第一篇：材料科學(xué)基礎(chǔ)課后習(xí)題 第1-第4章

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課后習(xí)題答案 第一章 材料結(jié)構(gòu)的基本知識

4.簡述一次鍵和二次鍵區(qū)別

答：根據(jù)結(jié)合力的強弱可把結(jié)合鍵分成一次鍵和二次鍵兩大類。其中一次鍵的結(jié)合力較強，包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵。一次鍵的三種結(jié)合方式都是依靠外殼層電子轉(zhuǎn)移或共享以形成穩(wěn)定的電子殼層，從而使原子間相互結(jié)合起來。二次鍵的結(jié)合力較弱，包括范德瓦耳斯鍵和氫鍵。二次鍵是一種在原子和分子之間，由誘導(dǎo)或永久電偶相互作用而產(chǎn)生的一種副鍵。

6.為什么金屬鍵結(jié)合的固體材料的密度比離子鍵或共價鍵固體為高？

答：材料的密度與結(jié)合鍵類型有關(guān)。一般金屬鍵結(jié)合的固體材料的高密度有兩個原因：（1）金屬元素有較高的相對原子質(zhì)量；（2）金屬鍵的結(jié)合方式?jīng)]有方向性，因此金屬原子總是趨于密集排列。相反，對于離子鍵或共價鍵結(jié)合的材料，原子排列不可能很致密。共價鍵結(jié)合時，相鄰原子的個數(shù)要受到共價鍵數(shù)目的限制；離子鍵結(jié)合時，則要滿足正、負離子間電荷平衡的要求，它們的相鄰原子數(shù)都不如金屬多，因此離子鍵或共價鍵結(jié)合的材料密度較低。

9.什么是單相組織？什么是兩相組織？以它們?yōu)槔f明顯微組織的含義以及顯微組織對性能的影響。

答：單相組織，顧名思義是具有單一相的組織。即所有晶粒的化學(xué)組成相同，晶體結(jié)構(gòu)也相同。兩相組織是指具有兩相的組織。單相組織特征的主要有晶粒尺寸及形狀。晶粒尺寸對材料性能有重要的影響，細化晶粒可以明顯地提高材料的強度，改善材料的塑性和韌性。單相組織中，根據(jù)各方向生長條件的不同，會生成等軸晶和柱狀晶。等軸晶的材料各方向上性能接近，而柱狀晶則在各個方向上表現(xiàn)出性能的差異。對于兩相組織，如果兩個相的晶粒尺度相當(dāng)，兩者均勻地交替分布，此時合金的力學(xué)性能取決于兩個相或者兩種相或兩種組織組成物的相對量及各自的性能。如果兩個相的晶粒尺度相差甚遠，其中尺寸較細的相以球狀、點狀、片狀或針狀等形態(tài)彌散地分布于另一相晶粒的基體內(nèi)。如果彌散相的硬度明顯高于基體相，則將顯著提高材料的強度，同時降低材料的塑韌性。

10.說明結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)條件與動力學(xué)條件的意義，說明穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

答：同一種材料在不同條件下可以得到不同的結(jié)構(gòu)，其中能量最低的結(jié)構(gòu)稱為穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)或平衡太結(jié)構(gòu)，而能量相對較高的結(jié)構(gòu)則稱為亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。所謂的熱力學(xué)條件是指結(jié)構(gòu)形成時必須沿著能量降低的方向進行，或者說結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變必須存在一個推動力，過程才能自發(fā)進行。熱力學(xué)條件只預(yù)言了過程的可能性，至于過程是否真正實現(xiàn)，還需要考慮動力學(xué)條件，即反應(yīng)速度。動力學(xué)條件的實質(zhì)是考慮阻力。材料最終得到什么結(jié)構(gòu)取決于何者起支配作用。如果熱力學(xué)推動力起支配作 用，則阻力并不大，材料最終得到穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。從原則上講，亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)有可能向穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，以達到能量的最低狀態(tài)，但這一轉(zhuǎn)變必須在原子有足夠活動能力的前提下才能夠?qū)崿F(xiàn)，而常溫下的這種轉(zhuǎn)變很難進行，因此亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)仍可以保持相對穩(wěn)定。

第二章 材料中的晶體結(jié)構(gòu)

1.回答下列問題：

（1）在立方晶系的晶胞內(nèi)畫出具有下列密勒指數(shù)的晶面和晶向：

（001）與[210]，（111）與[112]，（110）與[111]，（132）與[123]，（322）與[236]（2）在立方晶系的一個晶胞中畫出（111）和（112）晶面，并寫出兩晶面交線的晶向指數(shù)。解：（1）

（2）首先求（111）和（112）的交線。由式（2-7），即

u=k1l2-k2l1=1?21?11 v=l1h2-l2h1=1?12?1-1 w=h1k2-h2k1=1?11?1由u:v:w=0

k1l1k2l2l2:l1h1h2h2:h1k1k2得 所以，（110）和（112）兩晶面交線的晶向指數(shù)為[110]或者[110]。如下圖所示。

6.用米勒指數(shù)表示體心立方、面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)中的原子密排面和原子密排方向，并分別計算這些晶面和晶向上的原子密度。

