机械设计习题集

1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一、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。2题1图第3章机械零件的疲劳强度一、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3σmax、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mm20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43.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：MPas800，MPa4201。危险截面上的有效应力集中系数35.1k，尺寸系数7.0，表面质量系数1，等效系数2.0。按无限寿命考虑。试画出am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，MPas360，MPa2001；危险截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ上的有效应力集中系数9.1k，尺寸系数7.0，表面质量系数95.0。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57.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：Mpas300，Mpa1701，Mpas180，Mpa1001。若截面直径d=25mm，有效应力集中系数79.1k，47.1k，尺寸系数84.0，78.0，表面质量系数9.0，等效系数34.0，21.0。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一、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）FF（2）F（3）FcccF2114.在受轴向载荷的紧螺栓强度计算公式（][43.1210dFca）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65.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F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F来保证螺栓联接的接缝不张开，此预紧力F。（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F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F过大有什么结果？预紧力F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？716.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）8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9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F=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F设联接柄对轴的压力为R，则BdRfLQ所以NdfLQRB41026015.030060010NRF4410121022（2）.确定螺栓直径选螺栓材料为A3钢，Mpas240，则安全系数7210)70000(9002200][FkSmS07.410)1000070000(900220072MpaSSS97.5807.4240][][mmFdC75.1697.58103.14][3.144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/