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

一、选择题

1－1 机械设计课程研究的内容只限于____________。

（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

1－2 下列8种机械零件：螺旋千斤顶中的螺杆，机床的地脚螺栓，车床的顶尖，减速器中的齿轮，拖拉机发动机的气缸盖螺栓，船舶推进器上的多环推力轴承，颚式破碎机上的V带轮，多气缸内燃机曲柄轴上的盘形飞轮。其中有__________是通用零件。

（1）3种 （2）4种 （3）5种 （4）6种

1－3 下列8种机械零件：涡轮的叶片，飞机的螺旋桨，往复式内燃机的曲轴，拖拉机发动机的气门弹簧，起重机的起重吊钩，火车车轮，自行车的链条，纺织机的纱锭。其中有___________是专用零件。

（1）3种 （2）4种 （3）5种 （4）6种

1－4 下列四种叙述中___________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

1－5 发动机连杆横截面上的应力变化规律如图所示，则该变应力的应力比r为___________。

（1）0.24 （2）－0.24

（3）－4.17 （4）4.17

1－6 发动机连杆横截面上的应 力变化规律如题1－5图所示，则其应力幅

σa和平均应力σm分别为___________。 题1－5图

（1）σa＝-80.6MPa,σm=49.4MPa （2）σa=80.6MPa,σm=-49.4MPa

（3）σa=49.4MPa,σm=-80.6MPa （4）σa=-49.4MPa,σm=-80.6MPa

1－7 变应力特性可用σmax、σmin、σm、σa、r等五个参数中的任意___________来描述。

（1）一个 （2）两个 （3）三个 （4）四个

1－8 零件的工作安全系数为___________。

（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

1－9 机械零件的强度条件可以写成___________。

（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。

1－10 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___________。

（1）不足 （2）刚好满足要求 （3）足够

1－11 一零件用45钢制成，工作时受静拉力，危险截面处的最大应力σ＝160MPa，材料的屈服极限为σs=360MPa，硬度200HBS，许用拉应力[σ]=225MPa，则该零件的许用安全系数[S]σ＝___________。

（1）1.13 （2）1.25 （3）1.60 （4）2

1-12 一用45钢制造的零件，工作时受静拉力，危险截面处的最大应力σ＝200MPa，许用应力[σ]=250MPa，许用安全系数[S]σ＝1.28，则该材料的屈服点σs＝___________MPa。

（1）156 （2）195 （3）256 （4）320

1－13 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___________kN。

（1）25 （2）98.17 （3）157.08 （4）251.33

1－14 在进行疲劳强度计算时，其极限应力应为材料的___________。

（1）屈服点 （2）疲劳极限 （3）强度极限 （4）弹性极限

1－15 许用安全系数可用部分系数法来确定，这时[S]＝S1S2S3，式中S1、S2、S3依次是用来考虑___________。

（1）载荷的性质（静载荷、交变载荷或冲击载荷等）、零件的加工方式、材料力学性能的偏差 （2）零件的应力集中、零件的尺寸大小、零件的表面状态 （3）载荷和应力计算的准确性、材料性质的均匀性、零件的重要程度 （4）对零件的的可靠度要求、零件加工过程中产生的缺陷、材料力学性能的离散性

1－16 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∝___________。

（1）F （2）F2 （3）F1/3 （4）F1/2

1－16 两球体相接触，接触面为圆，位于圆心处的最大接触应力σHmax与载荷F的关系为σHmax∝___________。

（1）F （2）F1/2 （3）F1/3 （4）F2

二、分析与思考题

1－18 一部完整的机器由哪些部分所组成？各部分的作用是什么？试以汽车为例说明这些组成部分各主要包括些什么？

1－19 人们常说的机械含义是什么？机器和机构各指的是什么？指出下列设备中哪些是机器，哪些是机构。铣床，柴油机，龙门刨床，机械钟，机械手表，机械式计算装置，汽车和拖拉机等。

1－20 什么是部件？什么是零件？什么是构件？指出下列各项分别属于哪一种。联轴器，减速器，齿轮，弹簧，凸轮机构中的凸轮、键和轴的装配体。

1－21 什么是通用零件？什么是专用零件？试各举三个实例。

1－22 什么是标准件？下列零件中哪些是标准件。减速器中的滚动轴承，自行车的链条，摩擦离合器的摩擦片，车床上的普通V带，发动机的活塞、活塞环，曲轴轴瓦等。

1－23 设计机器的方法大体上有几种？它们各有什么特点？近年来机械设计方法有哪些新发展？

1－24 设计机器的一般程序如何？其主要内容是什么？

1－25 机器设计应满足哪些基本要求？机械零件设计应满足哪些基本设计要求？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，气门弹簧，农业机械中的拉曳链。联合收割机中的普通V带。

