机械设计复习要点及重点习题

2、什么叫机械零件的失效？机械零件的主要失效形式有哪些？

【答】机械零件由于某种原因丧失工作能力或达不到设计要求的性能称为失效。

机械零件的主要失效形式有

1）整体断裂；

2）过大的残余变形（塑性变形）；

3）零件的表面破坏，主要是腐蚀、磨损和接触疲劳；

4）破坏正常工作条件引起的失效：有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，如果破坏了这些必要的条件，则将发生不同类型的失效，如带传动的打滑，高速转子由于共振而引起断裂，滑动轴承由于过热而引起的胶合等。

3、什么是机械零件的设计准则？机械零件的主要设计准则有哪些？

【答】机械零件的设计准则是指机械零件设计计算时应遵循的原则。

机械零件的主要设计准则有：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则、可靠

2、机件磨损的过程大致可分为几个阶段？每个阶段的特征如何？

【答】试验结果表明，机械零件的一般磨损过程大致分为三个阶段，即磨合阶段、稳定磨损阶段及剧烈磨损阶段。

4、润滑油和润滑脂的主要质量指标有哪几项？

【答】润滑油的主要质量指标有：粘度、润滑性（油性）、极压性、闪点、凝点和氧化稳定性。 润滑脂的主要质量指标有：锥（针）入度（或稠度）和滴点。

3、螺纹连接为何要防松？常见的防松方法有哪些？

【答】连接用螺纹紧固件一般都能满足自锁条件，并且拧紧后，螺母、螺栓头部等承压面处的摩擦也都有防松作用，因此在承受静载荷和工作温度变化不大时，螺纹连接一般都不会自动松脱。但在冲击、振动、变载荷及温度变化较大的情况下，连接有可能松动，甚至松开，造成连接失效，引起机器损坏，甚至导致严重的人身事故等。所以在设计螺纹连接时，必须考虑防松问题。

螺纹连接防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动。具体的防松装置或方法很多，按工作原理可分为摩擦防松、机械防松和其它方法，如端面冲点法防松、粘合法防松，防松效果良好，但仅适用于很少拆开或不拆的连接。

9、受轴向载荷的紧螺栓连接，被连接钢板间采用橡胶垫片。已知螺栓预紧力150000=F N ，当受轴向工

作载荷10000=F N 时，求螺栓所受的总拉力及被连接件之间的残余预紧力。 采用橡胶垫片密封，取螺栓的相对刚度

9.0=+m

b b C C C 由教材公式（5-18），螺栓总拉力 24000100009.0150002=?+=++=F C C C F F m

b b N 由教材公式（5.15），残余预紧力为

14000100002400021=-=-=F F F

1、分析比较平键和楔键的工作特点和应用场合。

【答】平键连接的工作面是两侧面，上表面与轮毂槽底之间留有间隙，工作时，靠键与键槽的互压传递转矩，但不能实现轴上零件的轴向定位，所以也不能承受轴向力。具有制造简单、装拆方便、定心性较好等优点，应用广泛。

楔键连接的工作面是上下面，其上表面和轮毂键槽底面均有1:100的斜度，装配时需打紧，靠楔紧后上下面产生的摩擦力传递转矩，并能实现轴上零件的轴向固定和承受单向轴向力。由于楔紧后使轴和轮毂产生偏心，故多用于定心精度要求不高、载荷平稳和低速的场合。

2、平键连接有哪些失效形式？普通平键的截面尺寸和长度如何确定？

【答】平键连接的主要失效形式是较弱零件（通常为轮毂）的工作面被压溃（静连接）或磨损（动连

b 应根据接，特别是在载荷作用下移动时），除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。键的截面尺寸h

轴径d从键的标准中选取。

键的长度L可参照轮毂长度从标准中选取，L值应略短于轮毂长度。

3、采用两个平键时，一般布置在沿周向相隔180°的位置，采用两个楔键时，则应沿周向相隔90°～120°，而采用两个半圆键时，却布置在轴的同一母线上

3、带传动中的弹性滑动和打滑是怎样产生的？对带传动有何影响？

【答】带传动中的弹性滑动是由于带松边和紧边拉力不同，导致带的弹性变形并引起带与带轮之间发生相对微小滑动产生的，是带传动固有的物理现象。

带传动中由于工作载荷超过临界值并进一步增大时，带与带轮间将产生显著的相对滑动，这种现象称为打滑。打滑将使带的磨损加剧，从动轮转速急剧降低，甚至使传动失效，这种情况应当避免。

