机械设计习题集3.docx

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机械设计习题集3

第1章　机械设计概论

思考题

1.什么是部件？

什么是零件？

什么是构件？

什么是通用零件？

什么是专用零件？

机械设计课程研究的是哪类零件？

从哪几个方面来研究这类零件？

2.机械设计应满足哪些基本要求？

机械零件设计应满足哪些基本要求？

3.机械设计的一般步骤是怎样的？

第2章机械零件的工作能力和计算准则

填空题

1.在压力作用下，以点、线相接触的两物体在接触处产生的应力称为应力。

2.零件在变应力作用下的强度计算属于强度计算，它不同于静强度计算。

3.零件的计算载荷与名义载荷的关系是。

4.零件的名义载荷是指载荷。

5.零件的实际载荷与计算载荷的差异对零件的强度影响，将在中考虑。

二、简答与思考题

1.解释下列名词：

静载荷、变载荷、稳定循环变载荷、动载荷、工作载荷、额定载荷、计算载荷、静应力、变应力、疲劳及疲劳极限。

静载荷是否一定产生静应力？

变载荷是否一定产生变应力？

2.什么是变应力的循环特性r？

对于静应力、脉动循环变应力和对称循环变应力，其r值各等于多少？

3.在一定的循环特性r下工作的金属试件，其应力循环次数与疲劳极限之间有怎样的内在联系？

怎样区分试件的无限工作寿命和有限工作寿命？

怎样计算在有限寿命下工作的试件的疲劳极限？

4.两个曲面形状的金属零件相互压紧，其表面接触应力的大小由哪些因素确定？

如果这两个零件的材料、尺寸都不同，其相互接触的各点上彼此的接触应力值是否相等？

三、计算题

1.图示为对心直动滚子从动件凸轮机构。

从动件顶端承受压力F=12kN。

当压力角α达到最大值αmax=250时，相应的凸轮轮廓在接触点上的曲率半径为R=75mm。

已知：

滚子半径r=15mm，凸轮与滚子的宽度b=20mm；两者材料的弹性模量和泊松比均为E=2.1×105Mpa和μ=0.3；许用接触应力[σ]H=1500Mpa。

试校核凸轮与滚子的表面接触强度。

题1图

第3章机械零件的疲劳强度

简答题

1.已知某零件的简化极限应力图及其危险剖面上的σm、σa工作应力点M（σm，σa），如图示，当其应力变化规律按σm=C（常数）变化时，在图中找出相应的极限应力点，并计算其安全系数。

题1图

2.试给出变应力中①平均应力σm，②应力幅σa，③循环特性r的定义式。

3.分别在题1图中画出变应力中循环特性r=-1、r=0两种变应力下的应力变化规律，并标出σmax、σmin、σa和σm。

4.试简述某材料的极限应力图与该材料零件的极限应力图的区别。

5.已知零件材料的σ-1、σ0、σS以及零件某处的综合影响系数（kσ）D，试给出该零件的简化极限应力图（σm-σa图），并说明绘图过程。

二、分析与计算题

1.图示一等截面转轴，轴径d=45mm，其上作用有轴向拉力FA=2000N，Fr=6000N，试求轴危险剖面上循环变应力的σmax、σmin、σa、σm和应力循环特性r各是多少？

