机械设计作业集1011答案DOC.docx
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机械设计作业集1011答案DOC
第十章齿轮传动
：
三、分析与思考题
10—34在不改变齿轮的材料和尺寸的情况下，如何提高轮齿的抗折断能力?
答：
1、加大齿根圆角半径，以减小应力集中；
2、增加轴的刚性，使受载均匀；
3、采用合适的热处理使齿芯具有足够的韧性；
4、对齿根进行强化处理。
10—35齿面点蚀一般首先发生在轮齿的什么部位？
在开式齿轮传动中，为什么一般不出现点蚀破坏？
如何提高齿面抗点蚀的能力？
答：
齿面点蚀一般首先发生在轮齿节线附近靠近齿根处。
开式齿轮传动的主要失效是磨损，还没有出现点蚀就可能已磨损了。
措施：
1、提高齿面硬度，降低粗糙度；
2、提高润滑油粘度；
3、采用正传动，提高综合曲率半径，减小接触应力。
10—36软齿面齿轮和硬齿面齿轮是如何划分的？
软齿面齿轮和硬齿面齿轮在加工方法上有何区别？
为什么？
答：
根据齿面硬度划分，HB<350，为软齿面；HB350，为硬齿面。
硬齿面齿轮的加工比软齿面多了齿面硬化处理和精加工两道工序，主要是因为齿面硬化处理后有变形出现，需要精加工。
10—37在什么工况下工作的齿轮易出现胶合破坏?
胶合破坏通常出现在轮齿的什么部位?
如何提高齿轮齿面抗胶合的能力?
答：
在高速重载工况下工作的闭式齿轮易出现胶合破坏，
提高齿轮齿面抗胶合的能力，可：
1、提高齿面硬度，降低粗糙度；
2、低速用粘度大的润滑油，高、中速及重载低速用极压润滑油；
3、采用变位齿轮，减小滑动系数；
4、减小模数，降低齿高，减小滑动系数；
5、两齿轮配对时，齿面有硬度差，HB1-HB2=30~50。
10—38为什么轮齿的弯曲疲劳裂纹首先发生在齿根受拉伸一侧？
答：
拉应力导致疲劳裂纹的扩展。
10—39在直齿圆柱齿轮强度计算中，当齿面接触强度已足够，而齿根弯曲强度不足时，可采用什么措施提高弯曲强度？
答：
1、增大模数m；
2、适当增大齿宽b；
3、采用正变位齿轮。
10—40标准直齿圆柱齿轮传动，若传动比i，、转矩T1、齿宽b均保持不变，试问在下列条件下齿轮的弯曲应力和接触应力各将发生什么变化?
（1）模数m不变，齿数z1增加；
（2）齿数z1不变，模数m增大；
（3）齿数zl增加一倍，模数m减小一半。
答：
（1）弯曲应力↓（d1增大，Fn减小，YFaYsa减小），接触应力↓（d1增大）；
（2）弯曲应力↓（m增大，d1增大，Fn减小），接触应力↓（d1增大）；
（3）弯曲应力↑（m减小使F大量增大，z1增大使F少量减小），接触应力不变（d1不变）；
10—41一对圆柱齿轮传动，大、小齿轮齿面接触应力是否相等?
大、小齿轮的接触强度是否相等?
在什么条件下两齿轮的接触强度相等?
答：
在任何情况下，大、小齿轮齿面接触应力都相等，但接触强度不一定相等，因为大、小齿轮的材料、热处理等不同，许用接触应力不一定相等。
若大、小齿轮的材料、热处理情况相同，还要看两齿轮的寿命系数是否相等，只有KHN1=KHN2，则两齿轮的许用接触应力才相等。
两齿轮的接触强度相等。
10—42一对圆柱齿轮传动，一般大、小齿轮齿根弯曲应力是否相等?
大、小齿轮弯曲强度相等的条件是什么?
答：
一般大、小齿轮齿根弯曲应力不相等，F1>F2。
大、小齿轮弯曲强度相等的条件是：
10—43试分析一对标准直齿圆柱齿轮传动，在中心距和传动比一定的情况下，齿数和模数的不同选择方案各有何利弊?
答：
齿数增大，模数减小，则：
1、重合度ε↑，传动平稳；
2、齿高h↓，滑动系数↓，磨损↓；
3、da↓，齿轮重量↓，切削量↓；
4、齿轮弯曲强度↓。
10—44齿宽系数φd的大小对齿轮传动的尺寸和强度影响如何?
