机械设计作业集.docx

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机械设计作业集

第一章绪论

分析与思考题

1-1机器的基本组成要素是什么?

1-2什么是零件?

什么是构件?

什么是部件?

试各举三个实例。

1-3什么是通用零件?

什么是专用零件?

试各举三个实例。

1-4机械设计课程研究的内容是什么?

第二章机械设计总2论

分析与思考题

2-1一台完整的机器通常由哪些基本部分组成?

各部分的作用是什么?

2-2设计机器时应满足哪些基本要求?

设计机械零件时应满足哪些基本要求?

2-3机械零件主要有哪些失效形式?

常用的计算准则主要有哪些?

2-4什么是零件的强度要求?

强度条件是如何表示的?

如何提高零件的强度?

2-5什么是零件的刚度要求?

刚度条件是如何表示的?

提高零件刚度的措施有哪些?

2-6零件在什么情况下会发生共振?

如何改变零件的固有频率?

2-7什么是可靠性设计?

它与常规设计有何不同?

零件可靠度的定义是什么?

2-8机械零件设计中选择材料的原则是什么?

2-9指出下列材料的种类，并说明代号中符号及数字的含义：

HTl50，ZG230-450，65Mn，45，Q235，40Cr，20CrMnTi，ZCuSnl0Pb5。

2-10机械的现代设计方法与传统设计方法有哪些主要区别?

第三章机械零件的强度

一、选择与填空题

3-1零件表面的强化处理方法有_________________、___________________、_________________等。

3-2零件的截面形状一定，当截面尺寸增大时，其疲劳极限值将随之____________。

（1）增高

（2）不变（3）降低

3-3机械零件受载时，在_____________________处产生应力集中，应力集中的程度通常随材料强度的增大而___________________。

3-4　在载荷和几何形状相同的情况下，钢制零件间的接触应力_____________铸铁零件间的接触应力。

3-5两零件的材料和几何尺寸都不相同，以曲面接触受载时，两者的接触应力值__________。

（1）相等

（2）不相等（3）是否相等与材料和几何尺寸有关

二、分析与思考题

3-6试举例说明什么零件的疲劳破坏属于低周疲劳破坏，什么零件的疲劳破坏属高周疲劳破坏。

3-7在材料的疲劳曲线上，为何需要人为规定一循环基数N0，并将对应的极限应力称为材料的疲劳极限?

3-8图示各零件均受静载荷作用，试判断零件上A点的应力是静应力还是变应力；并确定应力比r的大小或范围。

题3-8图

3-9弯曲疲劳极限的综合影响系数Kσ的含义是什么?

它与哪些因素有关?

它对零件的疲劳强度和静强度各有何影响?

3-10零件的等寿命疲劳曲线与材料试件的等寿命疲劳曲线有何区别?

在相同的应力变化规律下，零件和材料试件的失效形式是否总是相同的?

为什么?

3-11试说明承受循环变应力的机械零件，在什么情况下可按静强度条件计算?

什么情况下需按疲劳强度条件计算?

3-12在单向稳定变应力下工作的零件，如何确定其极限应力?

3-13疲劳损伤线性累积假说的含义是什么?

写出其数学表达式。

3-14在双向稳定变应力下工作的零件，怎样进行疲劳强度计算?

3-15影响机械零件疲劳强度的主要因素有哪些?

提高机械零件疲劳强度的措施有哪些?

3-16导致机械结构发生低应力断裂的原因有哪些?

3-17机械结构的裂纹是否会失稳扩展是如何判定的?

