机械设计习题范例

说明说明 本习题范例包括本课程学习期间应完成的全部设计性的课外习题， 提供了这些习题 训练的重点、分析解决问题的一些思考、大致的设计步骤（数据由同学们根据自己的设 计确定） 。此外，还提供了一些重要章节的典型的思考题，期望在学时较少的情况下， 对同学们掌握本课程的知识、提高分析解决问题的能力有所帮助。如果其中存在任何不 足或谬误之处，请同学们一定将意见反馈给老师我，在此先行谢过！ 题题 2.22.2 钢制扳手的手柄用两个螺栓联接如图所示。 已知扳紧力 P＝200N。试设计此螺栓联 接（要求采用普通螺栓和铰制孔用螺栓两种方案，并分析比较结果） 。 评价要点评价要点 正确的受力分析；正确确定螺栓尺 寸；挤压高度的正确确定；若能提出从 受力角度的改进意见则应加分（具求异 思维） 。 解答参考解答参考 ① 螺栓处承受的工作载荷 设螺栓处承受的工作载荷分别为F1、F2，分别对点 1、2 取矩，有： Pl1＝F2l2→F2＝P(l1+l2)＝F1l2→F1＝ 由于螺栓 1 处工作载荷较大，设计应以1 处的载荷为准。 ② 采用普通螺栓 取可靠性系数Kf＝，由表取摩擦系数＝，根据静力平衡条件可得 F‘＝Kf F1/＝ 拟用 4.6 级的螺栓，为便于装配，考虑不严格控制预紧力，暂定安全系数[S]=，则 许用应力为[]＝240/。依强度条件可得： d1 41.3F [] ＝mm 查手册可知，取 M 合理。对照表，初定[S]＝是适当的。 ③ 采用铰制孔用螺栓 螺栓仍然用 4.6 级，被联接件材料与螺栓相同，由表有：[]＝s/， [p]＝s/。根据剪切强度条件可得： d 0  4F 1 [] ＝mm 挤压强度相对较弱，因此可将螺栓直径稍微取大些，本例查手册取M的铰制孔用 螺栓，其光杆直径d0＝，光杆长度为，故挤压高度h＝，挤压应力为 p＝ F 1 d h ＝MPa≤[p] 0 挤压强度足够。 从承载的角度看，铰制孔用螺栓联接更能发挥螺栓材料的潜能，在同样的载荷下， 铰制孔用螺栓的尺寸比普通螺栓的尺寸小。 题题 2.72.7 如图所示，铸铁轴承托架用四个螺 栓紧固在钢制立柱上。已知轴承载荷 P ＝5kN，  ＝60°。 试设计此螺栓组联接。 解答参考解答参考 根据力的分解和简化原理，载荷对 螺栓组联接的作用可用作用于底板中心 的水平力 RH、铅垂力 RV及倾覆力矩 M 的联合作用来代替，其中： RH＝Psin＝N，RV＝Pcos＝N，M＝150(RH＋RV)＝Nmm， 由 RH引起的螺栓工作拉力F1＝N， 由 M 引起的螺栓的工作拉力F2＝M/(4×140)＝N。 1．根据托架不下滑的条件 4(F‘－F1)≥KfRV 有F  K f RV 4  F 1 ，取＝，Kf＝，可求得 F‘≥N。 2．根据上侧不出现间隙、下侧不被压溃条件的条件确定预紧力 底板接触面积 A＝mm2 底板抗弯截面模量 W＝mm3 由 4(F‘－F1)引起的压应力为p1＝4(F‘－F1)/A 由 M 引起的拉、压应力为p2＝M/W＝MPa 上侧不应出现间隙，即p1－p2≥0，因此：F‘≥×A/4＋F1＝ N。 设托架材料为 HT150，则其最小抗压强度极限b1min＝330MPa，设立柱材 料为 ZG200-400，其最小屈服极限b2min＝200MPa，取铸铁安全系数[S]＝， 钢的安全系数[S]＝，则许用挤压应力为 [p1]＝MPa[p2]＝MPa 因 [p1]＜[p2]，故取许用挤压应力[p]＝[p1]＝MPa。 