机械设计基础(第三版)课后答案(1-18章全).doc

机械设计概述

1.1 机械设计过程通常分为哪几个阶段？各阶段的主要内容是什么？
答：机械设计过程通常可分为以下几个阶段：
1.产品规划　主要工作是提出设计任务和明确设计要求。
2.方案设计　在满足设计任务书中设计具体要求的前提下，由设计人员构思出多种可行方案并进行分析比较，从中优选出一种功能满足要求、工作性能可靠、结构设计可靠、结构设计可行、成本低廉的方案。
3.技术设计 完成总体设计、部件设计、零件设计等。
4.制造及试验 制造出样机、试用、修改、鉴定。
1.2 常见的失效形式有哪几种？
答：断裂，过量变形，表面失效，破坏正常工作条件引起的失效等几种。
1.3 什么叫工作能力？计算准则是如何得出的？
答：工作能力为指零件在一定的工作条件下抵抗可能出现的失效的能力。对于载荷而言称为承载能力。
根据不同的失效原因建立起来的工作能力判定条件。
1.4 标准化的重要意义是什么？　
答：标准化的重要意义可使零件、部件的种类减少，简化生产管理过程，降低成本，保证产品的质量，缩短生产周期。

　摩擦、磨损及润滑概述
2.1 按摩擦副表面间的润滑状态，摩擦可分为哪几类？各有何特点？
答：摩擦副可分为四类：干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦。
干摩擦的特点是两物体间无任何润滑剂和保护膜，摩擦系数及摩擦阻力最大，磨损最严重，在接触区内出现了粘着和梨刨现象。液体摩擦的特点是两摩擦表面不直接接触，被液体油膜完全隔开，摩擦系数极小，摩擦是在液体的分子间进行的，称为液体润滑。边界摩擦的特点是两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，但由于边界膜较薄，不能完全避免金属的直接接触，摩擦系数较大，仍有局部磨损产生。混合摩擦的特点是同时存在边界润滑和液体润滑，摩擦系数比边界润滑小，但会有磨损发生。
2.2 磨损过程分几个阶段？各阶段的特点是什么？
答：磨损过程分三个阶段，即跑合摩合磨损阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。各阶段的特点是:跑合磨损阶段磨损速度由快变慢；稳定磨损阶段磨损缓慢，磨损率稳定；剧烈磨损阶段，磨损速度及磨损率都急剧增大。
2.3　按磨损机理的不同，磨损有哪几种类型？
答：磨损的分类有磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损点蚀、腐蚀磨损。
2.4　哪种磨损对传动件来说是有益的？为什么？
答：跑合磨损是有益的磨损，因为经跑合磨损后，磨损速度减慢，可改善工作表面的性质，提高摩擦副的使用寿命。
2.5 如何选择适当的润滑剂？
答：选润滑剂时应根据工作载荷、运动速度、工作温度及其它工作条件选择。
当载荷大时，选粘度大的润滑油，如有较大的冲击时选润滑脂或固体润滑剂。高速时选粘度小的润滑油，高速高温时可选气体润滑剂；低速时选粘度小的润滑油，低速重载时可选润滑脂；多尘条件选润滑脂，多水时选耐水润滑脂。
2.6 润滑油的润滑方法有哪些？
答：油润滑的润滑方法有分散润滑法和集中润滑法。集中润滑法是连续润滑，可实现压力润滑。分散润滑法可以是间断的或连续的。间断润滑有人工定时润滑、手动油杯润滑、油芯油杯润滑、针阀油杯润滑、带油润滑、油浴及飞溅润滑、喷油润滑、油零润滑等几种。
2.7接触式密封中常用的密封件有哪些？
答：接触式密封常用的密封件有O形密封圈，J形、U形、V形、Y形、L形密封圈，以及毡圈。
2.8非接触式密封是如何实现密封的？
答:非接触式密封有曲路密封和隙缝密封，它是靠隙缝中的润滑脂实现密封的。

第3章 平面机构的结构分析
3.1 机构具有确定运动的条件是什么?
答：机构的主动件数等于自由度数时,机构就具有确定的相对运动。
3.2 在计算机构的自由度时，要注意哪些事项？
答：应注意机构中是否包含着复合铰链、局部自由度、虚约束。
3.3 机构运动简图有什么作用？如何绘制机构运动简图？
答：（1）能抛开机构的具体结构和构件的真实外形，简明地表达机构的传动原理，并能对机构进行方案讨论和运动、受力分析。
（2）绘制机构运动简图的步骤如下所述：
①认真研究机构的结构及其动作原理，分清机架，确定主动件。
②循着运动传递的路线，搞清各构件间相对运动的性质，确定运动副的种类。
③测量出运动副间的相对位置。
④选择视图平面和比例尺，用规定的线条和符号表示其构件和运动副，绘制成机构运动简图。
3.4 计算如题3.4图所示各机构的自由度，并说明欲使其具有确定运动，需要有几个原动件？