三、设计计算题

3-18某材料的对称循环弯曲疲劳极限σ-1=350MPa，屈服极限σs=550MPa，强度极限σB=750MPa，循环基数N0=5×106，m=9，试求对称循环次数N分别为5×104、5×105、5×107次时的极限应力。

3-19某零件如图所示，材料的强度极限σB=650MPa，表面精车，不进行强化处理。

试确定Ι-Ι截

面处的弯曲疲劳极限的综合影响系数Kσ和剪切疲劳极限的综合影响系数Kτ。

3-20一零件由45钢制成，材料的力学性能为：

σs=360MPa，σ-1=300MPa，ψσ=0.2。

已知零件上的最大工作应力σmax=190MPa，最小工作应力σmin=110MPa，应力变化规律为σm=常数，弯曲疲劳极限的综合影响系数Kd=2.0，试分别用图解法和计算法确定该零件的计算安全系数。

题3-20图

3-21某材料受弯曲变应力作用，其力学性能为：

σ-1=350MPa，m=9，N0=5×106。

现用此材料的试件进行试验，以对称循环变应力σl=500MPa作用104次，σ2=400MPa作用105次，σ3=300MPa作用106次。

试确定：

（1）该试件在此条件下的计算安全系数；

（2）如果试件再作用σ=450MPa的应力，还能循环多少次试件才破坏?

3-22转轴的局部结构如题3-19图所示。

已知轴的I-I截面承受的弯矩M=300N·m，扭矩T=800N·m，弯曲应力为对称循环，扭转切应力为脉动循环。

轴材料为40Cr钢调质，σ-1=355MPa，τ-1=200MPa，ψσ=0.2，ψτ=0.1，设Kσ=2.2，Kτ=1.8，试计算考虑弯矩和扭矩共同作用时的计算安全系数Sca。

第四章摩擦、磨损及润滑概述

分析与思考题

4-1按照摩擦面间的润滑状态不同，滑动摩擦可分为哪几种?

4-2膜厚比的物理意义是什么?

边界摩擦、混合摩擦和液体摩擦所对应的膜厚比范围各是多少?

4-3在工程中，常用金属材料副的摩擦系数是如何得来的?

4-4什么是边界膜?

边界膜的形成机理是什么?

如何提高边界膜的强度?

4-5零件的磨损过程大致可分为哪几个阶段?

每个阶段的特征是什么?

4-6根据磨损机理的不同，磨损通常分为哪几种类型?

它们各有什么主要特点?

4-7润滑油的粘度是如何定义的?

什么是润滑油的粘性定律?

什么样的液体称为牛顿液体?

4-8粘度的表示方法通常有哪几种?

各种粘度的单位和换算关系是什么?

4-9润滑油的主要性能指标有哪些?

润滑脂的主要性能指标有哪些?

4-10在润滑油和润滑脂中加入添加剂的作用是什么?

4-11流体动力润滑和流体静力润滑的油膜形成原理有何不同?

流体静力润滑的主要优缺点是什么?

4-12流体动力润滑和弹性流体动力润滑两者间有何本质区别?

所研究的对象有何不同?

第五章螺纹联接和螺旋传动

一、选择与填空题

5-1普通螺纹的公称直径指的是螺纹的__________，计算螺纹的摩擦力矩时使用的是螺纹的_______，计算螺纹危险截面时使用的是螺纹的_______。

5-2螺纹升角ψ增大，则联接的自锁性________，传动的效率_______；牙型角α增大，则联接的自锁性_________，传动的效率_________。

（1）提高

（2）不变（3）降低

5-3在铰制孔用螺栓联接中，螺栓杆与孔的配合为___________。

（1）间隙配合

（2）过渡配合（3）过盈配合

5-4在螺栓联接的破坏形式中，约有_____％的螺栓属于疲劳破坏，疲劳断裂常发生在__________。

5-5在承受横向载荷或旋转力矩的普通紧螺栓组联接中，螺栓杆____________作用。

（1）受切应力

（2）受拉应力（3）受扭转切应力和拉应力（4）既可能只受切应力又可能只受拉应力

5-6紧螺栓联接受轴向外载荷。

假定螺栓的刚度Cb与被联接件的刚度Cm相等，联接的预紧力为F0，要求受载后接合面不分离，当外载荷F等于预紧力F0时，则_______________。

（1）被联接件分离，联接失效

（2）被联接件即将分离，联接不可靠（3）联接可靠，但不能继续再加载（4）联接可靠，只要螺栓强度足够，还可以继续加大外载荷F

二、分析与思考题

5-7常用螺纹有哪几种类型?

各用于什么场合?

