機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第4版 習(xí)題及解答 第十二章

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第4版自測(cè)題與習(xí)題參考答案（第十二章）第十二章軸自測(cè)題12-1下列各軸中,（D）為傳動(dòng)軸。A.帶輪軸B.蝸桿軸C.鏈輪D.汽車下部變速器與后橋間的軸12-2 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸在高溫、高速和重載條件下工作,其材料應(yīng)采用(C)。A.Q275鋼B.45鋼C.38CrMoAlA鋼 D.QT600-212-3 尺寸較大的軸及重要的軸,其毛坯宜采用A.鍛制毛坯B.軋制圓鋼C.鑄造件D.焊接件12-4 當(dāng)受軸向力較大,零件與軸承的距離較遠(yuǎn),且位置能夠調(diào)整時(shí),零件的軸向固定應(yīng)采用(B)。A.彈性擋圈 B.圓螺母與止動(dòng)墊圈C.緊定螺釘 D.套筒12-5 為便于拆卸滾動(dòng)軸承,軸肩處的直徑D(或軸環(huán)直徑)與滾動(dòng)軸承內(nèi)圈的外徑D1應(yīng)保持(B)的關(guān)系。A.D>D1B.D<D1C.D=D1 D.兩者無(wú)關(guān)12-6 增大階梯軸圓角半徑的主要目的是(B)。A.使零件的軸向定位可靠B.降低應(yīng)力集中,提高軸的疲勞強(qiáng)度C.使軸的加工方便 D.外形美觀12-7 軸表面進(jìn)行噴丸或輾壓的目的是(B)。A.使尺寸精確 B.降低應(yīng)力集中的敏感性C.提高軸的耐腐蝕性 D.美觀12-8軸表面進(jìn)行滲碳淬火、高頻淬火的目的是(B)。A.降低軸表面的應(yīng)力 B.提高軸的疲勞強(qiáng)度C.降低應(yīng)力集中的敏感性D.提高軸的剛度12-9 設(shè)計(jì)制造軸時(shí),采用了下列措施:1)減緩軸剖面的變化;2)采用圓盤銑刀代替立銑刀加工鍵槽;3)增大過(guò)盈配合處的直徑;4)螺紋尾部留有退刀槽;5)設(shè)置砂輪越程槽;6)軸上的圓角半徑盡可能相同;7)軸的表面進(jìn)行熱處理。其中能提高軸的疲勞強(qiáng)度的有[A:1);2);3);7)]。A.4條B.5條C.6條 D.7條12-10 在圖12-15所示軸的結(jié)構(gòu)中,不合理的為(D )處。A.1、2、3、4 B.2、3、4、5C.2、3、4、5、6 D.1、3、4、5、612-11 在圖12-16所示軸的結(jié)構(gòu)中,不合理的為(D )處。A.1、3、4、5 B.2、3、5、6 C.1、4、5、6 D.1、2、5、612-12 在圖12-17所示軸的結(jié)構(gòu)中,不合理的為(D )處。A.1、2、3、4 B.2、3、4、5 C.3、4、5、6 D.1、2、3、5、612-13 圖12-18所示為斜齒圓柱齒輪減速器,功率經(jīng)聯(lián)軸器Ⅰ輸入,經(jīng)齒輪傳動(dòng)由聯(lián)軸器Ⅱ輸出。指出兩根軸受彎扭組合作用的是(D)段。A.OC和DG B.OB和EGC.AC和DF D.AB和EF圖12-15題12-3圖圖12-16題12-11圖圖12-17題12-12圖圖12-18題12-13圖12-14一傳動(dòng)軸,直徑d=40mm,轉(zhuǎn)速n=950r/min。軸的材料是45鋼,調(diào)質(zhì)處理,許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力[τ]=35N/mm2,則該軸能傳遞的功率是(B)。A.41.75KwB.43.75kW C.50.26kWD.53.75kW12-15計(jì)算當(dāng)量彎矩Me=√M2+(ɑT)2時(shí),若扭矩大小經(jīng)常變化,折合系數(shù)α應(yīng)取(B)。A.0.3 B.0.6 C.1 D.1.4（二）習(xí)題12-16已知一轉(zhuǎn)軸在直徑d=55mm處受不變的轉(zhuǎn)矩T=1540N·m和彎矩M=710N·m作用,軸材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。問(wèn)該軸能否滿足強(qiáng)度要求?