4、带传动的主要失效形式和设计准则是什么？

【答】带传动的主要失效形式是打滑和疲劳破坏。

带传动的设计准则是在保证带传动不打滑的条件下，具有一定的疲劳强度和寿命。

1、与带传动相比，链传动有哪些优缺点？

【答】与属于摩擦传动的带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保证准确的平均传动比，传动效率较高；又因链条不需要像带那样张得很，所以作用于轴上的径向压力较小；在同样的条件下，链传动结构较为紧凑。同时链传动能在高温和低温的情况下工作。

2、何谓链传动的多边形效应？如何减轻多边形效应的影响？

【答】链传动运动中由于链条围绕在链轮上形成了正多边形，造成了运动的不均匀性，称为链传动的多边形效应。这是链传动固有的特性。

减轻链传动多边形效应的主要措施有：

1）减小链条节距；

2）增加链轮齿数;

3） 降低链速4、在如图所示链传动中，小链轮为主动轮，中心距p a )5030(～ 。问在图a 、b 所示

布置中应按哪个方向转动才合理？两轮轴线布置在同一铅垂面内（图c ）有什么缺点？应采取什么措施？

a ）

b ）

c ）

题 4 图

【答】a ）和b ）按逆时针方向旋转合理。

c ）两轮轴线布置在同一铅垂面内下垂量增大，下链轮的有效啮合齿数减少，降低了传动能力，应采取

（1）调整中心距（2）加张紧轮（3）两轮偏置等措施。

1、齿轮传动常见的失效形式有哪些？简要说明闭式硬齿面、闭式软齿面和开式齿轮传动的设计准则。

【答】齿轮传动常见的失效形式有以下几种：（1）轮齿折断；（2）齿面点蚀；（3）齿面磨损；（4）齿面胶合；（5）塑性变形。

闭式硬齿面的设计以保证齿根弯曲疲劳强度为主；闭式软齿面的设计通常以保证齿面接触疲劳强度为主；开式齿轮传动的设计目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。

3、软齿面齿轮传动设计时，为何小齿轮的齿面硬度应比大齿轮的齿面硬度大30～50 HBS ？

【答】金属制的软齿面齿轮配对的两轮齿中，小齿轮齿根强度较弱，且小齿轮的应力循环次数较多，当大小齿轮有较大硬度差时，较硬的小齿轮会对较软的大齿轮齿面产生冷作硬化的作用，可提高大齿轮的接触疲劳强度。所以要求小齿轮齿面硬度比大齿轮大30~50HBS 。

4、试分析图示斜齿圆柱齿轮所受的力（用受力图表示出各力的作用位置和方向）。

【解】

1、简述蜗杆传动的特点和应用场

合？ 【答】蜗杆传动的主要特点有：

（1）传动比大，零件数目少，结构紧凑；（2）冲击

载荷小、传动平稳，噪声低；（3）当蜗杆的螺旋升

角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动具有自锁

性；（4）摩擦损失较大，效率低；当传动具有自锁性

时，效率仅为0。4左右；（5）由于摩擦与磨损严重，

常需耗用有色金属制造蜗轮（或轮圈），以便与钢制

蜗杆配对组成减摩性良好的滑动摩擦副。 蜗杆传动通常用于空间两轴线交错，要求结构紧凑，传动比大的减速装置，也有少数机器用作增速装a

F t2 F r1 F r2

F r3 F r4 F t1 F t3 F t4 F a2 F a1 F a3 F a4

置。

2、蜗杆直径系数的含义是什么？为什么要引入蜗杆直径系数？

【答】蜗杆直径系数是蜗杆分度圆直径和模数的比值。 m d q 1 引入蜗杆直径系数是为了限制蜗轮滚刀的数目及便于滚刀的标准化。

3、为什么蜗轮的端面模数是标准值？蜗杆传动的正确啮合条件是什么？

【答】1）在中间平面上，普通圆柱蜗杆传动就相当于齿条与齿轮的啮合传动。所以在设计蜗杆传动时，均取中间平面上的参数（如模数、压力角等）和尺寸（如齿顶圆、分度圆等）为基准，并沿用齿轮传动的计算关系。对于蜗轮来说，端面模数等于中间平面上的模数。

2）蜗杆传动的正确啮合条件是：蜗杆的轴向模数等于蜗轮的端面模数，蜗杆的轴向压力角等于蜗轮的端面压力角，蜗杆中圆柱上螺旋线的导程角等于蜗轮分度圆上的螺旋角，且螺旋线方向相同。

4、蜗杆传动的主要失效形式是什么？相应的设计准则是什么？

【答】蜗杆传动的失效形式主要有齿面点蚀、齿根折断、齿面胶合及过度磨损等。

在开式传动中多发生齿面磨损和轮齿折断，因此应以保证齿根弯曲疲劳强度作为开式传动的主要设计准则。

在闭式传动中，蜗杆副多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，通常是按齿面接触疲劳强度进行设计，而按齿根弯曲疲劳强度进行校核。

