浙江工业大学机械设计习题卡答案

机械设计习题卡

第一章 绪论

(1)组成机械的基本单元是什么?

机械零件是组成机械的基本制造单元。 (2)何谓零件？何谓部件?

零件是组成机器的不可拆的基本单元，即制造的基本单元。

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称为“部件”。

(3)机械零件可归纳为哪两种类型?试各举两个典型实例说明，本课程的研究对象是什么? 通用零件：各种机械中经常用到的一般参数的零件，如螺钉，齿轮等

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、飞机的螺旋桨等 本课程的研究对象：普通条件下工作，且具有一般参数的通用零件

(4)什么叫在普通条件下工作，且具有一般参数的通用零件？试从你所学专业的机械设备中，对联接零件，传动零件、轴系零件和其他零件各举两例。 普通工作条件无严格定义，通常指常温、常压、低速等。

一般参数也无严格定义。国家标准《一般公差 未注公差的线性和角度尺寸的公差》 (GB/T1804-2000)中基本尺寸定义为0.5-4000mm，可以认为一般参数的零件的尺寸在0.5-4000mm之间。 连接零件：键、螺栓 传动零件：带、齿轮

轴系零件：滚动轴承、滑动轴承 其他零件：弹簧、机座

(5)为什么说本课程起着基础课与专业课之间的承前启后的作用？

(6)在了解本课程的性质、内容和任务以后，总结本课程的特点和你所采取的学习方法。

第二章 机械设计总论

(1)对机器提出的主要要求包括什么？

使用功能要求；经济性要求；劳动保护和环境保护要求；寿命与可靠性要求；其他专用要求等。

(2)机器设计应满足哪些基本要求?机械零件设汁应满足哪些基本要求?分析下列机械零件应满足的基本要求是什么：电动机轴，普通减速器中的齿轮轴，起重机吊钩，精密机床主轴．汽门弹簧。农业机械中的拉曳链，联合收割机中的V带。

避免在预定寿命期内失效；结构工艺性要求；经济性要求；质量小要求；可靠性要求。

(3)设计机械的经济性要求包括哪些方面? a.零件本身的生产成本；

b.尽可能采用标准化的零、部件以取代特殊加工的零、部件。

(4)何谓机械的可靠度?机械中零件之间组成的模式不同，其可靠度如何计算？ 在规定的使用时间(寿命)内和预定的环境条件下，机械能正常地完成其功能的概率。 机械零件的可靠度通过概率统计的方法计算。

(5)机械设计的一般程序怎样?

计划阶段；方案设计阶段；技术设计阶段；技术文件的编制。

(6)机械零件的失效形式有哪些？针对这些失效形式相应建立的设计准则是什么?

主要失效形式：整体断裂；过大的残余变形；零件的表面破坏；破坏正常工作条件引起的失效。

断裂断裂?强度准则 过大的残余变形?刚度准则 零件表面破坏?寿命准则

破坏正常工作条件引起的失效?振动稳定性准则 [与零件的工作条件相关，这只是一个例子]

(7)机械零件设计的一般步骤有哪些？

1.根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。 2.根据机器的工作要求，计算在零件上的载荷。 3.分析零件的可能失效形式，确定相应的设计准则。

4.根据零件的工作要求及对零件的特殊要求，选择适当的材料。 5.根据设计准则，确定零件的基本尺寸。

6.根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计。 7.进行校核计算。

8.画出零件的工作图，并写出设计说明书。

(8)机械零件的常用材料有哪些？这些材料各有何特点，适用在何种场合? 金属材料：较好的力学性能、价格便宜、容易获得。

高分子材料：原料丰富、密度小，在适当的温度范围内有很好的弹性，耐腐蚀性好等，缺点：容易老化，阻燃性差，耐热性不好等。

陶瓷材料：硬度极高、耐磨、耐腐蚀性、熔点高、刚度大以及密度比钢铁低；缺点：断裂韧度低、价格昂贵、加工工艺性差等。

复合材料：较高的强度和弹性模量，而质量又特别小；缺点：价格贵，耐热性、导电性较差等。

(9)铸铁和钢的区别是什么?普通碳钢与优质碳钢的区别是什么?