參考解答解：按彎扭組合強(qiáng)度校核，式（12-3）σe=Me/W=√M2+(ɑT)2/(0.1d3)≦[ɑ≈0.3，對(duì)碳鋼，見表12-6，[σe=Me/W=√M2+(ɑT)2/(0.1d3)=√7102+（0.3×1540）2/(0.1×553)=847.08Nm/16637.5mm3≈50.91MPa<[強(qiáng)度滿足要求12-7已知圖12-19中軸系傳遞的功率P=2.2kW,轉(zhuǎn)速n=95r/min,標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪的齒數(shù)z=79,模數(shù)m=2mm。試設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行強(qiáng)度校核(電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),載荷平穩(wěn))。參考解答解：1.T=9.55×106P/n(N.mm)=9.55×106×2.2/95≈2.212×105(Nmm)=221.2N.m左側(cè)聯(lián)軸器，凸緣聯(lián)軸器，1．齒輪分度圓直徑d=mz=2mm×79=158mm，設(shè)齒輪為直齒輪2．軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖題12-17圖解，確定各軸段直徑：計(jì)算及說(shuō)明主要結(jié)果一、選擇軸的材料,確定許用應(yīng)力選用軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,查表12-1可知σb=650MPaσb=650MPa,σs=360MPa,查表12-6可知[σ+1]=215MPa,=b s +1bb 0bb[σ-1]bb=60MPa[σ0]bb=102MPa,[σ-1]bb=60MPa二、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算軸的最小直徑圖示中齒輪軸系為轉(zhuǎn)軸,輸出端與聯(lián)軸器相接,從結(jié)構(gòu)要求考慮,輸出端軸徑應(yīng)最小。最小直徑為d≥C3√P/n查表12-5可得,45鋼取C=118,則d≥118×3√2.2/95mm≈33.63mmd=38mm考慮鍵槽的影響以及聯(lián)軸器孔徑系列標(biāo)準(zhǔn),取d=38mm計(jì)算及說(shuō)明主要結(jié)果三、齒輪上作用力的計(jì)算T=2.21×105N·mmFt=Fr=654N聯(lián)軸器規(guī)格:LX3聯(lián)軸器38×82GB/T5014—2017d6=38mmd5=50mmd4=50mmd4=55mmd3=58mm軸承6211d2=63mmd1=55mmFRBX=FRDX=1399NMCH=104925N·mRBZFRDZ=905N(方向向下)據(jù)已知，齒輪所受的轉(zhuǎn)矩為T=9.55×106P/n=(9.55×106×2.2/95)N·mm≈2.21×105N·mm齒輪作用力:圓周力Ft=2T/d=(2×2.21×105/158)N≈N徑向力Fr=Fttanα=(2798×tan20°)N=2798×0.36397≈1018N四、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需同時(shí)考慮軸系中相配零件的尺寸以及軸上零件的固定方式,按比例繪制軸系結(jié)構(gòu)草圖(1)聯(lián)軸器的選取。采用凸緣聯(lián)軸器,查設(shè)計(jì)手冊(cè)可得規(guī)格為:CY6型聯(lián)軸器38×82GB/T5843—2003(2)確定軸上零件的位置及固定方式。將齒輪布置在箱體內(nèi)壁的中央,軸承對(duì)稱布置在齒輪兩邊,軸外伸端安裝聯(lián)軸器齒輪靠軸環(huán)和套筒實(shí)現(xiàn)軸向定位和固定,靠平鍵和過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)周向固定;兩端軸承靠軸環(huán)或套筒實(shí)現(xiàn)軸向定位,靠過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)周向固定;軸通過(guò)兩端軸承蓋實(shí)現(xiàn)軸向定位;聯(lián)軸器靠軸肩、平鍵和過(guò)盈配合分別實(shí)現(xiàn)軸向定位和周向固定(3)確定各段軸的直徑：按題意將估算軸徑d=38mm作為外伸端直徑d1,與聯(lián)軸聯(lián)軸器相配,如圖所示,考慮聯(lián)軸器用軸肩實(shí)現(xiàn)軸向定位,取第二段直徑為d5=50mm。