机械设计复习题解析

第一章机械设计概论

第二章机械零件的工作能力和计算准则

1.

一、选择题

1 机械设计课程研究的内容只限于___3_________。

（1）专用零件和部件（2）在高速、高压、环境温度过高或过低等特殊条件下工作的以及尺寸特大或特小的通用零件和部件（3）在普通工作条件下工作的一般参数的通用零件和部件（4）标准化的零件和部件

2 下列四种叙述中______4_____是正确的。

（1）变应力只能由变载荷产生（2）静载荷不能产生变应力

（3）变应力是由静载荷产生的（4）变应力是由变载荷产生的，也可能由静载荷产生

3 变应力特性可用σmax、σmin、σm、σa、r等五个参数中的任意_2__________来描述。

（1）一个（2）两个（3）三个（4）四个

4 零件的工作安全系数为_______2____。

（1）零件的极限应力比许用应力（2）零件的极限应力比零件的工作应力（3）零件的工作应力比许用应力（4）零件的工作应力比零件的极限应力

5 机械零件的强度条件可以写成______3_____。

（1）σ≤[σ]，τ≤[τ]或Sσ≤[S]σ，Sτ≤[S]τ

（2）σ≥[σ]，τ≥[τ]或Sσ≥[S]σ，Sτ≥[S]τ

（3）σ≤[σ]，τ≤[τ]或Sσ≥[S]σ，Sτ≥[S]τ

（4）σ≥[σ]，τ≥[τ]或Sσ≤[S]σ，Sτ≤[S]τ

式中σ、τ是危险截面处的最大应力；[σ]、[τ]是许用应力；Sσ、Sτ是危险截面处的实际安全系数；

[S]σ、[S]τ分别为正应力和切应力时的许用安全系数。

6 一直径d=18mm的等截面直杆，杆长为800mm，受静拉力F=36kN，杆材料的屈服点

σs=360MPa，取许用安全系数[S]σ=1.8，则该杆的强度____3_______。

（1）不足（2）刚好满足要求（3）足够

7 一直径d=25mm的等截面直杆，受静拉力F=40kN,杆的材料45钢，σs＝320MPa，许用安全系

数[S]σ＝1.6，则该零件的许用载荷为___2_____kN。

（1）25 （2）98.17 （3）157.08 （4）251.33

8 在进行疲劳强度计算时，其极限应力应为材料的______2_____。

（1）屈服点（2）疲劳极限（3）强度极限（4）弹性极限

9 两圆柱体相接触，接触面为矩形，接触面宽度中心处的最大接触应力σHmax与载荷F的关系

为σHmax∝____4_______。

（1）F （2）F2 （3）F1/3（4）F1/2

二、分析与思考题

1、机械设计的基本要求包括哪些方面？

1、满足使用要求,生产率力高

. 2、安全可靠,有足够的使用寿命

. 3、制造、运行费用低

. 4、操作维护方便

5、其它要求: 运输方便,造型美观

2、机械设计的一般程序如何？

1、分析设计任务：明确设计目的、要求

2、方案设计：根据任务书的要求，拟定机械系、统的组成与总体布置注，满足同一使用要求可以有不同的方案。例：门—单门、双门、旋转门等

3、运动和动力设计：对选定的方案进行运动和动力分析，确定原动机功率、各零件的运动和动力参数

4、施工设计：考虑零件工作的能力及结构工艺性，确定零件的形状尺寸公差配合，绘制整机装配图和零件工作图

5、实验、修改设计

3、对机械零件设计有哪些一般步骤？

1、建立计算模型—拟定零件的计算简图

2、确定作用在零件上的载荷；

3、选择材料；

4、根据零件可能的失效形式，选用相应的设计准则，确定零件的形状和主要尺寸；

5、根据加工工艺的要求、标准规范等，圆整设计尺寸；

6、根据加工和装配要求确定零件的其他尺寸；

7、绘制零件工作图，编写设计说明书。

4、对机械零件设计有哪些常用计算准则？

强度准则；刚度准则；寿命准则；振动稳定性准则；可靠性准则

1、强度准则（衡量机械零件工作能力的基本准则）

强度：零件抵抗整体断裂、表面接触疲劳及塑性变形的能力。

στ—零件的工作应力；

[σ][τ]-材料的许用应力；

σlimτlim—材料的极限应力；