铸铁和钢的区别是含碳量不同，钢是含碳量为0.03%～2%；含碳量2%～4.3%的铁碳合金为铸铁。

普通碳素结构钢又称普通碳素钢，对含碳量、性能范围以及磷、硫和其他残余元素含量的限制较宽。普通碳钢分为三类：甲类钢（A类钢）是保证力学性能的钢。乙类钢（B类钢）是保证化学成分的钢。特类钢(C类钢）是既保证力学性能又保证化学成分的钢，常用于制造较重要的结构件。

优质碳素结构钢和普通碳素结构钢相比，硫、磷及其他非金属夹杂物的含量较低。根据含碳量和用途的不同，这类钢大致又分为三类：①小于0.25%C为低碳钢。②0.25～0.60%C为中碳钢。③大于0.6%C为高碳钢。

(10)什么叫做合金钢，与碳钢相比有何优缺点？

合金钢除含有普通碳钢的铁、碳外，根据性能需求还添加有其它合金元素，比如常见的铬、镍、钼、锰、硅等，以提高其机械性能，通常价格较普通碳钢高。

(11)选择机械零件材料时，通常考虑的机械性能、物理化学性能和工艺性能有哪些？ ? 机械性能

强度，硬度，耐磨性，冲击韧性，塑性 ? 物理化学性能

密度，导热性，导电性，导磁性，耐热性，耐酸性，耐腐蚀性性等 ? 工艺性能

易熔性，液态流动性，可塑性，可焊性，可加工性，可热处理性等

(12)为节约原材料，尤其是节约贵重材料而选用廉价材料，可采取哪些具体措施?举例说明

1.对材料进行热处理和表面处理，如为提高齿轮表面硬度，常对齿轮零件进行调质处理。 2.采用型材，如型钢焊接而成的机架。

3.采用组合结构，如蜗轮采用齿圈式组合结构(由青铜齿圈与铸铁轮芯组成)。 (13)选用机械零件材料时，应考虑的基本要求有哪些? 1.使用性能要求 2.工艺性能要求 3.经济性

(14)机械零件在进行结构没计时，主要应从哪些方面去考虑和改善它的结构工艺性? 零件的结构工艺性应从毛坯制造、机械加工过程及装配等几个生产环节加以综合考虑，工艺性是和机器生产批量大小及具体生产条件相关。

(15)机械设计中，为什么要实行零件和部件的标准化、系列化与通用化?你能举出一些标准化、系列化与通用化的零部件吗？

1.能以最先进的方法在专门化工厂中对那些用途最广泛的零件进行大量、集中的制造，以提高质量，降低成本；

2.统一了材料和零件的性能指标，使其能够进行比较，并提高了零件性能的可靠性。 3.采用了标准化结构及零、部件，可以简化设计工作、缩短设计周期，提高设计质量。另外，也同时简化了机器的维修工作。

例如对同一结构、同一内径的滚动轴承，制造出不同外径及宽度的产品。

(16)我国现行的标准化有哪些?GB、JB、YB、QB、ISO和Γ0CT、DIN、JIS、BS各代表什么标准?

我国目前实行四级标准体制：国家标准、行业标准、地方标准、企业标准。 GB: 中国国家强制性标准

JB: 中国机械行业（含机械、电工、仪器仪表等）强制性行业标准 YB: 中国黑色冶金行业标准 QB：中国轻工行业标准 ISO：国际标准化组织标准

Γ0CT：前苏联国家标准 DIN：德国工业标准 JIS：日本工业标准 BS：英国国家标准

(17)目前常用的现代机械设计新方法有哪几种?