选取时要考虑哪些因素?
答：
齿宽系数φd越大，则齿轮的有效齿宽越大，齿轮的承载能力越强，强度越高；但齿宽越大，齿轮的偏载越严重，使得载荷分布不均匀，Kβ增大，计算应力增大，强度降低。
因此，要根据支承方式适当选择齿宽系数φd。
10—45在圆柱齿轮传动设计中，为什么通常取小齿轮的宽度大于大齿轮齿宽?
在强度计算时是采用哪个齿宽?
圆锥齿轮传动又如何?
答：
因为轴系零件和箱体存在加工和装配误差，使得两齿轮轴向错位而减小了轮齿的接触宽度，为了保证轮齿的接触宽度，通常取小齿轮的宽度大于大齿轮齿宽。
在强度计算时采用的有效齿宽是大齿轮的齿宽。
圆锥齿轮则两齿轮的齿宽取为相等，因为圆锥齿轮的轴向位置可以调整，而且要求两齿轮的锥顶重合，大端面应当对齐。
10—46在齿轮传动中，载荷分布不均匀系数Kβ与哪些因素有关？
可采取哪些措施减小Kβ？
答：
载荷分布不均匀系数Kβ考虑载荷沿轮齿接触线分布不均匀的影响，这主要是由于系统变形（轴、轴承、箱体等）引起的，有弯曲变形和扭转变形，可采取如下措施减小Kβ：
1、提高轴、轴承、机架的刚度；
2、提高齿轮的制造、安装精度；
3、尽量使齿轮相对轴作对称布置，避免悬臂布置；
4、适当减小齿宽；
5、转矩从远离齿轮端输入；
6、重要传动中的齿轮作成鼓形齿。
10—47有一对标准直齿圆柱齿轮传动。
有关参数和许用值如下表，试分析比较哪个齿轮的弯曲疲劳强度高?
哪个齿轮的接触疲劳强度高?
答：
弯曲强度可比较
齿轮1的弯曲强度高。
接触强度可比较和
显然，齿轮1的接触强度高。
10—48现有A、B两对闭式软齿面直齿圆柱齿轮传动。
其参数如下表所示。
其材料及热处理硬度、载荷、工况及制造精度均相同。
试分析比较这两对齿轮接触强度及弯曲强度的高低。
解：
两对齿轮的材料及热处理硬度、载荷、工况及制造精度均相同，即表示其许用应力都相同，只需比较其计算应力的大小。
A:
d1=mz1=2×40=80mmB:
d1=mz1=4×20=80mm
弯曲强度：
每对齿轮都是小齿轮的弯曲应力大，只算小齿轮的弯曲应力。
A：
B：
A对齿轮的弯曲强度高。
接触强度：
A：
B：
两对齿轮的接触强度一样高。
10—49一标准直齿圆柱齿轮传动，若传递载荷不变，齿轮齿数、中心距和许用应力不变，小齿轮转速n1从960r/min降为720r/min。
试问要改变何参数，并使该值与原用值之比大致等于多少才能保证该传动具有原来的抗弯曲强度?