题1图

2.厚为10mm的高强度碳钢件受有拉力F=60kN。

板的平面尺寸如图所示。

该板的三个截面上分别有

的圆孔、R10mm的半圆缺口、R10mm的圆角。

试分别计算这三个截面上的最大应力。

题2图题2附图

3.上题中，如载荷F在30~90kN之间作周期性的波动。

材料改为合金钢，其机械性质：

，

。

危险截面上的有效应力集中系数

，尺寸系数

，表面质量系数

，等效系数

。

按无限寿命考虑。

试画出

极限应力图，并用作图和计算两种方法，确定安全系数S。

4.火车车轮轮对轴的尺寸及受力情况如图所示。

已知：

轴的材料为碳钢，

，

；危险截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ上的有效应力集中系数

，尺寸系数

，表面质量系数

。

试确定轴的安全系数S。

计算时按无限寿命考虑，忽略剪力的作用。

题4图

5.上题中，已知：

轴的转速n=15r/min，载荷稳定不变。

要求使用寿命10年。

每年工作300天，每天累计工作2小时。

材料的疲劳曲线指数m=9，应力循环基数N0=107。

试按有限寿命计算：

①轴的寿命系数kN；②轴的安全系数S。

6.上题中，如轴在每一小时内的工作情况系按图示的载荷图谱作周期性的重复变动。

要求使用的天数不变，但每天工作8小时。

其他所有条件都不变。

试确定：

①寿命系数kN；②安全系数S。

图中F0是载荷的最大值，与上题中的稳定载荷值相等。

题6图

7.实心转轴的危险截面上受有周期性波动的载荷：

弯矩M=50—100N.m；扭矩T=0—50N.m。

轴的材料为碳钢，已知机械性能：

，

，

，

。

若截面直径d=25mm，有效应力集中系数

，

，尺寸系数

，

，表面质量系数

，等效系数

，

。

试确定安全系数S。

计算时可按无限寿命考虑，忽略剪力的作用。

第4章摩擦、磨损、润滑

思考题

1.摩擦状态有哪几种？

各有何特点？

2.按破坏机理分，磨损的基本类型有哪四种？

各有何特点？

如何防止这些类型的磨损发生？

3.润滑剂的作用是什么？

常用润滑剂有哪几种？

4.润滑油的主要性能指标是什么？

润滑脂的主要性能指标是什么？

第6章螺纹联接和螺旋传动

填空与选择题

1.受横向转矩的螺栓组采用铰制孔时，每个螺栓所受的载荷是。

（1）相等的

（2）与到几何中心距离成正比

（3）与到几何中心距离成反比（3）都不等

2.在螺栓联接的结构设计中，被联接件与螺母和螺栓头接触表面处需要加工，这是为了。

（1）不致损伤螺栓头和螺母

（2）增大接触面积，不易松脱

（3）防止产生附加偏心载荷（4）便于装配

3.受横向外载荷作用的紧螺栓联接，螺栓中所受轴向的载荷F0等于。

（1）

（2）

（3）

4.在受轴向载荷的紧螺栓强度计算公式（

）中，F0为。

（1）工作载荷

（2）预紧力

（3）预紧力+工作载荷（4）工作载荷+残余预紧力

5.设计螺栓组时常把螺栓布置成轴对称的均匀的几何形状，这主要是为了。

（1）美观

（2）受力最小（3）联接方便（4）结合面受力较均匀

6.在确定紧螺栓联接的计算载荷时，预紧力

比一般值提高30%，这是为了因素。

（1）螺纹上的应力集中

（2）螺栓杆横截面上的扭转应力

（3）载荷沿螺纹圈分布的不均匀性

7.在轴向力作用时，用预紧力

来保证螺栓联接的接缝不张开，此预紧力

。

（1）可以是任意值

（2）小于作用力（3）等于作用力（4）大于作用力

8.图示螺旋拉杆，若A向逆时针拧螺母拉紧螺杆时，螺纹应取什么旋向。

（1）两个均为左旋

（2）两个均为右旋

（3）螺纹1为左旋，螺纹2为右旋（4）螺纹1为右旋，螺纹2为左旋

题8图

9.受轴向变载荷的紧螺栓联接，在工作载荷F和残余预紧力

不变的情况下，要提高螺栓的疲劳强度，可以减小刚度及增大刚度。

10.螺纹联接防松的实质是。

11.受剪铰制孔螺栓在横向剪力作用下，螺栓杆和孔壁间可能发生和螺栓被等失效形式。

12.螺纹联接中常用的防松方法有。

13.计算螺栓抗拉强度时用直径，分析螺纹的受力时用直径。

二、简答题

1.受横向载荷的普通螺栓联接有何特点？

2.为什么大多数螺纹联接都要预紧？