对于闭式传动，由于散热较为困难，还应作热平衡核算。

5、试分析画出图5所示蜗杆传动中各轴的回转方向、蜗轮轮齿的螺旋方向及蜗杆、蜗轮所受各力的作用位置和方向。

【解】1）各轴的回转方向如图所示；

2）蜗轮轮齿的螺旋方向：

由于两个蜗杆均为右旋，因此两个蜗轮也必为右旋。

3）蜗杆、蜗轮所受各力的作用位置和方向如图所示

1、滚动轴承的主要失效形式是什么？

【答】滚动轴承的正常失效形式是滚动体或内外圈滚道上的点蚀破坏。

对于慢慢摆动及转速极低的轴承，主要失效形式是滚动轴承接触面上由于接触应力过大而产生的永久性过大的凹坑。

除点蚀和永久性变形外，还可能发生其它多种形式的失效，如：润滑油不足使轴承烧伤，润滑油不清洁使轴承接触部位磨损，装配不当使轴承卡死、内圈涨破、挤碎内外圈和保持架等。这些失效形式都是可以避免的。

2、什么是滚动轴承的基本额定寿命？什么是滚动轴承的基本额定动载荷？

【答】一组轴承中，10%的轴承发生点蚀破坏，90%的轴承不发生点蚀破坏前的转数（以106为单位）或工作小时数称为滚动轴承的基本额定寿命，以L 10表示。

滚动轴承的基本额定动载荷就是使轴承的基本额定寿命恰好为106转时，轴承所能承受的载荷值，用字母C 表示。

4、试说明下面各轴承的类型和内径，并说明哪个轴承的公差等级最高？哪个允许的极限转速最高？哪个承受径向载荷的能力最大？哪个不能承受径向载荷？

N307/P4 6207/P2 30207 51307/P6

【答】各轴承的内径均为35 mm ；

6207/P2为深沟球轴承，公差等级最高；允许的极限转速最高；

N307/P4为圆柱滚子轴承，承受径向载荷能力最高；

30207为圆锥滚子轴承；

51307/P6为双列推力球轴承，不能承受径向载荷。

5、欲对一批同型号滚动轴承做寿命试验。若同时投入50个轴承进行试验，按其基本额定动载荷值加载，试验机主轴转速为2000=n r/min 。若预计该批轴承为正品，则试验进行8小时20分时，应约有几个轴承已失效。

【解】8小时20分时转动的转数为

r 1012000)20608(6?=?+?=L

此寿命刚好为r 6

101?，且轴承在基本额定载荷下试验，所以其失效率应为10%，应约有5%1050=?个轴承已失效。

1、何谓传动轴、心轴和转轴？自行车的前轴、中轴和后轴各属于什么轴？

【答】工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴。只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴。只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴称为传动轴。

自行车的前轴和后轴属于心轴，中轴属于转轴。

2、轴的常用周向和轴向定位方式有哪些？

【答】轴的常用周向定位方式有：键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等。

轴的常用轴向定位方式有：轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等。

3、若轴的强度不足或刚度不足时，可分别采取哪些措施？

【答】轴的强度不足时，可采取：增大轴的直径；改变材料类型；增大过渡圆角半径；对轴的表面进行热处理和表面硬化加工处理；提高表面加工质量；用开卸载槽等方法降低过盈配合处的应力集中程度；改进轴的结构形状等措施。

刚度不足时只能采取增大轴径，改变轴外形等措施。

4、为什么要进行轴的静强度校核计算？校核计算时为什么不考虑应力集中等因素的影响？

【答】静强度校核的目的在于评定轴抵抗塑性变形的能力。这对那些瞬时载荷很大或应力循环不对称较为严重时的轴是很必要的。

校核计算时不考虑应力集中等因素的影响，因为应力集中不影响静应力的大小，只影响轴的疲劳强度。

5、图5是某减速器输出轴的结构图，试指出其设计错误，并画出改正图。

【答】

该轴结构设计中的主要错误有：

①——轴上零件左侧无法轴向固定；②——键槽过长；③——轴承端盖与轴应有间隙，并且要有密封装置；④——角接触轴承应正装；⑤——套筒外径应小于轴承内圈外径尺寸；⑥——轴段长度应小于齿轮轮毂宽度；⑦——轴承内圈无法定位；⑧——角接触轴承应成对使用（此设计中应正装）；⑨——轴承端盖两处均应加轴承间隙调整垫片；⑩——装轴承处的轴段外径应区别开来，以保证加工精度。

正确的结构如下图所示：