齒輪和左端軸承從左側(cè)裝入,考慮裝拆方便及零件固定定定的要求,定，裝軸承處軸徑d4應(yīng)大于d5,考慮滾動(dòng)軸承直徑系列,取d4=55mm。為便于齒便于齒輪裝拆,與齒輪配合處軸徑d3應(yīng)大于d4,取d3=58mm。齒輪左端用套筒固用套筒固定,右端用軸環(huán)定位,軸環(huán)直徑d2滿足齒輪定位的同時(shí),還應(yīng)滿足右側(cè)軸承的軸承安裝要求,根據(jù)選定軸承型號(hào)確定。右端軸承型號(hào)與左端軸承相同,取d1=55mm。(4)選取軸承型號(hào)。初選軸承型號(hào)為深溝球軸承,代號(hào)6211。查手冊(cè)可得:軸承外徑D=100mm,軸承寬度B=21mm。圓角半徑r=1.5mm,軸承內(nèi)圈定位軸肩高度h應(yīng)略大于rg取定位直徑尺寸D1=63mm,故軸環(huán)直徑d2=63mm,(5)確定各段軸的長(zhǎng)度。綜合考慮軸上零件的尺寸及其與減速器箱體尺寸的關(guān)系,確定各段軸的長(zhǎng)度(6)畫出軸的結(jié)構(gòu)草圖。如圖12-13所示五、校核軸的強(qiáng)度(1)畫出軸的受力簡(jiǎn)圖、計(jì)算支反力和彎矩。由軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,可確定軸承支點(diǎn)跨距,由此可畫出軸的受力簡(jiǎn)圖,如圖12-13所示水平面支反力FRBX=FRDX=Ft/2=2798/2N=N水平面彎矩MCH=FRBX×75=(1399×75)N·mm=104925N·mm垂直面支反力由靜力學(xué)平衡方程可求得FRBZ =Fr/2N/2=905N(Fr方向向下) 計(jì)算及說(shuō)明主要結(jié)果垂直面彎矩MCV=FRBZ×75=(905×75)N·mm=67875N·mm 合成彎矩 MC=√MCH2+MCV2=√1049252+678752≈124965N·mm扭矩T=2.21×105N·mm畫出各平面彎矩圖和扭矩圖。如圖12-13所示(2)計(jì)算當(dāng)量彎矩Me。轉(zhuǎn)矩按脈動(dòng)循環(huán)考慮,應(yīng)力折合系數(shù)為ɑ=[σ-1]bb/[σ0]bb=60/102≈0.59C剖面最大當(dāng)量彎矩為M-ce=√(MC)2+(αT)2= √1249652+(0.59×221000)2N·mm≈180604N·mm畫出當(dāng)量彎矩圖,如圖12-13所示(3)校核軸徑。由當(dāng)量彎矩圖可知,C剖面上當(dāng)量彎矩最大,為危險(xiǎn)截面,校核該截面直徑dc≥3√M-ce/(0.1[σ-1]bb3√180604/(0.1×60≈31.11mm考慮該截面上鍵槽的影響,直徑增加3%dC≥1.03×31.11mm≈32.04mm結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定的直徑為58mm,強(qiáng)度足夠六、繪制軸的零件工作圖,(略)MCV=67875N·mmMC=124965N·mmT=2.21×105N·mmα=0.59M-Ce=169152N·mmdC=32.04mm下圖中的長(zhǎng)度尺寸不用顯示，140與題目條件不一致也不顯示。12-8試設(shè)計(jì)圖12-0所示二級(jí)斜齒圓柱齒輪減速器的中間軸Ⅱ。已知中間軸Ⅱ輸入功率P=40kW,轉(zhuǎn)速n2=200r/min;齒輪2的分度圓直徑d2=688mm,螺旋角β2=12°51′;齒輪3的分度圓直徑d3=170mm,螺旋角β3=10°29′。參考解答解：1.先對(duì)兩對(duì)斜齒輪傳動(dòng)進(jìn)行受力分析，計(jì)算出中間軸齒輪2和齒輪3的受力;2.據(jù)軸傳遞轉(zhuǎn)矩，初估軸徑，初定齒輪結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)看小齒輪3是否做成齒輪軸，由此可以進(jìn)行中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3.