S—安全系数。

例：轴强度不足断裂等

2 刚度准则

刚度：零件抵抗弹性变形的能力。

Y,θ,Ψ—零件工作时的挠度、挠角、转角；

[y],[θ],[Ψ]—零件工作时的挠度、挠角、转角的许用值；

例：机床主轴刚度不足，零件加工精度低

注：改变材料对提高刚度无效，改变零件截面，减少跨度是提高刚度的有效措施。

3、寿命准则

设计寿命L>=[L]要求寿命

4、耐磨性准则

耐磨性：零件抵抗磨损失效的能力。

磨损导致零件尺寸和形状的变化，过度磨损导致精度↓强度↓

磨损的种类;磨料磨损，粘着磨损，疲劳磨损，腐蚀磨损

p—两摩擦表面间的压强

v—两摩擦表面间的相对速度

{p<=[p]

{pv<=[pv]

5、振动稳定性准则—限定回转零件的工作频率偏离系统固有频率，避免共振。

F<0.87fp

F>1.18fp

f—激振频率

fv—固有频率

5 什么是机械零件的失效？机械零件可能的失效形式主要有哪些？

机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称为失效。常见失效形式有：因强度不足而断裂；过大的弹性变形或塑性变形；摩擦表面的过度磨损、打滑或过热；连接松动；压力容器、管道等得泄露；运动精度达不到要求等。

一、失效的概念

机械零件在规定的使用条件下、规定寿命期限内，不能完成规定功能—失效。

二、常见失效形式

1、整体断裂：过载断裂、疲劳断裂塑性变形；

2、表面破坏：点蚀、剥落、胶合、磨损、擦伤；

3、过大变形：过大弹变—刚度不足

塑性变形—强度不足

4、强烈的振动；

5、功能失效。

6 什么是零件的工作能力？什么是零件的承载能力？

零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力；对载荷而言的工作能力称为承载能力。

7 什么是静载荷、变载荷、名义载荷、计算载荷？什么是静应力和变应力？

不随时间变化或变化缓慢的载荷称为静载荷；随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷称为变载荷；在稳定和理想的工作条件下，作用在零件上的载荷称为名义载荷；再设计计算中，常把载荷分为名义载荷和计算载荷，计算载荷等于名义载荷乘以载荷系数Ｋ。

8 什么是变应力的应力比r？静应力、脉动循环变应力和对称循环变应力的r值各是多少？

最小应力与最大应力之比称为变应力的循环特性ｒ。

静应力ｒ＝１；脉动循环变应力ｒ＝０；对称循环变应力ｒ＝－１

9 图示各应力随时间变化的图形分别表示什么类型的应力？它们的应力比分别是多少？

10 什么是零件的工作应力、计算应力、极限应力和许用应力？

材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为工作应力；根据计算载荷求的应力称为计算应力；工作的时候，工件被破坏的应力值，称为零件的极限应力；机械设计中允许零件或构件承受的最大应力值称为许用应力；

11 在静应力下工作的零件其失效形式有哪些？用塑性材料制造的零件和用脆性材料、低塑性材料制造的零件，其极限应力各应是什么？

静应力时零件的主要失效形式：塑性变形、断裂；脆性材料的极限应力为σB（强度极限）；塑性材料的极限应力为σs（屈服极限）

12. 如图所示，各轴均受静载荷的作用，试判断零件上A点的应力是静应力还是变应力，并确定应力循环特性r的大小或范围。

（a）(b) (c)

第三章机械零件的疲劳强度设计

一、选择题

1 45钢的持久疲劳极限σ-1＝270MPa,，设疲劳曲线方程的幂指数m=9，应力循环基数N0=5×106次，当实际应力循环次数N=104次时，有限寿命疲劳极限为____________MPa。

（1）539 （2）135 （3）175 （4）417

2 有一根阶梯轴，用45钢制造，截面变化处过渡圆角的疲劳缺口系数Kσ=1.58，表面状态系数β＝0.28，尺寸系数εσ＝0.68，则其疲劳强度综合影响系数KσD=____________。