8.回答下列問題：

（1）通過計算判斷（110）、（132）、（311）晶面是否屬于同一晶帶？

（2）求（211）和（110）晶面的晶帶軸，并列出五個屬于該晶帶的晶面的密勒指數(shù)。

17.簡述離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則。答：離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則［ 鮑林(L Pauling)離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則］

（1）負離子配位多面體規(guī)則

在離子晶體中，正離子的周圍形成一個負離子配位多面體，正負離子間的平衡距離取決于離子半徑之和，而正離子的配位數(shù)則取決于正負離子的半徑比。（2）電價規(guī)則

在一個穩(wěn)定的離子晶體結(jié)構(gòu)中，每個負離子的電價Z－等于或接近等于與之鄰接的各正離子靜電強度S的總和：

Z-= 邋S=iii驏Z+÷?÷ ??桫n÷i式中Si為第i種正離子靜電鍵強度，Z+為正離子的電荷，n為其配位數(shù)。這就是鮑林第二規(guī)則，也稱電價規(guī)則。（3）負離子多面體共用頂、棱和面的規(guī)則

在分析離子晶體中負離子多面體相互間的連接方式時，電價規(guī)則只能指出共用同一個頂點的多面體數(shù)，而沒有指出兩個多面體間所共用的頂點數(shù)。鮑林第三規(guī)則指出：“在一配位結(jié)構(gòu)中，共用棱特別是共用面的存在，會降低這個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對于電價高，配位數(shù)低的正離子來說，這個效應(yīng)尤為顯著?！? 18．解釋下列名詞的概念

空間點陣

晶向指數(shù)

點陣常數(shù)

原子半徑

配位數(shù)

致密度

晶胞

晶格

晶體結(jié)構(gòu)

晶格間距

晶系

晶帶

答：空間點陣：組成晶體的粒子（原子、離子或分子）在三維空間中形成有規(guī)律的某種對稱排列，如果我們用點來代表組成晶體的粒子，這些點的空間排列就稱為空間點陣。

晶向指數(shù)：表示晶體中點陣方向的指數(shù)，由晶向上陣點的坐標決定。點陣常數(shù)：晶胞的棱邊長度稱為點陣常數(shù)。

原子半徑：元素的晶體中原子間距之半，即為原子半徑。配位數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù)。致密度：晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分數(shù)。晶胞：構(gòu)成晶格的最基本的單元稱為晶胞。

晶格：用一系列相互平行的直線將陣點連接起來形成空間格架即為晶格。晶體結(jié)構(gòu)：晶體中原子（離子或分子）在三維空間的具體的排列方式稱為晶體結(jié)構(gòu)。

晶格間距：指相鄰兩個平行晶面之間的距離。

晶系：晶體學(xué)中，根據(jù)晶胞棱邊長度之間的關(guān)系和晶軸之間的夾角情況對晶體進行分類，可以將晶體分為七大晶系。晶帶：相交和平行于某一晶向直線的所有晶面的組合稱為晶帶。

第三章 高分子材料的結(jié)構(gòu)

1.何謂單體、聚合物和鏈節(jié)?它們相互之間有什么關(guān)系?請寫出以下高分子鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)式：①聚乙烯；②聚氯乙烯；③聚丙烯；④聚苯乙烯；⑤聚四氟乙烯。答：（1）單體是能與同種或他種分子聚合的小分子的統(tǒng)稱。是能起聚合反應(yīng)或縮聚反應(yīng)等而成高分子化合物的簡單化合物。是合成聚合物所用的-低分子的原料。

（2）高分子化合物又稱聚合物或高聚物，它是指由一種或多種簡單低分子化合物聚合而成的相對分子質(zhì)量很大的化合物。

（3）組成大分子鏈的特定的結(jié)構(gòu)單元叫做鏈節(jié)。

（4）聚乙烯：nCH2=CH2聚氯乙烯：［-CH2—CHCl-］n聚丙烯：聚苯乙烯：聚四氟乙烯：-[-CF2-CF2-]-n 2.加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)有何不同?

答：（1）加聚反應(yīng)即加成聚合反應(yīng)，凡含有不飽和鍵(雙鍵、叁鍵、共軛雙鍵)的化合物或環(huán)狀低分子化合物，在催化劑、引發(fā)劑或輻射等外加條件作用下，同種單體間相互加成形成新的共價鍵相連大分子的反應(yīng)就是加聚反應(yīng)。加聚反應(yīng)包括引發(fā)、生長和終止三個階段，反應(yīng)的一端和引發(fā)劑的自由基結(jié)合，而在另一端的單體分子以鏈節(jié)的形式一個個加合而形成長鏈，這是一種連鎖反應(yīng)，反應(yīng)時不產(chǎn)生副產(chǎn)品；