答：
由于转速下降，使得传递的扭矩增加，有
即扭矩增加为原来的倍。
由弯曲应力计算公式
只有改变齿宽b，并使其等于原用值的1.333倍才能保证该传动具有原来的抗弯曲强度。
10—50两级齿轮传动中，若一级为斜齿，另一级为直齿，试问斜齿圆柱齿轮应置于高速级还是低速级？
为什么？
若为直齿锥齿轮和圆柱齿轮所组成的两级传动，锥齿轮应置于高速级还是低速级？
为什么？
答：
斜齿圆柱齿轮应置于高速级，这是因为斜齿轮在高速级时相对于低速级时的轴向力小，可使轴承受力较小。
若为直齿锥齿轮和圆柱齿轮所组成的两级传动，锥齿轮应置于高速级，这是因为高速级速度高、受力小，锥齿轮的尺寸较小，便于加工。
10—51（3）答：
齿轮4的接触强度最弱。
10—51图示为一二级展开式标准斜齿圆柱齿轮减速器。
已知，高速级齿数z1=44,z2=94，模数m12=2.5mm，中心距a12=175mm，齿宽b2=90mm；低速级齿数z3=40，z4=75，模数m34=3mm，中心距a34=175mm，齿宽b4=100mm；四个齿轮的材料相同，许用接触应力分别为：
[σH]1＝[σH]3=550MPa，[σH]2＝[σH]4=420MPa；传动的摩擦损耗可忽略不计，假设两对齿轮传动的载荷系数K相同。
试：
（1）标出齿轮2轮齿螺旋线的旋向，以使II轴轴承上所受轴向力小些；
（2）画出各齿轮的受力图（力的作用点和方向）；
（3）判断哪个齿轮的接触强度最弱。
答：
题10—51图
（3）的解答在上一页。
10—52图示为二级圆锥圆柱齿轮减速器简图，输入轴Ⅰ转向n1如图所示。
（1）合理确定斜齿轮3和4的螺旋线方向（画在图上），；
（2）在图上画出各齿轮的圆周力、径向力和轴向力的方向；
（3）Ⅲ轴为输出轴，应从Ⅲ轴的哪端输出扭矩为好？
为什么？
答：
题10—52图
应从Ⅲ轴的上端输出扭矩，使弯曲、扭转的变形抵消一部分。
10—53有一同学设计闭式软齿面直齿圆柱齿轮传动，方案一其参数为：
m=4mm、z1=20、z2=60，经强度计算其齿面接触疲劳强度刚好满足设计要求，但齿根弯曲应力远远小于许用应力，因而又进行了两种方案设计。
方案二为：
m=2mm、z1=40、z2=120，其齿根弯曲疲劳强度刚好满足设计要求；方案三为：
m=2mm、z1=30、z2=90。
假设改进后其工作条件、载荷系数K、材料、热处理硬度、齿宽等条件都不变，问：
（1）改进后的方案二、方案三是否可用？
为什么？
（2）应采用哪个方案更合理？
为什么？
答：
（1）方案二
与方案一的d1相同，齿面接触疲劳强度不变，可用。
方案三
比方案一的d1减小，齿面接触疲劳强度降低，不可用。
（2）方案一与方案二相比较，应采用方案二更合理，因为在d1不变的条件下，齿数多、模数小有如下优点：
1、重合度ε↑，传动平稳；
2、齿高h↓，滑动系数↓，磨损↓；
3、da↓，齿轮重量↓，切削量↓。
四、设计计算题
10—54设计一直齿圆柱齿轮传动，原用材料的许用接触应力为[σH]1=700MPa，[σH]2=600MPa，求得中心距a=100mm；现改用[σH]1=600MPa，[σH]2=400MPa的材料，若齿宽和其它条件不变，为保证接触疲劳强度不变，试计算改用材料后的中心距a′。
解：
即
10—55一直齿圆柱齿轮传动，已知zl=20，z2=60，m=4mm，B1=45mm，B2=40mm，齿轮材料为锻钢，许用接触应力[σH]1=500MPa，[σH]2=430MPa，许用弯曲应力[σF]1=340MPa，
[σF]2=280MPa，弯曲载荷系数K=1.85，接触载荷系数K=1.40，求大齿轮所允许的输出转矩T2（不计功率损失）。
解：
1、计算弯曲强度允许的输出转矩
2、计算接触强度允许的输出转矩
大齿轮所允许的输出转矩T2=168938Nmm。
10一56有一对闭式软齿面直齿圆柱齿轮传动，已知小齿轮齿数z1=20，传动比i=3，模数m=4mm，齿宽b=80mm，齿面接触应力σH=400MPa，大齿轮齿根弯曲应力σF2=50MPa。
现可忽略载荷系数K对强度的影响，试求：
（1）小齿轮的齿根弯曲应力σF1；
（2）当其他条件不变，而b=40mm时的齿面接触应力σ′H和齿根弯曲应力σ′F1、σ′F2；
（3）当传动比i及其他条件不变，而z1=40，m=2mm时的齿面接触应力σ″H和齿根弯曲应力σ″F1、σ″F2。
解：
（1）
（2）
（3）（因为d1不变）
10—57设计铣床中一对直齿圆柱齿轮传动，已知功率P1=7.5kW，小齿轮主动，转速n1=1450r/min，齿数z1=26，z2=54，双向传动，工作寿命Lh=12000h。
小齿轮对轴承非对称布置，轴的刚性较大，工作中受轻微冲击，7级制造精度。
解：
略
10—58设计一斜齿圆柱齿轮传动，已知功率Pl=40kW，转速n1=2800r/min，传动比i=3.2，工作寿命Lh=1000h，小齿轮作悬臂布置，工作情况系数KA=1.25。
解：
略
10—59设计由电动机驱动的闭式圆锥齿轮传动。
已知功率P1=9.2kW，转速n1=970r/min，传动比i=3，小齿轮悬臂布置，单向转动，载荷平稳，每日工作8小时，工作寿命为5年（每年250个工作日）。
解：
略
第十一章蜗杆传动
三、分析与思考题
11—24蜗杆传动与齿轮传动相比有何特点?