对联接螺纹和传动螺纹的要求有何不同?

5-8在螺栓联接中，不同的载荷类型要求不同的螺纹余留长度，这是为什么?

5-9联接螺纹都具有良好的自锁性，为什么有时还需要防松装置?

试各举出两个机械防松和摩擦防松的例子。

5-10普通螺栓联接和铰制孔用螺栓联接的主要失效形式是什么?

计算准则是什么?

5-11计算普通螺栓联接时，为什么只考虑螺栓危险截面的拉伸强度，而不考虑螺栓头、螺母和螺纹牙的强度?

5-12普通紧螺栓联接所受到的轴向工作载荷或横向工作载荷为脉动循环时，螺栓上的总载荷是什么循环?

5-13螺栓的性能等级为8.8级，与它相配的螺母的性能等级应为多少?

性能等级数字代号的含义是什么?

5-14在什么情况下，螺栓联接的安全系数大小与螺栓直径有关?

试说明其原因。

5-15紧螺栓联接所受轴向变载荷在0～F间变化，当预紧力F0一定时，改变螺栓或被联接件的刚度，对螺栓联接的疲劳强度和联接的紧密性有何影响?

5-16在保证螺栓联接紧密性要求和静强度要求的前提下，要提高螺栓联接的疲劳强度，应如何改变螺栓和被联接件的刚度及预紧力大小?

试通过受力变形线图来说明。

5-17为什么螺母的螺纹圈数不宜大于10?

通常采用哪些结构形式可使各圈螺纹牙的载荷分布趋于均匀?

5-18滑动螺旋的主要失效形式是什么?

其基本尺寸（即螺杆直径及螺母高度）通常是根据什么条件确定的?

5-19滚动螺旋传动与滑动螺旋传动相比较，有何优缺点?

三、设计计算题

5-20如图所示，两根梁用8个4.6级普通螺栓与两块钢盖板相联接，梁受到的拉力F=28kN，摩擦

系数f=0.2，控制预紧力，试确定所需螺栓的直径。

解：

已知螺栓数目z=8，接合面数i=2，取防滑系数Ks=1.2，则螺栓所需预紧力F0为

F0≥

题5-20图

 查主教材中的表5-8，得σS=240MPa，查表5-10，取安全系数S=1.3，则[σ]=σS/S

=240MPa/1.3=184.6MPa，所需螺栓的直径

d1≥

取整后得螺栓尺寸d=10mm，螺纹为M10。

注：

解中有两处错误，请指出错处并说明原因。

5-21图示为一气缸盖螺栓组联接。

已知气缸内的工作压力p在0～1.5MPa间变化，缸盖与缸体均为钢制，其结构尺寸如图所示。

为保证气密性要求，试选择螺栓材料，并确定螺栓数目和尺寸。

5-22受轴向载荷的紧螺栓联接，被联接钢板间采用橡胶垫片。

已知预紧力F0=1500N，当轴向工作载荷F=1000N时，求螺栓所受的总拉力及被联接件之间的残余预紧力。

5-23图示凸缘联轴器（GB/T5843-1986）的型号为YLDl0，允许传递的最大转矩T=630N·m，两半联轴器采用4个M12的铰制孔用螺栓联接，螺栓规格为M12~60（GB/T27-1988），螺栓的性能等级为8.8级，联轴器材料为HT200，试校核其联接强度。

题5-23图题5-24图

5-24铰制孔用螺栓组联接的三种方案如图所示。

已知L=300mm，a=60mm，试求螺栓组联接的三个方案中，受力最大的螺栓所受的力各为多少?

哪个方案较好?

5-25如图所示的底板螺栓组联接受外力Fe的作用。

外力Fe作用在包含x轴并垂直于底板接合面的平面内。

试分析底板螺栓组的受力情况，并判断哪个螺栓受力最大?

保证联接安全工作的必要条件有哪些?