（2）縮聚反應(yīng)，是一類有機化學(xué)反應(yīng)，是具有兩個或兩個以上官能團的單體，相互反應(yīng)生成高分子化合物，同時產(chǎn)生有簡單分子（如 H2O、HX、醇等）的化學(xué)反應(yīng)。縮聚反應(yīng)無需引發(fā)劑，鏈的兩端都是活性的，先形成許多小的鏈段，然后再有小鏈段組成長鏈，這是一種多級聚合反應(yīng)，反應(yīng)時有副產(chǎn)品。3.說明官能度與聚合物結(jié)構(gòu)形態(tài)的關(guān)系。要由線型聚合物得到網(wǎng)狀聚合物，單體必須具有什么特征? 答：（1）單體分子的官能度能夠決定高分子的結(jié)構(gòu)，具有雙官能的單體，只能形成鏈狀結(jié)構(gòu)，從而生成熱塑性塑料；如果單體是三官能的，在互相連接時形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而生成熱固性塑料。

4.聚合物的分子結(jié)構(gòu)對主鏈的柔順性有什么影響? 答：主鏈結(jié)構(gòu)對聚合物的柔順性有顯著的影響。例如，由于Si-O-Si鍵角大，Si-O的鍵長大，內(nèi)旋轉(zhuǎn)比較容易，因此聚二甲基硅氧烷的柔性非常好，是一種很好的合成橡膠。芳雜環(huán)因不能內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所以主鏈中含有芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)的高分子鏈的柔順性較差，具有耐高溫的特點。側(cè)基極性的強弱對高分子鏈的柔順性影響很大。側(cè)基的極性愈弱其相互間的作用力愈大，單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)困難，因而鏈的柔順性差。鏈的長短對柔順性也有影響，若鏈很短，內(nèi)旋轉(zhuǎn)的單鏈數(shù)目很少，分子的構(gòu)象數(shù)很少，必然出現(xiàn)剛性。

第四章 晶體缺陷

1．純Cu的空位形成能為1.5aJ/atom，（1aJ=10-18J），將純Cu加熱至850℃后激冷至室溫（20℃），若高溫下得空位全部保留，試求過飽和空位濃度與室溫平衡空位濃度的比值。

答：850℃：C1=Aexp(-DEV/kT1)

20℃：C2=Aexp(-DEV/kT2)所以DEV11C11.5′10-1811=exp(-)=exp?()=exp274=5.613-23C2kT2T11.38′1029311233．空位對材料行為的主要影響是什么？

答：空位可以造成材料物理性能與力學(xué)性能的改變，引起電阻的增加，晶體中存在的空位破壞了原子排列的規(guī)律性，使電子在傳導(dǎo)時的散射增加，從而增加電阻，此外，空位的存在還使晶體的密度下降，體積膨脹。7．在圖4-54所示的面心立方晶體的（111）滑移面上有兩條彎折的位錯線OS和O’S’，其中位錯的臺階垂直于（111），它們的柏氏矢量如圖中箭頭所示。

（1）判斷位錯線上各段位錯的類型。

（2）有一切應(yīng)力施加于滑移面，且與柏氏矢量平行時，兩條位錯線的滑移特征有何差異？

答：（1）在兩根位錯線上12,34為刃位錯，其余為螺位錯。

（2）OS上的各段位錯都可在該滑移面內(nèi)滑移，O’S’上的12，34位錯不能運動，其余各段都可在該滑移面內(nèi)滑移。10.判斷下列位錯反應(yīng)能否進行：

aaa[111]（1）[101]+[121] 263aa[101][101]（2）a[100]?22aaa[111]（3）[112]+[111] 362aa[111]（4）a[100]?[111]22答：（1）√（2）×

（3）×

（4）×

aa11.若面心立方晶體中b?[101]的全位錯以及b?[121]的不全位錯，此兩位

26錯相遇發(fā)生位錯反應(yīng)，試問：

（1）此反應(yīng)能否進行？為什么？

（2）寫出合成位錯的柏氏矢量，并說明合成位錯的性質(zhì)。

答：（1）此反應(yīng)能夠進行。因為其符合位錯反應(yīng)的幾何條件和能量條件。位錯反應(yīng)時為：

aaa[101]+[121] [111] 263aaa注意如果寫成[101]?[121][212]時顯然不合題意，此反應(yīng)是不能進263行的。

a（2）合成位錯的柏氏矢量是[111]，是不全位錯。

319．表面為什么具有吸附作用？物理吸附和化學(xué)吸附的主要起源于什么？舉例說明現(xiàn)實生活中的吸附粒子？

答：（1）吸附是指外來的原子或分子氣體在界面上富集的現(xiàn)象。氣體分子或原子分子咋表面吸附可以不同程度上抵消表面原子的不平衡力場，使作用力的分布趨于對稱，于是就降低了表面能，使體系處于較低的能量狀態(tài)，體系更為穩(wěn)定，所以吸附過程是自發(fā)進行的。

（2）物理吸附源自于范德華耳斯力作用而相互吸引，物理吸附無選擇性；化學(xué)吸附則源自于剩余的不飽和鍵力，化學(xué)吸附有選擇性。

第五章：1，3，6，9，10，13，14 第六章：1，4，5，10 第七章：1，2 第八章：1，2，4，5

第二篇：機械設(shè)計基礎(chǔ)課后習(xí)題答案 第11章

11-1 解 1）由公式可知：

輪齒的工作應(yīng)力不變，則 則，若，該齒輪傳動能傳遞的功率

11-2解 由公式

可知，由抗疲勞點蝕允許的最大扭矩有關(guān)系：

設(shè)提高后的轉(zhuǎn)矩和許用應(yīng)力分別為、當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時，轉(zhuǎn)矩和功率可提高 69%。