预紧力

过大有什么结果？

预紧力

过小有什么结果？

3.螺纹升角的大小对自锁和效率有何影响？

写出自锁条件及效率公式。

4.简述提高螺纹联接强度的四种措施。

5.为了避免螺栓承受偏心载荷，应从结构上采取哪些措施？

6.联接和传动各常用什么螺纹？

为什么？

7.螺纹是怎样形成的？

8.若用降低螺栓刚度的办法来提高螺栓联接的疲劳强度，试作力和变形图说明之。

9.举两种常用螺纹联接的类型，并分别说明应用场合？

10.螺纹有哪些主要参数？

各参数间有何关系？

11.螺距与导程有什么不同？

两者有什么关系？

请用图表示出三头右旋螺纹，并注明导程及螺距。

12.螺旋副的传动效率与螺旋头数有什么关系？

请利用计算螺旋副效率的公式进行分析。

13.常用螺纹按牙形分为哪几种？

各有何特点？

主要用途怎样？

14.三角形螺纹分为哪两种？

它们有什么特点？

15.为什么螺母的螺纹圈数不宜大于10？

16.拧紧螺母及松退螺母时的效率如何计算？

效率随哪些因素而变化？

17.螺纹联接松脱的原因是什么？

按防松原理防松的方法可分为几类？

具体的防松方法和装置各有哪些？

18.螺栓的主要失效形式有哪些？

19.提高螺栓联接强度的措施有哪些？

20.推导图示受扭矩作用的螺栓组联接的螺栓受力计算式：

（a）当用受拉螺栓时；

（b）当用铰制孔用受剪螺栓时。

题20图

三、结构改错题与计算题

1.如图示，托架螺栓组联接，试求在倾覆力矩M作用下，绕O-O轴转动时，最大受载螺栓的计算公式，并写出满足螺栓不拉断、接缝面A点不开缝，B点不压坏的强度条件。

（写出结果式即可）

题1图题2图

2.图示支承杆用三个M12铰制孔螺栓联接在机架上，铰孔直径d0=13mm，如螺杆与孔壁的挤压强度足够，试求作用于该悬臂梁的最大作用力P。

（不考虑构件本身的强度。

取螺栓材料的屈服极限σS=600Mpa，取剪切安全系数nτ=2.5）

题3图题6图

3.一薄板用两个M10的普通螺栓联接在厚机架上，尺寸如图示，已知薄板上受力P=600N，板间摩擦系数f=0.20，防滑系数Kf=1.2，螺栓许用应力[σ]=108Mpa，螺栓螺纹小径d1=8.376mm，试校核该螺栓联接是否安全可靠。

4.凸缘联轴器，用六个普通螺栓联接，螺栓分布在D=100mm的圆周上，结合面摩擦系数f=0.16，防滑系数Kf=1.2，若联轴器传递扭矩为150N.m，试求螺栓螺纹小径。

（螺栓[σ]=120Mpa）

5.试找出图示螺纹联接中的错误，并就图改正。

def

题5图

6.图示为某受轴向工作载荷的紧螺栓联接的载荷变形图：

（1）当工作载荷为2000N时，求螺栓所受总拉力及被联接件间残余预紧力。

（2）若被联接件不出现缝隙，最大工作载荷是多少？

7.双头矩形螺旋传动机构，其外径d=90mm，中径d2=81mm，螺距P=18mm，螺纹的摩擦系数f=0.1，试求其效率并判断是否自锁？

8.有一受轴向变载荷作用的紧螺栓联接，预紧力

=4000N，轴向工作载荷在0~4000N之间变化，假设螺栓与被联接件刚度相等，试计算：

（1）螺栓所受最大和最小载荷是多少？

（2）被联接件间的压紧力最大和最小值是多少？

9.图示汽缸内径D=500mm，蒸汽压力F=0~1.2Mpa，在法兰上安装有12个螺栓，其残余预紧力为工作载荷的1.5倍，螺栓联接的相对刚度为0.8，试确定单个螺栓所受的最大轴向拉力与最小轴向拉力。

题9图题12图

10.推导图示两种联接的螺栓受力计算式，a图为夹紧联接，b图为支座，两个图中的结构主要尺寸相同，且上下各用一个螺栓。

（提示：

注意两种结构的失效形式有什么不同）

题10图

11.上题图a所示的夹紧联接柄承受载荷Q=600N，螺栓个数z=2，联接柄长度L=300mm，轴直径dB=60mm，夹紧结合面摩擦系数f=0.15，试确定联接螺栓的直径。

解：

（1）.求螺栓所需的预紧力

设联接柄对轴的压力为R，则

所以

（2）.确定螺栓直径

选螺栓材料为A3钢，

，则安全系数

根据手册选M20六角螺栓。

12.图示螺栓联接中采用两个M20的螺栓，其许用拉应力为[σ]=160Mpa，被联接件结合面间的摩擦系数f=0.2，若考虑摩擦传力的可靠系数kf=1.2,试计算该联接允许传递的静载荷Q。