常用于什么场合?
答：
特点：
1、传动比大，结构紧凑；
2、传动平稳，噪声低；
3、当v时，具有自锁性；
4、齿面滑动速度大，效率低。
适用于大传动比的运动传递，而在动力传输中的应用受到限制。
11—25与普通圆柱蜗杆传动相比，圆弧圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动各有何特点?
各适用于什么场合?
答：
圆弧圆柱蜗杆传动效率高，承载能力强，体积小，质量小，结构紧凑，应用于各种机械设备的减速机构中；
环面蜗杆传动传动效率高，承载能力强；
锥蜗杆传动重合度大，传动比范围大，承载能力和效率较高。
11—26影响蜗杆传动效率的主要因素有哪些?
为什么传递大功率时很少用普通圆柱蜗杆传动?
答：
影响蜗杆传动效率的主要因素有啮合摩擦损耗、轴承摩擦损耗、溅油损耗，其中主要是啮合摩擦损耗，它与蜗杆的导程角、滑动速度等有关。
传递大功率时很少用普通圆柱蜗杆传动是因为其效率较低。
11—27在普通圆柱蜗杆传动中，为什么将蜗杆的分度圆直径规定为标准值?
答：
将蜗杆的分度圆直径规定为标准值是为了限制滚刀的数目，便于滚刀的标准化。
11—28蜗杆传动的失效形式及计算准则是什么？
常用的材料配对有哪些？
选择材料应满足哪些要求？
答：
开式：
失效形式为齿面磨损、轮齿折断，设计准则为保证齿根弯曲疲劳强度；
闭式：
失效形式为齿面胶合、点蚀，设计准则为按齿面接触疲劳强度设计，校核齿根弯曲疲劳强度，还需作热平衡核算。
蜗杆的材料一般为碳钢、合金钢；蜗轮的材料为铸造锡青铜、铸造铝铁青铜、灰铸铁。
选择蜗轮、蜗杆材料不仅要求具有足够的强度，更重要的是具有良好的磨合和耐磨性能。
11—29蜗轮材料的许用接触应力，有的与相对滑动速度大小有关，而与应力循环次数无关，有的则相反，试说明其原因。
答：
当蜗轮材料为灰铸铁或高强度青铜（B300MPa）时，蜗杆的承载能力主要取决于齿面胶合强度，但因目前无胶合强度计算公式，故采用接触强度计算，在查蜗轮的齿面许用接触应力时，要考虑相对滑动速度的大小，而且胶合不属于疲劳失效，因此许用接触应力与应力循环次数无关。
若蜗轮材料为B<300MPa的锡青铜，则蜗轮主要为接触疲劳失效，许用接触应力与应力循环次数有关。
11—30对于蜗杆传动，下面三式有无错误?
为什么?
答：
11-—31蜗杆传动设计中为何特别重视发热问题?
如何进行热平衡计算?
常用的散热措施有哪些?
答：
蜗杆传动齿面滑动速度大，效率低，所以工作时发热量大，若热量不能及时散出，将因油温不断升高而使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。
所以，必须根据单位时间内的发热量等于同时间内的散热量的条件进行热平衡计算，以保证油温稳定地处于规定的范围内。
常用的散热措施：
1、加散热片以增大散热面积；
2、在蜗杆的轴端加装风扇以加速空气的流通；
3、在传动箱内装循环冷却管路。
11—32为什么蜗杆传动要进行蜗杆的刚度计算?
对于常用的两端支承蜗杆轴如何进行刚度计算?
答：
蜗杆传动由于传动比较大，蜗轮的尺寸较大，蜗杆的支承跨距较大，蜗杆受力后会产生较大的变形，会造成轮齿上载荷集中，影响正确啮合，所以要进行蜗杆的刚度计算。
11—33为什么普通圆柱蜗杆传动的承载能力主要取决于蜗轮轮齿的强度，用碳钢或合金钢制造蜗轮有何不利?
