墊圈等方法；破壞螺紋副運動關(guān)系防松可采用點焊、膠合和沖點的方法。根據(jù)軸的直徑d從鍵的標準中選取平鍵的寬度b和高度h，鍵長L根據(jù)輪轂長度確定(一般比輪轂長度短5~10mm)，并須符合標準中規(guī)定的長度系列。平鍵連接主要失效形式是鍵、軸和輪轂中強度較弱的工作表面被壓潰(對靜連接)或磨損(對動連接)。（1）選用圓頭平鍵。根據(jù)軸直徑選取平鍵尺寸，凸緣聯(lián)軸器上平鍵尺寸為：b=20，h=12，L=100；圓柱齒輪上平鍵尺寸為：b=25，h=14，L=56。（2）凸緣聯(lián)軸器材料為HT200，受輕微沖擊時，許用擠壓應(yīng)力σp在50~60MPa范圍內(nèi)，平鍵強度σσ齒輪材料為45鋼，受輕微沖擊時，許用擠壓應(yīng)力σp在100~120MPa范圍內(nèi)，平鍵強度σσ花鍵由于多鍵傳遞載荷，所以它比平鍵連接的承載能力高，對中性和導(dǎo)向性好，對軸的強度削弱小。但花鍵的制造需要采用專用設(shè)備，故成本較高。按銷的用途，可分為連接銷、定位銷和安全銷三種。按銷形狀的不同，可分為圓柱銷、圓錐銷。連接銷用于軸-轂連接，可傳遞不大的載荷，實現(xiàn)周向、軸向固定。定位銷用于確定零件之間的相對位置，通常不承受載荷，數(shù)目一般為兩枚。安全銷用于安全裝置中，作為過載剪斷元件。圓柱銷靠過盈配合固定在孔中，若經(jīng)過多次裝拆，其定位精度會降低，因此不宜經(jīng)常拆裝。圓錐銷具有1:50的錐度，安裝比圓柱銷方便，多次裝拆對定位精度的影響也較小，因此常用于需多次裝拆的場合。任務(wù)3.2軸承的選擇1滾動軸承一般由兩個套圈（即內(nèi)圈、外圈）、滾動體和保持架等基本元件組成。滾動體是不可省略的關(guān)鍵零件。球軸承的滾動體是球形，承載能力和承受沖擊能力小。滾子軸承的滾動體形狀有圓柱滾子、圓錐滾子、鼓形滾子和滾針等，承載能力和承受沖擊能力大，但極限轉(zhuǎn)速低。滾子軸承的特性：（1）有接觸角（2）有游隙（3）一般允許有偏位角（4）極限轉(zhuǎn)速較低。球軸承的特點：承載能力和承受沖擊能力小。2解：60210/p6表示深溝軸承，寬度系列代號為0，直徑系列代號為2，內(nèi)徑為50mm，公差等級為6級，游隙為0組。N2312表示圓柱滾子軸承，寬度系列代號為2，直徑系列代號為3，內(nèi)徑為60mm，公差等級為0級，游隙為0組。70216/AC表示角接觸球軸承，寬度系列代號為0，直徑系列代號為2，內(nèi)徑為80mm，接觸角=25°71311/C表示角接觸球軸承，寬度系列代號為1，直徑系列代號為3，內(nèi)徑為55mm，接觸角=15°3S1、S2方向見圖軸承1“壓緊”，A1=FA+S2=3520N 軸承2“放松”，A2=S2=2720N 6解1.選擇軸承類型，初選型號圓錐齒輪軸要求能調(diào)整軸向位置，同時因受有軸向載荷，故習慣上選用角接觸向心軸承。由于軸承壽命計算過程中要用到X、Y、、e等參數(shù)，這些參數(shù)都要在選定軸承型號以后才能查得。因此，可參考軸設(shè)計已確定的軸頸直徑大致范圍，在幾種軸承型號中預(yù)選，然后對幾種方案同時進行壽命計算，在基本額定動載荷允許的前提下最后比較取定一種型號。在本例題中，參考mm，初選三種型號，并由手冊中摘出有關(guān)參數(shù)如下表。下面以30206軸承為例進行計算。2.徑向支反力(即軸承徑向載荷)計算軸承2的徑向載荷N軸承1的徑向載荷(方向如圖)N3.按壽命計算選擇軸承型號(1)內(nèi)部軸向力計算按表3-9公式計算軸承內(nèi)部軸向力NN式中Y值可直接從機械設(shè)計手冊中查得，30206軸承的Y=1.6。(2)確定軸承的軸向載荷由于N故軸承1“壓緊”，軸承2“放松”，如圖3-49所示。故NN圖3-45軸承的軸向載荷計算(3)根據(jù)當量動載荷公式計算P值因故N又故N式中為沖擊載荷系數(shù)，由表3-7取。(4)計算工作所需要的徑向基本額定動載荷由式(3-1f)滾子軸承。由于兩支承點取同一型號軸承，故按軸承2計算N30206軸承NN，故能保證預(yù)期額定壽命。4.方案比較將另外兩種方案也分別進行計算，三種方案結(jié)果如表：從表列結(jié)果看，三種方案中，7206C不能保證所要求的預(yù)期壽命，其余兩種都能保證，顯然，30206軸承更經(jīng)濟合理。