13.如图所示，缸径D=500mm，蒸汽压力p=1.2MPa，螺栓分布圆直径D0=640mm。

为保证气密性要求，螺栓间距不得大于150mm。

试设计此气缸盖螺栓组联接。

题13图题15图

14.上题图示的气缸盖联接中，已知：

工作压力在0到2N/mm2之间变化，气缸内径D=500mm，螺栓数目为20，用铜皮石棉垫片密封，试确定螺栓直径。

15.设图示螺栓刚度为c1，被联接件刚度为c2，如果c2=8c1，预紧力

=1000N，外载荷F=1100N，试求螺栓中的总拉力和被联接件中的残余预紧力。

解：

螺栓中的总拉力为

联接件中的残余预紧力为

由此可见螺栓所承受的总拉力F0比它所受的预紧力

大。

但总拉力（对预紧力而言）的增加量（）仅占外载荷F的11%。

这个值是不太大的。

这种联接的受力情况与它的相对刚度有关。

在此例中，尽管外载荷比预紧力大，但被联接件仍然处于被压缩状态，它们之间没有分离。

16.图示的矩形钢板，用4个M16的铰制孔用螺栓固定在高250mm的槽钢上，钢板悬臂端承受的外载荷为16kN，试求：

（1）作用在每个螺栓上的合成载荷；

（2）螺栓的最大剪应力；

（3）螺栓的最大挤压应力。

解：

（1）应用力的平移原理，将力P向接缝面中心O简化，由题解图可见螺栓组接缝面受：

向下的滑移载荷P=16kN

绕中心O旋转的扭矩T=16×425=6800Nm

由于滑移载荷P的作用，各螺栓要承受的垂直剪切载荷为

V=P/4=16/4=4kN

因扭矩T的作用，各螺栓所受的剪切载荷R，而Rmax为

由图可见，

。

故

按比例将剪力V与剪力R绘于题解图中，并应用平行四边形法则求得合力。

求得最大合力的大小为Fmax=F1=F2=21.0kN

（2）螺栓1和2承受最大的剪切载荷，由国标中查得d1=17mm，螺栓杆剪切的危险截面面积是

所以剪应力为

（3）由于钢板与螺栓的接触长度比较小，所以最大挤压应力将发生在螺栓杆与钢板的孔壁之间，其挤压面积是

所以挤压应力是

题16图

题解16图

17.图示的底板螺栓组联接，受外力R的作用。

外力R作用于包含X轴并垂直于底板接逢面内，试分析底板螺栓组联接的受力情况，并判断哪一个螺栓受力最大？

保证联接安全工作的必要条件有哪些？

题17图

解：

（1）联接的受力分析

将R力在作用面内分解为平行于X、Y轴的两个分力H与V，如图a。

H=Rcosθ

V=Rsinθ

根据力的平移定理，将V力平移至接缝面中心O，并加上力矩MV，如图b所示，则得接缝面的载荷为

轴向力（使接缝面分离）V=Rsinθ

倾覆力矩（使接缝面绕ZZ轴旋转）MV=-Vl

同理，将H力平移到中心O，并加上力矩MH，如图c所示，则得载荷为

横向力（使接缝面滑移）H=Rcosθ

倾覆力矩（使接缝面绕ZZ轴旋转）MH=Hh

根据力、力矩的叠加原理，联接的受力情况为

倾覆力矩M=MH+MV=Hh-Vl

横向力V=Rsinθ

轴向力H=Rcosθ

（2）螺栓的受力情况

对于螺栓组来说，各个螺栓在拧紧后都受有预紧力

的作用。

在载荷R作用后，每个螺栓要受到V/8的轴向力作用；横向力H则由接缝面间产生的摩擦力（8F-V）f来平衡。

在倾覆力矩M的作用下，若M沿顺时针方向时，则ZZ轴左侧的螺栓受到轴向加载作用，而右侧螺栓所受载荷减小，并且距ZZ轴越远影响越大，因此可以判明ZZ轴左侧1-1行的螺栓受力最大（图d），应对它进行强度校核。