1－26 产品的技术评价常用什么方法进行？用什么指标来表示评价的结果？产品的经济评价通常计算什么内容？用什么指标来表示？

1－27 提高产品的技术经济价值的主要措施有哪些？

1－28 机械零件的计算可分为哪两种？它们大致可包含哪些内容？

1－29 机械零件的条件性计算是什么意思？为什么采用条件性计算？试举例说明。

1－30 什么是标准化、系列化、通用化？机械设计中为什么要实行三化？请举出几个标准化、系列化与通用化的零部件的例子。

1－31 机械零件设计的一般步骤如何？

1－32 下列缩写词各代表什么标准？

（1） 国内标准（汉语拼音缩写）：GB,JB,YB,KY,FJ,Q/ZB,SJ,SY;

（2） 国外标准：ISA,ISO,гOCT,NBS,ASA,AISI,ANSI,ASME,BS,DIN,JIS。

1－33 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？

1－34 什么是零件的工作能力？什么是零件的承载能力？

1－35 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？

1－36 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？

1－37 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？

1－38 什么是零件的工作应力、计算应力、极限应力和许用应力？

1－39 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？

1－40 机械零件设计中常用的第一、第三、第四这三种强度理论各适用于哪类材料的零件设计？这些强度理论各用以计算什么量的最大值？如果这三种强度理论分别计算受弯扭联合作用的轴的最大应力，则三者最后结果相差多少？计算时设弯曲正应力σ等于扭转切应力τ。

1－41 某零件危险截面上危险点的应力状态如图所示，试分别写出第一、第三、第四强度理论计算应力的公式。

1－42 某零件受弯曲和扭转的联合作用，其危险截面上危险点的应力状态如图所示，试分别按第一、三、四三种强度理论计算其计算应力。

1－43 提高零件强度的措施有哪些？

1－44 两个曲面形状的金属零件互相压紧，其表面接触应力的大小由哪些因素确定？如果这两个零件的材料、尺寸都不同，其相互接触的各点上彼此的接触应力值是否相等？

1－45 初始线接触（如渐开线圆柱齿轮传动）和初始点接触（如球轴承）的机械零件，接触面的半宽和半径以及最大接触应力的大小如何计算？最大接触应力位于接触面上什么位置？

1－46 受交变接触应力作用的零件其失效是何性质？提高接触疲劳强度的主要措施有哪些？

1－47 什么是零件的表面挤压应力？试举一工作时零件表面受挤压应力的例子。

1－48 零件表面磨损强度的条件性计算包含哪些内容？提高零件表面磨损强度的主要措施有哪些？

1－49 什么是机械零件的刚度？什么样的机械零件需按刚度要求设计，试举例说明？

1－50 影响零件刚度的因素及提高零件刚度的措施有哪些？某轴用碳钢制造，经营算刚度不足，问改用合金钢制造而原尺寸保持不变，该轴的刚度能否提高？为什么？

1－51 在自由落体冲击下，零件受到的冲击载荷和产生的冲击变形怎样计算？提高零件冲击韧度的措施是什么？

1－52 温度变化对机械零件的工作能力有什么影响？降低零件的工作温度有哪些方法？

1－53 什么是机械零件的振动和共振？如何避免零件产生共振？

1－54 什么是可靠性？什么是可靠度？为什么要对零件进行可靠性计算？

1－55 什么是应力—强度干涉模型？试用它来说明零件的安全性和可靠性。

1－56 什么是串连系统？串连系统的可靠度如何计算？

三、设计计算题

1－57 如图所示杆1和杆2用销钉3相联接，拉力F=25kN。杆用Q275、销用45钢制造。杆的许用应力：拉伸[σ]=90MPa；挤压[σ]P=140MPa；剪切[τ]＝60MPa。销钉的许用应力：弯曲[σ]W＇＝120MPa；剪切[τ]＇＝70MPa。试按等强度设计原则确定结构的各部分尺寸。

1－58 图示偏心夹具夹持被加工零件，要求加紧力F=12kN。压板2用HT200制造，许用应力：弯曲[σ]W=100MPa；挤压[σ]P=130MPa；剪切[τ]＝50MPa。杆1用Q275钢制造，许用应力：拉伸[σ]＇＝120MPa；挤压[σ]P＇＝150MPa；剪切[τ]＇＝70MPa。试确定杆1的尺寸d、D、δ及压板2的厚度h。计算时可不考虑杆与底座的联接方式。

