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1、机械设计题库13轴轴 一 选择题 (1) 增大轴肩过渡处的圆角半径，其优点是 D 。 A. 使零件的周向定位比较可靠 B. 使轴的加工方便 C. 使零件的轴向固定比较可靠 D. 降低应力集中，提高轴的疲劳强度 (2) 只承受弯矩的转动心轴，轴表面一固定点的弯曲应力是 C 。 A. 静应力 B. 脉动循环变应力 C. 对称循环变应力 D. 非对称循环变应力 (3) 转轴弯曲应力sb的应力循环特性为 A 。 A. r = -1 B. r = 0 C. r = +1 D. -1 r b，强度最高的是ab。 (a) (b) 图15-4 (28) 如图 15-5所示起重机卷筒的(a)、(b)、(c)、(

2、d)四种万案，试分析比较: (a) 方案是心轴， (c) 方案为转轴; 从轴的应力看， (a) 方案受应力较小， (d) 方案受应力较大; 从制造装配工艺来看， (a) 方案较好; (a) 方案安装维护最方便。 6 图15-5 (29) 如图15-6所示为轴上零件的两种布置方案，功率由齿轮A输入，齿轮1输出扭矩T1，齿轮2输出扭矩T2，并且T1T2，试比较两种布置方案各段轴所受的扭矩是否相同。 不同 (a) (b) 图15-6 (30) 一根光轴跨距不变，其他条件不变，仅将轴径由d增至2d，则轴的强度为原来强度的2倍，轴的刚度为原来刚度的2倍。 (31) 提高轴抗疲劳强度的使用较多的表面处理方

3、法有 高频淬火；表面渗碳、氨化、氮化、碾压、喷丸等强化处理。 (32) 工作转速超过一阶临界转速的轴称为 挠性轴 。 (33) 毡圈密封和密封圈密封均属于 接触式密封 。 (34) 动密封可分为 接触式密封 和 非接触式密封 两大类。 (35) 接触式密封是利用 密封件的弹性变形力使密封件与接合表面紧密接触 来达到密封效果的。 7 43(36) 常用的非接触式密封有 油沟 、 挡油盘 、 甩油盘 以及 迷宫式 密封等几种。 (37) 迷宫式密封的主要优点是 无磨损，且适用于速度较高的场合 。 三 是非题 (1) 轴的强度计算中，安全系数校核就是疲劳强度校核，即计入应力集中、表面状态和尺寸影响以

4、后的精确校核。 (T) (2) 轴的结构设计中，一般应尽量避免轴截面形状的突然变化。宜采用较大的过渡圆角，也可以改用内圆角、凹切圆角。 (T) (3) 实际的轴多做成阶梯形，这主要是为了减轻轴的重量，降低制造费用。 (F) (4) 承受弯矩的转轴容易发生疲劳断裂，是由于其最大弯曲应力超过材料的强度极限。 (F) (5) 按扭转强度条件计算轴的受扭段的最小直径时，没有考虑弯矩的影响。 (F) (6) 中碳钢制造的轴改用合金钢制造，无助于提高轴的刚度。 (T) (7) 合金钢的力学性能比碳素钢高，故轴常用合金钢制造。 (F) (8) 发生共振时轴的转速称为轴的临界转速，它是轴系结构本身所固有的，因

5、此应使轴的工作转速避开其临界转速。 (T) (9) 固定不转动的心轴其所受的应力不一定是静应力。 (T) (10) 转动的心轴其所受的应力类型不一定是对称循环应力。 (T) (11) 为提高轴的刚度，一般采用的措施是用合金钢代替碳钢。( F ) (12) 毡圈密封装置的毡圈及轴承盖上的装毡圈槽都是矩形截面，目的是为了得到较好的密封效果。 (F) (13) 唇形密封圈装置采用两个油封相背放置，主要起到既可防漏油又可防外界灰尘进人的双重目的。 (T) 四 简答题 (1) 自行车的前轴、中轴和后轴各属于哪类轴?请说明理由。 答：由于自行车的前轴和后轴需要克服轮对轴产生的滚动摩擦力矩很小，所受的转矩可