5.校核極限轉(zhuǎn)速(從略)。任務(wù)4.11.軸按所受載荷的不同分為哪三種？常見的軸大多屬于哪種？答：心軸、轉(zhuǎn)軸和傳動軸;轉(zhuǎn)軸是機械中最常見的軸。2.軸設(shè)計的主要內(nèi)容和主要步驟是什么？答：軸的設(shè)計包括兩個主要內(nèi)容：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和軸的強度計算。軸設(shè)計的主要步驟：1）選擇軸的材料；2）估算軸的最小直徑；3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計；4）軸的強度校核；5）必要時進行軸的剛度計算和振動穩(wěn)定性計算。3.軸上零件最常見的軸向定位結(jié)構(gòu)是什么？答：（1）軸肩與軸環(huán)定位（2）套筒定位（3）軸端擋圈（4）圓錐面定位（5）圓螺母定位（6）彈性擋圈定位。4.軸上零件周向定位方式有哪些？各適用于什么場合？答：軸上零件的周向定位常用平鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接、過盈配合、成形聯(lián)接、彈性環(huán)聯(lián)接等實現(xiàn)周向固定。齒輪與軸通常采用過渡配合與鍵聯(lián)接；滾動軸承的內(nèi)圈與軸采用較緊的過渡配合；受力小或光軸上的零件可采用緊定螺釘固定；受力大且要求零件作軸向移動時采用花鍵聯(lián)接。5.制造軸的材料由有幾種？若軸的剛度不夠，是否可采用高強度合金鋼提高軸的剛度，為什么？答：軸的材料主要有碳素鋼和合金鋼。若軸的剛度不夠，不應(yīng)采用高強度合金鋼來提高軸的剛度。因合金鋼在常溫下的彈性模量與普通碳素鋼基本相同。而軸的剛度的主要衡量指標是材料的彈性模量。6一臺由電動機帶動的離心水泵，功率為3kW，軸轉(zhuǎn)速為960r/min，軸的材料為45鋼。試按強度要求計算軸所需的最小直徑。解：d7圖示傳動軸的材料為45鋼調(diào)質(zhì)，軸上裝有四個帶輪。主動輪C輸入功率kW，三個從動輪分別輸出功率為kW，kW，kW，軸的轉(zhuǎn)速r/min。要求：(1)作出軸的扭矩圖；(2)按扭轉(zhuǎn)強度計算確定軸的直徑；(3)若將圖中C、D兩輪位置互換，軸徑應(yīng)為多大。題7圖答案:略8設(shè)計圖示單級斜齒圓柱齒輪減速器中的低速軸。已知：電動機功率kW，轉(zhuǎn)速r/min，r/min，大齒輪分度圓直徑mm，齒寬mm，螺旋角，法向壓力角。要求：(1)完成軸的全部結(jié)構(gòu)設(shè)計；(2)根據(jù)彎扭合成強度條件，驗算軸的強度。題8圖解：略，請參照任務(wù)實施。任務(wù)4.21聯(lián)軸器與離合器的功用是什么？二者有何區(qū)別？解：聯(lián)軸器是用來聯(lián)接兩軸使其一同運轉(zhuǎn)并傳遞運動和轉(zhuǎn)矩的一種機械裝置；離合器用于各種機械的主、從動軸之間的結(jié)合和分離，并傳遞運動和動力。聯(lián)軸器連接兩軸后一般不能分離，而離合器運轉(zhuǎn)中就能使兩軸隨時分離和接合。2選擇聯(lián)軸器類型和尺寸的依據(jù)是什么？解：類型選擇依據(jù)：被聯(lián)接兩軸的對中性、傳遞載荷的大小和特性、工作轉(zhuǎn)速、安裝尺寸的限制、工作環(huán)境等。尺寸選擇依據(jù)：計算轉(zhuǎn)矩Tc、軸的轉(zhuǎn)速n、被聯(lián)接軸的直徑d。3常用離合器有哪些種類？試說明各自特點和應(yīng)用場合。解：離合器的類型很多，常用的有牙嵌式和摩擦式兩類。牙嵌離合器，它由兩個端面帶牙的半離合器組成。其中一個半離合器固定于主動軸上；另一個半離合器用導(dǎo)向平鍵（或花鍵）與從動軸聯(lián)接，并可由操縱機構(gòu)使其在軸上作軸向移動，以實現(xiàn)兩半離合器的分離與接合。牙嵌離合器結(jié)構(gòu)簡單、外廓尺寸小，能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，工作時無滑動，因此應(yīng)用廣泛。