题3.4图
答：a）代入式（3.1）中可得

此机构要具有确定的运动，需要有一个原动件。
b) 处存在局部自由度，必须取消，即把滚子与杆刚化，则代入式（3.1）中可得

此机构要具有确定的运动，需要有一个原动件。
c) 代入式（3.1）中可得

此机构要具有确定的运动，需要有一个原动件。
3.5 绘制如题3.5图所示各机构的运动简图，并计算其自由度。

题3.5图
答：取，绘制运动简图如题3.5答案图所示：

题3.5答案图
图a)： ，则；
图b)：，则。
3.6 试计算如题3.6图所示机构的自由度，并判断该机构的运动是否确定（图中绘有箭头的构件为原动件）。

题3.6图
解：a)：。

运动确定。
b)

运动确定
c) 。

运动确定
d) 。

运动确定。
e) 。

运动确定。
f) 。

运动确定。
g) 。

运动确定
h) 。

运动确定。
3.7 试问如题3.7图所示各机构在组成上是否合理？如不合理，请针对错误提出修改方案。

题3.7图
答：图示机构的自由度为零，故都不合理，修改方案如下：
对于题3.7图a的机构，在处改为一个滑块，如题3.7图a所示。
对于题3.7图b的机构，在构件4上增加一个转动副，如题3.7答案图b所示；或在构件4的处添加一滑块，如题3.7答案图c所示。

题3.7答案图

第4章 平面连杆机构
4.1 机构运动分析时的速度多边形与加速度多边形特性是什么？
答：同一构件上各点的速度和加速度构成的多边形与构件原来的形状相似，且字母顺序一致。
4.2 为什么要研究机械中的摩擦？机械中的摩擦是否全是有害的？
答：机械在运转时，其相邻的两构件间发生相对运动时，就必然产生摩擦力，它一方面会消耗一部分的输入功，使机械发热和降低其机械效率，另一方面又使机械磨损，影响了机械零件的强度和寿命，降低了机械工作的可靠性，因此必须要研究机械中的摩擦。
机械中的摩擦是不一定有害的，有时会利用摩擦力进行工作，如带传动和摩擦轮传动等。
4.3 何谓摩擦角？如何确定移动副中总反力的方向？
答：（1）移动或具有移动趋势的物体所受的总反力与法向反力之间的夹角称为摩擦角。
（2）总反力与相对运动方向或相对运动趋势的方向成一钝角，据此来确定总反力的方向。
4.4 何谓摩擦圆？如何确定转动副中总反力的作用线？
答：（1）以转轴的轴心为圆心，以为半径所作的圆称为摩擦圆。
（2）总反力与摩擦圆相切，其位置取决于两构件的相对转动方向，总反力产生的摩擦力矩与相对转动的转向相反。
4.5 从机械效率的观点看，机械自锁的条件是什么？
答：机械自锁的条件为。
4.6 连杆机构中的急回特性是什么含义？什么条件下机构才具有急回特性？
答：（1）当曲柄等速转动时，摇杆来回摇动的速度不同，返回时速度较大。机构的这种性质，称为机构的急回特性。通常用行程速度变化系数K来表示这种特性。
（2）当时，则，机构具有急回特性。
4.7 铰链四杆机构中曲柄存在的条件是什么？曲柄是否一定是最短杆？
答：（1）最长杆与最短杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和；最短杆或相邻杆应为机架。
（2）曲柄不一定为最短杆，如双曲柄机构中，机架为最短杆。
4.8 何谓连杆机构的死点？举出避免死点和利用死点的例子。
答：（1）主动件通过连杆作用于从动件上的力恰好通过其回转中心时的位置，称为连杆机构的死点位置。
（2）机车车轮在工作中应设法避免死点位置。如采用机车车轮联动机构，当一个机构处于死点位置时，可借助另一个机构来越过死点；飞机起落架是利用死点工作的，当起落架放下时，机构处于死点位置，使降落可靠。
4.9 在题4.9图示中，已知机构的尺寸和相对位置，构件1以等角速度逆时针转动，求图示位置C点和D点的速度及加速度，构件2的角速度和角加速度。