6、以忽略，而弯矩是主要的载荷，所以应该是心轴。前轴为不转动的心轴，而后轴为转动的心轴。而自行车的中轴一方面需要克服车轮对地的摩擦力，从而驱动车轮转动，因此受转矩作用；同时，中轴还受有链轮对轴的作用力和踏脚力以及由此引起的弯矩，因此中轴应该是转轴。 (2) 为何大多数轴呈阶梯形? 答：主要是为了便于零件在轴上的装拆和固定，同时也有利于节省材料、减轻重量、便于加工。 (3) 零件在轴上进行周向固定时，可采用哪些方法? 答：可采用键连接、花键连接、销连接和过盈连接等方法。 8 (4) 零件在轴上进行轴向固定时，可采用哪些方法? 答：可采用轴肩、轴环、套筒、锁紧挡圈、弹性挡圈、轴端挡圈、圆螺母、锥形轴端

7、等方法。 (5) 当量弯矩计算公式Mca=M2+(aT)中a的含义是什么? 2答：a为考虑弯曲应力和扭剪应力的循环特性不同而引人的应力校正系数。 (6) 设计轴肩高度h和轴的圆角半径r时，应注意什么问题? 答：为使轴上零件与轴肩端面靠紧，应保证轴的圆角半径r、轴肩高度h与零件毂孔倒角高度C或圆角半径R之间满足如下关系：rCh，rRT2，试比较两种布置方案各段轴所受的扭矩是否相同? 图15-7 答：按答图1(a)，Tmax=T1；按答图1(b)，Tmax=T1+T2。 答图1 9 (10) 图15-8为起重机卷筒轴的四种结构方案，试比较： 1) 哪个方案的卷筒轴是心轴?哪个是转轴? 2) 从轴的

8、应力分析，哪个方案轴较重?哪个方案轴较轻? 3) 从制造工艺看，哪个方案较好? 4) 从安装维护方便看，哪个方案较好? 图15-8 答：1) (a)、(b)、(c)是心轴，(d)是转轴；2) (b)、(d)较重，(a)、(c)较轻；3) (c)较好；4) (b)、(d)方便。 (11) 图15-9的带式运输机有两种传动方案，若工作情况相同，传递功率一样，试比较： 1) 按方案(a)设计的单级减速器，如果改用方案(b)，减速器的哪根轴的强度要重新核验?为什么? 2) 两方案中，电动机轴受力是否相同? (方案(a)普通V带传动传动比i带=方案(b)开式齿轮传动传动比i开。) 图15-9 答：1)

9、方案(b)中一级大齿轮所在的轴 2) 若不计摩擦，应为相同。 10 (12) 在同样受载情况下，为什么轴上有键槽或有紧配合零件的阶梯轴，其最大直径要比等径光轴直径大? 答：应力集中和表面质量，以及安装、定位的要求。 (13) 轴的强度计算公式Mca=M2+(aT)中，a的含意是什么?其大小如何确定? 2答：a是根据扭矩性质而定的折算系数： 对于不变的转矩， a=s-1b0.3s+1b 当转矩脉动时，a=s-1b0.6s-1bs-1b1s-1b 当频繁正、反转时，a= 若转矩的变化规律不清楚，可按脉动处理 (14) 图15-10为某传动系统的两种布置方案，若传递功率和各传动件的参数及尺寸完全相同

10、，减速器主动轴受力大小或方向有何不同?按强度计算两轴的直径是否相同? 图15-10 答：图15-10(a)减速器主动轴上受力均为一个方向；图15-10(b)减速器主动轴上受力方向相反。按强度计算，图15-10(a)直径大。 (15) 齿轮轴为40钢，用一对6207轴承支承，如图15-11所示，已知装齿轮处轴的直径为d，此处的挠度和扭角为y、j。问：以下各措施是否均能减小挠度和扭角，从提高轴系刚度角度看，哪个方案效果显著? 1) 轴的直径增大到2d。 2) 将轴各部分长度L1、L2、L3各减少50。 3) 轴的材料改为40Cr钢。 11 图15-11 答：1) 挠度减小116，扭转角j减小116

