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习题集及作业题CH01-2-3


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
? ? [? ] 。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 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<r<1。 3-9 答: 弯曲疲劳极限的综合影响系数 K 是材料对称循环弯曲疲劳极限 ? 与零
?
?1

增大

件对称循环弯曲疲劳极限 ? 的比值,不对称循环时,为材料与零件的极限应
? 1e

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 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:? ?1 ? 180 MPa , N
0

? 5 ? 10

6

,m ? 9 , N

1

? 7000

,N

2

? 25000

,N

3

? 620000

。求

N1、N2、N3 的有限寿命弯曲疲劳极限。 解:∵ ? ∴?
? 1N

? ? ?1 m

N0 N

, N < NC= 1 0
1
9

4

,

?

S

? ?

? 1N 1

? ?

?1

m

N0 Nc

? 1N 1

? ? ?1 m

N0 NC

? 180 ?

500 1

? 1 8 0 ? 1 .9 9 4 7 ? 3 5 9 .0 5M P a

? ? 1N 2 ? ? ? 1 m

N0 N2
N0 N3

? 180 ?

9

5000 25

? 1 8 0 ? 1 .8 0 1 6 ? 3 2 4 .3 0M P a

? ? 1N 3 ? ? ? 1 m

? 180 ?

9

500 62

? 1 8 0 ? 1 .2 6 1 0 ? 2 2 6 .9 9M P a

3-5 已知:圆轴轴肩尺寸为 D ? 5 4m m , d 性能为 ?
s

? 4 5m m

,r

? 3m m

;该轴肩材料的力学

? 2 6 0M P a

,?

?1

? 1 7 0M P a

,?

?

? 0 .2

,?

B

? 4 2 0M P a

;危险截面上的平均应力

? m ? 2 0M P a

,?
?

a

? 3 0M P a
? 2? ? 1 ? ? 0

。按 ?

m

?C

求该截面的计算安全系数 Sca。

解: (1)∵ ? ∴
?0 ?
2? ? 1 1 ? ?? ?

?0
? 340 1 .2 ? 2 8 3 .3 3M P a

2 ? 170 1 ? 0 .2



?0
2

? 141 . 67 MPa

∴ A ?(0,180) , D ?(141.67,141.67 ) , C (3 6 0, 0 ) (2)查附图 3-1,材料的敏性系数 q
r d ? 3 45 ? 0 . 067
?

? 0 . 78



,D

d ? 54 45 ? 1 . 2
? 1 .8 8

查附表 3-2(弯曲,插值法),轴肩圆角处的理论应力集中系数 ? 轴肩的弯曲有效应力集中系数 k
?

?



? 1 ? q ? ? ? ? ? 1? ? 1 ? 0 .7 8 ? ? 1 .8 8 ? 1? ? 1 .6 8 6

查附图 3-2,尺寸及截面形状系数 ? ? 查附图 3-4,表面质量系数 ?
?

? 0 . 75



? 0 .8 7



查附表 3-10,化学热处理的强化系数 ? q

? 2 (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
?k ? 1 1 1 ? 1 .6 8 6 ? 1 K? ? ? ? ? ? 1? ? ? ? ? 1 ? ? ? 1 .1 9 9 ?? 0 .8 7 ? 0 .7 5 ? 2 ? ?? ? ?q

由公式(3-8) ,零件的对称循环弯曲疲劳极限为 ? 所以有 A (0,142) , D (141.67,118) , C (3 6 0, 0 ) (3) ? m
?C

? 1e

?

? ?1
K?

?

170 1 .1 9 9

? 1 4 2M P a



在极限应力线图中标出点 M 和 M ? 的位置。 所以 ? ?
m

? 2 0M P a

? ? ? a ? ? ? ? O C 2 ? 2 .6 ? 5 2 .9 ? 1 3 7 .5 4M P a



S ca ?

? ? m ax

? m ax

?

? ? ?m ??a

?m ??a

?

2 0 ? 1 3 7 .5 4 20 ? 30

? 3 .1 5

3-20 一零件由 45 钢制成,材料的力学性能为: ? 常数 ?
?

S

? 360M Pa ? 190M Pa

,?

?1

? 300M Pa

,材料

? 0 .2

。已知零件上的最大工作应力为 ?

m ax

,最小工作应力为
?

? m in ? 1 1 0 M P a

,应力变化规律为 r ? C ,弯曲疲劳极限的综合影响系数 K

? 2 .0

,试

画出零件的极限应力线图,在图上找出零件的工作应力点 M 和极限应力点 M ? , 并用图解法确定该零件的计算安全系数 S 。
ca

解:

?

?1 e

?

?

?1

?

300 2

? 150 MPa

K?

,∵ ?

?

?

2? ? 1 ? ? 0

?0

,∴ ?

0

?

2? ? 1 1 ? ??

?

2 ? 300 1 ? 0 .2

? 500M Pa

零件极限应力线图上的特殊点 A(0, ? ) 、
?1 e

?? 0 ? 0 C? ? 2 ,K 2 ? ?

? ? ? ?

、D( ? ,0)为 A(0,
S

150) 、C(250,125) 、D(360,0) ,据此作出零件的极限应力线图
?
a

?

?

max

?? 2

min

?

190 ? 110 2

? 40 MPa



?

m

?

?

max

?? 2

min

?

190 ? 110 2

? 150 MPa

在图上找出零件的工作应力点 M 和极限应力点 M ? ,极限应力点位于 CG 线上,
S ca ? ? ? max

?

?

? ?
m

S a

max

??

?

360 150 ? 40

? 1 . 895

3-21 解:
? ca ?
1
m

N0

?n?
i i ?1

z

m i

?

9

1 5 ? 10
6

(1 0 ? 5 0 0 ? 1 0 ? 4 0 0 ? 1 0 ? 3 0 0 ) ? 2 8 6 .7M P a
4 9 5 9 6 9

S ca ?

? ?1 ? ca

?

350 2 8 6 .7
m

? 1 .2 2

N1 ? N 0 (

? ?1 ?1 ? ?1 ?1 ? ?1 ?1 ? ?1 ?1
6

)

? 5 ? 10 (
6

350 500

) ? 0 .2 0 2 ? 1 0
9

6

N2 ? N0( N3 ? N0( N4 ? N0( 10
4

)

m

? 5 ? 10 (
6

350 400

) ? 1 .5 0 3 ? 1 0
9 9

6

)

m

? 5 ? 10 (
6

350 300

) ? 2 0 .0 2 1 ? 1 0 ) ? 0 .5 2 1 ? 1 0
9 6

6

)

m

? 5 ? 10 (
6

350 450

0 .2 0 2 ? 1 0

?

10

5 6

1 .5 0 3 ? 1 0

?

10 n4

6 6

2 0 .0 2 1 ? 1 0
6

?

n4 0 .5 2 1 ? 1 0
6

?1

0 .0 4 9 5 ? 0 .0 6 6 5 ? 0 .0 5 ? n 4 ? 4 .3 4 ? 1 0
6

0 .5 2 1 ? 1 0

?1


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