题4.9图
解：取长度比例尺，绘制简图如题4.9答案图a所示。

题4.9答案图
解：（1）速度分析。
①求.由图可知，，方向垂直于AB，指向与的转向一致。
②求.因B点与C点同为构件2上的点，故有：

大小 ？ ？
方向 水平
取速度比例尺（）,作速度矢量图如题4.9答案图b所示，则代表；代表，其大小为，。
③求。因，则

方向为顺时针转。
④求。因为B、C、D为同一构件上的三点，所以可利用速度影像原理求得d 点，连接代表，如题4.9答案图b所示，其大小为，方向同。
（2）加速度分析。
①求。由已知条件可知：，方向为BA；。
②求。根据相对运动原理，可选立下列方程式

大小 ？ ？
方向 水平
取加速度比例尺，作加速度矢量如题4.9答案图c，则代表，代表。
由图可知，方向同（水平向左）；，方向同。
③求。因，则
（方向为逆时针）
④求。
大小 ？ ？ ？
方向 ？
作矢量图，如题4.9答案图c所示，可见代表。
由图可见，=，方向同。
4.10 如题4.10图所示的铰链四杆机构中，已知，，，，构件1以等角速度顺时针转动。现已作出该瞬时的速度多边形（题4.10图b）和加速度多边形（题4.10图 c）。试用图解法求：（1）构件2上速度为零的点E的位置，并求出该点的加速度；（2）为加速度多边形中各矢量标注相应符号：（3）求构件2的角加速度。

题4.10图
解：取，作结构简图，如题4.10答案图a所示。
（1）求构件2上速度为零的点E及E点的加速度。

题4.10答案图
①求。，方向如题4.10答案图a所示，且。
②求。

大小 ？ ？
方向 水平
取，作速度矢量图如题4.10答案图b所示。
因，故在速度图中，e与极点p相重合，即三角符号Δ为ΔBCE的影像，其作图过程为：过B点作，过C点作，其交点即为E点，如题4.10答案图a所示。
③求、及。
由图可知，。
又因
则 ，方向为逆时针。
，方向为逆时针。

大小 ？ ？
方向
取，作加速度矢量图，如题4.10答案图所示，则代表。
，方向。
④求。利用加速度影像原理，即∽。作图过程为：作，其交点即为，则代表。
（2）各矢量标准符号如题4.10答案图c所示。
（3）求构件2的角加速度。
由图可知，，又因则
。
4.11 如题4.11图所示为一四杆机构，设已知，，
，求当平行于且垂直于AB时的和。

题4.11图
解：取，画出机构的位置图，如题4.11答案图a所示。

题4.11答案图
（1） 速度分析。
①求。 ，方向垂直于。
②求。因B点与A点同为构件2上的点，故有：

大小 ？ 0.4 ？
方向
取速度比例尺，作速度矢量如题4.11答案图b所示，由图可知：

③求。因为所以构件2在此瞬时作平动，即

方向为顺时针转。
（2）加速度分析。
① 求。由已知条件可知：，方向，
。
②求。根据相对运动原理，可建立下列方程式

大小 ？ ？ 0.8 0 ？
方向 ？
取作加速度矢量图如题4.11答案图c所示，则代表。
③求。根据影像原理可得出：，作图如题4.11答案图c所示，可得出代表。
，方向垂直向下。
4.12 如题4.12图所示为摆动导杆机构，设已知曲柄AB以等角速度顺时针转动。求：（1）当时，构件3的角速度和角加速度；（2）当时，构件3的角速度和角加速度；（3）当（B点转于AC之间）时，构件3的角速度和角加速度。

题4.12图
解：（1）当时，取,画出机构的位置图，如题4.12答案图（一）a所示。

题4.12答案图（一）
①求。
……（1）
大小 ？ ？
方向
取，作速度矢量图如题4.12答案图（一）b所示，由图可知：代表，则

方向为顺时针，且。
②求。
……（2）
大小 ？ ？
方向
式中

取，作加速度矢量图如题4.12答案图（一）c所示，由图可知：代表，将移至B点，得：

方向为逆时针转。
（2）当时，取，画出机构的位置图，如题4.12答案图（二）所示。

题4.12答案图（二）
①求。依据矢量方程（1），作速度矢量图如题4.12答案图（二）b所示，取 。由图可知：代表，，则。
②求。依据矢量方程（2），作加速度矢量图如题4.12答案图（二）c所示，取。由图可知：代表，则

方向为逆时针转。
（3）当时，取，画出机构的位置图，如题4.12答案图（三）所示。

a) b) c)
题4.12答案
① 求。依据矢量方程（1），作速度矢量图如题4.12答案图（三）b所示，取。由图可知：代表，又、重合，则代表，则

方向为逆时针转。
②求。依据矢量方程（2），作加速度矢量如题4.12答案图（三）c所示，取。由图可知：因、重合，，则。
4.13 如题4.13图所示，设已知构件逆时针转动，，求及。