但它只適宜在兩軸不回轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速差很小時進行離合，否則會因撞擊而斷齒。摩擦離合器是通過主、從動件壓緊后產(chǎn)生的摩擦力來傳遞運動和轉(zhuǎn)矩的，其特點是運轉(zhuǎn)中便于結(jié)合，過載打滑可以保護其他零件；結(jié)合平穩(wěn)，沖擊小，振動小。但在結(jié)合和分離過程中，摩擦盤間必然存在相對滑動，引起摩擦盤的發(fā)熱和磨損，適用于高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的場合。4試選擇一電動機輸出軸用聯(lián)軸器，已知電動機功率P=40kW，轉(zhuǎn)速n=1440r/min，軸的直徑d=45mm，載荷有中等沖擊。試選擇聯(lián)軸器的型號。解：1）類型選擇：為了隔離振動與沖擊，選用彈性套柱銷聯(lián)軸器。2）確定計算轉(zhuǎn)矩：公稱轉(zhuǎn)矩T由表4-7查得載荷系數(shù)K=1.9，故得計算轉(zhuǎn)矩為：Tca3）型號選擇：從GB/T4323—2017中查得TL7型彈性套柱銷聯(lián)軸器的公稱扭矩為560N?m，最大許用轉(zhuǎn)速為3600r/min，軸徑為43～48mm之間，故合用。4）標記：TL項目五任務(wù)5.11什么是有效拉力?什么是初拉力?他們之間有什么關(guān)系？答：為保證帶傳動正常工作，傳動帶必須以一定的張緊力緊套在帶輪上。當傳動帶靜止時，帶兩邊承受相等的拉力，稱為初拉力。帶兩邊的拉力之差F稱為帶傳動的有效拉力。2帶傳動中彈性滑動與打滑有何區(qū)別？影響打滑的因素有哪些？如何讓避免打滑？答：彈性滑動是帶傳動不可避免的物理現(xiàn)象，由彈性帶引起的。打滑是由于過載引起的，可以避免。傳動比不準確的原因是由于帶有彈性滑動，如改變帶的材質(zhì)可以解決。彈性滑動和打滑是兩個截然不同的概念。打滑是指過載引起的全面滑動，是可以避免的。而彈性滑動是由于拉力差引起的，只要傳遞圓周力，就必然會發(fā)生彈性滑動，所以彈性滑動是不可以避免的。避免打滑的方法：控制工作載荷小于許用載荷。3帶速為什么不宜過高或過低?答：帶速過低，所需要的帶的根數(shù)過多，會導(dǎo)致每根V帶受力不均，帶速過高會引起打滑。4帶傳動為什么需要張緊？張緊的方法由哪些？答：（1）v帶工作一段時間后，就會由于塑性變形而松弛，有效拉力降低，為了保證帶傳動的正常工作，應(yīng)定期張緊。（2）滑道式定期張緊、擺架式定期張緊、利用自身重量的自動張緊、調(diào)位式內(nèi)張緊輪張緊等。5某V帶傳動傳遞的功率kW，帶速m/s,緊邊拉力是松邊拉力的3倍，求該帶傳動的有效拉力及緊邊拉力。解：由P=(Fe*v)/1000得出：Fe=Fe=F1=由(1)(2)(3)式解得：F16某機床上的V帶傳動用三相交流異步電動機驅(qū)動，電動機型號為Y160M-4，其額定功率為11kW，轉(zhuǎn)速r/min，傳動比，中心距mm，雙班制工作，載荷平穩(wěn)，從動帶輪的孔徑mm。試設(shè)計此普通V帶傳動。答：參考教材中任務(wù)實施。5.2鏈傳動1鏈傳動的主要工作特點。答：(1)平均傳動比準確，沒有彈性滑動；(2)可以在環(huán)境惡劣的條件下工作（突出優(yōu)點）；(3)中心距大，傳遞動力遠，結(jié)構(gòu)較小，沒有初拉力壓軸力?。?4)瞬時傳動比不準，工作中有沖擊和噪聲；(5)只限于平行軸之間的傳動，不宜正反轉(zhuǎn)工作。2鏈傳動的主要失效形式有哪些？答：常見的鏈傳動失效形式有：1）鏈板的疲勞斷裂；2）滾子和套筒的疲勞點蝕；3）鏈條脫落；4）鏈條過載磨損；5）鏈輪齒面磨損。3鏈傳動的張緊應(yīng)該如何正確布置?答：張緊方法：（1）通過調(diào)整鏈輪中心距來張緊鏈輪；（2）拆除1~2個鏈節(jié)，縮短鏈長，使鏈張緊；（3）使用張緊輪張緊，當兩鏈輪中心連線傾角大于60°時，應(yīng)當設(shè)置張緊裝置，張緊輪常設(shè)置在鏈條松邊外側(cè)或內(nèi)側(cè)。張緊最常用的方法是通過移動鏈輪的位置以增大兩輪的中心距，當中心距不可調(diào)時，可設(shè)張緊裝置張緊，常用張緊方法：（1）張緊輪張緊（2）托板張緊。