机构与零部件设计课程习题解答

1第1，2章机械设计总论1.1一部完整的机器由哪几部分组成？答：一部完整的机器由哪几部分组成通常由原动机部分、传动部分、执行部分、控制系统、润滑、显示、照明等辅助系统。1.2机器设计应满足哪些基本要求？答：预定功能要求经济性要求可靠性要求劳动保护和环境保护要求其它特殊要求1.4机械零件计算准则和失效形式有什么关系？常用的准则有哪些？它们各针对什么失效形式？答：机械零件计算准则是基于某种失效形式提出的，不同的计算准则对应于不同的失效形式。常用的计算准则有：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则。强度准则对应的失效形式为整体断裂及过大的塑性变形；刚度准则对应的失效形式为过大的弹性变形。寿命准则对应的失效形式为：腐蚀、磨损和疲劳。振动稳定性准则对应的失效形式为：破坏正常工作条件引起的失效。1.6机械零件设计的一般步骤有哪些？其中哪个步骤对零件尺寸的确定起决定作用？为什么？答：1.选择零件类型2.受力分析3.选择材料4.确定计算准则5.理论设计计算6.结构设计7.校核计算28.画出零件工作图9．写出计算说明书其中理论设计计算对零件尺寸的确定起决定作用。因为这个步骤确定了零件的主要尺寸和主要参数。1.10什么是标准化、系列化和通用化？标准化的重要意义？答：标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。系列化：是指同一基本结构下，规定若干个规格尺寸不同的产品、形成产品系列，以满足不同的使用条件。通用化：是指在同类型机械系列产品内部或在跨系列产品间，采用同一结构和尺寸的零部件，使有关的零部件，特别是易损件，最大限度地实现互换。标准化的意义：标准化有利于保证产品质量；减轻设计工作量；便于零部件的互换和组织专业化生产以降低生产成本等。1.11机械设计方法通常分为哪两大类？简述两者的区别和联系？答：机械设计方法通常分为两大类：传统设计方法和现代设计方法。传统设计方法是现代设计方法的基础，现代设计方法的应用将弥补传统设计方法的不足。但它不能离开或完全取代传统设计方法。现代设计方法还将随着科学技术的飞速发展而不断发展。第3章机械零件的强度3.1静应力下计算的强度准则是什么？计算中选取极限应力和安全系数的原则是什么？答：选取极限应力原则是：对塑性材料：极限应力取材料的屈服极限；对脆性材料或低塑性材料极限应力取材料的强度极限。][][][][ssscasca][][sssscascas或3选取安全系数原则是：在保证安全可靠的前提下，尽可能选取较小的许用安全系数。3.2什么是材料的疲劳曲线？什么是有限寿命？什么是无限寿命？答：材料的疲劳曲线是指应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线有限寿命：应力循环次数小于应力循环基数时的寿命；无限寿命：应力循环次数大于应力循环基数时的寿命；3.3如何绘制材料的极限应力线图？材料极限应力线图在零件强度中有什么用处？答：在确定好关键坐标点的基础上，即可绘制材料的极限应力线图（A’D’G’C）。A′——对称疲劳极限点D′——脉动疲劳极限点C——屈服极限点B——强度极限点基于材料极限应力线图可以判断零件的强度（静强度及疲劳强度）是否满足要求。3.4影响零件疲劳强度的主要因素有哪些？答：应力集中、几何尺寸、表面状态。3.5某材料的对称循环弯曲疲劳极限σ-1=180MPa,取N0=5X106，m=9，试求循环次数N为7000，25000，620000次时的有限寿命弯曲疲劳极限？答：由01NNmmN4得：将m=9,σ-1=180MPa，N0=5X106代入上式，就可求出在不同应力循环次数下的疲劳极限.当N=7000时，疲劳极限为：σrn=373.6MPa当N=25000时，疲劳极限为：σrn=327.3MPa当N=620000时，疲劳极限为：σrn=227MPa3.6已知某材料的σs=260MPa,σ-1=170MPa,ψσ=0.2,试绘制该材料的极限应力线图？答：由ψσ=0.2得到：σ0=283MPa3.7、零件材料的机械性能为：MPa5001，MPa8000，MPas850，综合影响系数2K，零件工作的最大应力MPa300max，最小应力MPa50min，加载方式为cr（常数）。求：（1）按比例绘制该零件的极限应力线图，并在图中标出该零件的工作应力点M和其相应的极限应力点1M；（2）根据极限应力线图，判断该零件将可能发生何种破坏；（3）若该零件的设计安全系数5.1S，用计算法验算其是否安全。解：（1）MPaK25025001MPaK20022800205零件的极限应力线图如图示。工作应力点为M，其相应的极限应力点为1M。MPaa1252minmaxMPaa1752minmax（2）该零件将可能发生疲劳破坏。（3）25.020015.131.112525.017525001macaKS该零件不安全。3.8、在图示零件的极限应力线图中，零件的工作应力位于M点，在零件的加载过程中，可能发生哪种失效？若应力循环特性r等于常数，应按什么方式进行强度计算？解：可能发生疲劳失效。cr时，应按疲劳进行强度计算；SKSmaa13.9、已知45钢经调质后的机械性能为：强度限2/600mmNH，屈服限2/360mmNs，疲劳限21/300mmN，材料的等效系数25.0。（1）材料的基氏极限应力线图如图示，试求材料的脉动循环疲劳极限0；（2）疲劳强度综合影响系数2K，试作出零件的极限应力线；（3）若某零件所受的最大应力2max/120mmN，循环特性系数25.0r，试求工作6应力点M的坐标m和a的位置。