11-3解 軟齒面閉式齒輪傳動應(yīng)分別驗算其接觸強度和彎曲強度。（1）許用應(yīng)力 查教材表 11-1小齒輪45鋼調(diào)質(zhì)硬度：210～230HBS取220HBS；大齒輪ZG270-500正火硬度：140～170HBS，取155HBS。

查教材圖 11-7，查教材圖 11-10 , 查教材表 11-4取，故：

（2）驗算接觸強度，驗算公式為：

其中：小齒輪轉(zhuǎn)矩

載荷系數(shù) 查教材表11-3得

齒寬

中心距 齒數(shù)比

則：、，能滿足接觸強度。

（3）驗算彎曲強度，驗算公式：

其中：齒形系數(shù)：查教材圖 11-9得、則 ：

滿足彎曲強度。

11-4解 開式齒輪傳動的主要失效形式是磨損，目前的設(shè)計方法是按彎曲強度設(shè)計，并將許用應(yīng)力

降低以彌補磨損對齒輪的影響。

（1）許用彎曲應(yīng)力 查教材表11-1小齒輪45鋼調(diào)質(zhì)硬度：210～230HBS取220HBS；大齒輪

45鋼正火硬度：170～210HBS，取190HBS。查教材圖11-10得 , 查教材表 11-4，并將許用應(yīng)用降低30%

（2）其彎曲強度設(shè)計公式：

其中：小齒輪轉(zhuǎn)矩

載荷系數(shù) 查教材表11-3得

取齒寬系數(shù)

齒數(shù)

，取

齒數(shù)比

齒形系數(shù) 查教材圖 11-9得、因

故將

代入設(shè)計公式

因此

取模數(shù)

中心距

齒寬

11-5解硬齒面閉式齒輪傳動的主要失效形式是折斷，設(shè)計方法是按彎曲強度設(shè)計，并驗算其齒面接觸強度。（1）許用彎曲應(yīng)力

查教材表 11-1，大小齒輪材料40Cr 表面淬火硬度：52～56HRC，取54HRC。查教材圖11-10得，查材料圖11-7得。查教材表11-4，因齒輪傳動是雙向工作，彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)，應(yīng)將極限值乘 70%。

故

（2）按彎曲強度設(shè)計，設(shè)計公式：

其中：小齒輪轉(zhuǎn)矩

載荷系數(shù) 查教材表11-3得

取齒寬系數(shù)

齒數(shù)，取

齒數(shù)比

齒形系數(shù) 應(yīng)將齒形系數(shù)較大值代入公式，而齒形系數(shù)值與齒數(shù)成反比，將小齒輪的齒形系數(shù)代入設(shè)計公式，查教材圖 11-9得

因此

取模數(shù)

（3）驗算接觸強度，驗算公式：

其中：中心距

齒寬

，取

滿足接觸強度。

11-6解 斜齒圓柱齒輪的齒數(shù)角速比用齒數(shù)

與其當(dāng)量齒數(shù) 之間的關(guān)系：（1）計算傳動的。（2）用成型法切制斜齒輪時用當(dāng)量齒數(shù) 選盤形銑刀刀號。（3）計算斜齒輪分度圓直徑用齒數(shù)。（4）計算彎曲強度時用當(dāng)量齒數(shù) 查取齒形系數(shù)。

11-7解 見題11-7解圖。從題圖中可看出，齒輪1為左旋，齒輪2為右旋。當(dāng)齒輪1為主動時按左手,則判斷其軸向力 ；當(dāng)齒輪2為主動時按右手定則判斷其軸向力。

輪1為主動 輪2為主動時

圖 11.2 題11-7解圖

11-8解 見題11-8解圖。齒輪2為右旋，當(dāng)其為主動時，按右手定則判斷其軸向力方向 ；徑向力

總是指向其轉(zhuǎn)動中心；圓向力 的方向與其運動方向相反。

圖 11.3 題11-8解圖

11-9解（1）要使中間軸上兩齒輪的軸向力方向相反，則低速級斜齒輪3的螺旋經(jīng)方向應(yīng)與齒輪2的

旋向同為左旋，斜齒輪4的旋向應(yīng)與齒輪3的旋向相反，為右旋。

（2）由題圖可知：、、、、分度圓直徑

軸向力

要使軸向力互相抵消，則： 即

11-10解 軟齒面閉式齒輪傳動應(yīng)分別校核其接觸強度和彎曲強度。

（1）許用應(yīng)力

查教材表 11-1小齒輪40MnB調(diào)質(zhì)硬度：240～280HBS取260HBS；大齒輪35SiMn調(diào)質(zhì)硬度：200～

260HBS，取230HBS。

查教材圖 11-7： ；

查教材圖 11-10： ； 查教材表 11-4 取，故：

（2）驗算接觸強度，其校核公式：

其中：小齒輪轉(zhuǎn)矩

載荷系數(shù) 查教材表11-3得

齒寬

中心距

齒數(shù)比

則： 滿足接觸強度。

（3）驗算彎曲強度，校核公式：

小齒輪當(dāng)量齒數(shù) 大齒輪當(dāng)量齒數(shù)