4設(shè)置一輸送裝置用的鏈傳動。已知鏈傳動傳遞的功率P=7.5kw，主動鏈輪的轉(zhuǎn)速n1=970r/min，從動鏈輪的轉(zhuǎn)速為n2答：略，參考教材例5-1。任務(wù)6.1直齒圓柱齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計1.直齒圓柱齒輪正確嚙合的條件是什么？解:（1）兩齒輪的模數(shù)必須相等，即m1=m2。（2）兩齒輪分度圓上的壓力角必須相等，即a1=a2。2.什么叫模數(shù)？模數(shù)大小對齒輪傳動有什么影響？解:（1）齒距p除以圓周率π所得的商稱為模數(shù)，用m表示。（2）齒數(shù)相等的齒輪，模數(shù)越大，齒輪尺寸就越大，輪齒的厚度也越大，承載能力越強，當齒數(shù)相同時，模數(shù)越小，分度圓直徑越小，輪齒的厚度也越小，分度圓直徑相等的齒輪,模數(shù)越大，承載能力也越強，當齒輪的分度圓直徑相同時，模數(shù)越大，齒數(shù)越少，輪齒的厚度越大。3.齒輪傳動的基本要求是什么？解:（1）傳動平穩(wěn)：要求瞬時傳動比不變，盡量減小沖擊、振動和噪聲。（2）承載能力高：要求在尺寸小、重量輕的前提下，輪齒的強度高，耐磨性好，在預(yù)定的使用期限內(nèi)不出現(xiàn)斷齒等失效現(xiàn)象。4.齒輪傳動與其他機械傳動相比特點有哪些？試舉出現(xiàn)代機械中應(yīng)用齒輪傳動的實例。解:齒輪傳動的優(yōu)點：傳動比準確，傳動效率高；結(jié)構(gòu)緊湊，功率、尺寸和速度適用范圍廣等。缺點是：齒輪制造需專用機床和設(shè)備，成本較高；精度低時，振動和噪聲較大；不宜用于軸間距離大的傳動等。應(yīng)用實例：機床主軸的變速箱，汽車的變速箱及轉(zhuǎn)向用的齒輪傳動，機械式手表的齒輪傳動，機床分度機構(gòu)的蝸桿傳動，各種減速器的齒輪傳動。5.齒輪傳動常見的失效形式有哪些？分析各種失效形式常在何種情況下發(fā)生及原因？解：齒輪傳動的失效可分為兩類：輪齒折斷和齒面失效。輪齒折斷又分為過載折斷和疲勞折斷，過載折斷主要發(fā)生于脆性材料，疲勞折斷是因為載荷的多次重復(fù)作用，彎曲應(yīng)力超過彎曲疲勞極限時發(fā)生；齒面失效分為：齒面磨損、齒面膠合、齒面塑性變形。齒面磨損多發(fā)生在開式傳動的齒輪，齒面點蝕是閉式軟齒面?zhèn)鲃拥闹饕问?，齒面膠合多發(fā)生在高速重載傳動中，低速重載傳動中，由于齒面間的潤滑油膜不易形成也可能產(chǎn)生膠合破壞。齒面塑性變形多發(fā)生在過載嚴重和啟動頻繁的傳動中。6.軟齒面（HBS≤350）的閉式齒輪和硬齒面（HBS＞350）的閉式齒輪的主要失效形式是什么？在設(shè)計上有何不同的特點？解：軟齒面（HBS≤350）的閉式齒輪傳動，因為齒面比較軟，因此主要失效形式是：齒面疲勞點蝕，為了防止齒面疲勞點蝕，應(yīng)按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，但是還有輪齒折斷的可能性，因此，還要按齒根彎曲疲勞強度校核。硬齒面（HBS>350）的閉式齒輪傳動，因為齒面比較硬，抗疲勞點蝕的能力比較強，所以主要失效形式為輪齒折斷，為了防止輪齒折斷，應(yīng)按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計；但是還有可能發(fā)生齒面疲勞點蝕，因此還應(yīng)按齒面接觸疲勞強度校核。7.選擇齒輪材料時，應(yīng)考慮哪些主要因素？對齒輪材料的性能要求怎樣？解：考慮齒輪的失效主要發(fā)生在齒面和齒根，因此對齒輪材料的基本要求是：齒面有一定的硬度，以獲得較高的抗點蝕、磨粒磨損、膠合和抗塑性流動的能力；輪齒芯部有足夠的強度和韌性以獲得足夠的彎曲疲勞強度。此外，還應(yīng)該考慮機械加工和熱處理的工藝性，以及經(jīng)濟性要求。8.根據(jù)哪些因素來決定齒輪的結(jié)構(gòu)形式？常見的齒輪結(jié)構(gòu)形式有哪幾種？它們分別應(yīng)用于何種場合？