由下侧不压溃条件p1＋p2≤[p]可得： F‘≤ (1320.465) A  F 1＝ N 4 综合上述情况有 ≤F‘≤，最终取 F‘＝ N。 3．螺栓强度计算 上部螺栓受力最大，最大工作载荷为 Fmax＝F1＋F2＝ N 因工作载荷与预紧力相比很小，故可以不考虑相对刚度问题，直接取螺栓总拉 力 F0＝F‘＋Fmax＝N。考虑螺栓采用 4.6 级，拧紧时控制预紧力，取安全系 数[S]＝，则许用应力[]＝160MPa，于是有： d1≥ 5.2F0 [] ＝mm，查手册取 M 的螺栓可矣。 题题 2.92.9 图示为刚性联轴器的螺栓组联接。 已知 4 个 M16 的铰制孔用螺栓均布在直径为 155mm 的圆周上，螺栓的性能级别为4.6 级；联轴器传递转矩T＝1500Nm，联轴器 为钢制。试校核螺栓的强度并确定螺栓的长度。 评价要点评价要点 正确、合理的受力分析；螺栓尺寸的确定；挤压高度 的确定。 解答参考解答参考 每个螺栓处的横向剪切力为 T2 *＝N zD 4.6 级螺栓的屈服极限为s1＝MPa， 设被联接件材料为 Q235 钢， 其屈服限为s2 ＝235MPa，由表有：[p]＝s2/MPa。 F  查手册：对于 M16 的铰制孔用螺栓，其d0＝，相应的螺母厚度为(薄螺母)或(普 通螺母)，故螺栓长度为 L≥2×23＋mm，取 L＝mm 对应的光杆长度为 l0＝mm，因此挤压高度 h＝mm。 于是p＝ F d 0h ＝MPa＜[p] 无论采用普通螺母或薄螺母，挤压强度都足够。 题题 3.13.1 图示为某减速器上的联轴器。 已知： 联轴器传递转矩 T＝200Nm， 轴径 d＝55mm， 轮毂宽度 B＝100mm，联轴器材料为 Q235 钢，轴、键的材料均为 45 钢，工作时有 轻微冲击。试选择键联接并验算联接的强度。 评价要点评价要点 挤压强度和剪切强度的强弱；许用挤压应力应取谁 的？能否正确确定键长？ 解答参考解答参考 根据 d 查手册确定键的截面尺寸为：d×h＝ 考虑到键的剪切强度往往较为富裕，故先根据挤压强度确定键长。由表查得： [p]＝MPa。由挤压强度条件得键的有效长度为： l  4T dh[ p] ＝mm 考虑到是轴的伸出端用键，轮毂毂孔长度为 100mm，故选用键长 L＝mm 的 C 型平键都行。由于平键联接的挤压强度都富裕很多，因此键的剪切强度必然足够， 不必校核剪切强度。 题题 3.73.7 用圆锥销联接两轴的套筒联轴器如图所示。 已知：轴传递的转矩 T＝500Nm，轴径 d＝38mm， 联轴器材料为铸铁，套筒直径 D＝90mm，轴的材料为 45 钢，工作时载荷平稳。试选择圆锥销并验算其强度。 解答参考解答参考 销的材料常为 35、45 钢，一般取[]＝MPa，铸铁套筒的许用挤压应力根据 表取[p]＝MPa。设销的公称直径为 ds，那么 根据剪切强度条件 4T dd s 2 ≤[]求得： ds≥ 4T d[] ＝ mm 查手册，选取销 GB117--86 A16×100。 校核挤压强度条件 T ＝≤[p] dd sh 挤压强度足够。 设计一破碎机用普通 V 带传动。已知电动机型号为 Y132S-4，额定功率 PkW， 转速 n1＝1440 r/mm，从动带轮转速 n2＝600 r/mm，允许转速误差±5％，两班制工 作，希望中心距不超过 650mm。 评价要点评价要点 正确查表；合理地确定尺寸D1（考虑v的问题） 、D2（考虑弹性滑动） 、Ld。 解答参考解答参考 1．计算功率Pc＝K