齒形系數(shù) 查教材圖 11-9得、滿足彎曲強度。

11-11解 軟齒面閉式齒輪傳動應(yīng)按接觸強度設(shè)計，然后驗算其彎曲強度：（1）許用應(yīng)力

查教材表 11-1小齒輪40MnB調(diào)質(zhì)硬度：240～280HBS取260HBS；大齒輪45鋼調(diào)質(zhì)硬度：210～

230HBS，取220HBS。查教材圖 11-7：

；

；

查教材表 11-4 取，查教材圖 11-10：

故

（2）按接觸強度設(shè)計，其設(shè)計公式：

其中：小齒輪轉(zhuǎn)矩 11-3得 齒寬系數(shù) 取

載荷系數(shù) 查教材表中心距

齒數(shù)比 將許用應(yīng)力較小者 代入設(shè)計公式

則： 取中心距

初選螺旋角

大齒輪齒數(shù)

，取 齒數(shù)比：

模數(shù)，取

螺旋角

（3）驗算其彎曲強度，校核公式： 小齒輪當(dāng)量齒數(shù)

大齒輪當(dāng)量齒數(shù)

齒形系數(shù) 查教材圖 11-9得、滿足彎曲強度。

11-12解 由題圖可知：，高速級傳動比

低速級傳動比 輸入軸的轉(zhuǎn)矩

中間軸轉(zhuǎn)矩

輸出軸轉(zhuǎn)矩

11-13解 硬齒面閉式齒輪傳動應(yīng)按彎曲強度設(shè)計，然后驗算其接觸強度。（1）許用應(yīng)力

查教材表 11-1齒輪40Cr表面淬火硬度：52～56HRC取54HRC。

查教材圖 11-7： 查教材圖 11-10：

查教材表 11-4 取，故：

（2）按彎曲強度設(shè)計，其設(shè)計公式：

其中：小齒輪轉(zhuǎn)矩

載荷系數(shù) 查教材表11-3得

齒寬系數(shù) 取

大齒輪齒數(shù)，取 齒數(shù)比：

分度圓錐角

小齒輪當(dāng)量齒數(shù) 大齒輪當(dāng)量齒

齒形系數(shù) 查教材圖 11-9得、則平均模數(shù)： 大端模數(shù) 取

（3）校核其接觸強度，驗算公式：

其中：分度圓直徑

錐距

齒寬

取

滿足接觸強度。

11-14解 開式齒輪傳動只需驗算其彎曲強度

（1）許用彎曲應(yīng)力

查教材表 11-1小齒輪45鋼調(diào)質(zhì)硬度：210～230HBS取220HBS；大齒輪ZG310-570正火硬度：160～

200HBS取190HBS。

查教材圖 11-10： ； 查教材表 11-4 取，故：

（2）校核彎曲強度，驗算公式： 其中：小齒輪轉(zhuǎn)矩

載荷系數(shù) 查教材表11-3得

分度圓錐角

小齒輪當(dāng)量齒數(shù)大齒輪當(dāng)量齒數(shù)

齒形系數(shù) 查教材圖 11-9得、分度圓直徑

錐距

齒寬系數(shù)

平均模數(shù)

則：

滿足彎曲強度。

11-15解（1）圓錐齒輪2的相關(guān)參數(shù)

分度圓直徑分度圓錐角

平均直徑 軸向力

（2）斜齒輪3相關(guān)參數(shù) 分度圓直徑

軸向力

（3）相互關(guān)系 因 得：

（4）由題圖可知，圓錐齒輪2的軸向力 指向大端，方向向下；斜齒輪3的軸向力 方向指向上，轉(zhuǎn)動方向與錐齒輪2同向，箭頭指向右。齒輪3又是主動齒輪，根據(jù)左右手定則判斷，其符合右手定則，故斜齒輪3為右旋。

圖11.6 題11-16 解圖

11-16解 見題 11-16解圖。徑向力總是指向其轉(zhuǎn)動中心；對于錐齒輪2圓周力與其轉(zhuǎn)動方向相同，對于斜齒輪3與其圓周力方向相反。

第三篇：機械設(shè)計基礎(chǔ)課后習(xí)題答案 第12章

12-1解 ：從例 12-1已知的數(shù)據(jù)有：，，，中心距，因此可以求得有關(guān)的幾何尺寸如下：

蝸輪的分度圓直徑：

蝸輪和蝸桿的齒頂高：

蝸輪和蝸桿的齒根高：

蝸桿齒頂圓直徑：

蝸輪喉圓直徑：

蝸桿齒根圓直徑：

蝸輪齒根圓直徑：

蝸桿軸向齒距和蝸輪端面齒距：

徑向間隙：

12-2

圖12.3 解 ：（1）從圖示看，這是一個左旋蝸桿，因此用右手握桿，四指，大拇指，可以

得到從主視圖上看，蝸輪順時針旋轉(zhuǎn)。（見圖12.3）

（2）由題意，根據(jù)已知條件，可以得到蝸輪上的轉(zhuǎn)矩為

蝸桿的圓周力與蝸輪的軸向力大小相等，方向相反，即：

蝸桿的軸向力與蝸輪的圓周力大小相等，方向相反，即：

蝸桿的徑向力與蝸輪的徑向力大小相等，方向相反，即：

各力的方向如圖 12-3所示。

12-3

圖 12.4

解 ：（1）先用箭頭法標志出各輪的轉(zhuǎn)向，如圖12.5所示。由于錐齒輪軸向力指向大端，因此可以判 斷出蝸輪軸向力水平向右，從而判斷出蝸桿的轉(zhuǎn)向為順時針，如圖12.5所示。因此根據(jù)蝸輪和蝸桿的轉(zhuǎn)

