机械设计课程思考题和习题(适用教材：李建功主编《机械设计》(第四版))

机械设计课程思考题和习题（适用教材：李建功主编《机械设计》（第四版））机械设计课程组第一章机械设计总论思考题1－1一部现代化的机器主要有哪几部分组成？1－2开发一部新机器通常需要经过哪几个阶段？每个阶段的主要工作是什么？1－3作为一个设计者应具备哪些素质？1－4机械设计课程的性质、任务和内容是什么？1－5机械设计课程有哪些特点？学习中应注意哪些问题？1－6什么是失效？什么是机械零件的计算准则？常用的计算准则有哪些？1－7什么是校核计算？什么是设计计算？1－8什么是名义载荷？什么是计算载荷？为什么要引入载荷系数？1－9静应力由静载荷产生，那么变应力是否一定由变载荷产生？1－10什么是强度准则？对于零件的整体强度，分别用应力和安全系数表示的强度条件各是什么？1－11在计算许用应力时，如何选取极限应力？1－12什么是表面接触强度和挤压强度？这两种强度不足时，分别会发生怎样的失效？1－13刚度准则、摩擦学准则以及振动稳定性准则应满足的条件各是什么？这些准则得不到满足时，可能的失效形式是什么？1－14用合金钢代替碳钢可以提高零件的强度，是否也可以提高零件的刚度？1－15什么是机械零件的“三化”？“三化”有什么实际意义？1－16机械零件的常用材料有哪些？设计机械零件时需遵循哪些原则？第二章机械零件的疲劳强度设计思考题2－1什么是疲劳破坏？疲劳断口有哪些特征？2－2变应力有哪几种不同的类型？2－2什么是疲劳极限？什么是疲劳寿命？2－4什么是疲劳曲线？什么是极限应力图？用它们可以分别解决疲劳强度计算中的什么问题？2－5什么是有限寿命设计？什么是无限寿命设计？如何确定两者的极限应力？2－6塑性材料和脆性材料的σm－σa极限应力图应如何简化？2－7影响机械零件疲劳强度的三个主要因素是什么？它们是否对应力幅和平均应力均有影响？2－8如何根据几个特殊点绘出机械零件的σm－σa极限应力图？2－9机械零件受恒幅循环应力时，可能的应力增长规律有哪几种？如何确定每种规律下的极限应力点？如何计算安全系数？2－10什么是Miner法则？用它可以解决疲劳强度计算中的什么问题？2－11如何计算机械零件受规律性变幅循环应力时的安全系数？习题2－1已知：45钢的σ－1＝270MPa，寿命指数m=9，循环基数N0＝107。求：1）循环次数分别为8000和620000次时的有限寿命疲劳极限σ－1N；2）应力幅为330MPa的对称循环应力作用下的疲劳寿命。2－2一板状零件所受工作拉力F在25～85kN之间周期性变化，危险截面的面积A=320mm2，疲劳缺口系数Kσ＝1.45，尺寸系数εσ＝0.75，表面状态系数β＝0.9。零件材料为20CrMnTi，其力学性能为：σs＝835MPa，σ－1＝345MPa，σ0＝615MPa。试绘出该零件的简化σm－σa极限应力图，并用图解法和解析法求γ＝C时的安全系数Sσ。2－3一零件的材料为合金钢，其危险截面上的最大工作应力σmax＝250MPa，最小工作应力σmin＝－50MPa，疲劳缺口系数Kσ＝1.32，尺寸系数εσ＝0.85，表面状态系数β＝0.9。该材料的力学性能为：σb＝900MPa，σs＝800MPa，σ－1＝440MPa，σ0＝720MPa。要求：1）按比例绘制零件的简化σm－σa极限应力图；2）按σm＝C求该零件的极限应力幅σa′、极限平均应力σm′和极限应力σγ′；3）按σm＝C求该零件危险截面的安全系数Sσ。2－4某机械零件在一个工作周期T内的应力（皆为对称循环）变化如图2-27所示。已知：零件材料的σ－1＝350MPa，N0=107，m=9，综合影响系数KσD＝1.85。试计算该零件的安全系数Sσ。2－5已知某材料的力学性能为：1＝350MPa，m＝9，0N＝5×610，对此材料进行对称循环疲劳试验，依次加载应力为：（1）1＝550MPa，循环次数n1＝5×410；（2）2＝450MPa，求：发生疲劳破坏时，2的循环次数n2＝？