中 原 工 学 院
2003～2004学年 第一学期
机械制造及自动化专业 机械设计课程期末试卷（答案）
一、是非题(用“√”表示正确，“×”表示错误填在题末的括号中)。
(本大题共10小题，每小题1分，总计10分)
1、受静载荷作用的零件只能产生静应力，受变载荷作用的零件才能产生变应力。 （ × ） 2、受交变横向载荷作用的普通螺栓联接，在正常工作时螺栓杆所受到的拉力不变。 （ √ ） 3、为了使V带的工作侧面能与V带轮轮槽的工作侧面紧紧贴合，因为V带的剖面楔角为40o，因而V带轮轮槽角也相应为40o 。 （ × ） 4、为了避免带打滑，可将带轮上与带接触的表面加工得粗糙些以增大摩擦。 （ × ） 5、对轮齿沿齿宽作适当的修形（鼓形齿），可以大大改善载荷沿接触线分布不均匀的现象。
（ √ ） 6、齿面点蚀是润滑良好的软齿面闭式齿轮传动常见的失效形式。 （ √ ） 7、直齿圆锥齿轮的强度计算中，通常近似地以大端分度圆处的当量圆柱齿轮来代替圆锥齿轮进行强度计算。 （ × ） 8、与齿轮传动的变位方法相类似，不仅可以对蜗杆进行变位加工，而且也可以对蜗轮进行变位加工。 （ × ） 9、某45钢轴的刚度不足，可以采取改用40Cr合金钢措施来提高其刚度。 （ × ） 10、滚动轴承的基本额定寿命是指一组轴承中10%的轴承发生疲劳破坏，而90%的轴承不发生疲劳破坏前的转数（以106为单位）或工作小时数。 （ √ ） 二、选择题(将正确的代码A、B、C、D填入横线上方的空格处)。
(本大题共15小题，每小题1.5分，总计15分)
1．零件的截面形状一定，当截面尺寸增大时，其疲劳极限值将随之__ B __。
A. 增高 B. 降低 C. 不变 D. 有时增高，有时降低
2．对于联接用螺纹，主要要求联接可靠，自锁性能好，故常选用__ A __。 A．升角小，单线三角形螺纹 B．升角大，双线三角形螺纹 C. 升角小，单线梯形螺纹 D．升角大，双线矩形螺纹
3. 设计键联接时，有以下主要内容：①按使用要求选择键的类型；②对键联接进行必要的强度校核计算；③按轴径选择键的剖面尺寸；④按轮毂宽度选择键的长度。在具体设计时，一般的顺序为 C 。
A. ③→④→②→①； B.①→③→②→④； C. ①→③→④→②； D. ①→④→②→③ 4．选取V带型号，主要取决于____ D ____。
A．带的松边拉力 B．带的线速度
C. 带的紧边拉力 D．带传递的功率和小带轮转速 5．带传动不能保证准确的传动比，其原因是____B____。
A.带容易变形和磨损 B.带传动工作时由拉力的变化而引起的弹性滑动 C.带在带轮上出现打滑 D.带的弹性变形不符合虎克定律 6. 轮齿弯曲强度计算中的齿形系数Fa与 C 无关。
A．齿数z B．变位系数x
C．模数m D．斜齿轮的螺旋角?