向，用手握法可以判定蝸桿螺旋線為右旋。

（2）各輪軸軸向力方向如圖12.5所示。

12-4解 ：（1）根據(jù)材料確定許用應(yīng)力。

由于蝸桿選用，表面淬火，可估計蝸桿表面硬度。根據(jù)表12-4，（2）選擇蝸桿頭數(shù)。

傳動比，查表12-2，選取，則

（3）確定蝸輪軸的轉(zhuǎn)矩

取，傳動效率

（4）確定模數(shù)和蝸桿分度圓直徑

按齒面接觸強度計算

由表 12-1 查得，。

（5）確定中心距

（6）確定幾何尺寸

蝸輪的分度圓直徑：

蝸輪和蝸桿的齒頂高：

蝸輪和蝸桿的齒根高：

蝸桿齒頂圓直徑：

蝸輪喉圓直徑：

蝸桿齒根圓直徑：

蝸輪齒根圓直徑：

蝸桿軸向齒距和蝸輪端面齒距：

徑向間隙：

（7）計算滑動速度。

符合表 12-4給出的使用滑動速度

（說明：此題答案不唯一，只要是按基本設(shè)計步驟，滿足設(shè)計條件的答案，均算正確。）

12-5解 ：一年按照 300天計算，設(shè)每千瓦小時電價為 此

元。依題意損耗效率為，因用于損耗的費用為：

12-6解（1）重物上升，卷筒轉(zhuǎn)的圈數(shù)為： 轉(zhuǎn)；

由于卷筒和蝸輪相聯(lián)，也即蝸輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)為 圈；因此蝸桿轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)為：

轉(zhuǎn)。

（2）該蝸桿傳動的蝸桿的導(dǎo)程角為：

而當(dāng)量摩擦角為

比較可見，因此該機構(gòu)能自鎖。

（3）手搖轉(zhuǎn)臂做了輸入功，等于輸出功和摩擦損耗功二者之和。

輸出功

焦耳；

依題意本題摩擦損耗就是蝸輪蝸桿嚙合損耗，因此嚙合時的傳動效率

則輸入功應(yīng)為

焦耳。

由于蝸桿轉(zhuǎn)了 轉(zhuǎn)，因此應(yīng)有：

即：

可得：

圖 12.6 12-7解 蝸輪的分度圓直徑：

蝸輪和蝸桿的齒頂高：

蝸輪和蝸桿的齒根高：

蝸桿齒頂圓直徑：

蝸輪喉圓直徑：

蝸桿齒根圓直徑：

蝸輪齒根圓直徑：

蝸桿軸向齒距和蝸輪端面齒距： 徑向間隙：

圖 12.7 12-8解，取，則

則油溫，小于，滿足使用要求。

第四篇：機械設(shè)計基礎(chǔ)課后習(xí)題答案第10章

10-1證明 當(dāng)升角與當(dāng)量摩擦角 符合 時，螺紋副具有自鎖性。

當(dāng) 時，螺紋副的效率

所以具有自鎖性的螺紋副用于螺旋傳動時，其效率必小于 50%。

10-2解 由教材表10-

1、表10-2查得

，粗牙，螺距，中徑

螺紋升角

，細牙，螺距，中徑

螺紋升角

對于相同公稱直徑的粗牙螺紋和細牙螺紋中，細牙螺紋的升角較小，更易實現(xiàn)自鎖。

10-3解 查教材表10-1得

粗牙 螺距 中徑 小徑

螺紋升角

普通螺紋的牙側(cè)角，螺紋間的摩擦系數(shù)

當(dāng)量摩擦角

擰緊力矩

由公式

可得預(yù)緊力

拉應(yīng)力

查教材表 9-1得 35鋼的屈服極限

擰緊所產(chǎn)生的拉應(yīng)力已遠遠超過了材料的屈服極限，螺栓將損壞。

10-4解（1）升角

當(dāng)量摩擦角

工作臺穩(wěn)定上升時的效率：

（2）穩(wěn)定上升時加于螺桿上的力矩

（3）螺桿的轉(zhuǎn)速

螺桿的功率

（4）因 速下降，該梯形螺旋副不具有自鎖性，欲使工作臺在載荷 作用下等需制動裝置。其制動力矩為

10-5解 查教材表9-1得 Q235的屈服極限，查教材表 10-6得，當(dāng)控制預(yù)緊力時，取安全系數(shù)

