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》（

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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，N0＝5×10，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＝5×10；（2）?2＝450 MPa，求：发生疲劳破坏时，?2的循环次数n2＝？

注：疲劳曲线方程：?mmN?C???1N0

46mm解：（1）由疲劳曲线方程 ?N?C???1N0

得

m???N???1?N0

???m

9???1?64350???N1??N??5?10?8.6?10 ??0???550???1?m9???1?65350???N2??N??5?10?5.2?10 ??0???450???2?n1n2??1 （2）根据Miner法则

N1N2n25?104??1 458.6?105.2?105 解得： n2?2.18?10

2－6 某机械零件材料为碳素钢，已知：该碳素钢的力学性能为?b=700 MPa，?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KσD=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?m?C 时，该零件的极限应力点M。

σa （MPa） A1(0, M B1(28D N 解：（1） A1点纵坐标： ??1K?D 135?320 (60 ?24.24MPGa1.32560?21.21MPa

2?1.32σm （MPa）

B1点纵坐标：

?02K?D?B1点横坐标：

?02?560?280MPa 2折线A1DG为该零件的简化极限应力图（2）工作应力点的坐标： ?m??max??min2?220?(?60)?80MPa

2?a??max??min2?220?(?60)?140MPa

2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。

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F0？

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

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

习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

习题4－

习题4

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－

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。

习题

4－10

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，

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： 4×1.3 F′/πd12≤[σ]

4?1.3?100004?1.3F==10.72mm

??0.6?240??0.6?S根据d1≥10.72mm查螺纹标准，可得出该螺栓的公称直径M16