解：（1）20/360mmNs（2）零件的极限应力线为GSA/。（3）25.0maxminr2maxmin/30mmNr2minmax/752mmNm2minmax/452mmNa7第4章摩擦、磨损与润滑4.1润滑剂的作用是什么？常用的润滑剂有哪些？答：改善摩擦状态以减小摩擦减轻磨损的介质，同时具有防锈蚀的功能。常用的润滑剂有：润滑油、润滑脂及固体泣润滑剂。4.2添加剂的作用是什么？答：提高油性、极压性、延长使用寿命及改善物理性能等。第5章螺纹联接与螺旋传动5.1.一悬臂梁由四个普通螺栓联接固定于立墙上的两个夹板间，如图所示，已知载荷P=1000N，螺栓布局和相关尺寸如图示，试选择螺栓直径d。注：（1）螺栓材料45钢=360N/mm；（2）图示尺寸单位为mm；（3）板间摩擦系数f=0.15，可靠性系数K=1.2；（4）螺纹标准见下表；螺纹外径)(mmd56810121416螺纹内径)(1mmd4.1344.9176.6478.37610.10611.83513.8358解：在横向力作用下，悬臂梁不滑移的条件为KPziFy则悬臂梁在y向摩擦力NziKPFy1502410002.1KPLKMRziFRNRziKPLFR32.2121215002422550010002.1022max135cos2RyRyFFFFF2/2215001502)21500(15022N91.2229maxFfQpNfFQp07.1486615.091.2229maxNQp07.14866NQQp07.14866mmQd276.836007.148663.143.141mmd10mmmmd276.8376.815.2.如图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，轴的直径d=60mm，夹紧结合面的摩擦系数f=0.15，考虑摩擦传力的可靠性系数2.1fK。试确定该联接螺栓的直径（螺栓材料为Q235,s6.0，MPas240）。解：假定夹紧机构在螺栓联接并预紧的情况下近似为一刚性体，如图，在载荷及螺栓预紧力作用下，产生正压力1N，2N，由于1N，2N产生的摩擦力较小，则近似有921NN，21QQ又由在y向的受力关系有QQNQN2211coscos根据力矩平衡有QlKdNfNfdfr222以夹紧机构的左半部分为研究对象，又由于螺栓预紧力较大，则可以认为21FF考虑左半部分在x向的受力关系有212sinFFQN由（1）、（2）、（3）、（4）、（5）得21FF2)2(12ffKLdfdfQLK1)2(42dfLKQf1)15.0602.13002(46002N12000则螺栓所受总拉力NFQ120001螺栓危险截面的直径（螺纹小径1d）为mmQd74.112406.02.13.143.141按照粗牙普通螺纹标准（81196GB），选取螺纹公称直径mmd14（螺纹小径mmmmd74.11835.111）。105.3.螺栓组联接的二种方案如图所示，已知外载荷R，L=300mm，a=60mm，求：（1）螺栓组在两个方案中受力最大螺栓的剪力各为多少？（剪力以R的倍数表示）（可用计算法或作图法求）（2）分析哪个方案较好，为什么？解：方案（a）：设通过螺栓组对称中心并与接合面相垂直的轴线为回转轴线（螺栓2的轴线）。在工作载荷R的作用下，螺栓组联接承受横向工作剪力R以及由R产生的转矩lRT的作用。在转矩T的作用下，薄板在各螺栓所受的工作剪力RaaRaalRrTFFziirTT2525222212max21在工作剪力R作用下，薄板在各螺栓所受的工作剪力RFFFRRR31321（方向与R相反）因此RRRFFFRT6133125111（与R同向）RFFR3122（与R反向）RRRFFFRT6173125333（与R反向）则螺栓所受最大工作剪力RFF83.23max方案)(b：设通过螺栓组对称中心O并与接合面相垂直的轴线为回转轴线。在工作载荷R的作用下，螺栓组联接承受横向工作剪力R以及由R产生的转矩lRT的作用。在转矩T的作用下，薄板在各螺栓所受的工作剪力11RaaRaalRrTFFFziirTTT3535322212max654在工作剪力R作用下，薄板在各螺栓所受的工作剪力RFFFRRR31654（方向与R相反）由图显然RF5与TF5的合力最大RTFFF55505525252515cos2TRRTFFFFF2222966.3493592591RRRR因此RRF96.13877.55则螺栓所受最大工作剪力RFF96.15max。由上面分析计算可以看出：方案)(b螺栓最大工作剪力较小，而且各螺栓受力相对（a）方案较均匀，方案)(b较好。5.4.图为一钢制液压油缸，油压MPaP3（静载），油缸内径mmD130，缸盖由6个16M（小径mmd835.181）螺栓联接在缸体上，已知螺栓的刚度bC和缸体、缸盖的刚度mC的关系为bmCC4，螺钉材料的许用应力MPa160，根据联接的紧密性要求，残余预紧力FQp5.1'（F为每个螺栓的工作拉力），求预紧力pQ应控制在什么范围内才能满足此联接的要求？解：（1）螺栓所受的工作载荷如图，在油压P的作用下，螺栓组联接承受轴向拉力的作用：12轴向拉力26)2(103DSPPVN69.39819)213.0(10326在轴向拉力1P的作用下，各螺栓所受轴向工作载荷为NPzPFVV61.66366（2）螺栓的预紧力由FCCCQQmbmpp'及题意NFFCCCFQbbbp21.152643.2445.1对于碳素钢螺栓，要求预紧力：1)7.06.0(AQ