注：疲劳曲线方程：01NCNmm解：（1）由疲劳曲线方程01NCNmm得01NNm4690111106.8105550350NNm5690212102.5105450350NNm（2）根据Miner法则12211NnNn1102.5106.81055244n解得：521018.2n2－6某机械零件材料为碳素钢，已知：该碳素钢的力学性能为b=700MPa，s=600MPa，1=320MPa，0=560MPa。该零件危险截面上的最大应力max=220MPa，最小应力min=-60MPa，综合影响系数σDK=1.32。试：（1）在图中按比例绘制该零件的简化极限应力图(计算并标出特殊点的坐标)。（2）在图中标出应力增长规律为Cm时，该零件的极限应力点M。解：（1）A1点纵坐标：MPa4.24232.13201DKB1点纵坐标：MPa1.21232.1256020DKB1点横坐标：MPa280256020折线A1DG为该零件的简化极限应力图（2）工作应力点的坐标：MPa802)60(2202minmaxmMPa1402)60(2202minmaxa过N点且垂直于横轴的直线与极限应力线A1D的交点M即为该零件的极限应力点。9-4第三章摩擦、磨损及润滑基础思考题3－1按照摩擦面的润滑状态不同，滑动摩擦分为哪几种？3－2什么是边界膜？边界膜的形成机理是什么？如何提高边界膜的强度？3－2零件的磨损过程大致分为哪几个阶段？每个阶段的特征是什么？3－4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？3－5粘度的表示方法通常分为哪几种？各种粘度的单位和换算关系是什么？3－6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？3－7在润滑油和润滑脂中加入添加剂的作用是什么？3－8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？3－9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？3－10试说明液体动力润滑油膜形成的必要条件。3－11试说明雷诺方程有哪几个方面的应用。（MPa）（MPa）σaσmB1(280,212.1)A1(0,242.4)G(600,0)N(80,140)M135°D第四章螺纹联接及螺旋传动思考题4－1螺纹的主要参数有哪些？何处直径为其公称直径？4－2常用螺纹牙型有哪几种？哪些主要用于联接？哪些主要用于传动？4－3螺纹联接有哪几种基本类型？它们各自有何特点？各自适用于什么场合？4－4何谓螺纹联接的预紧？预紧的目的是什么？怎样控制预紧力？4－5螺纹联接防松的实质是什么？常用防松方法有哪些？4－6受剪螺栓联接的可能失效形式有哪些？设计中需计算何种强度？4－7单个受拉螺栓联接有哪几种不同的受力情况？每种受力情况下的强度计算有何相同之处？又有何差异？4－8对于承受预紧力和轴向工作拉力的螺栓联接，设计时应如何确定所需的剩余预紧力F和预紧力F？如何计算螺栓的总拉力0F？4－9国家标准中对螺栓、螺钉和螺柱的性能等级是如何规定的？4－10螺栓组联接受力分析和计算的目的是什么？螺栓组联接有哪几种典型的基本受载形式？每种受载形式下，应如何进行受力分析与计算？4－11提高螺纹联接强度的措施有哪些？4－12按用途不同，螺旋传动分为哪几种？滑动螺旋传动的螺杆和螺母分别常用什么材料？4－13设计滑动螺旋传动时，通常需要计算哪些内容？如何确定螺纹的公称直径和螺距？习题4－1铣刀盘的夹紧装置如图4－35所示。拧紧轴上的螺母后，铣刀1被夹紧在两个夹紧盘2之间，并随主轴转动。已知：最大切削力F=4kN，夹紧盘与铣刀之间的摩擦因数μs＝0.1，轴的材料为45钢，其σs＝360MPa。试设计轴端螺纹的直径（装配时不控制预紧力）。