题5-25图

四、结构设计与分析题

5-26试指出下列图中的错误结构，并画出正确的结构图。

a）螺钉联接b）双头螺柱联接c）铰制孔用螺栓联接

d）紧定螺钉联接e）吊环螺钉联接f）螺钉联接

题5-26图

第六章键、花键、无键联接和销联接

一、选择与填空题

6-1设计键联接时，键的截面尺寸通常根据_________按标准选择。

（1）所传递转矩的大小

（2）所传递功率的大小（3）轮毂的长度（4）轴的直径

6-2普通平键联接的主要失效形式是_______________，导向平键联接的主要失效形式是__________。

6-3与平键联接相比，楔键联接的主要缺点是___________。

（1）键的斜面加工困难

（2）键安装时易损坏（3）键楔紧后在轮毂中产生初应力

（4）轴和轴上零件对中性差

6-4矩形花键联接采用____________定心；渐开线花键联接采用_______________定心。

6-5型面曲线为摆线或等距曲线的型面联接与平键联接相比较，下面第_____条不是型面联接的优点。

（1）对中性好

（2）轮毂孔的应力集中小（3）装拆方便（4）切削加工方便

二、分析与思考题

6-6薄型平键联接与普通平键联接相比，在使用场合、结构尺寸和承载能力上有何区别?

6-7半圆键联接与普通平键联接相比，有什么优缺点?

它适用于什么场合?

6-8采用两个平键（双键联接）时，通常在轴的圆周上相隔180°位置布置；采用两个楔键时，常相隔90°～120°；而采用两个半圆键时，则布置在轴的同一母线上；这是为什么?

6-9与平键、楔键、半圆键相配的轴和轮毂上的键槽是如何加工的?

6-10在材料和载荷性质相同的情况下，动联接的许用压力比静联接的许用挤压应力小，试说明其原因。

6-11花键联接的主要失效形式是什么?

如何进行强度计算?

6-12在胀紧联接中，胀套串联使用时引入额定载荷系数ol是为了考虑什么因素的影响?

6-13销有哪几种类型?

各用于何种场合?

销联接有哪些失效形式?

6-14一般联接用销、定位用销及安全保护用销在设计计算上有何不同?

三、设计计算题

6-15图示牙嵌离合器的左右两半分别用键与轴1、2相联接，在空载下，通过操纵可使右半离合器沿导向平键在轴1上作轴向移动。

该轴传递的转矩T=1200N·m，轴径d1=80mm，右半离合器的轮毂长度L1=130mm，行程l1=60mm，工作中有轻微冲击，离合器及轴的材料均为钢材。

试选择右半离合器的导向平键尺寸，并校核其联接强度。

解：

1．选择导向平键

选A型导向平键，查主教材表6-1得平键的截面尺寸b=22mm，h=14mm，取键长L=180mm

2．强度校核

材料均为钢，工作时有轻微冲击，查主教材表6-2，取[σP]=110MPa。

k=0.5h=0.5×14mm=7mm，l=L-b=180mm-22mm=158mm。

=27.1MPa<[σP]