Y
m?37. 按齿根弯曲疲劳强度设计公式：
2KT1?YFaYSa?2??dz1????F????mm 计算齿轮传动的模数时，其公式中
?YFaYSa????????F?应代入： B 。 ??YFa1YSa1??YFa1YSa1??YFa2YSa2??????????????????????F1?F1?F2???? A. 小齿轮的 B.与中的较大值 ?YFa2YSa2??YFa1YSa1??YFa2YSa2??????????????????????F2?F1?F2????C. 大齿轮的； D.与中的较小值
8. 对闭式蜗杆传动进行热平衡计算，其主要目的是为了防止温升过高而导致 D 。
A.材料的力学性能下降； B.润滑油变质； C.蜗杆受热变形过大； D.润滑条件恶化。
9. 按弯扭合成强度条件计算轴的应力时，公式中折合系数α是考虑 C 。
A.材料抗弯与抗扭的性能不同； B. 轴的结构设计要求； C. 弯曲应力和扭转切应力的循环特性不同； D.强度理论的要求。 10. 下列四种轴承中，必须成对使用是 A 。
A. 圆锥滚子轴承； B. 深沟球轴承； C.推力球轴承； D.圆柱滚子轴承 三、计算题(本大题共３小题，每小题各15分，共计45分)
1.某零件用40Cr钢制成，材料的力学性能为：σS=800MPa，σ-1=480MPa，ψσ=0.2。零件弯曲疲劳极限的综合影响系数Kσ=1.5。已知作用在零件上的工作应力：σ性r?常数，试求：
⑴绘制出该零件的极限应力简图；（4分）
⑵在所绘制的零件极限应力简图中，标出零件的工作应力点M，加载应力变化线以及极限应力点M1'；（4分）
⑶用图解法确定该零件的极限应力的平均应力σme’和应力幅σae’以及计算安全系数Sca；4分 ⑷用计算法确定该零件的计算安全系数Sca。（2分）
⑸若许用安全系数为[S]=1.3，问该零件是否满足强度要求。（1分）
max=450MPa，σmin=150MPa，应力循环特
?0解：(1)∵； ∴
在零件的极限应力简图中，各点坐标为：
???2??1??0?0?2??12?480??8001???1?0.2MPa
?0??1?0 A（0，K?）=A（0，320）；B（2，2K?）=（400，266.7）；C（σS，0）=（800，0） ?K??s???1??1????s??1.5?800?480480?0.2?800??,???553.85,246.15??K??,K?????1.5?0.21.5?0.2??????=G?或G?
σa A(0,320)(400,266.7)B(300,150)MM'(505.26,252.63)G(553.85,246.15)C(800,0)
（2）σm=（σmax+σmin）/2=（450+150）/2=300MPa，σa=（σmax-σmin）/2=（450-150）/2=150MPa
Oσm 工作应力点M，加载应力变化线以及极限应力点M1'如图所示
（3）由图可量的极限应力点M’的平均应力σme’=505.26MPa，应力幅σae’=252.63MPa
’
极限应力点M’的疲劳极限σrM=σme’+σae’=757.89MPa
’
计算安全系数Sca=σrM/σmax=757.89/450=1.684
Sca?（4）
（5）∵Sca=1.684＞1.3, ∴该零件能满足强度要求。
2.如下图所示为一个铸铁托架，用四个普通螺栓固定在铸钢立柱上，已知W=1000N，L=700mm，L1=300mm，接触面间的摩擦系数f=0.2，螺栓的许用拉应力[σ]=50MPa，防滑系数KS=1.3。试确定螺栓所需要的公称直径d。 d 12 14 16 18 20 24 普通螺纹基本尺寸 （GB196—81） d1 10.106 11.835 13.835 15.296 17.294 20.752 ??1480??1.684K??a????m1.5?150?0.2?300
R2R1WR2R1R1R4WR4W'R4T=WLR3WR3R3R2W解：（1）将W向O点平移得： W’=W=1000N； T=WL=1000×700=7×105（Nmm）；(2分)
（2）在W’作用下：R1W= R2W= R3W= R4W=W’/Z=1000/4=250（N），方向如图所示；
T7?105??824.96L122Z?300?4TTTT22 在T’作用下：R1= R2= R3= R4=(N），方向如图所示；
由受力图可知，在W’和T共同作用下，以螺栓2、3联接处所受的横向载荷为最大，即为：
R2?R3??R???R?W22T22WT?2R2R2cos135?