4－2某螺栓联接中，螺栓的刚度cb＝100N／mm，被联接件的刚度cm＝400N／mm，预紧力F′和轴向工作拉力F均为500N。1）试问工作中被联接件接合面是否会开缝？2）如果F在100N～500N之间变化，试按比例绘出联接的载荷－变形图，并标出各力以及螺栓总拉力的变化范围。4－3一钢制压力容器的螺栓组联接，如图4－6所示。内径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，安装时控制预紧力，试设计此习题4－1图联接。4－4图4－36所示为边板1用3个M16×70（其螺纹部分的长度为28mm）的铰制孔用螺栓与机架2相联接。已知边板厚度为20mm，机架的联接厚度为30mm，所受载荷FR＝900N，L=300mm，a=100mm，边板和机架的的材料均为Q235，螺栓的性能等级为4.6级。要求：1）按1：1的比例画出一个螺栓联接的结构图；2）分析螺栓组中各螺栓的受力，找出受力最大的螺栓并校核其强度。4－5图4－37所示为齿轮与卷筒之间的螺栓组联接，8个性能等级为6.6级的螺栓，均布于直径D0=500mm的圆周上。若卷筒上钢丝绳的拉力F=50kN，卷筒直径D=400mm，齿轮与卷筒之间的摩擦因数μs＝0.12，装配时不控制预紧力。试确定螺栓的直径，并列出螺栓的标准代号。4－6图4－38所示为用两个M10的螺钉固定的牵曳环，螺钉的性能等级为4.6级，装配时控制预紧力，结合面的摩擦因数μs＝0.3，取可靠性系数K=1.2。求所允许的牵曳力FR。4－7如图4－39所示的方形盖板用4个性能等级为6.6级的M16螺钉与箱体联接。工作中盖板上的吊环承受通过盖板中心O点的工作载荷FQ＝20kN，取剩余预紧力F″＝0.6F（F为单个螺栓的工作拉力），装配时不控制预紧力。要求：1）校核螺钉的强度；2）由于制造误差使吊环偏移，导致FQ由O点移至对角线上的O′点，OO′＝52mm。求此时受力最大的螺钉所受的工作拉力，并校核其强度。4－8图4－40所示为一平板零件2用螺栓组联接固定在机架1上。工作中所受载荷FΣ＝1000N，取可靠性系数K＝1.2，接合面摩擦因数μs＝0.15。图中给出了由6个螺栓构成的螺栓组的两个布置方案。要求：1）分析哪个方案所需螺栓直径较小？2）计算方案Ⅰ中螺栓所需的预紧力。习题4－5图习题4－6图习题4－7图习题4－4图4－9图4－41所示为一铸铁支架，用四个性能等级为6.6级的M16普通螺栓，固定在混凝土立柱上。已知载荷FQ＝8kN，接合面之间的摩擦因数μs＝0.3，混凝土的许用挤压应力〔σp〕＝2.5MPa，接合面的承载面积A＝4×104mm2，其抗弯截面模量W=5×106mm3，取可靠性系数K＝1.2，安全系数S=3，取预紧力F′＝9kN，。要求：1）校核是否能保证支架不下滑？2）校核螺栓的强度。3）校核是否能保证联接的接合面既不会开缝也不会被压溃？4－10图4－42所示为常用的螺纹联接。a）为普通螺栓联接，b）为螺钉联接，c）为双头螺柱联接，d）为紧定螺钉联接。指出图中的结构错误，并画出正确结构图。4－11试设计螺旋千斤顶（运动简图见图4－32a）的螺杆和螺母的主要尺寸。最大起重量为35kN，习题4－8图习题4－9图习题4－10图最大起重高度为180mm，材料自选。4－12如图所示的夹紧联接柄承受载荷F=600N，螺栓个数Z=2，联接柄长度l=300mm，轴直径d=60mm，夹紧结合面摩擦系数μ=0.15，可靠性系数k=1,试确定联接螺栓的直径（螺栓材料为Q235钢）。注：未淬火钢：[σ]=0.6σs，σs=240N/mm2解：由受力平衡条件μF′Zd=Fl(可靠性系数k=1)得螺栓的预紧力F′为：F′=Fl/μZd=600×300/（0.15×2×60）=10000N螺栓直径为d1：4×1.3F′/πd12≤[σ]SF6.03.14=2406.0100003.14=10.72mm根据d1≥