11、； 2) 挠度减小18，扭转角j减小12 3) 无改变。方案1)效果显著。 (16) 试分析在同样工作条件下，轴承采用向心推力球轴承，轴承正装与反装对轴系刚度的影响。 1) 如图15-12(a)所示，载荷作用在支点跨距以外，为了提高轴系刚度，轴承应该正装还是反装? 2) 如图15-12(b)所示，载荷作用在支点跨距以内，要提高轴系刚度，轴承应该正装还是反装? 图15-12 答：1）反装；2)正装。 (17) 平键连接有哪些失效形式?平键的尺寸bhl如何确定? 答：普通平键的失效形式是键、轴槽和毂槽三者中强度最弱的工作面被压溃。导向平键连接的主要失效形式是工作面的磨损。 b和h按轴径d查取。 L

12、按标准查取，但比轮毂长度略短。 (18) 圆头、方头及单圆头普通平键各有何优缺点?分别用在什么场合?轴上的键槽是怎样加工的? 答：圆头和半圆头普通平键在槽中固定良好，但轴槽端部的应力集中较大。半圆头适合于轴端。圆头12 和半圆头普通平键轴上的键槽是用指状铣刀加工。方头普通平键轴槽端部应力较小，但要用螺钉把键固定在键槽中。其轴槽是用盘形铣刀加工的。 (19) 如图15-13所示，为何采用两个平键时，一般设置在同一轴段上相隔180的位置，采用两个楔键时相隔120左右，采用两个半圆键时，则常设置在轴的同母线上? oo图15-13 答：上述布置是从尽量减小对轴的强度的削弱考虑的，同时又考虑了各类键的特

13、点 五 计算题 (1) 根据图15-14数据，试确定杠杆心轴的直径d。已知手柄作用力F1=250N，尺寸如图示，心轴材料用45钢，s-1=60MPa。 图15-14 解： 800F1=100F，所以F=8F1 作用于轴的力F总=F1+F=9F1 13 轴上所受的弯矩为M=F总80=925080Nmm 已知45钢,s-1=60MPa,W=0.1d3, 所以 d3M925080=3=31.07mm 0.1s-10.160(2) 某铁路货车，一节车厢及其货物总重W=480kN，车厢由四根轴八个车轮支承，作用于每根轴上的力如图15-15所示，该力钢轨中心线约210mm。考虑偏载等因素，计算轴强度时，应

14、将载荷乘以载荷系数K=1.3。车轴材料为45钢，s-1=60MPa，试确定车轴AA截面直径。 图15-15 W。 8W1.3M 画出弯矩图，则M=210，即 sb=s-1 8W解：先求出未知力 F= 因为轴为45正火，s-1=60MPa,W=pd332。 解得 d140.62mm (3) 已知一传动轴，传递功率为37kW，轴的转速n=960r/min，若轴上许用扭应力tT不能超过40MPa，传动轴的直径应为多少?要求： 1) 按实心轴计算。 2) 按空心轴计算，内外径之比取0.8、0.6、0.4三种方案。 3) 比较各方案轴质量之比(取实心轴质量为1)。 解：1） tT=T=WT9.55106

15、0.2d3Pnt T 所以 d39.55106P379.55106n=3960=35.83 0.2tT0.24014 2） b=0.8 WT=pd316(1-b) 4373960=42.722 d0.2401-0.849.55106()373960=37.537mm b=0.6 d0.2401-0.649.55106()373960=36.15mm b=0.4 d0.2401-0.449.55106()3） b=0.8时，设取长度为L，相对密度g，实心轴35.83pLg=1 2G0.8p(0.242.722)2gL=0.0568 35.832pLgp(0.437.53)2gL=0.1756 3