题4.13图
解：取，画出机构的位置图，如题4.13答案图所示。

题4.13答案图
(1) 速度分析（求）。
,即，方向垂直于。

大小 ？ 0.1 ？
方向 水平 铅垂
取，作速度矢量图如题4.13答案图b所示，由图可知：代表代表,则

方向为水平。
（2）加速度分析（求）。

大小 ？ ？
方向 水平 水平向右 垂直
式中

取，作加速度矢量图如题4.13答案图c所示，由图可知：代表，则

方向为水平向右。
4.14 如题4.14图所示为一机床的矩形-V形导轨，已知拖板1的运动方向垂直于纸面，重心在S处，几何尺寸如图所示，各接触面间的滑动摩擦系数。求V形导轨处的当量摩擦系数。
题4.14图
解：作用于导轨上压力为、。

根据力矩平衡条件可知：

作用在左右导轨上的摩擦力为、

所以

4.15 如题4.15图所示，已知为驱动力，为工作阻力，转动副A、B的轴颈半径为r，当量摩擦系数为，滑动摩擦系数为，忽略各构件的重力和惯性力。试作出各运动副中总反力的作用线。

题4.15图
答：（1）求、。忽略各构件的重量和惯性力，杆2为二力杆，作用在杆2上的两个力和应等值、共线、反向。当考虑摩擦后，该二力不通过铰链中心，而与摩擦圆相切。滑块3向下移动，连杆2与垂直导路的夹角增大，连杆2相对于滑块3的转速为顺时针方向。所以，对轴心产生的摩擦力矩为逆时针方向。因而应切于摩擦圆上方。同时，滑块1左移，角减小，为顺时针方向，所以对轴心产生的摩擦力为逆时针方向。因而应切于摩擦圆下方。由于与应共线，因此，它们的作用线应是A、B两点摩擦圆的内公切线，如题4.15答案图所示。

题4.15答案图
（2）求。取滑块3为单元体，其上作用力为、、，且三力汇交于一点。与滑块3的速度的夹角大于，如题4.15答案所示。
（3）求。取滑块1为单元体，其上作用力为、、，且三力汇交于一点，与的夹角大于，如题4.15答案图所示。
4.16 一铰链四杆机构中，已知，AD为机架。试问：
（1） 若此机构为双曲柄机构，且AB为曲柄，求的最大值。
（2） 若此机构为双曲柄机构，求的最小值。
（3） 若此机构为双摇杆机构，求的取值范围。
解：结构简图如题4.16答案图所示。
（1）若为曲柄拴杆机构，则AB为最短，且
代入已知量求解得，则的最大值为150mm。
（2）若为双曲柄机构，则AD应为最短，且：
① 当AB为最长时，由于，可得出。
②当AB不是最长时，由于，可得出
要满足上述二种情况，的最小值应为450mm。
（3）若为双摇杆机构，则只能是不满足杆长之和的条件，即为最短杆与最长杆长度之和大于其它两杆长度之和。
①当为最短时，由于，可得出；
②当为最长时，由于，可得出，又由于，可得出。
③当时，由于，可得出
要满足上述三种情况，的取值范围为或。
4.17 已知铰链四杆机构（如题4.17图所示）各构件的长度，试问：
（1） 这是铰链四杆机构基本形式中的何种机构？
（2） 若以AB为原动件，此机构有无急回特性？为什么？
（3） 当以AB为原动件时，此机构的最小传动角出现在机构何位置（在图上标出）？

题4.17图
答：（1）因为，且又以最短杆AB的邻边为机架，则此机构为曲柄摇杆机构。
（2） 有。因为以AB为原动件时，此机构为曲柄摇杆机构。
（3） 出现在曲柄与机架共线时的位置，如题4.17答案图所示，取比例尺，由图可得出或者。

题4.17答案图
4.18 如题4.18图所示的偏置曲柄滑块机构，已知行程速度变化系数K=1.5，滑块行程h=50mm，偏距e=20mm，试用图解法求：
（1） 曲柄长度和连杆长度.
（2） 曲柄为原动件时机构的最大压力角和最大传动角。
（3） 滑块为原动件时机构的死点位置。

题4.18图
解：（1）求、。
板位夹角
作图如题4.18答案所示，取，可测得：
。又代入、值后，联立求得：。
（说明：设，。将原位置图旋转后作图）

题4.18答案图
结论：

（2）求和。由图可知：
当时，为最大值，即

当时，为最小值，即

（3）滑块为原动件时，机构的死点位置为和。
4.19 设计铰链四杆机构（如题4.19图所示），已知机架长要求两连架杆的三组对应位置为：和、和、和，连架杆AB的长度，连架杆CD上的标线DE的长度可取为，试设计此四杆机构。

