机械设计复习习题及参考答案

第一章1-1机械的基本组成要素是什么？机械的基本组成要素是机械零件1-2什么是零件？什么是构件？什么是部件？试各举三个实例。零件是组成机器的不可拆的基本单元，即制造的基本单元。如齿轮、轴、螺钉等。构件是组成机器的运动的单元，可以是单一整体也可以是由几个零件组成的刚性结构，这些零件之间无相对运动。如内燃机的连杆、凸缘式联轴器、机械手的某一关节等。部件是由一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装配的组合体，如减速器、离合器、联轴器。1-3什么是通用零件？什么是专用零件？试各举三个实例。通用零件在各种机器中经常都能用到的零件，如：齿轮、螺钉、轴等。专用零件在特定类型的机器中才能用到的零件，如：涡轮机的叶片、内燃机曲轴、减速器的箱体等。第二章2-1以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？一台完整的机器通常由原动机、执行部分和传动部分三个基本部分组成。原动机是驱动整部机器以完成预定功能的动力源；执行部分用来完成机器的预定功能；传动部分是将原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。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？设计机器应满足使用功能要求、经济性要求、劳动保护要求、可靠性要求及其它专用要求。设计机械零件应满足避免在预定寿命期内失效的要求、结构工艺性要求、经济性要求、质量小的要求和可靠性要求。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？机械零件常见的失效形式：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。常用的计算准则主要有强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则和可靠性准则。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？强度要求为确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形。强度条件为σ[σ]。提高机械零件的强度，可以采取：a、采用强度高的材料，使零件具有足够的截面尺寸；b、合理地设计零件的截面形状，增大截面的惯性矩；c、采用热处理和化学处理方法，提高材料的力学性能；d、提高运动零件的制造精度，降低工作时的动载荷；e、合理配置零件的位置，降低作用于零件上的载荷等。2-5什么是零件的刚度要求？刚度要求是如何表示的？提高零件刚度的措施有哪些？刚度要求是零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的限度。刚度条件：y≤[y]θ≤[θ]ψ≤[ψ]式中，y、θ、ψ分别是零件工作时的挠度、转角和扭角；[y]、[θ]、[ψ]分别是相应的许用挠度、转角和扭角。提高零件刚度的措施：提高零件整体变形刚度的措施：增大零件截面尺寸或增大截面惯性矩；缩短支承跨距或采用多支点结构。提高零件表面接触刚度的措施：增大贴合面以降低压力；采用精加工以降低表面不平度。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？某一零件的固有频率与激振源的频率重合或成整数倍关系时，零件会发生共振。改变零件及系统的刚性；改变支承位置；增加或减少辅助支承可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？可靠性设计：通过概率与统计的方法来分析和处理设计变量而进行的产品设计。与常规设计比：把设计变量当作随机变量而不是确定性变量来看待。零件的可靠度：在规定的使用时间内和预定的环境条件下，零件能够正常完成其功能的概率。2-8机械零件设计中选择材料的原则是什么？载荷、应力的大小和性质；零件的工作情况；零件的尺寸及质量；零件结构的复杂程度及材料的加工可能性；材料的经济性；材料的供应情况。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HT150：最低抗拉强度为150MPa的灰口铸铁；ZG230-450：最低屈服强度为230MPa、最低抗拉强度为450MPa的铸钢；65Mn：含碳量为0.65%、含Mn量小于1.5%的合金钢；45：含碳量为0.45%的优质碳素结构钢；Q235：普通碳素结构钢，屈服强度为235MPa；40Cr：中碳合金钢，含碳量为0.40%，含铬量1.5%；20CrMnTi：低碳合金钢，含碳量为0.20%，含铬、锰、钛量1.5%；ZCuSn10Pb5：铸造锡青铜，含锡量为10%，含铅量为5%第三章3-1零件表面的强化处理方法有表面化学热处理、高频表面淬火、表面强化加工等。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降低。3-3机械零件受载时，在截面形状突变处产生应力集中，应力集中的程度通常随材料强度的增大而增大。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大于铸铁零件间的接触应力，这是因为钢材的弹性模量大于铸铁的弹性模量。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，两者的接触应力值相等。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？影响机械零件疲劳强度的主要因素有零件的应力集中大小，零件的尺寸，零件的表面质量以及零件的强化方式。提高的措施是：1）降低零件应力集中的影响；2）提高零件的表面质量；3）对零件进行热处理和强化处理；4）选用疲劳强度高的材料；5）尽可能地减少或消除零件表面的初始裂纹等。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。第四章4-3在工程中，常用金属材料副的摩擦系数是如何得来的？在工程中，常用金属材料副的摩擦系数是指在常规的压力与速度条件下通过实验测定的值。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？