答：
由于结构和材料上的原因，失效总是发生在蜗轮上。
结构上：
蜗杆是连续的齿，而蜗轮的齿则是孤立的；材料上：
蜗杆是钢制的，强度较高，而蜗轮的材料则是青铜，强度较低。
在蜗杆传动中，啮合齿面具有较大的滑动速度，为了减少磨损，提高抗胶合能力，要求配对轮齿材料具有良好的减磨性、磨合性和耐磨性，用碳钢或合金钢制造蜗轮，虽强度高，但与碳钢蜗杆配对时减磨性和耐磨性差。
11—34在动力蜗杆传动中，蜗轮的齿数在什么范围内选取?
齿数过多或过少有何不利?
答：
蜗轮齿数主要取决于传动比，即z2=iz1。
z2不宜太小（如z2＜26），否则将使传动平稳性变差。
z2也不宜太大（z280），否则在模数一定时，蜗轮直径将增大，从而使相啮合的蜗杆支承间距加大，降低蜗杆的弯曲刚度。
11—35图示蜗杆传动均是以蜗杆为主动件。
试在图上标出蜗轮（或蜗杆）的转向，蜗轮齿的螺旋线方向，蜗杆、蜗轮所受各分力的方向。
题11—35图
11—36如图所示传动系统，已知输出轴n6的方向。
（1）使各轴轴向力较小，确定斜齿轮3、4和蜗杆蜗轮1、2的螺旋线方向（标在图上或用文字说明）及各轴的转向；
（2）在图中标出各齿轮轴向力的方向。
题11—36图
四、设计计算题
11—37某传动装置中采用蜗杆传动，电机功率P=10kW，转速n＝970r／mim，蜗杆传动参数：
z1＝2，z2＝60，q＝8，m＝8，右旋，蜗杆蜗轮啮合效率η1=0.75，整个传动系统总效率η=0.70，卷筒直径D=600mm，试求：
（1）重物上升时，电机的转向（画在图上）；
（2）重物上升的速度v；
（3）重物的最大重量W；
（4）蜗杆蜗轮所受各力大小，并标出各力的方向。
题11—37图
解：
（1）如图
（2）
（3）
（4）
11—38图示为简单手动起重装置。
已知：
m＝8，z1＝1，z2＝40，q＝10，卷筒直径D=200mm，试确定：
（1）重物上升1m，手柄应转多少圈？
若蜗杆为右旋，当重物上升时，手柄转向如何（画在图上）？
（2）若蜗杆蜗轮齿面间的当量摩擦系数为fv=0.2，此机构是否自锁？
（3）若重物重量G=1000N，人手推力F=50N，计算手柄力臂长度L；
（4）当提升重物或降下重物时，蜗轮齿面是单侧受载还是双侧受载?
解：
（1）
题11—38图
（2）
自锁
（3）
（4）当提升重物时，蜗轮齿面左侧受力，降下重物时，重力为驱动力，蜗轮的工作齿面没有改变，因此为单侧受载。
11—39已知一蜗杆传动，蜗杆为主动，转速nl=1440r/min，蜗杆头数zl=2，模数m=4mm，蜗杆直径系数q=10，蜗杆材料为钢，齿面硬度大于45HRC，磨削，蜗轮材料为铸锡青铜，求该传动的啮合效率η1和总效率η。
解：
查表11-18，fv=0.028，v=136，则
11—40设计用于带式输送机的普通圆柱蜗杆减速器，传递功率P1=7.5kW，蜗杆转速n1=970r/min，传动比i=18，由电动机驱动，载荷平稳。
蜗杆材料为20Cr钢，渗碳淬火，硬度大于58HRC。
蜗轮材料为ZCuSnl0P1，金属模铸造。
蜗杆减速器每日工作8小时，工作寿命为7年（每年250个工作日）。
解：
略
11—41如图所示传动系统，已知电机转动方向。
（1）试说明为什么带传动布置在高速级，而链传动布置在低速级？
（2）使各轴轴向力较小，确定斜齿轮3、4和蜗杆蜗轮5、6的螺旋线方向（标在图上或用文字说明）；
（3）在图中标出所有轴向力的方向。
解：
题11—41图
（1）带传动布置在高速级是因为：
带传递的力不宜过大，否则容易打滑；带有过载保护的作用；带是弹性体，有缓冲吸振的作用。
链传动布置在低速级是因为：
链传动具有多边形效应，高速时冲击振动大，动载荷大。
（2）如图。
蜗轮6为右旋。
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