计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、并行设计、参数化设计等

第三章 机械零件的强度

(1)零件的名义载荷与计算载荷，两者之间的区别及其关系如何？ 名义载荷：根据额定功率，按力学公式计算出的载荷。

计算载荷：考虑载荷的时间不均匀性、分布的不均匀性以及其它影响因素对名义载荷进行修正得到的载荷，即载荷系数K×名义载荷。

(2)何谓机械零件的强度?它可以分成哪两类?各举两个实例。

材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。强度是机械零部件首先应满足的基本要求。

机械零件的强度分为静应力强度和变应力强度两个范畴。

静应力强度：机械零件在整个工作寿命期内应力变化次数少于103，如松螺栓连接、键连接等的强度计算。

变应力强度：轴向变载荷的紧螺栓连接的强度计算、齿轮的弯曲疲劳强度强度计算等。 (3)强度条件的一般形式有哪些？并说明式中各符号代表的意义。

根据许用应力建立的计算准则，通过判断危险截面的最大许用应力是否小于或等于许用应力：

????? ?????

根据安全系数建立的计算准则，通过判断危险截面上实际的安全系数是否大于或等于许用安全系数：

s??s??

?lim??s???

?lim??s???

(4)机械设计中常用的强度理论有哪几个?各适用于何种场合？ 静强度理论：静应力

脆性断裂的强度理论：最大拉应力理论和最大伸长线应变理论 屈服的强度理论：最大切应力理论和形状改变比能理论 疲劳强度理论：变应力下的疲劳强度理论

低应力下的脆断(断裂强度理论)：低应力脆断(工作应力远小于许用应力) 接触强度理论：齿轮接触疲劳强度计算、滚动轴承寿命计算。

(5)对零件的工作应力应如何进行分类？承受拉伸载荷的零件就一定产生拉伸应力吗？如果不是，试举例说明。

只要设定一个分类标准，就可以对任何集合进行分类，因此，不存在“对零件的工作应力如何进行分类”的问题。

承受拉伸载荷的零件不一定产生拉应力。比如零件在做拉伸实验时，当零件达到屈服极限时，当载荷继续增加，零件中的拉应力并不增长(或增长不明显)，此时增加的拉伸载荷在零件并未产生拉伸应力。

(6)稳定循环交应力的主要参数有哪些，它们的相互关系怎样? 五个参数：

(7)变载荷下一定产生变应力，那么静载荷下也一定产生静应力吗?举例说明之。 不一定产，如旋转的轴上作用一集中力，而轴表面上任意一点的应力则是变应力。

、

?min、?m、?a、r，其中只有两个是独立的。

(8)下列零件均受静载荷作用(见图)，试判断零件上A点的应力性质(拉、压、弯、扭或接触应力)，是静应力还是变应力?应力变化的规律(即应力变化循环特性系数r的大小或范围)及应力变化图(即σ-τ图)是怎样的？

(a) 静应力，扭转剪切应力，r?1。 (b) 对称循环变应力，拉、压应力，r??1。 (c) 不对称循环变应力，拉、压应力，?1?r?1 (d) 滚动体与套圈间的接触应力为脉动循环变应力，r?0

(9)什么是材料的疲劳曲线？试用图线描述碳钢材料的疲劳曲线形状，说明应力循环次数N与疲劳极限?r的关系。有色金属及高硬度合金钢的疲劳曲线又是怎样?

金属材料的疲劳曲线(??N曲线)是取同一r值、不同N值时做试验得到的，它表示在给定应力比r的条件下，应力循环次数N与疲劳极限?r的关系曲线。

曲线AB使材料试件发生破坏的最大应力基本不变，或者说下降很小，此阶段是静应力强度的状况。

曲线BC段，随着循环次数的增加，使材料发生疲劳破坏的最大应力不断下降，这一阶段的疲劳破坏伴随着材料的塑性变形，此阶段称为低周疲劳。

曲线CD段代表有限寿命阶段，在此范围内，试件经过一定次数的交变应力作用后总会发生疲劳破坏。CD段的曲线方程为

m?rNN?C?NC?N?ND?。

D点以后的线段代表了试件无限寿命阶段，即作用在试件上的变应力的最大应力小于D点的应力，则应力无论变化多少次，材料都不会发生破坏。

有色金属和高硬度合金钢属于塑性材料，其疲劳曲线应与碳钢类似，其上的具体数值应该有所不同。

(10)影响零件疲劳强度的因素有哪些，如何影响？零件疲劳强度的综合影响系数

K?和

K?如何定义，计算公式怎样?