题4.19图
解：（1）取，按给定条件作出AB、DE的三组位置，并连接和。
（2）用反转法将、分别绕D点反转，得出、点。
（3）分别作、垂直平分线、交于点，连接，即为该铰链四杆机构，如题4.19答案图所示。

题4.19答案图
（4）由题4.19答案图测得：。杆、CD的长度、为

4.20 如题4.20图示所示为一双联齿轮变速装置，用拔叉DE操纵双联齿轮移动。现拟设计一四杆机构ABCD操纵拔叉的摆动。已知条件是：机架，铰链A、D的位置如题4.20图所示，拔叉滑块行程为30mm，拔叉尺寸，固定轴心D在拔叉滑块行程的垂直等分线上。又在此四杆机构ABCD中构件AB为手柄，当手柄垂直向上位于位置时，拔叉处于位置，当手柄逆时针转过处于水平位置AB2时，拔叉处于位置。试设计此四杆机构。

题4.20图
解：如题4.20答案图所示，取，利用刚化反转法，连接，令绕A点反转角得点，作的垂直平分线，交位置1于点，连接即为该四杆机构。
由题4.20答案图测得

题4.20答案图

第5章 凸轮机构
5.1 滚子从动件盘形凸轮的基圆半径如何度量？
答：是在理论轮廓上度量的。
5.2 平底垂直于导路的直动从动件盘形凸轮机构的压力角等于多大？设计凸轮机构时，对压力角有什么要求？
答：（1）等于零。
（2）从传力合理，提高传动效率来看，压力角越小越好。设计时规定：

5.3 凸轮机构常用的四种从动件运动规律中，哪种运动规律有刚性冲击？哪些运动规律有柔性冲击？哪种运动规律没有冲击？如何来选择从动件的运动规律？
答：匀速运动规律有刚性冲击；等加速-等减速和余弦加速度运动规律有柔性冲击；正弦加速度运动规律没有冲击。
在选择从动件的运动规律时，应根据机器工作时的运动要求来确定。
5.4 工程上设计凸轮机构时，其基圆半径一般如何选取？
答：先根据结构条件初定基圆半径。若出现，则需增大基圆半径，再重新进行设计。
5.5 如题5.5图所示为尖顶直动从动件盘形凸轮机构的运动图线，但图题5.5给出的运动线图尚不完全，试在图上补全各段的曲线，并指出哪些位置有刚性冲击，哪些位置有柔性冲击。

题5.5图
答：（1）补全各段的曲线，如题5.5答案图所示。
（2）在O、b、c、e、处有刚性冲击；在a、d处有柔性冲击。

题5.5答案图
5.6 试作图法法设计一个对心直动从动件盘形凸轮。已知理论轮廓基圆半径，滚子半径，凸轮顺时针匀速转动。当凸轮转过时，从动件以等速运动规律上升30mm；再转过时，从动件以余弦加速度运动规律回到原位；凸轮转过其余时，从动件静止不动。
解：取。
（1）绘制曲线，如题5.6答案图a所示，并将推程、回程各分为6等份。
（2）以相同的比例绘制凸轮基圆及从动件的初始位置，如题5.6答案图b所示。

题5.6答案图
（3）在题５.6答案图b上，按逆时针方向画出推程角，回程角，近休止角，并在相应段与位移线图对应划分为6等份，得分点、、……。
（4）过各分点作径向线，并从基圆上的点、、……。开始向外量取相应的位移量得、、……，即……得到反转后滚子中心的位置。
（5）将、、……连成光滑曲线，得凸轮理论轮廊η。
（6）以η上各点为圆心，rT为半径作一系列圆，此圆的包络线为凸轮的实际轮廊，如题5.6答案图b所示。
5.7 用作图法求出下列各凸轮从如题5.7所示位置转到B点而与从动件接触时凸轮的转角。（可在题5.7图上标出来）。

题5.7图
答：
如题5.7答案图
5.8 用作图法求出下列各凸轮从如题5.8图所示位置转过后机构的压力角。（可在题5.8图上标出来）

题5.8图
答：
如题5.8答案图
5.9 在如题5.9图所示偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构中，已知圆盘半径R，圆心与转轴中心间的距离，偏距，滚子半径为。
（1） 求在如题5.9图所示位置时机构的压力角。
（2） 如分别增大半径、偏距e、圆心与转轴中心间的距离OA（三个数值每次只改变一个），试问从动件的上升距离和压力角有无变化？为什么？