解：根據(jù)齒輪直徑的大小確定齒輪的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)形式包括：齒輪軸，實心結(jié)構(gòu)齒輪，腹板式結(jié)構(gòu)齒輪，輪輻式結(jié)構(gòu)齒輪，組合式結(jié)構(gòu)齒輪。對于直徑較小的鋼制齒輪，當圓柱齒輪齒根圓到鍵槽底部的距離e<2mt（mt為端面模數(shù)），及錐齒輪按小端尺寸計算而得的e<1.6小時，可將齒輪和軸做成齒輪軸;當齒頂圓直徑da≤160mm時，齒輪可做成的實心結(jié)構(gòu)（在航空工業(yè)產(chǎn)品中也有做成腹板式結(jié)構(gòu)的）；當齒頂圓直徑da≤500mm時，齒輪可以是鍛造的，也可以是鑄造的，并采用腹板式結(jié)構(gòu)或孔板結(jié)構(gòu)；當頂圓直徑400mm≤da≤1000mm時,齒輪常用鑄鐵或鑄鋼制成，并采用輪輻式結(jié)構(gòu)。有時為了節(jié)約貴重金屬，對于大尺寸的圓柱齒輪可采用組裝結(jié)構(gòu)，即齒圈采用貴重金屬制造，齒芯可用鑄鐵或鑄鋼。9.標準直齒圓柱齒輪傳動，在中心距和傳動比一定的情況下，齒數(shù)和模數(shù)的不同選擇方案各有何利弊？解：在中心距和傳動比一定的情況下，即兩齒輪的分度圓直徑為定值，對于閉式軟齒面?zhèn)鲃樱趥鲃映叽绮蛔儾M足彎曲強度的前提下，可適當增加齒數(shù),減小模數(shù)，則齒頂高，頂圓直徑減小，省材、減小加工工時。另外重合度增加，傳動平穩(wěn)。對于開式傳動，則應(yīng)選擇大模數(shù)，少齒數(shù)，以提高輪齒的抗彎能力。10.已知相互嚙合的一對標準直齒圓柱齒輪，z1=20,z2=50，a=140mm，試計算這對齒輪的分度圓直徑d、齒頂圓直徑da、齒根圓直徑df、齒頂高hf、齒高h、齒距p、齒厚s和槽寬e。解：某工人進行技術(shù)革新，找到兩個標準直齒圓柱齒輪，測得小齒輪的齒頂圓直徑為115mm；因大齒輪太大，只測出其齒高為11.25mm；兩齒輪的齒數(shù)分別為21(小齒輪)和98(大齒輪)。試分析判斷兩齒輪是否能正確嚙合。解：兩齒輪均為標準直齒圓柱齒輪綜合可得：兩齒輪能正確嚙合。12.有一閉式齒輪傳動，滿載工作幾個月后，發(fā)現(xiàn)硬度為200—240HBS的齒輪工作表面上出現(xiàn)小的凹坑。試問：(1)這是什么現(xiàn)象？(2)如何判斷該齒輪是否可以繼續(xù)使用？(3)應(yīng)采取什么措施？解：(1)此齒輪傳動為閉式軟齒面，易發(fā)生點蝕，在工作較短的時間內(nèi)已開始產(chǎn)生齒面疲勞點蝕，但因“出現(xiàn)小的凹坑”，故屬于早期點蝕。(2)若早期點蝕不再發(fā)展成破壞性點蝕，該齒輪仍可繼續(xù)使用。(3)采用高粘度的潤滑油或加極壓添加劑，均可提高齒輪的抗疲勞點蝕的能力。13.如圖6-56中的齒輪2、4和5的分度圓圓周力的方向：(1)當2和4為主動輪時；(2)當1和5為主動輪時；(3)當1輪為主動時，2輪的齒的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力的變化性質(zhì)；若2輪為主動輪時又如何？圖6-56齒輪傳動簡圖解：(1)當2和4為主動輪時，齒輪2、4和5的分度圓圓周力的方向如圖所示；(2)當1和5為主動輪時，如圖所示；(3)當1為主動輪時，1輪每轉(zhuǎn)一周，2輪同側(cè)齒面嚙合一次，彎曲應(yīng)力按對稱循環(huán)變化，接觸應(yīng)力按脈動循環(huán)變化，當2輪為主動輪時，2輪每轉(zhuǎn)一周，同側(cè)齒面嚙合兩次，彎曲應(yīng)力按脈動循環(huán)變化，接觸應(yīng)力也按脈動循環(huán)變化。圖1圖214.有一對標準直齒圓柱齒輪傳動，m=2mm,z1=50,z2=200,b=75mm；若用另一對齒輪m=4mm,z1=25,z2=100,b=75mm代替之，當載荷及其他條件相同時，試問:（1）兩對齒輪的接觸強度是否相同？（2）兩對齒輪的彎曲強度是否相同？解：（1）兩對齒輪的接觸強度比較：因為第一對齒輪的中心距為第二對齒輪的中心距為兩對齒輪的中心距相等，因此兩對齒輪的接觸強度相同。（2）兩對齒輪的彎曲強度比較：因為彎曲疲勞強度取決于模數(shù)，因為兩對齒輪的模數(shù)不相等，因此彎曲疲勞強度不等。