16、5.83pLg b=0.6 G0.6 b=0.4 G0.4p(0.636.15)2gL=0.36645 35.832pLg从质量上来看，从轻到重的顺序为，内径比0.8、0.6、0.4，实心轴。 (4) 有一台离心风机，由电动机直接带动，电动机轴传递功率为5.5kW,轴的转速n=1450r/min，轴用45钢正火，tT=35MPa，A0=112。试按许用扭剪应力计算轴的直径。 解：轴的材料为45正火，tT=35MPa，A0=112，则由公式 dA03P5.5=112=17.467mm n1450考虑轴上有一键槽，直径加大5，d=18.37mm，取20mm。 (5) 图15-16减速器的低速轴与凸

17、缘联轴器及圆柱齿轮之间分别有键连接。已知轴传递的扭矩T=1000Nm，齿轮材料为锻钢，凸缘联轴器材料为HT200，工作时，有轻微冲击，连接处轴及轮毂尺寸如图示。试选择键的类型和尺寸，并校核其连接强度。 15 图15-16 图15-17 解：齿轮处选用A型普通平键。查表取bh=2514，L取80mm。 联轴器处：bh=2012，L取125mm。 齿轮处：sp=2Tsp，查表sp=110MPa，即 kld2100010357MPa l=L-b=80-25=55mm sp= 75590spsp，即齿轮处键的强度足够。 联轴器处：查表sp=55MPa，即 spsp,即联轴器处满足键的强度要求。 (6)

18、 图15-17为在直径d=80mm的轴端安装一钢制直齿圆柱齿轮，轮毂长L=1.5d，工作时有轻微冲击。试确定平键连接尺寸，并计算其传递的最大扭矩。 解：查表bh=2214，L=1.5d=120。设齿轮材料为锻钢，则 sp=260MPa l=L-b=110-22=88 sp=所以 T4Tsp dlhdhl801488sp=260=6406.4Nmm 44103 Tmax=6406.4Nmm (7) 图15-18为圆锥式摩擦离合器，已知传递功率P=2.2kW，承受冲击载荷，转速n=300r/min，离合器材料为铸钢，轴径d=50mm，右半离合器的轮毂长L=70mm。试选择右半离合器的键连接类型及尺

19、寸，并作强度校核。 16 图15-18 解：由d=50mm，查得键的bh=1610，轮毂长70+40=110mm，L取100mm。 T=9.5510 sp=63P2.2=9.551063=1855398.4Nmm h3004T41855398.4=157.9MPa dlh509410 查表sp=75MPa，spsp,故不满足要求。 六 结构设计与轴系结构综合题 (1) 指出下列图15-19中各轴系结构设计的错误。 (a) (b) 图15-19 答：(1) 答图2a中轮毂两边都被轴环挡住是错误的，这样齿轮装不进去；轮毂与轴之间应有键联接，与轮毂配合段轴头长度应小于轮毂的宽度。 答图2b中联轴器应

20、为通孔，与轴头之间应有键联接；轴应有台阶靠住联轴器端面，使联轴器轴向定位。 (a) (b) 17 答图2 (2) 试指出图15-20所示圆柱齿轮轴系中的结构错误，并画出正确的结构图(齿轮油润滑，轴承脂润滑)。 图15-20 答：见答图3 答图3 (3) 图15-21所示为小锥齿轮轴系部件结构图(小锥齿轮与轴一体，为齿轮轴)。试改正图中不合理或错误的结构，并简述原因。 图15-21 答：见答图4 答图4 18 右轴承内圈右端面是固定面，可用圆螺母加止动垫片，螺纹外径略小于轴承内径。 轴上所加螺纹段右边一段轴段穿过透盖，该段轴径应小于螺纹内径； 透盖与轴之间应有间隙，且应有密封毡圈； 两轴承内圈之