题5.9图
解：（1）因二者接触点的法线OB与方向一致，故。
（2）如题5.9答案图所示，设在某瞬时，从动件占据位置Ⅱ。由图可知。。
当增大时，点上移至使得角减小；
当e增大时，增大，增大；
当OA增大时，不变。
从动件的上升距离是不变化的。

题5.9答案图
5.10 一对心直动滚子从动件盘形凸轮机构，凸轮顺时针匀速转动，基圆半径，行程，滚子半径，推程运动角，从动件按正弦加速度规律运动，试用极坐标法求出凸轮转角、、时凸轮理论轮廊与实际轮廓上对应点的坐标。
解：当从动件按正弦加速度规律运动时，它的位移方程为

当、、时的位移、、分别为

（1）用极标法求理论轮廊上对应点的坐标值。
选取凸轮转轴中心为坐标原点，OX通过从动件的运动起始点，则理论轮廊上某点的极坐标方程为

因该凸轮机构为对心直动从动件，故、、、
可求得

当时：

当时：

当时：

（2）用极坐标方法出实际轮廓上对应点的坐标值。
极坐标方程为

式中：

根据题意可得出

当时：
当时：
当时：
式中：
Δ
当时：Δ
当时：Δ
当时：Δ
因此可得出
当时：

当时：

当时：

第6章 间歇运动机构
6.1 某牛头刨床工作台横向进给丝杆的导程为5 mm，与丝杆联动的棘轮齿数为40，求此牛头刨床的最小横向进给量是多少？若要求此牛头刨床工作台的横向进给量为0.5mm，则棘轮每次能转过的角设应为多少？
答：牛头刨床的横向进给量最小为

若要求其横向进给量为0.5mm，则棘轮每次转过的角度应为
6.2 某外啮合槽轮机构中槽轮的槽数z=6，圆销的数目k=1，若槽轮的静止时间，试求主动拨盘的转速。
答：主动拨盘的转速为：

6.3 在六角车床上六角刀架转位用的外啮合槽轮机构中，已知槽轮槽数z=6，槽轮停歇时间，运动时间，求槽轮机构的运动系数及所需的圆柱销数目。
答：运动系数
所需圆柱销数目
6.4内啮合槽轮机构能不能采用多圆柱销拨盘？
答：不能。