第一對齒輪的模數(shù)為2mm,第二對齒輪的模數(shù)為4mm,因此第二對齒輪的抗彎強度高。15.圖6--57所示輪系中，五個齒輪的材料、熱處理、幾何參數(shù)均相同，2輪為主動。試分析說明：（1）哪個齒輪可能首先出現(xiàn)疲勞點蝕？（2）哪個齒輪可能首先出現(xiàn)疲勞斷齒？圖6--57五個齒輪傳動示意圖解：（1）2齒輪可能首先出現(xiàn)疲勞點蝕：因為2齒輪每轉(zhuǎn)一周，同一個齒面接觸兩次，循環(huán)次數(shù)多；而齒輪3、4每轉(zhuǎn)一周同一個齒面接觸一次，循環(huán)次數(shù)少，不易出現(xiàn)疲勞點蝕。（2）3和4齒輪可能首先出現(xiàn)疲勞斷齒：因為3和4齒輪每轉(zhuǎn)一周，同一個齒的齒根受到的彎曲應(yīng)力的應(yīng)力變化性質(zhì)為對稱循環(huán)變應(yīng)力（兩個接觸點分別受彎曲拉應(yīng)力與彎曲壓應(yīng)力），；而2齒輪每轉(zhuǎn)一周，同一個齒輪的齒根雖然也受兩次彎曲，但是齒根受到的彎曲應(yīng)力的應(yīng)力變化性質(zhì)為脈動循環(huán)變應(yīng)力（因為兩個接觸點分別受彎曲拉應(yīng)力），因此，所以3和4齒輪可能首先出現(xiàn)疲勞斷齒。16.某傳動裝置采用一對閉式軟齒面標準直齒圓柱齒輪，齒輪參數(shù)均z1=20,z2=54,m=4mm。加工時誤將箱體孔距鏜大為蘇a’=150mm。齒輪尚未加工，應(yīng)采取何種方法進行補救？新方案的齒輪強度能滿足要求嗎？解：標準直齒圓柱齒輪的中心可補救（1）將齒輪改為斜齒輪，使中心距為通過調(diào)整角，中心距達到150mm，用斜齒代替直齒，新方案不僅強度有所提高,而且傳動性能也有所改善。（2）或者采用正變位齒輪，同樣可使，而仍用直齒輪，選用合適的變位系數(shù)與值,同樣可達到。此時，減少,接觸疲勞強度可提高。任務(wù)6.2其他齒輪傳動設(shè)計1.簡述斜齒圓柱齒輪傳動的特點。解:（1）傳動平穩(wěn)，承載能力強。（2）傳動時產(chǎn)生軸向力。（3）不能用于滑移變速機構(gòu)。2.簡述蝸桿和蝸輪旋向的判定方法。解:蝸桿和蝸輪旋向的判定方法用右手定則:手心對著自己，四指順著蝸桿或蝸輪軸線方向擺正，若齒向與右手拇指指向--致，則該蝸桿或蝸輪為右旋，反之則為左旋。3.直齒錐齒輪的模數(shù)以什么為標準？正確嚙合的條件是什么？解：直齒錐齒輪的模數(shù)以大端端面模數(shù)為標準。正確嚙合的條件是：兩齒輪的大端模數(shù)相等，兩齒輪的大端壓力角相等。4.比較直齒和斜齒圓柱齒輪強度計算的不同點？解：直齒輪為端面曲率ρ1、ρ2,斜齒輪為齒廓嚙合點的法向曲率半徑ρn1、ρn2；斜齒輪接觸線總長度隨嚙合位置不同而變化，其值同時受端面重合度εα縱向重合度與εβ的共同影響，可引入重合度系數(shù)Zε加以修正；接觸線傾斜有利于提高接觸疲勞強度，用螺旋角系數(shù)進行修正。5.說明錐齒輪強度計算方法以其齒寬中點處的當量圓柱齒輪為計算基礎(chǔ)的原因及合理性？解：將錐齒輪齒寬中點處的背錐展成平面扇形，并取錐齒輪平均模數(shù)機mm和標準壓力角α,將兩扇形補足為完整的圓柱齒輪，該直齒圓柱齒輪即為齒寬中點處的當量齒輪，補齊后的齒數(shù)為當量齒數(shù)。直齒錐齒輪傳動的強度與齒寬中點處的直齒圓柱齒輪等強度，計算可依據(jù)其齒寬中點的當量齒輪套用直齒圓柱齒輪的強度計算公式得到。這樣是合理的，因為錐齒輪大端與小端的分度圓直徑、模數(shù)不相等，因此接觸與彎曲強度不等，采用齒輪中點處的分度圓直徑及模數(shù)進行計算，即采用了平均的方法，是合理的。6.為什么斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算中要引入螺旋角系數(shù)和Yβ？它們分別對齒輪的接觸強度和抗彎強度有何影響？解：斜齒圓柱齒輪齒是螺旋線，因而接觸線傾斜，接觸線長了，單位齒寬的載荷減小，彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力比直齒輪有所降低，接觸強度和抗彎強度提高，引進螺旋角系數(shù)Yβ（或Zβ）對彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力加以修正。