（3）此联接安全工作的必要条件

根据以上的分析，除螺栓必须具有足够的强度外，对联接来说，在R力的作用下接缝面的应力状态如图d所示，由图可见，为保证联接的安全工作必须：

接缝面右端的最大挤压应力（∑σmax=σp-σv+σM）小于或等于接缝面的许用挤压应力[σ]P。

式中，σp—螺栓预紧力在接缝面产生的压应力；

为了避免接缝面间产生间隙，接缝面左端的最小挤压应力（∑σmin=σp-σv-Σm）不得小于零；

在横向力H的作用下，接缝面不应产生相对滑动，即接缝面间的摩擦阻力应大于或等于H

（8F-V）f>=H

18.图示为一固定在砖墙上的托架。

已知:

载荷Q=4.8kN，底板高h=340mm，宽b=150mm，载荷作用线与铅垂线的夹角α=500，砖墙许用挤压应力[σ]p=2Mpa，结合面摩擦系数fs=0.3，试设计此联接。

题18图题20图

19.在简答题20题中，凸缘联轴器传递的扭矩T=150Nm，载荷平稳，螺栓数z=6，螺栓均匀分布在D=100mm的圆周上，结合面摩擦系数f=0.16，可靠系数kf=1.2，求螺栓直径。

20.图示某机构上的拉杆端部采用粗牙普通螺纹联接。

已知：

拉杆所受最大载荷F=15KN，载荷很少变动，拉杆材料为A3钢，σS=216Mpa，[S]=1.6，试确定拉杆螺纹的直径。

第7章键、花键、销、成形联接

填空或选择题

1.平键的横剖面为。

（1）椭圆

（2）圆（3）半圆（4）矩形

2.平键联接的可能失效形式有。

（1）疲劳点蚀

（2）弯曲疲劳破坏

（3）胶合（4）压溃、磨损、剪切破坏等

3.楔键联接与平键联接相比，前者对中性。

（1）好

（2）差（3）相同（3）无法比较

4.导键固定于。

（1）轴槽

（2）轮毂（3）轴上零件（4）轴端

5.半圆键联接具有的特点。

（1）对轴的强度削弱小

（2）工艺性差、装配不方便

（3）调心性好（4）承载能力大

6.销联接主要用于。

（1）传递较大载荷

（2）定位

（3）承受静拉应力（4）承受疲劳循环拉应力

7.楔键联接中，楔键的工作面是面。

8.选择普通平键时，根据从国家标准中查取键的尺寸，然后按轮毂宽度选择键长L。

9.花键联接按其齿形不同，可分为、、花键联接。

10.渐开线花键的定心方式有、。

11.常用的无键联接形式有、。

12.花键联接的主要失效形式是、。

二、简答题

1.花键联接与平键联接相比，有哪些特点？

2.两零件间使用定位销为什么一般数目不少于两个？

3.矩形花键联接外径定心有何特点？

应用于何场合？

4.渐开线花键与齿轮齿形相比，有何差别？

5.圆头、方头普通平键各有何优缺点，分别用在什么场合？

圆头、方头普通平键的轴上键槽是怎样加工的？

6.为何矩形花键和渐开线花键应用最广？

三角形花键多用在什么场合？

7.若某轴与轮毂的平键联接强度不够，应采取什么措施？

8.为何采用两个平键时，一般设置在同一轴段上相隔1800的位置？

三、计算题

1.某试验台的输出轴端装一卷筒，该处轴的直径d=14mm，选用A型平键联接，其中b=4mm，h=4mm，L=18mm，键及轮毂材料均为45号钢，载荷平稳，[σp]=130Mpa，试求此键联接按挤压强度所能传递的转矩。