由許用應(yīng)力

查教材表 10-1得 的小徑

由公式

得

預(yù)緊力

由題圖可知，螺釘個數(shù)，取可靠性系數(shù) 牽曳力

10-6解 此聯(lián)接是利用旋轉(zhuǎn)中間零件使兩端螺桿受到拉伸 ,故螺桿受到拉扭組合變形。

查教材表 9-1得，拉桿材料Q275的屈服極限，取安全系數(shù)，拉桿材料的許用應(yīng)力

所需拉桿最小直徑

查教材表 10-1，選用螺紋（）。

10-7解 查教材表 9-1得，螺栓35鋼的屈服極限，查教材表 10-

6、10-7得螺栓的許用應(yīng)力

查教材表 10-1得，的小徑

螺栓所能承受的最大預(yù)緊力

所需的螺栓預(yù)緊拉力

則施加于杠桿端部作用力 的最大值

10-8解 在橫向工作載荷 作用下，螺栓桿與孔壁之間無間隙，螺栓桿和被聯(lián)接件接觸表面受到

擠壓；在聯(lián)接接合面處螺栓桿則受剪切。

假設(shè)螺栓桿與孔壁表面上的壓力分布是均勻的，且這種聯(lián)接的預(yù)緊力很小，可不考慮預(yù)

緊力和螺紋摩擦力矩的影響。

擠壓強度驗算公式為：

其中 ； 為螺栓桿直徑。

螺栓桿的剪切強度驗算公式

其中 表示接合面數(shù)，本圖中接合面數(shù)。

10-9解（1）確定螺栓的長度

由教材圖 10-9 a）得：螺栓螺紋伸出長度

螺栓螺紋預(yù)留長度

查手冊選取六角薄螺母 GB6172-86，厚度為

墊圈 GB93-87 16，厚度為

則所需螺栓長度

查手冊中螺栓系列長度，可取螺栓長度

螺栓所需螺紋長度，取螺栓螺紋長度

（2）單個螺栓所受橫向載荷

（3）螺栓材料的許用應(yīng)力

由表 9-1查得 被聯(lián)接件HT250的強度極限

查表 10-6取安全系數(shù)

被聯(lián)接件許用擠壓應(yīng)力

查教材表 9-1得 螺栓35鋼的屈服極限，查表 10-6得螺栓的許用剪切應(yīng)力

螺栓的許用擠壓應(yīng)力

（4）校核強度

查手冊，六角頭鉸制孔用螺栓 GB28-88，其光桿直徑

螺栓的剪切強度

最小接觸長度：

擠壓強度

所用螺栓合適。

10-10解（1）每個螺栓所允許的預(yù)緊力

查教材表 9-1得 45鋼的屈服極限，查教材表 10-

6、10-7得，當(dāng)不能嚴格控制預(yù)緊力時，碳素鋼取安全系數(shù)

由許用應(yīng)力

查教材表 10-1得 的小徑

由公式 得

預(yù)緊力

（2）每個螺栓所能承擔(dān)的橫向力

由題圖可知，取可靠性系數(shù)

橫向力（4）螺栓所需承擔(dān)的橫向力

（5）螺栓的個數(shù)

取偶數(shù)。

在直徑為 155的圓周上布局14個 的普通螺栓，結(jié)構(gòu)位置不允許。

10-11解（1）初選螺柱個數(shù)

（2）每個螺柱的工作載荷

（3）螺柱聯(lián)接有緊密性要求，取殘余預(yù)緊力

（4）螺柱總拉力

（5）確定螺柱直徑

選取螺柱材料為 45鋼，查表9-1得 屈服極限，查教材表 10-6得，當(dāng)不能嚴格控制預(yù)緊力時，暫時取安全系數(shù)

許用應(yīng)力

螺栓小徑

查教材表 10-1，取 是合

螺栓（），由教材表10-7可知取安全系數(shù)

適的。

（6）確定螺柱分布圓直徑

由題 10-11圖可得

取。

（7）驗證螺柱間距

所選螺柱的個數(shù)和螺柱的直徑均合適。

10-12解（1）在力時每個

作用下，托架不應(yīng)滑移，設(shè)可靠性系數(shù)，接合面數(shù)，此螺栓所需的預(yù)緊力

（2）在翻轉(zhuǎn)力矩 勢，上

作用下，此時結(jié)合面不應(yīng)出現(xiàn)縫隙。托架有繞螺栓組形心軸線O-O翻轉(zhuǎn)的趨邊兩個螺栓被拉伸，每個螺栓的軸向拉力增大了 小了，下邊兩個螺栓被放松，每個螺栓的軸向力減，則有力的平衡關(guān)系，故可得

為使上邊兩個螺栓處結(jié)合面間不出現(xiàn)縫隙，也即殘余預(yù)緊力剛為零，則所需預(yù)緊力

（3）每個螺栓所需總的預(yù)緊力

（4）確定螺栓直徑

選取螺栓材料為 35鋼，查教材表9-1屈服極限，查教材表 10-6得，當(dāng)不能嚴格控制預(yù)緊力時，暫時取安全系數(shù)