故此键联接能满足强度要求。

注：

解中有两处错误，请指出错处并说明原因。

题6-15图

6-16图示减速器的低速轴与凸缘联轴器及圆柱齿轮之间分别采用键联接。

已知轴传递的转矩T=1000N·m，齿轮的材料为锻钢，凸缘联轴器材料为HT200，工作时有轻微冲击，联接处轴及轮毂尺寸如图示。

试选择键的类型和尺寸，并校核联接的强度。

题6-16图题6-17图

6-17图示的灰铸铁V带轮，安装在直径d=45mm的轴端，带轮基准直径dd=250mm，工作时的有效拉力Fe=1500N，有轻微振动，轮毂宽度L′=65mm。

设采用钩头楔键联接，试选择该楔键的尺寸，并校核联接的强度。

6-18轴与轮毂分别采用B型普通平键联接和中系列矩形花键联接。

已知轴的直径（花键的大径）d=102mm，轮毂宽度L=150mm，轴和轮毂的材料均为碳钢，取许用挤压应力[σP]=100MPa，试计算两种联接各允许传递的转矩。

6-19轴与轮毂采用两个Z2型胀套串联联接，轴的直径d=100mm，轴和轮毂的材料均为碳钢。

该轴毂联接同时承受轴向力F0=100kN，转矩T=12kN·m，载荷平稳。

试验算此联接是否可靠。

四、结构设计与分析题

6-20试指出下列图中的错误结构，并画出正确的结构图。

a）平键联接b）双楔键联接c）传递双向转矩的切向键联接

d）楔键联接e）半圆键联接f）圆锥销定位

题6-20图

6-21已知图示的轴伸长度为72mm，直径d=40mm，配合公差为H7/k6，采用A型普通平键联接。

试确定图中各结构尺寸、尺寸公差、表面粗糙度和形位公差（一般键联接）。

a）轴伸b）毂孔

题6-21图

第七章铆接、焊接、胶接和过盈联接

一、选择与填空题

7-1沿受载方向，同一列的铆钉数目不宜过多，这是由于____________。

（1）被铆件受削弱

（2）铆钉强度降低（3）铆钉受力不均（4）加工不便

7-2电弧焊缝大体上可分为________________与________________类，前者用于联接__________的被焊件，后者用于联接________________的被焊件。

7-3设计胶接接头时，应尽可能使胶缝承受_________________或_______________载荷。

7-4影响过盈联接承载能力最为敏感的因素是配合面的_______________。

（1）直径尺寸

（2）长度尺寸（3）表面粗糙度（4）过盈量（5）摩擦系数

7-5在过盈联接中，当其它条件相同时，仅将实心轴改为空心轴，则联接所能传递的载荷将______。

（1）增大

（2）不变（3）减小

二、分析与思考题

7-6铆缝有哪些类型?

各应用在什么场合?

7-7铆钉联接的破坏形式有哪些?

怎样校核铆缝的强度?

7-8什么叫焊缝的强度系数?

怎样才能使对接焊缝的强度不低于母板的强度?

7-9在什么情况下采用不对称侧面焊缝?

如何分配两侧焊缝的长度?

7-10胶粘剂通常分为哪几类?

各适用于什么场合?

7-11与铆接和焊接相比较，胶接的主要优缺点是什么?

7-12过盈联接有哪几种装配方法?

当过盈量相同时，哪种装配方法的联接紧固性好?

7-13过盈联接的承载能力是由哪些因素决定的?

7-14在对过盈联接进行验算时，若发现包容件或被包容件的强度不够时，可采取哪些措施来提高联接强度?

三、设计计算题

7-15如图所示的铆接接头承受静载荷F=200kN，铆钉材料为Q215钢，被铆件材料为Q235钢，被铆件的宽度b=180mm，厚度δ=10mm，钉孔是在两被铆件上分别按样板钻孔。

设铆钉直径d=2δ，节距r=3d，边距e=2.5d，试校核该铆缝的强度。

题7-15图题7-16图

7-16焊接接头如图所示，被焊件材料均为Q235钢，b=170mm，b1=80mm，δ=12mm，承受静载荷F=400kN，设采用E4303号焊条手工焊接，试校核该接头的强度。

7-17铸锡磷青铜蜗轮轮圈与铸钢轮芯采用过盈联接，尺寸如图所示，采用H7/s6配合，配合表面粗糙度Ra均为0.8μm，摩擦系数f=0.1，设联接零件本身的强度足够，试求：

（1）用压人法装配时，该联接允许传递的最大转矩是多少?

（2）用胀缩法装配时，该联接允许传递的最大转矩是多少?

题7-17图题7-18图

7-18小齿轮与轴为过盈联接，尺寸如图所示，材料均为45钢，采用H7/p6配合，孔与轴配合表面粗糙度Ra均为0.8μm，用压人法装配。

试求：

（1）配合表面间单位面积上的最大压力；

（2）所需的最大压人力；

（3）各零件中的最大应力。

四、联接篇综合题

7-19轴和轮毂分别采用切向键联接、渐开线花键联接和胀紧联接。

已知轴的直径d=100mm，轮毂宽度L=150mm，轴和轮毂的材料均为碳钢，取许用挤压应力[σp]=100MPa。

渐开线花键的模数m=5mm，齿数z=19，外花键的大径D=100mm，分度圆压力角α=30°。

胀紧联接采用两个X型胀套串联。

试计算这三种联接各允许传递的转矩。

题7—20图

 7-20如图所示，两轴通过凸缘联轴器联接，已知联轴器的型号为YLD6，轴的直径d=30mm，轴伸长度L1=60mm，联轴器与轴采用A型普通平键联接，键长L=50mm。