?????2502?824.962?2?250?824.96cos135??1017.2（N） （7分）
（3）由螺栓2或螺栓3处联接不滑移的条件得：
∵QpfZm=KSR2 ， ∴
Qp?KSR21.3?1017.2??6611.88fZm0.2?1?1（N） （3分）
????（4）由螺栓杆强度条件得：
故应选择M18的普通螺栓，d1=15.296＞14.795 （3分）
3．一工程机械传动装置中的轴，采用一对圆锥滚子轴承支承，背靠背的反装(如题３图所示)，已知作用于轴上的径向力Fr＝9000N，轴向力Fa＝1200N，其方向和作用位置如图所示，运转中受轻微冲击（fP＝1.2），常温下工作（ft＝1），试求： (1)轴承所受的径向载荷R1 ，R2 ； 表16-12 30000轴承当量动载荷的X、Y值 (2)轴承派生的内部轴向载荷S1，S2，e A/R≤e A/R＞e 并在图中画出其方向；
0.37 X＝1 Y＝0 X＝0.4 Y＝1.6 (3)轴承所受的轴向载荷A1 ，A2 ；
轴承派生的内部轴向力：S＝R/（2Y） (4)轴承所受的当量动载荷P1 ，P2。
解：(1)R1＝FrL2/(L1＋L2)＝9000×
L1=190mm2=260260/(190＋260)＝5200N，
=9000轴承2R2＝FrL1/(L1＋L2)＝9000×轴承1190/(190＋260)＝3800N； (3分)
(2)S1＝R1/（2Y）＝5200/（21200×1.6）=1625N，
12S2＝R2/(2Y)＝3800/(2×
题3.图 1.6)=1187.5N，其方向如图所示； (3
分)
(3) Fa＋S2＝1200＋1187.5＝
2387.5＞S1＝1625，轴有向右窜动
故：轴承1为压紧端，A1 ＝Fa＋S2＝1200＋1187.5＝2387.5N，
轴承2为放松端，A2＝S2＝1187.5N (3分)
(4)计算轴承1、2的当量动载荷：
轴承1:
A1／R1 ＝2387.5／5200＝0.459＞0.37=e，故：X1＝0.4、Y1＝1.6； P1＝fp(X1Rl＋Y1A1)＝1.2×（0.4×5200+1.6×2387.5）＝7080 N 轴承2:
A2／R2 ＝1187.5／3800＝0.3125＞0.37=e，故：X2＝1、Y2＝0；
P2＝fp(X2R2＋Y2A2)＝1.2×（1×3800+0×1187.5）＝4560 N (6分)
d1?5.2Qp?5.2?6611.88?14.7953.14?50（mm）
L1=190mm轴承1S1=1625R1=5200
2=260 =9000轴承2S2=1187.5N3800N=R2
1200四.传动零件受力分析题（本题15分）
下图为一直齿圆锥齿轮——斜齿圆柱齿轮——蜗杆蜗轮三级传动。已知圆锥齿轮1为主动件，转向如图所示。试在下图中标出：⑴各轮的转向；⑵欲使轴Ⅱ、轴Ⅲ上轴承所受的轴向力为最小时，斜齿圆柱齿轮和蜗杆蜗轮的旋向（要求画出并用文字标出他们的旋向）；⑶各轮在啮合点处的诸分力（Ft、Fr、Fa）的方向。
蜗轮6（右旋）锥齿轮2n2Fr2斜齿轮3（左旋）轴ⅡFr3n3n6轴Ⅳ锥齿轮1Fr1Fa3Ft4Fa2Ft2Ft1Fa1轴ⅠFt3Fa4Fr4Fa5Fa6Fr6Ft6Ft5Fr5n5n4n1轴Ⅲ斜齿轮4（右旋）蜗杆5（右旋）
五.轴系零件结构改错（本题15分）
下图为一齿轮减速器部分装配图，试指出结构不合理及错误所在（不考虑圆角和铸造斜度以及不计重复错误，指出十处或八处以上错误者满分）。
例如：精加工面过长且装拆轴承不便。
按上述范例在图中标出结构不合理及错误所在，并用文字说明原因（如果不说明原因不给分）。
66' 精加工面过长且装拆轴承不便3145278910113' 解：
1.安装轮毂的第一段轴应制有定位轴肩；2.键槽过长安装上的键与轴承端盖干涉（相碰）； 3.轴承端盖的加工面与非加工面没有区分开；4.在轴与轴承端盖孔之间缺少密封圈；
5.在轴与轴承端盖孔之间应留有间隙； 6.在轴承端盖与箱体轴承孔端面缺少调整垫片； 7.在轴与齿轮孔间缺少周向定位的键联接；8.套筒顶不住齿轮（过定位）
9. 套筒过高，轴承无法拆卸；10.轴承安装反了；11.轴过长且与轴承端盖相碰。
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