润滑剂的极性分子吸附在金属表面上形成的分子膜称为边界膜；边界膜按其形成机理的不同分为吸附膜和反应膜；吸附膜是由润滑剂的极性分子（或分子的化学键和力）吸附于金属表面形成的膜，反应膜是由润滑剂中的元素与金属起化学反应形成的薄膜。在润滑剂中加入适量的油性添加剂或极压添加剂，都能提高边界膜强度。第五章5-1普通螺纹的公称直径指的是螺纹的大径，计算螺纹的摩擦力矩时使用的是螺纹的中径，计算螺纹危险截面时使用的是螺纹的小径。5-2螺纹升角ψ增大，则连接的自锁性降低，传动的效率提高；牙型角α增大，则连接的自锁性提高，传动的效率降低。5-3在铰制孔用螺栓连接中，螺栓杆与孔的配合为过渡配合。5-4在螺栓连接的破坏形式中，约有90%的螺栓属于疲劳破坏，疲劳断裂常发生在螺纹根部。5-5在承受横向载荷或旋转力矩的普通紧螺栓组连接中，螺栓杆受扭转切应力和拉应力作用。5-7常用螺纹有哪几种类型？各用与什么场合？对连接螺纹和传动螺纹的要求有何不同？常见的螺纹有普通螺纹、管螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹和锯齿形螺纹等。前两种螺纹主要用于连接，后三种螺纹主要用于传动。5-9连接螺纹都具有良好的自锁性，为什么有时还需要防松装置？试各举两个机械防松和摩擦防松的例子。在冲击、振动或变载荷的作用下，螺旋副间的摩擦力可能减小或瞬间消失，这种现象多次重复后，就会使连接松脱，在高温或温度变化较大的情况下，由于螺纹联接件和被联接件的材料发生蠕变或应力松弛，也会使联接中的预紧力和摩擦力逐渐减小，最终导致联接失效。因此螺纹联接需要防松。例如，开口销与六角开槽螺母、止动垫圈为机械防松；对顶螺母、弹簧垫圈为摩擦防松。第六章6-1设计键连接，键的截面尺寸通常根据(4)轴的直径按标准选择。（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普通平键连接的主要失效形式是接合面的挤压破坏，导向平键连接的主要失效形式是结合面的过渡破损。6-3与平键连接相比，楔键连接的主要缺点是(4)。（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矩形花键连接采用小径定心；渐开线花键连接采用齿形定心。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？轴上的键槽是在铣床上用端铣刀或盘铣刀加工的。轮毂上的键槽是在插床上用插刀加工的，也可以由拉刀加工，也可以在线切割机上用电火花方法加工。6-10在材料和载荷性质相同的情况下，动连接的许用压力比静连接的许用挤压应力小，试说明其原因。因为动连接的失效形式为过渡磨损，而磨损的速度快慢主要与压力有关。压力的大小首先应满足静强度条件，即小于许用挤压应力，然后，为了使动连接具有一定的使用寿命，特意将许用压力值定得较低。如果动连接的相对滑动表面经过淬火处理，其耐磨性得到很大的提高，可相应地提高其许用压力值。6-13销有哪几种类型？各用于何种场合？销连接有哪些失效形式？定位销：用于固定零件的相互位置，是组合加工和装配时的重要辅助零件。联接销：传递不大的载荷。失效形式为剪断和压溃。安全销：作安全装置中的过载剪断元件。销连接的失效形式为销和孔壁的挤压破坏以及销的剪断。6-20试指出下列图中的错误结构，并画出正确的结构图。第七章7-1沿受载方向，同一列的铆钉数目不宜过多，这是由于（3）。（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对接焊缝与角焊缝两类，前者用于连接同一平面内的被焊件，后者用于连接不同平面内的被焊件。7-3设计胶接接头时，应尽可能使胶缝承受剪切或拉伸载荷。7-4影响过盈连接承载能力最为敏感的因素是配合面的（4）。（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在过盈连接中，当其他条件相同时，仅将实心轴改为空心轴，则连接所能传递的载荷将减小。7-6铆缝有哪些类型？各应用在什么场合？按铆缝性能的不同分为强固铆缝，强密铆缝和紧密铆缝。强固铆缝用于以铆接强度为基本要求的铆缝；强密铆缝用于不但要求具有足够的强度，而且要求保证良好的紧密性的铆缝；紧密铆缝用于仅以紧密性为基本要求的铆缝。7-7铆钉连接的破坏形式有哪些？怎样校核铆缝的强度？铆钉连接的破坏形式为铆钉被剪断，被铆板挤压、剪切、拉伸等破坏。校核铆钉连接时，应校核被铆件的拉伸强度条件，校核被铆件孔壁的挤压强度条件，以及校核铆钉的剪切强度条件。由被铆件的拉伸强度条件得知，允许铆缝承受的静载荷为F1=(t-d)δ[σ]由被铆件上孔壁的挤压强度条件得知，被铆件允许承受的压力F2=dδ[σP]由铆钉的剪切强度条件得知，铆钉允许承受的横向载荷F3=πd2[τ]/4上述三式中：F1、F2、F3的单位均为N；[σ]、[σP]、[τ]分别为被铆件的许用拉应力、被铆件的许用挤压应力及铆钉的许用切应力，对一般强固铆缝可按表7-1（P120）取值；d、t、δ的单位均为mm，式中各符号所代表的尺寸如图7-6（P120）所示。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？焊缝的强度与被焊件本身的强度之比，称为焊缝强度系数。对于对接焊缝，当焊缝与被焊件边线的夹角σ≤45°时，焊缝的强度将不低于母板的强度。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？当焊接结构中有角钢等构件时，因为角钢截面的形心在角钢宽度方向上是不对称的，应该采用不对称侧面焊缝，两侧焊缝的长度按式（7-5）计算。（P124）7-10胶粘剂通常分为哪几类？各适用于什么场合？P1277-11与铆接和焊接相比较，胶接的主要优缺点是什么？P1277-12过盈连接有哪几种装配方法？当过盈量相同时，哪种装配方法的连接紧固性好？过盈连接装配方法有压入法和胀缩法，在过盈量相同的情况下，采用胀缩法装配的过盈连接，可减少或避免损伤配合表面，因此紧固性好。7-13过盈连接的承载能力是由哪些因素决定的？过盈连接的承载能力是由连接的结构尺寸，过盈量、材料的强度以及摩擦系数、表面粗糙度、装配方法等共同决定的。7-14在对过盈连接进行验算时，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连接强度？可主要采取以下几种措施来提高连接强度：1）增大配合处的结构尺寸，从而可减小过盈量，降低连接件中的应力；2）增大包容件和被包容件的厚度，可提高连接强度；3）改用高强度的