机械设计习题范例.doc

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2.2 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 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 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＝8P＝1600N P(l1+l2)＝F1l2 → F1＝9P＝1800N 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＝1.2，由表2.7取摩擦系数? ＝0.15，根据静力平衡条件可得 F‘＝Kf F1/? ＝14400 N 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]=3，则许用应力为[??]＝240/3＝80MPa。依强度条件可得： ＝17.26 mm 查手册可知，取M20合理。对照表2.4，初定[S]＝3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2.6有：[??]＝?s /2.5＝96MPa， [?p ]＝?s/1.25＝192MPa。根据剪切强度条件可得： ＝4.89 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M6×28的铰制孔用螺栓，其光杆直径d0＝7，光杆长度为16，故挤压高度h＝6mm，挤压应力为 ?p ＝＝42.85MPa≤[?p ] 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2.7 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 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?＝4330N，RV＝Pcos??＝2500N，M＝150(RH＋RV)＝1024500Nmm， 由RH引起的螺栓工作拉力 F1＝1082.5N， 由M引起的螺栓的工作拉力 F2＝M/(4×140)＝1830N。 1．根据托架不下滑的条件 4(F‘－F1)??≥Kf RV 有 ，取??＝0.15，Kf ＝1.2，可求得 F‘≥6082.5 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＝2×100×150＝3000mm2 底板抗弯截面模量 W＝150(3202－1202)/6＝2200000mm3 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＝1024500/2200000＝0.465MPa 上侧不应出现间隙，即?p1－?p2 ≥0，因此：F‘≥0.465×A/4＋F1＝4570 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]＝2.5， 钢的安全系数[S]＝1.25，则许用挤压应力为 [?p1]＝330/2.5＝132MPa [?p2]＝200/1.25＝160MPa 因 [?p1]＜[?p2]，故取许用挤压应力[?p]＝[?p1]＝132MPa。 由下侧不压溃条件 ?p1＋?p2≤[?p] 可得： F‘≤＝987595 N 综合上述情况有 6082.5≤F‘≤987595，最终取 F‘＝8000 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＝1082.5＋1830＝2912.5 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＝10912.5N。考虑螺栓采用4.6级，拧紧时控制预紧力，取安全系 数[S]＝1.5，则许用应力[??]＝160MPa，于是有： d1≥＝10.62mm，查手册取M12的螺栓可矣。 题2.9 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