21、间的轴径应小于轴承内径； 两轴承外圈之间的套筒内径应小于轴承外径，形成轴承外圈定位凸肩； 左轴承内圈左侧轴肩过高，应减至内圈高的2/3左右； 套杯凸缘不应在左边，应在右边。 箱体孔的中部直径应加大，以减少精加工面； 透盖与套杯配合段过长，透盖与右轴承外圈之间应有较大的间隙； 套杯凸缘与箱体间应有调整垫片、套杯凸缘与透盖间应有调整垫片； 11 轴的右端及透盖外圆外侧应有倒角。 (4) 指出图15-22所示圆锥齿轮减速器中输入轴系(即小圆锥齿轮轴)结构上的错误。 图15-22 答：按照前述结构查错的要点，可知小圆锥齿轮轴系结构主要有如下错误： 1) 圆锥齿轮应与轴用键联接； 2) 圆锥齿轮外端应有

22、固定挡盘(因此，与锥齿轮相配合的轴头段长度应略小于齿轮轮毂长度)，同时齿轮内端定位轴肩过高而使齿轮拆卸困难； 3) 右轴承无法接入； 4) 套杯右端应有内台阶，以承受右轴承上的轴向力； 5) 轴中间过渡段直径过大，应使轴肩低于轴承内圈的高度； 6) 左轴承的外圈与轴承端盖间轴向间隙过大； 7) 轴承端盖(透盖)与相应轴段处应有密封元件； 8) 套杯左端凸缘与箱体贴合面处应有调整齿轮啮合间隙用的调整垫片； 9) 套杯内孔中段应挖出一段凹槽，既减少了精加工长度，又使右轴承易于装拆； 10) 套杯与箱体孔配合的外径部分最好在中段切出一段凹槽(亦可在箱体座孔的中段切凹槽)，以减少19 精加工的配合面，

23、也便于整个齿轮轴系组件的装拆。 (5) 图15-23所示的减速器输出轴，齿轮用油润滑，轴承用脂润滑。指出其中的结构错误，并说明原因。(指出5处即可) 图15-23 答：如答图5所示。 答图5 错误1：键轴上两个键槽不在同一母线上； 错误2：左轴承盖与轴直接接触； 错误3：左轴承盖与箱体无调整密封垫片； 错误4：轴套超过轴承内圈定位高度； 错误5：齿轮所处轴段长度过长，出现过定位，齿轮定位不可靠； 错误6：键顶部与轮毂接触； 错误7：无挡油盘； 错误8：两轴承盖的端面处应减少加工面。 (6) 试画出图15-24斜齿圆柱齿轮减速器低速级输出轴的轴系结构装配图，要求画出箱体位置和联轴器位置。已知：

24、20 1) 轴承型号均为6412深沟球轴承。 o2) 齿轮参数：mn=3mm，z=110,b=922，右旋，齿宽B=80mm。 3) 联轴器型号：HL5联轴器55112GB 5014-85。 图15-24 答案：略 (7) 画出平键和楔键的结构并说明工作原理。 答：平键的两侧面为工作面，工作时两侧面受到挤压。(答案无图) 楔键的上、下面分别与毂和轴上键槽的底面贴合为工作面，键的上表面及相配的轮毂键槽底面各有1:100的斜度。装配时把楔键打入键槽内，其上、下表面产生很大压力，工作时靠此压力产生的摩擦力传递转矩，还可传递单向轴向力。 (8) 指出如图15-25、图15-26所示齿轮系结构中标号处的错误性质，轴承用油脂润滑。 图15-25 21 图15-26 答：图15-25答案： 应设密封圈并留间隙 套筒不可同时接触内、外圈 轮毂应比轴段长1-2mm 联轴器应给定位台阶 应有键作周向定位 此处不必卡圈固定内圈 轴承内圈装入应有台阶 联轴器应为通孔，且应有轴端挡圈固定 箱体装盖应有加工凸台并加垫片 轴环高不能超过内圈厚度 11 键太长，套筒不可起定位 12 轴承盖凸缘内应切倒角槽 13 应加挡油圈 图15-26答案