第七章 螺纹连接与螺旋传动
7.1常用螺纹的种类有哪些？各用于什么场合？
答：常用螺纹的种类有普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹，前两种主要用于联接，后三种主要用于传动。
7.2螺纹的主要参数有哪些？怎样计算？
答：螺纹的主要参数有：（1）大径d；（2）小径d1；（3）中径d2；（4）螺距P；（5）导程S；（6）升角λ；；（7）牙型角α、牙型斜角β。
7.3 螺纹的导程和螺距有何区别？螺纹的导程S和螺距P与螺纹线数n有何关系？
答：螺距是螺纹相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离，导程则是同一螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。
导程S、螺距P、螺纹线数n之间的关系：。
7.4 根据牙型的不同，螺纹可分为哪几种？各有哪些特点？常用的连接和传动螺纹都有哪些牙型？
答：根据牙型的不同，螺纹可分为普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。各种螺纹特点：普通螺纹的当量摩擦系数较大，自锁性能好，强度高，广泛应用于各种紧固连接；管螺纹分圆柱管螺纹和圆锥管螺纹。圆柱管螺纹用于水、煤气、润滑管路系统等低压场合。圆锥管螺纹适用于高温、高压及密封要求较高的管路连接中。常用的连接螺纹的牙型是三角形牙型。常用的传动螺纹的牙型是矩形、梯形和锯齿形牙型。
7.5螺柱连接的基本形式有哪几种？各适用于何种场合？有何特点？
答：螺纹连接有四种基本类型。
(1) 螺柱连接。其结构特点是被连接件的孔中不切制螺纹，装拆方便，结构简单，适用于经常拆卸、受力较大的场合。
(2) 双头螺栓连接。其结构特点是被连接件中薄件制光孔，厚件制螺纹孔，结构紧凑。适用于连接一厚一薄零件，受力较大、经常拆卸的场合。
(3) 螺钉连接。其结构特点是螺钉直接旋入被连接件的螺纹孔中，结构简单。适用于连
接一厚一薄件，受力较少、不经常拆卸的场合。
(4) 紧定螺钉连接。其结构特点是紧定螺钉旋入一零件的螺纹孔中，螺钉端部顶住另一零件，以固定两零件的相对位置。适用于传递不大的力或转矩的场合。
7.6为什么螺纹连接通常要采用防松措施？常用的防松方法和装置有哪些？
答：连接用的三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷或温度变化不大、冲击振动不大时不会自行脱落。但在冲击、振动或变载的作用下，螺纹连接会产生自动松脱现象。因此，设计螺纹连接，必须考虑防松问题。
常用的防柱方法有摩擦防松、机械防松、永入防松和化学防松四大类。
7.7常见的螺栓失效形式有哪几种？失效发生的部位通常在何处？
答：常见的螺栓失效形式有：（1）螺栓杆拉断；（2）螺纹的压溃和剪断；（3）经常装拆时会因磨损而发生滑扣现象。
失效发生的部位通常在螺纹处。
7.8被连接件受横向载荷时，螺栓是否一定受到剪切力？
答：被连接件受横向载荷时，螺栓不一定全受到剪切力。只有受横向外载荷的铰制孔螺栓连接，螺栓才受剪切力。
7.9松螺栓连接与紧螺栓连接的区别何在？它们的强度计算有何区别？
答：松螺栓连接在承受工作载荷前，不需把螺母拧紧，即不受预紧力。而紧螺栓连接在承受工作载荷前，必须把螺母拧紧，螺栓承受预紧力。
松螺栓连接的强度按拉伸强度条件进行强度计算。
紧螺栓连接中，螺纹部分受轴向力作用产生拉伸正应力σ，因螺纹摩擦力矩的作用产生扭转剪应力τ，螺栓螺纹部分产生拉伸与扭转的组合变形，根据强度理论建立强度条件进行强度计算。
7.10铰制孔用螺栓连接有何特点？用于承受何种载荷？
答：铰制孔用螺栓连接在装配时螺栓杆与孔壁间采用过渡配合，没有间隙，螺母不必拧得很紧。工作时螺栓连接承受横向载荷，螺栓在连接结合面处受剪切作用，螺栓杆与被连接件孔壁相互挤压。
7.11在进行紧螺栓连接的强度计算时，为什么要将螺栓拉力增加30%？
答：当螺栓拧紧后，其螺纹部分不仅受因预紧力Fo的作用而产生的拉伸正应力σ，还受因螺纹摩擦力矩下T1的作用而产生的扭转剪应力τ，使螺栓螺纹部分处于拉伸与扭转的复合应力状态。根据第四强度理论，可求出螺栓螺纹部分危险截面的当量应力，则强度条件为
因拉伸正应力
则强度条件为
可见，紧螺栓连接的强度计算可按纯拉伸强度计算，考虑螺纹摩擦力矩T1的影响，需将螺栓拉力增加30%。
7.12判断下列说法的对错：
（1）对于受轴向工作载荷的紧螺栓连接有：。
（2）紧螺栓连接的强度条件是按拉应力建立的，因此没有考虑剪切应力的影响。
（3）受拉螺栓连接只能承受轴向载荷。
答：（1）的说法不对。对于受轴向工作载荷的紧螺栓连接，螺栓所受的轴向总拉力FΣ应为其所受的工作载荷F与残余预紧力之和，即。
（2）的说法错误。紧螺栓连接中，螺栓所受拉力会产生拉伸正应力，考虑螺纹摩擦力矩的作用而产生的扭转剪应力，螺栓螺纹部分产生接伸与扭转的组合变形，其强度条件根据强度理论建立的。
（3）的说法错误。受拉螺栓连接中，承受横向外载荷的紧螺栓连接采用的是普通螺栓连接，由于处于拧紧状态，螺栓受预紧力的作用，被连接件靠其结合面间的摩擦力承受横向外载荷。
7.13螺栓连接的结构设计要求螺栓组对称布置于连接接合面的形心，理由是什么？
答：其理由是这样高计能保证接合面的受力比较均匀、对称，而且便于加工制造。
7.14进行螺栓组连接的受力分析时，有哪五项假说？
答：进行螺栓组连接的受力分析时，有五项假说：（1）螺栓组内各螺栓的材料、结构、尺寸和所受的预紧力均相同；（2）螺栓组的对称中心与连接结合面的形心重合；（3）受载后，连接结合面仍保持为平面；（4）被连接件为刚体；（5）螺栓的变形在弹性范围内等。
7.15总结四种典型螺栓组连接的受力分析情况。
答：总结四种典型螺栓组连接的受力分析情况：
(1)受横向载荷的螺栓组连接。
①普通螺栓连接。每个螺栓所受的预紧力
。
②铰制孔螺栓连接。假设各螺栓受力相等，每个螺栓所受的横向工作剪力