許用應(yīng)力

螺栓小徑

查教材表 10-1，取 是合適

螺栓（），由教材表10-7可知取安全系數(shù) 也的。

10-13解(1)計算手柄長度

查手冊 ,梯形螺紋GB5796-86，公稱直徑，初選螺距 ,則中徑，小徑 螺紋升角

當(dāng)量摩擦角

所需的轉(zhuǎn)矩

則 ,手柄的長度

(2)確定螺母的高度

初取螺紋圈數(shù) ,則

螺母的高度

這時 處于1.2～2.5的許可范圍內(nèi)。

10-14解 選用梯形螺紋。

（1）根據(jù)耐磨性初選參數(shù)

初選

查表 10-8 螺旋副的許用壓強，取

查手冊，選取梯形螺紋 GB5796-86，選取公稱直徑，中徑，小徑

螺距。

（2）初選螺母

初步計算螺母的高度

則螺栓與螺母接觸的螺紋圈數(shù)，取

螺母的高度

系數(shù)

（3）校核耐磨性

螺紋的工作高度

則螺紋接觸處的壓強

合適。

（4）校核螺桿的穩(wěn)定性

起重器的螺母端為固定端，另一端為自由端，故取，螺桿危險截面的慣性半徑，螺桿的最大工作長度，則 螺桿的長細比

臨界載荷

取 安全系數(shù)，不會失穩(wěn)

（5）校核螺紋牙強度

對于梯形螺紋

對于青銅螺母

10-15解（1）初選螺紋直徑，合適。

查手冊，選取梯形螺紋 GB5796-86，選取公稱直徑，中徑，小徑，螺距。

（2）驗證其自鎖性 螺紋升角

當(dāng)量摩擦角，所以滿足自鎖條件。

（3）校核其耐磨性

設(shè) 螺栓與螺母參加接觸的螺紋圈數(shù)，則 螺母的高度，處于1.2～2.5的許可范圍內(nèi)。

螺紋的工作高度

則螺紋接觸處的壓強

查教材表 10-8，鋼對青銅許用壓強，合適。

（4）校核螺桿強度

取，則所需扭矩

則危險截面處的強度

對于 45 鋼正火，其許用應(yīng)力，故合適。

（5）校核螺桿的穩(wěn)定性

壓力機的螺母端為固定端，另一端為鉸支端，故取，螺桿的最大工作長度，螺桿危險截面的慣性半徑，則螺桿的長細比，不會失穩(wěn)。

（6）校核螺紋牙強度

對于梯形螺紋

對于青銅螺母，合適。

（7）確定手輪的直徑

由 得

10-16解（1）選用A型平鍵，查教材表10-9，由軸的直徑 可得平鍵的截面尺寸，；由聯(lián)軸器及平鍵長度系列，取鍵的長度。其標記為：鍵

GB1096-79（2）驗算平鍵的擠壓強度

由材料表 10-10查得，鑄鐵聯(lián)軸器的許用擠壓應(yīng)力

A型鍵的工作長度，使用平鍵擠壓強度不夠，鑄鐵軸殼鍵槽將被壓潰。這時可使軸與聯(lián)軸器孔之間采用過盈配

合，以便承擔(dān)一部分轉(zhuǎn)矩，但其缺點是裝拆不便。也可改用花鍵聯(lián)接。

10-17解（1）選擇花鍵

根據(jù)聯(lián)軸器孔徑 花鍵，查手冊可知花鍵小徑 最接近，故選擇矩形花鍵的規(guī)格為

GB1144-87

花鍵的齒數(shù) 倒角、小徑，大徑，鍵寬，鍵長取，.（2）驗算擠壓強度

取載荷不均勻系數(shù)

齒面工作高度 平均半徑

查教材表 10-11，在中等工作條件Ⅱ、鍵的齒面未經(jīng)熱處理時，其許用擠壓應(yīng)力，故合適。

第五篇：機械設(shè)計基礎(chǔ)課后習(xí)題答案 第15章

15-1答 滑動軸承按摩擦狀態(tài)分為兩種：液體摩擦滑動軸承和非液體摩擦滑動軸承。

液體摩擦滑動軸承：兩摩擦表面完全被液體層隔開，摩擦性質(zhì)取決于液體分子間的粘性阻力。根據(jù)油

膜形成機理的不同可分為液體動壓軸承和液體靜壓軸承。

非液體摩擦滑動軸承：兩摩擦表面處于邊界摩擦或混合摩擦狀態(tài)，兩表面間有潤滑油，但不足以將兩

表面完全隔離，其微觀凸峰之間仍相互搓削而產(chǎn)生磨損。

15-2解（1）求滑動軸承上的徑向載荷

（2）求軸瓦寬度

（3）查許用值 查教材表 15-1，錫青銅的，（4）驗算壓強

（5）驗算 值

15-3解（1）查許用值

查教材表 15-1，鑄錫青銅ZCuSn10P1的，（2）由壓強 確定的徑向載荷 由 得

（3）由 值確定的徑向載荷 得

軸承的主要承載能力由 值確定，其最大徑向載荷為。

15-4解（1）求壓強

（5）求 值

查表 15-1，可選用鑄鋁青銅ZCuAl10Fe3，15-5證明 液體內(nèi)部摩擦切應(yīng)力、液體動力粘度、和速度梯度之間有如下關(guān)系：軸頸的線速度為，半徑間隙為，則 速度梯度為

磨擦阻力 摩擦阻力矩

將、代入上式