影响零件疲劳强度的主要因素有：材料的性能、应力循环特征r、应力循环次数N，应力集中、绝对尺寸和零件表面质量等。

零件疲劳强度的综合影响系数

K?的定义为

K????1??1e，即材料对称循环弯曲疲劳极限

?k??11K?????1?????1与零件对称循环弯曲疲劳极限??1e的比值。其计算公式为?????q，式

中：

k?零件的有效应力集中系数；??零件的尺寸系数；??零件的表面质量系数；?q零件

的强化系数。

(11)某旋转轴受径向力F＝10kN作用如图，已知跨距L＝2m，直径d＝50mm，轴的角速度为ω．求中间剖面上A点的应力随时间变化的表达式，并求A点的

?max、?min、?a和?m

W?轴的抗弯截面系数

?d332?3.14??50?10?3?323? 1.2266?10-5m3

FLFL10?103?2M?????5000N?m2244作用在剖面A处的弯矩

轴在不变弯矩下旋转，其表面A点的应力为对称循环，所以有：

?max?M?4.0764?108?407.64MPaW

?min???max??407.64MPa

?m??max??min2?0

?a??max??min2?407.64MPa

A点应力随时间变化规律：

??407.64sin??t?MPa

计算出的应力太大，本题原始数据有问题？

22??NmmNmms?1(12)已知试件的对称循环疲劳极限 =240，屈服极限＝360，平

均应力折合成应力幅的等效系数

??＝0．2，试按比例画出该试件的极限应力简化线图，并?m＝200Nmm2，r＝1／3时，按r=cr?c ; ?m=c;

在图上量出该试件在受到应力为：

?min=c三种情况下的极限应力值。

?a?根据公式

2??1??0?0?0?得，

2??12?240??400MPa1??a1?0.2

A'点坐标是?0,??1?，即?0,240?；

??0?0??,?D'点坐标是?22?，即?200,200?；

C点坐标是??s,0?，即?360,0?。

11?r3?0.5tan???1?r1?13由得，??26.57?

1?

D’与G’点位置不对，本题原始数据有问题? 若以题目中给出的数据(如上图所示)，

r?c时，?max'??s?360MPa

?m?c时，?max'??s?360MPa

?min?c时，?max'??s?360MPa

2?Nmmmax(13)一铬镍合金钢制成的零件，在危险剖面上的最大工作应力为＝280，

k?最小工作应力为?min＝-80Nmm，该剖面处的有效应力集小系数?＝1.32，尺寸系数?22???Nmm?B＝0.85、表面状态系数＝0.90，该合金钢的机械性能为：＝900，s＝222??NmmNmmNmm0?1800，＝440及＝800，试：

⑴按比例绘制零件的极限应力简化线图；

?k?11.3211K??????1????1?1.66???????q0.850.9零件弯曲疲劳强度综合影响系数

???1??0,?0,265.06?K??，即?A点坐标是?； ??0?0?,22K?D点坐标是?C点坐标是

??? ，即?400,240.96?；

??s,0? ，即?800,0?。

②按r＝C情况，求对应的极限应力幅

?ae?，极限平均应力?me?和极限应力?max?;

?m??max??min2280???80???100MPa2 ?280???80??180MPa2

?a??max??min2所以工作点M处应力坐标

??m,?a?即是?100,180?

从图中可测量出，

?me'?142.49MPa，?ae'?256.48MPa，

?max'??ae'??me'?398.97MPa

③按r＝C情况，计算此零件在该危险剖面上的安全系数

S?。

S???max'398.97??1.42?max280

按教材中的公式计算：(说明：教材中所有公式都是通过直线方程推导出来的，没有必要强迫自己记住那些复杂的公式。理解了等寿命简化曲线图的意义，在图上直接标出有关数

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