（2）受旋转力矩的螺栓组连接。
①普通螺栓连接。

②铰制孔螺栓连接。距离被连接件旋转中心最远处的螺栓所受的最大工作剪力为

(3) 受轴向载荷的螺栓组连接。每个螺栓所受的轴向工作载荷为

(4) 受翻转力矩的螺栓组连接。距翻转轴线最远的螺栓所受的最大工作拉力为

7.16起重滑轮松螺栓连接如题7.16图所示。已知作用在螺栓上的工作载荷FQ=50kN，螺栓材料为Q235，试确定螺栓的直径。

题7.16图
解：（1）确定螺栓的许用应力。根据螺栓材料Q235，查表7.1得σs=215MPa;查教材表7.8，取S=1.4,则

（2）确定螺栓直径d。由式（7.4）得

查手册，得螺栓大径为d=24mm，其标记为螺栓GB/T5780 M24长度。
7.17用两个普通螺栓连接长扳手，尺寸如题7.17图所示。两件接合面间的摩擦系数f=0.15，扳拧力F=200N，试计算两螺栓所受的力。若螺栓的材料为Q235，试确定螺栓的直径。

题7.17图
解：（1）计算两螺栓所受的力。此连接为承受横向外载荷的紧螺栓连接。
①计算A、B螺栓承受的横向载荷FR。分析右扳手受力，画受力图如题7.17答案图。根据平衡条件可求出：，，则螺栓承受的横向载荷 FRA=FA,FRB=FB。
②计算螺栓承受横向载向载荷所需的预紧力。取Kf=1.2，则

（2）确定螺栓直径。根据螺栓材料Q235查表7.7 得，根据表7.8，控制预紧力取S=1.4，则许用应力

根据紧螺栓连接的强度条件

得
d1为螺栓小径，查阅螺纹标准，取螺栓直径d=16mm。
7.18如题7.18图所示为普通螺栓连接，采用2个M10的螺栓，螺栓的许用应力，被连接合面间的摩擦系数f=0.2，若取摩擦传力可靠性系数Kf=1.2，试计算该连接允许传递的最大静载荷KR。

题7.18图
解：（1）求满足螺栓螺纹部分强度条件的预紧力F。由式（7.5）得
可得
（2）计算承受横向外载荷不产生滑移的预紧力。由式（7.14）得

（3）计算允许传递的最大静载荷FR。根据螺栓的强度条件和承受横向外载荷不产生滑移条件可得

根据螺栓M10，查手册得d1=8.376mm。则

该连接只许传递的最大静载荷FR为4518.86N。
7.19某气缸的蒸气压强p=1.5MPa,气缸内径D=200mm。气缸与气缸盖采用螺栓连接（如图7.26所示），螺栓分布圆直径Do=300mm。为保证紧密性要求，螺栓间距不得大于80mm，试设计此气缸盖的螺栓组连接。
解：（１）确定螺栓数目z。由螺栓间距
得，取z=12。
（２）确定每个螺栓所受的轴向工作载荷Ｆ。

（３）计算单个螺栓所受的总拉力。

（4）确定螺栓的对称直径d。
① 螺栓材料选用35号钢，由表7.7查得σs=315MPa，若装配时不控制预紧力，假定螺栓直径d=16mm，由表7.9查得S=3，则许用应力

② 由式（7.10）确定螺栓小径d1。

根据d1计算值，查螺纹标准得螺栓公称直称d=16mm,与假定值相等。此气缸盖螺栓为螺栓M16ⅹL GB5782-86。
7.20 如题7.20图所示，机座用4个螺栓固定在混凝土壁面上。已知拉力F=4kN,作用在宽度为140mm 的中间平面上，，混凝土的许用挤压应力，接合面间摩擦系数f=0.3，试设计此连接。

题7.20图
解：如题7.20图所示，螺栓数z=4，对称布置。
（1） 螺栓受力分析。
① 在工作载荷F作用下，螺栓组连接承受以下各力和倾覆力矩的作用：
轴向力
横向力
倾翻力矩
② 在轴向力F1作用下，各螺栓所受工作拉力

③在倾覆力矩M的作用下，上两个螺栓受到加载作用下两个螺栓受到减载作用。螺栓所受载荷
④上面螺栓所受的轴向工作载荷为

⑤在横向力的作用下，底板接合面不产生滑移的条件为

根据连接条件取。则各螺栓所需要的预紧力为

⑥螺栓所受轴向总拉力

根据式（7.11）
可得
整理后可得
（2） 定螺栓直径。选择螺栓材料为Q235，由表7.7取σs=205MPa ，s=1.3。螺栓材料的许用应力
由式(7.10)计算螺栓的小径d1

查阅螺纹标准，选用粗牙普通螺纹，公称直径d=88mm。
（3）校核螺栓组连接接合面的工作能力。
① 连接接合