具體設(shè)計(jì)：(1）齒輪傳動(dòng)受力計(jì)算1）對(duì)z1，z2齒輪傳動(dòng)：Ⅱ軸轉(zhuǎn)矩TⅡ=9.55×106×P/n2=9.55×106×40/200=1.91×106(Nmm)=1.91×103NmFt2=2TⅡ/d2=2×1.91×106/688=5552.33N,所以據(jù)教材式（6-63）Fr2=Ft2tanɑn/cosβ2=Ft2×tan20°/cos12°51′≈2073(N)Fa2=Ft2tanβ2=5552.33×tan12°51′=5552.33×0.22811≈1267(N)2)對(duì)z3,z4齒輪傳動(dòng)，F(xiàn)t3=2TⅡ/d3=2×1.91×106/170≈22471（N）Fr3=Ft3tanɑn/cosβ3=Ft3×tan20°/cos10°29′≈8317(N)Fa3=Ft3tanβ3=Ft3×tan10°29′=22471×0.18504≈4158(N)(2）初估中間軸Ⅱ最小軸徑據(jù)教材式（12-2），d≥C3√P/n查表12-5可得,45鋼取C=118,則d≥118×3√40/200mm≈118×0.5848mm≈69.01mm,取d=70mmdmin=70mm，因?yàn)閐a3=176mm>2dmin=140mm據(jù)此，確認(rèn)齒輪3結(jié)構(gòu)也采用2齒輪一樣的套裝式?？紤]強(qiáng)度，齒輪3采用45鋼鍛造齒輪，由于da3=176mm<200mm,采用實(shí)心式，而d2=688mm>500mm，采用鑄造齒輪的采用腹板式，也采用鑲套齒輪（參考《簡(jiǎn)明機(jī)械零件設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》2版胡家秀主編機(jī)工出版社，P422~423，表10-25）(3)中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：考慮軸系中相配零件的尺寸以及軸上零件的固定方法式,按比例繪制軸系結(jié)構(gòu)草圖按題圖所給尺寸，兩支承（軸承中心線位置）距離L（L=490mm）1）選擇角接觸球軸承7000C系列，取軸承內(nèi)徑d=75mm，查得軸承寬度B=20mm。軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需同時(shí)考慮軸系中相配零件的尺寸以及軸上零件的固定方法。按題圖所給尺寸，估計(jì)兩支承（軸承中心線位置）距離L=20mm+(20+250+20+160+20)mm=490mm(2)確定軸上零件的位置及固定方式。齒輪2,3布置在箱體中央,左右兩側(cè)軸承對(duì)稱布置，中間軸箱體兩端安裝軸承悶蓋。齒輪靠軸環(huán)和套筒實(shí)現(xiàn)軸向定位和固定,靠平鍵和過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)周向固定;兩端軸承靠軸環(huán)或套筒實(shí)現(xiàn)軸向定位,靠過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)周向固定;(3)確定各段軸的直徑：按題意，從齒輪2著手，估算軸徑d3=85mm。兩端軸承孔徑均取為75mm,即d1=d4。主要考慮安裝方便，中間設(shè)計(jì)定位軸環(huán)，先將齒輪2從右側(cè)套入然后加裝階梯軸套1，后安裝d1處軸承；齒輪3從左側(cè)套入靠緊定位軸環(huán)，然后加裝定位軸套2，最后安裝左側(cè)軸承。題12-18圖解1軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖五、校核軸的強(qiáng)度根據(jù)前述齒輪傳動(dòng)受力分析相關(guān)數(shù)值，及軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，作軸受力圖，完成軸系受力及彎、扭矩圖，參見題12-18圖解2。1．水平面力分析(1)求支點(diǎn)反力ΣMA=0；155×Ft3+380×Ft2-490×FDX=0得FDX=（155×Ft3+380×Ft2）/490=（155×22471+380×5552.33）/490≈11414（N）;又從ΣFX=0；FAX-Ft3-Ft2+FDX=0;則FAX=Ft3+Ft2-FDX=22471+5552.33-11414≈16609（N）(2)為繪出水平面上彎矩圖先確定B、C點(diǎn)彎矩峰值MB和MC，MxB=155×FAX=155×16609=2574395（Nmm）≈2574NmMxC=110×FDX=110×11414=1255540(Nmm)≈1256Nm2.在垂直面力分析(1)求支點(diǎn)反力ΣMA=0；155×Fr3+d32×Fa3-380×