7.試述齒形系數(shù)YFa的物理意義，齒形系數(shù)與哪些因素有關(guān)？為什么YFa與模數(shù)無關(guān)？同一齒數(shù)的斜齒圓柱齒輪和錐齒輪的YFa值是否相同?解：齒形系數(shù)YFa的物理意義是：表示輪齒的幾何形狀對抗彎能力的影響系數(shù)，根據(jù)公式，齒形系數(shù)無量綱，又根據(jù)齒根彎曲應(yīng)力的公式，齒形系數(shù)YFa越小，齒根受的彎曲應(yīng)力就越小，因此抗彎強度越高。齒形系數(shù)YFa與齒數(shù)Z、變位系數(shù)X有關(guān)，(因為齒數(shù)z、變位系數(shù)X影響齒輪的形狀)，與m無關(guān)；齒數(shù)相同的斜齒輪和錐齒輪的YFa不同，因為斜齒輪、錐齒輪的YFa應(yīng)按當量齒數(shù)查出，而當量齒數(shù)和齒數(shù)的值是不同的。8.兩級圓柱齒輪傳動中，若一級為斜齒，另一級為直齒，試問斜齒圓柱齒輪應(yīng)置于高速級還是低速級？為什么？若為直齒錐齒輪和圓柱齒輪所組成的兩級傳動，錐齒輪應(yīng)置于高速級還是低速級？為什么？解：（1）在兩級圓柱齒輪傳動中，斜齒輪應(yīng)置于高速級，主要因為高速級的轉(zhuǎn)速高，用斜齒圓柱齒輪傳動工作平衡，在公差等級相同時，允許傳動的圓周速度較高；在忽略摩擦阻力影響時，高速級小齒輪的轉(zhuǎn)矩是低速級小齒輪轉(zhuǎn)矩的1/i(i是高速級的傳動比)，其軸向力小。（2）由錐齒輪和圓柱齒輪組成的兩級傳動中，錐齒輪一般應(yīng)置于高速級，主要因為當傳遞功率一定時，低速級的轉(zhuǎn)矩大，則齒輪的尺寸和模數(shù)也大，而錐齒輪的錐距R和模數(shù)m大時，則加工困難，或者加工成本大為提高。9.按加工工藝方法不同，圓柱蝸桿有哪些主要類型?各用什么代號表示?解:按加工工藝方不同圓柱蝸桿可分為:阿基米德蝸桿(ZA蝸桿)，漸開線蝸桿(ZI蝸桿)，法向直席蝸桿(ZN蝸桿)，錐面包絡(luò)蝸桿(ZK蝸桿)。10.蝸桿傳動具有哪些特點?它為什么要進行熱平衡計算?熱平衡計算不合要求時怎么辦?解:蝸桿傳動具有傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、噪聲低和在一定條件下能自鎖等優(yōu)點而獲得廣泛的應(yīng)用。但蝸桿傳動在嚙合平面間將產(chǎn)生很大的相對滑動，具有摩擦發(fā)熱大，效率低等缺點。正是由于存在上述的缺點，故需要進行熱平衡計算。當熱平衡計算不合要求時，可采取如下措施:①在箱體外壁增加散熱片以增大散熱面積；②在蝸桿軸端設(shè)置風扇以增大散熱系數(shù);③若上述辦法還不能滿足散熱要求，可在箱體油池中裝設(shè)蛇形冷卻管，或采用壓力噴油循環(huán)潤滑。11.已知與齒條嚙合的齒輪轉(zhuǎn)速n=100r/min,齒輪齒數(shù)z=20，模數(shù)m=3mm,求齒條的移動速度。解:12.分析題圖6-86中的斜齒輪1和2上的圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa的方向，1)當1輪為主動，齒的方向和轉(zhuǎn)向如圖中所示；2)1輪主動，齒向與圖示相反；3)2輪主動，其他條件與1）相同；4)轉(zhuǎn)向與圖示相反，其他條件與1）相同。圖6-86斜齒輪傳動示意圖解：答案1、答案2、答案3、答案4如圖所示。答案1答案2答案3答案413.如圖6-87所示一對斜齒圓柱齒輪傳動，由強度設(shè)計得：mn=3mm，z1=25，z2=75，。已知：傳遞的功率P1=70kW，轉(zhuǎn)速n1=750rpm。求從動輪所受各分力（忽略摩擦損失），并在圖中示出各分力的方向。圖6-87斜齒圓柱齒輪傳動示意圖解：14.如圖6-88所示一對直齒錐齒輪傳動。已知m=3mm,的z1=24,z2=48，b=25mm,I軸輸入功率為P1=2kW,由n1=160r/min,試確定齒輪嚙合處作用力的大小及方向(以分力的形式求解)。