（1）0.35 （2）0.88 （3）1.14 （4）2.83

3 零件的截面形状一定，如绝对尺寸（横截面尺寸）增大，疲劳强度将随之____________。

（1）增高（2）不变（3）降低

4 零件的形状、尺寸、结果相同时，磨削加工的零件与精车加工相比，其疲劳强度____________。

（1）较高（2）较低（3）相同

5 零件表面经淬火、渗氮、喷丸、滚子碾压等处理后，其疲劳强度____________。

（1）增高（2）降低（3）不变（4）增高或降低视处理方法而定

6 影响零件疲劳强度的综合影响系数KσD或KτD与____________等因素有关。

（1）零件的应力集中、加工方法、过载

（2）零件的应力循环特性、应力集中、加载状态

（3）零件的表面状态、绝对尺寸、应力集中

（4）零件的材料、热处理方法、绝对尺寸。

7 绘制设计零件的σm－σa极限应力简图时，所必须的已知数据是___________。

（1）σ－1，σ0，σs, Kσ（2）σ－1，σ0，σs, KσD

（3）σ－1，σs, ψσ，Kσ（4）σ－1，σ0，ψσ, KσD

8 在图示设计零件的σm－σa极限应力简图中，

如工作应力点M所在的ON线与横轴间夹角θ＝

45o，则该零件受的是___________。

（1）不变号的不对称循环变应力

（2）变号的不对称循环变应力

（3）脉动循环变应力

（4）对称循环变应力

9 在题8图所示零件的极限应力简图中，如工作应力点M所在的ON线与横轴之间的夹角θ＝90o时，则该零件受的是___________。

（1）脉动循环变应力（2）对称循环变应力

（3）变号的不对称循环变应力（4）不变号的不对称循环变应力

10 已知一零件的最大工作应力σmax=180MPa，最小工作应力σmin=－80MPa。则在图示的极限应力简图中，该应力点M与原点的连线OM与横轴间的夹角θ为___________。

（1）68o57＇44＇＇（2）21o2＇15＇＇（3）66o2＇15＇＇（4）74o28＇33＇＇

题3－13图题3－14图

11 在图示零件的极限应力简图上，M为零件的工作应力点，若加载于零件的过程中保持最小应力σmin为常数。则该零件的极限应力点应为__________。

（1）M1 （2）M2 （3）M3 （4）M4

12 上题若在对零件加载的过程中保持应力比r为常数。则该零件的极限应力点应为__________。

（1）M1 （2）M2 （3）M3 （4）M4

13 11题若在对零件的加载过程中保持平均应力σm＝常数。则该零件的极限应力点应为__________。（1）M1 （2）M2

（3）M3 （4）M

14 一零件由40Cr制成，已知材料的σb=980MPa，σs=785MPa，σ-1=440MPa，ψσ=0.3。零件的最大工作应力σmax=240MPa，最小工作应力σmin=－80MPa，疲劳强度综合影响系数KσD=1.44。则当应力比r=常数时，该零件的疲劳强度工作安全系数S为__________。

（1）3.27 （2）1.73 （3）1.83 （4）1.27

15 45钢经调制后的疲劳极限σ-1=300MPa，应力循环基数N0=5×106次，疲劳曲线方程的幂指数m=9，若用此材料做成的试件进行试验，以对称循环应力σ1=450MPa作用104次，σ2=400MPa作用2×104次后，再以σ3=350MPa作用于此试件，直到它破坏为止，试件还能承受的应力循环次数为__________次。

（1）6.25×105 （2）9.34×105 （3）1.09×106 （4）4.52×106

二、分析与思考题

1 机械零件疲劳强度的计算方法有哪两种？其计算准则各是什么？

安全－寿命计算，其设计准则是：在规定的工作期间内，不允许零件出现疲劳裂纹，一旦出现，即认为失效。这是应按σ-N曲线进行寿命疲劳计算，或按εp—N曲线进行低周循环疲劳计算；破损－安全设计，其准则是：允许零件存在裂纹并缓慢扩展，但必须保证在规定的工作期间内，仍能安全可靠地工作，这是按(da/dN) ——ΔK曲线进行的疲劳强度计算

2 机械零件在变应力条件下工作发生疲劳断裂而失效的过程怎样？

一阶段是零件表面上的应力较大处的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源，疲劳源可以有一个或数个。二阶段是裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲劳断裂。

