机械设计-习题集答案

第一章绪论

1-1机器的基本组成要素是什么？

答：机械零件

1-2什么是零件？什么是构件？什么是部件？试各举三个实例。

答：零件是组成机器的不可拆的基本单元，即制造的基本单元。如齿轮、轴、螺钉等。

构件是组成机器的运动的单元，可以是单一整体也可以是由几个零件组成的刚性结构，这些零件之间无相对运动。如内燃机的连杆、凸缘式联轴器、机械手的某一关节等。

部件是由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，如减速器、离合器、联轴器。

1-3什么是通用零件？什么是专用零件？

答：通用零件在各种机器中经常都能用到的零件，如：齿轮、螺钉、轴等。

在特定类型的机器中才能用到的零件，如：涡轮机的叶片、内燃机曲轴、减速器的箱体等。

1-4机械设计课程研究的内容是什么？

答：机械系统设计的基础知识和一般尺寸和参数的通用零件设计方法。

第二章机械设计总论

2-1答：一台完整的机器通常由原动机、执行部分和传动部分三个基本部分组成。原动机是驱动整部机器以完成预定功能的动力源；执行部分用来完成机器的预定功能；传动部分是将原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。2-2答：设计机器应满足使用功能要求、经济性要求、劳动保护要求、可靠性要求及其它专用要求。

设计机械零件应满足避免在预定寿命期内失效的要求、结构工艺性要求、经济性要求、质量小的要求和可靠性要求。

2-3答：机械零件常见的失效形式：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。

常用的计算准则主要有强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则和可靠性准则。

2-4答：强度要求为确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形。强度条件为

[]σσ

≤

。

提高机械零件的强度，可以采取：a、采用强度高的材料，使零件具有足够的截面尺寸；b、合理地设计零件的截面形状，增大截面的惯性矩；c、采用热处理和化学处理方法，提高材料的力学性能；d、提高运动零件的制造精度，降低工作时的动载荷；e、合理配置零件的位置，降低作用于零件上的载荷等。

2-9答：

HT150：灰铸铁，抗拉强度为150MPa

ZG230-450：铸钢，屈服强度为230 MPa,抗拉强度为450 MPa

65Mn：优质碳素结构钢，含碳量为0.65%，含锰量<1.5%

45：优质碳素结构钢，含碳量为0.45%

Q235：普通碳素结构钢，屈服强度为235 MPa

40Cr：中碳合金钢，含碳量为0.40%，含铬量<1.5%

20CrMnTi ：低碳合金钢，含碳量为0.20%，含铬、锰、钛量<1.5% ZCuSn10Pb5：铸造锡青铜，含锡量为10%，含铅量为5% 第三章 机械零件的强度

3-1 表面化学热处理、表面淬火、表面硬化加工 3-2 （3）

3-3 截面形状突变 增大 3-4 （1） （1） 3-5 （1）

3-7答：当应力循环次数大于N0时，不管应力循环多少次，材料破坏的极限应力变化不大，视为恒定，所以将应力循环次数大于N0以后的寿命段称为无限寿命区。所以只要施加在材料上的应力不超过循环基数所对应的极限应力，那么不管应力循环多少次，材料都不会发生破坏，因此称循环基数对应的极限应力称为材料的疲劳极限。

3-8答：图（a ）中，为静应力，r=1；图（b ）中，为对称循环变应力，r=-1；图（c ）中，为非对称循环变应力，0

是材料对称循环弯曲疲劳极限

1σ-与零件对称循

环弯曲疲劳极限

1e σ-的比值，不对称循环时，为材料与零件的极限应力幅的比值。它与零

件的尺寸及几何形状变化、加工质量及强化因素有关。它使得零件的疲劳极限相对于材料的疲劳极限有所降低，对于静强度则没有影响。

3-10答：零件等寿命疲劳曲线的疲劳极限线是材料试件等寿命疲劳曲线的疲劳极限线按比例

K σ

下移，而静强度极限线与材料试件等寿命疲劳曲线的静强度极限线相同。

作业： 3-1 已知：MPa 1801

=-σ，60105⨯=N ，9=m ，70001=N ，250002=N ，

6200003=N 。求N1、N2、N3的有限寿命弯曲疲劳极限。

解：∵1N σσ--=，1N < N C =4

10

, 11S N σσσ-->>

∴11180180 1.9947359.05MPa N σσ--≈==⨯=

12180180 1.8016324.30MPa N σσ--===⨯=

13180180 1.2610226.99MPa N σσ--===⨯=

3-5 已知：圆轴轴肩尺寸为54mm D =，45mm d =，3mm r =；该轴肩材料的力学性能为260MPa s σ=，1170MPa σ-=，σϕ=0.2，420MPa B σ=；危险截面上的平均应力20MPa m σ=，30MPa a σ=。按m C σ=求该截面的计算安全系数Sca 。 解：（1）∵10

2σσσϕσ--=

∴ 1022170340

283.33MPa 110.2 1.2σσσϕ-⨯=

===++， MPa 67.1412

0=σ

∴(0,180)'A ,(141.67,141.67)'D ,(360,0)C （2）查附图3-1，材料的敏性系数78.0≈σq ；

067.0453==d r ，2.14554==d D

查附表3-2(弯曲，插值法)，轴肩圆角处的理论应力集中系数 1.88σα≈； 轴肩的弯曲有效应力集中系数()()1110.78 1.881 1.686k q σσσα=+-=+⨯-=

查附图3-2，尺寸及截面形状系数75.0=σ

ε；

查附图3-4，表面质量系数0.87σβ=； 查附表3-10，化学热处理的强化系数2=q

β（有应力集中）；

由公式（3-12），弯曲疲劳极限的综合影响系数系数

11 1.6861111 1.1990.750.872

q k K σσσσεββ⎛⎫⎛⎫=+-=+-⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

由公式（3-8），零件的对称循环弯曲疲劳极限为1

1170

142MPa 1.199

e

K σ

σσ--=

=

=。

所以有

(0,142)A ,(141.67,118)D ,(360,0)C

（3）C m

=σ

在极限应力线图中标出点M 和M '的位置。

所以20MPa m

σ'= 2 2.652.9137.54MPa a

OC σσμ''=⋅=⨯=