圖6-88直齒錐齒輪傳動傳動示意圖解：①求輸入扭矩②求各分力大小齒輪的圓周力為小齒輪的徑向力和大齒輪的軸向力為小齒輪的軸向力和大齒輪的徑向力為③各分力的方向如圖所示。15.電動機驅(qū)動的普通圓柱蝸桿傳動，如圖6-89所示，已知模數(shù),蝸桿直徑系數(shù),蝸桿頭數(shù),蝸桿齒數(shù),蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩,蝸桿轉(zhuǎn)速,蝸桿材料為45鋼，齒面硬度>45HRC,蝸輪材料鑄造錫青銅，試求:①蝸桿的旋向:②蝸輪的轉(zhuǎn)向;③該傳動的咽合效率和總效率;④作用在蝸桿、蝸輪上的力的作用點，大小和方向(用三個分力表示)在圖中標出。圖6-89普通圓柱蝸桿傳動示意圖解:①蝸桿的旋向應(yīng)與蝸輪一致，為右旋，標在圖上。②蝸輪轉(zhuǎn)向如圖所示，順時針旋轉(zhuǎn)。③蝸桿傳動的嚙合效率和總效率嚙合效率傳動總效率(取攪油效率,滾動軸承效率)④受力分析:受力點及三個分力的方向如圖所示。由于為蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩，則蝸桿轉(zhuǎn)矩(或用代入也可)作用在蝸桿和蝸輪上的作用力的大小為任務(wù)6.3輪系分析與應(yīng)用1.什么是輪系？輪系在實際應(yīng)用中有哪些特點？解:由一系列相互嚙合的齒輪所組成的傳動系統(tǒng)稱為輪系。特點有:①可獲得很大的傳動比。②可做較遠距離的傳動。③可以方便地實現(xiàn)變速要求。2.什么是惰輪？其有什么特點？解：不論該齒輪的齒數(shù)是多少，對總傳動比都毫無影響，但卻起到了改變齒輪副中從動輪(輸出輪)回轉(zhuǎn)方向的作用，這樣的齒輪被稱為惰輪。特點：輪系中的惰輪只改變從動輪的轉(zhuǎn)向，而不改變主動輪與從動輪的傳動比大小。3.如圖6-110所示的輪系中，各齒輪均為標準齒輪，且齒輪1、3、4、6安裝在同一軸上，已知Z1=Z2=Z4=Z5=20,試求傳動比。圖6-110輪系簡圖解：齒輪1，3，4，6安裝在同一軸上且、、相嚙合；、、相嚙合4.如圖6-111所示的輪系中，已知n=1440r/min,各齒輪的齒數(shù)分別為Z1=Z4=Z5=25，Z2=36,Z3=30，Z6=20，Z7=75.求:(1)輪系中哪一個齒輪是惰輪?(2)傳動比為多少?(3)用箭頭在圖上標出各齒輪的回轉(zhuǎn)方向。圖6-111輪系簡圖解：（1）齒輪4是惰輪（2）（3）方向如下圖所示。5.如圖6-112所示的定軸輪系中，已知蝸桿1的旋向和轉(zhuǎn)向，試用箭頭在圖上標出其他各輪的轉(zhuǎn)向。若各輪齒數(shù)分別為Z1=2,Z2=40,Z3=20,Z4=Z8=35,Z5=Z7=25,Z6=50,試計算該輪系的傳動比。圖6-112輪系簡圖解：（1）（2）輪的轉(zhuǎn)向如下圖所示。6.如圖6-113所示為一卷揚機的傳動系統(tǒng)，末端為蝸桿傳動。若各輪齒數(shù)分別為Z1=18,Z2=36,Z3=20,Z4=40,Z6=2,Z6=50，鼓輪直徑D=200mm,n1=1000r/min。試求蝸輪的轉(zhuǎn)速n6和重物G的移動速度v，并確定提升重物時n1的回轉(zhuǎn)方向。圖6-113輪系簡圖解：（1）（2）（3）重物提升時的回轉(zhuǎn)方向為向下，如下圖所示。7.如圖6-114所示的定軸輪系中，已知各輪齒數(shù)和n1的轉(zhuǎn)向。求:(1)在圖中標出螺母的移動方向。(2)當n1=1r/min時,螺母的移動速度為多少?圖6-114輪系簡圖解：（1）螺母的移動方向為向右。（2）任務(wù)7.1機械系統(tǒng)方案設(shè)計1機械總體方案設(shè)計的目的是尋求機械執(zhí)行系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)的原理方案。首先，需要通過調(diào)查研究進行產(chǎn)品的規(guī)劃設(shè)計，在產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計中明確設(shè)計任務(wù)、確定設(shè)計需求。其次，通過這些設(shè)計條件進行機械功能原理方案設(shè)計，確定多種可行的機械傳動方案，然后，進一