两半联轴器用4个M8的普通螺栓联接，螺栓中心分布圆直径D0=90mm，螺栓的性能等级为8.8级，不控制预紧力。

轴的材料为45钢，联轴器的材料为HT200。

试计算此联轴器所允许传递的最大转矩（载荷平稳）。

题7-20图

第八章带传动

一、选择与填空题

8-1带传动正常工作时，紧边拉力F1和松边拉力F2满足关系_______________。

（1）Fl=F2

（2）Fl-F2=Fe（3）Fl/F2=efα（4）Fl+F2=F0

8-2V带传动的中心距和小带轮的直径一定时，若增大传动比，则带在小带轮上的包角将_______，带在大带轮上的弯曲应力将________。

（1）增大

（2）不变（3）减小

8-3V带传动在工作过程中，带内应力有________________、________________、____________，最大应力σmax=_________________，发生在____________处。

8-4带传动中，主动轮圆周速度v1，从动轮圆周速度v2，带速v，它们之间存在的关系是_______。

（1）v1=v2=v

（2）v1>v>v2（3）v1v1>v2

8-5在平带或V带传动中，影响最大有效圆周力Fec的因素是______________________________、_________________________和_____________________________。

二、分析与思考题

8-6带传动常用的类型有哪几种?

各应用在什么场合?

8-7与普通V带相比，窄V带的截面形状及尺寸有何不同?

其传动有何特点?

8-8同步带传动的工作原理是什么?

它有何独特的优点?

8-9V带轮的基准直径以及V带的基准长度是如何定义的?

8-10某带传动由变速电动机驱动，大带轮的输出转速的变化范围为500～1000r/min。

若大带轮上的负载为恒功率负载，应该按哪一种转速设计带传动?

若大带轮上的负载为恒转矩负载，应该按哪一种转速设计带传动?

为什么?

8-11带传动工作时，带与小带轮间的摩擦力和带与大带轮间的摩擦力两者大小是否相等，?

为什么?

带传动正常工作时的摩擦力与打滑时的摩擦力是否相等?

为什么?

8-12带与带轮间的摩擦系数对带传动有什么影响?

为了增加传动能力，将带轮工作面加工得粗糙些以增大摩擦系数，这样做是否合理?

为什么?

8-13带传动中的弹性滑动是如何发生的?

打滑又是如何发生的?

两者有何区别?

对带传动各产生什么影响?

打滑首先发生在哪个带轮上?

为什么?

8-14在设计带传动时，为什么要限制小带轮最小直径和带的最小、最大速度?

8-15试分析带传动中心距a、预紧力F0及带的根数z的大小对带传动的工作能力的影响。

8-16一带式输送机装置如图所示。

已知小带轮基准直径dd1=140mm，大带轮基准直径dd2=400mm，鼓轮直径D=250mm，为了提高生产率，拟在输送机载荷不变（即拉力F不变）的条件下，将输送带的速度v提高，设电动机的功率和减速器的强度足够，且更换大小带轮后引起中心距的变化对传递功率的影响可忽略不计，为了实现这一增速要求，试分析采用下列哪种方案更为合理，为什么?

（1）将大带轮基准直径dd2减小到280mm；

（2）将小带轮基准直径ddl增大到200mm；

（3）将鼓轮直径D增大到350mm。

8-17在多根V带传动中，当一根带疲劳断裂时，应如何更换?

为什么?

8-18为何V带传动的中心距一般设计成可调节的?

在什么情况下需采用张紧轮?

张紧轮布置在什么位置较为合理?

8-19一般带轮采用什么材料?

带轮的结构形式有哪些?

根据什么来选定带轮