3 什么是应力循环基数？一般碳钢和高硬度合金钢的循环基数是多少？

在疲劳试验曲线上对应于接触强度极限的应力循环次数，称为应力循环基数（N0）。

4 试区分金属材料的几种应力极限：σB、σs、σ－1、σ0和σr。在零件设计中确定许用应力时，应当怎样根据具体工作情况选取这些应力极限？

σb－强度屈服极限；σsσ-1σ0

动循环弯曲疲劳极限；σr

5 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？

答；有应力集中，零件尺寸，表面状态，环境介质，加载顺序和频率等，其中前三个最重要

6 疲劳强度的综合影响系数KσD，KτD的意义是什么？其计算公式是什么？

(Kσ)D=kσ/εαβα( Kτ)D=kτ/ετβτ(（P41）

7 怎样区分变应力是稳定的还是非稳定的？怎样进行在稳定变应力下的零件强度计算？怎样进行在规律性非稳定变应力下的零件强度计算？

答：在每次循环中，平均应力m a t变化的应力称为稳定变应力。若其中之一随时间变化的则称为非稳定变应力。

8 何谓疲劳损伤累积假说？疲劳损伤累积计算的数学表达式为何？

答：在每一次应力作用下，零件寿命就要受到微量的疲劳损伤，当疲劳损伤累积到一定程度达到疲劳寿命

n

∑Ni/N’i

极限时便发生疲劳折断。 F=N1/N’1+N2/N’2+┈+Nn/N’n=Σ

i1=

9 零件在非稳定变应力下工作的安全系数如何计算？要求写出计算步骤和计算公式并加以必要的说明。

P46

10 怎样求复合应力状态下的安全系数？P51

三、设计计算题

1 如图所示某旋转轴受径向载荷F=12kN作用，已知跨距L=1.6m，直径d=55mm，轴的角速度为ω，求中间截面上A点的应力随时间变化的表达式，并求A点的σmax、σmin、σa和σm。

2 一阶梯轴轴肩处的尺寸为D=60mm，d=50mm，r=4mm，如材料的力学性能为：σB=650MPa，σs=360MPa，σ-1=200MPa，σ0=320MPa。试绘制此零件的简化极限应力线图。

3 一钢制零件，工作应力为：σmax=250MPa，σmin=－50MPa。零件的疲劳强度综合影响系数KσD=1.35，材料的力学性能为σB=630MPa，σs=455MPa，σ-1=285MPa，σ0=510MPa。若许用安全系数对变应力取[Sσ]=1.3、对静应力取[Sσ]＇=1.5，并按无限寿命考虑，试分别用解析法和图解法校核该零件的安全系数。

题4图

4 一滑轮轴在一个周期内的载荷和转速变化情况如图所示。若使用寿命预期为8年，每年工作240天，每天累计工作2h；轴材料的疲劳曲线方程的幂指数m=9，应力循环基数N0=107。试计算轴的寿命系数K N。

第六章螺纹联接及螺旋传动

一、选择题

1 在常用的螺旋传动中，传动效率最高的螺纹是__________。

（1）三角形螺纹（2）梯形螺纹（3）锯齿形螺纹（4）矩形螺纹

2 在常用的螺纹联接中，自锁性能最好的螺纹是__________。

（1）三角形螺纹（2）梯形螺纹（3）锯齿形螺纹（4）矩形螺纹

3 当两个被联接件不太厚时，宜采用__________。

（1）双头螺柱联接（2）螺栓联接（3）螺钉联接（4）紧定螺钉联接

4 当两个被联接件之一太厚，不宜制成通孔，且需要经常拆装时，往往采用__________。

（1）螺栓联接（2）螺钉联接（3）双头螺柱联接（4）紧定螺钉联接

5 当两个被联接件之一太厚，不宜制成通孔，且联接不需要经常拆装时，往往采用__________。

（1）螺栓联接（2）螺钉联接（3）双头螺柱联接（4）紧定螺钉联接

6 普通螺纹的牙型角α为60o，当摩擦系数μ＝0.10时，则该螺纹副的当量摩擦系数μv＝__________。（1）0.105 （2）0.115 （3）0.1115 （4）0.104

7 在拧紧螺栓联接时，控制拧紧力矩有很大方法，例如__________。