取

，

为键与毂的接触高度。

2.某齿轮与轴之间采用B型平键联接，已知：

T=5000.Nm，轴径d=100mm，且b=28mm，h=16mm，L=150mm，取

（

为键与毂的接触高度），键及轮毂材料均为45号钢，[σp]=130Mpa，试校核该键联接的挤压强度。

第11章带传动

填空与选择题

1.带传动正常工作时，小带轮上的滑动角小带轮的包角。

（1）大于

（2）小于（3）小于或等于（4）大于或等于

2.三角带传动中带轮最常用的材料是。

（1）A3

（2）45钢（3）HT15-33（4）塑料

3.设计中限制小带轮的直径D1

D1min，是为了。

（1）限制带的弯曲应力

（2）限制相对滑移量

（3）保证带与轮面间的摩擦力（4）轮在轴上安装的需要

4.带传动的设计准则是。

（1）保证带具有一定的寿命

（2）保证带不被拉断

（3）保证不发生弹性滑动的情况下，带又不被拉断

（4）保证传动不打滑的条件下，带具有一定的疲劳强度

5.正常工作条件下的带传动，在接触面上带与带轮间。

（1）速度完全一致

（2）存在弹性滑动

（3）存在打滑（4）存在弹性滑动与打滑

6.三角胶带按剖面尺寸大小分等型号，其公称长度是指的长度。

7.带传动最大的有效圆周力随着，，的增大而增大。

8.带是处于应力下工作的，这将使带容易产生破坏。

9.一般带传动的失效形式是和。

二、简答题

1.三角胶带带轮的基准直径指的是哪个直径？

三角胶带传动的最小带轮直径由什么条件限制？

小带轮包角范围如何确定？

为什么？

2.在相同的条件下，为什么三角胶带比平型带的传动能力大？

3.图示为三角胶带带轮轮槽与带的三种安装情况，其中哪种情况是正确的？

哪种情况是错误的？

分别说明理由。

（a）（b）（c）

题3图

4.在设计带传动时，能否认为带速与带的传递功率成正比，为什么？

5.带传动与齿轮传动及链传动比较有哪些优缺点？

6.什么是有效拉力？

什么是张紧力？

它们之间有什么关系？

如何理解紧边和松边的拉力差即为带传动的有效拉力？

7.带传动为什么要限制其最小中心距和最大传动比？

通常推荐带速在（15~25）m/s之间，若带速超出此范围会有什么影响？

8.带传动的打滑经常在什么情况下发生？

打滑多发生在大轮上还是在小轮上？

刚开始打滑时，紧边拉力和松边拉力有什么关系？

空载时，带的紧边拉力与松边拉力的比值F1/F2是多少？

9.带工作时，截面上产生哪几种应力？

这些应力对带传动的工作能力有什么影响？

最大应力在什么位置？

10.什么是滑动率？

滑动率如何计算？

为什么说弹性滑动是带传动的固有特性？

由于弹性滑动的影响，带传动的速度将如何变化？

11.具有张紧轮的带传动有何利弊？

张紧轮应放在什么位置？

为什么？

12.为了避免带打滑，将带轮上与带接触的表面加工得粗糙些以增大摩擦，这样解决是否可行和是否合理，为什么？

13.写出挠性带的欧拉公式，并说明公式中各符号的含义。

三、计算题

1.带传动中主动轮转速n1=955rpm，D1=D2=0.2m，B型棉帘布带，带长1.4m（长度系数KL=0.9），单班、平稳工作。

问传递功率7Kw，需几根胶带？

2.已知带传动的功率P=7.5Kw，主动轮直径d1=100mm，转速n1=1200rpm，紧边拉力F1是松边拉力F2的两倍，试求F1、F2的值。

3.已知带传动的功率P=7.5Kw，平均带速v=10m/s，紧边拉力F1是松边拉力F2的两倍，试求紧边拉力F1，有效圆周力Fe及初拉力F0。

4.已知带传动的功率P=5Kw，小带轮直径d1=140mm，转速n1=1440rpm，大带轮直径D2=400mm，三角胶带传动的滑动率ε=2%，求从动轮实际转速

；求空载时从动轮转速n2；求有效圆周力Fe。

5.带传动的小带轮直径D1=100mm，大带轮直径D2=400mm，若主动小带轮转速n1=600r/min，三角胶带传动的滑动率ε=2%，求从动大带轮的转速n2。

6.三角胶带传动传递的功率Ｐ＝7.5kW，带的速度v=10m/s，紧边拉力是松边拉力的5倍，即F1=5F2。

求紧边拉力F1和有效拉力F。

7.带传动传递的功率Ｐ＝5kW，主动轮转速n1=350r/min，主动轮直径D1=450mm，传动的中心距a=1500mm，从动轮直径D2=650mm，三角胶带与带轮间当量摩擦系数

=0.5。

求带速、小带轮包角α1、带长及紧边拉力F1。

8.带传动的主动轮转速n1=1450r/mi