1－59 图示实心转轴受横向外力F1、F2和转矩T的作用。F1=10kN，F2＝5kN，T＝0.4kN·m（自C截面作用至D截面）。轴的各段直径及长度均如图所示。试求危险截面上最外缘的正应力和扭转切应力的大小，并画出其单元体应力图。计算时可将轴承A、B视作简支约束并忽略轴上横向切力的作用。

1－60 图示支架受力F＝25kN，α＝60o，e＝25mm，b＝100mm，h＝240mm，支架厚s＝20mm。试计算A、B、C三点的应力大小，并画出其单元体应力图。

1－61 试用解析法求题1－59中危险截面上最外缘受拉点的最大主应力和最大切应力的大小和方向，并用图解法进行核验；画出其单元体的主应力图和最大切应力图。

1－62 试用解析法和图解法求题1－60 C点的最大主应力和最大切应力的大小和方向；画出单元体的主应力图和最大切应力图。

1－63 图示夹钳弓架的材料未45钢，屈服点σs＝300MPa。已知尺寸a=80mm、b=20mm、h=60mm。试按弓架强度计算夹钳所能承受的最大夹紧力F，计算时可取安全系数S＝2。

1－64 一机械零件危险点处的应力状态为：σ1＝120MPa，σ2＝0，σ3＝－80MPa，若材料的屈服点σs＝360MPa，试按（1）最大主应力理论；（2）最大切应力理论；（3）最大变形能理论分别求出该零件的安全系数S。

1－65 空心圆轴的危险截面上受有弯矩M＝10000N·m、T＝16000N·m。已知：内外经之比；材料的强度极限σb＝560MPa，屈服点σs＝300MPa，τs=0.6σs,安全系数Ss（对σs）＝1.6，Sb（对σb）=2.8。试用第一、第三、第四三种强度理论分别计算轴径。

1－66 图示为对心直动滚子从动件凸轮机构。从动件顶端承受压力F=15kN。当压力角α达到最大值αmax=28o时，相应的凸轮轮廓在接触点上的曲率半径为R＝100mm。已知：滚子半径r=20mm；凸轮与滚子的宽度b=25mm；两者材料的弹性模量和泊松比均为E=2.1×105MPa和μ=0.3，许用接触应力[σ]H=1400MPa。试校核凸轮与滚子的表面接触强度。

1－67 深沟球轴承的滚珠与外径滚道的有关尺寸如图所示：d=28mm，r＇=r＇＇=15mm，R1=35mm，R2=63mm。材料的弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，许用接触应力[σ]H=3000MPa。试分别计算内外滚道与滚珠接触处的a、b两点的许用载荷[F]a和[F]b.

1－68 油压机的最大载荷F=2500kN，由四根直径为80mm、长度为1.2m的立柱均匀承受。已知立柱材料的弹性模量E=2.1×105MPa，屈服点σs=320MPa。试计算立柱受拉后的伸长量δ及安全系数S。

1－69 图示厚5mm的两块钢板，用内径35mm、外径45mm、长100mm的铸铁管定距离隔开，然后用螺距为2.5mm、M20mm的碳钢螺栓固定，由刚接触但无应力的情况下开始转动螺母45o。已知：铸铁和碳钢的弹性模量分别为E1=1.2×105MPa，E2=2.1×105MPa；铸铁的抗压强度极限σc=750MPa；碳钢的屈服点σs=360MPa。两块钢板的变形在计算中可忽略不计。试求：（1）定距离和螺栓所受的轴向力；（2）定距离和螺栓各自的安全系数。

1－70 直径15mm、长度120mm的铝合金圆棒，在既无间隙又不受力的情况下嵌入两板之间，如图所示。材料的线膨胀系数α＝2.2×10－5/oC，弹性模量E=7.1×104MPa。然后将圆棒的温度升高55oC，两板间距仍保持不变。试计算因圆棒温度变化而引起的加在板上的压力。

1－71 试计算题1－59转轴的最大扭转角φ、由弯曲变形引起的A和B截面的转角θA、θB以及C和D截面的挠度yC和yD。材料的切变模量和弹性模量：G=8×104MPa；E=2.1×105MPa。

1－72 图示旋转式起重机机架的杆长分别为：a=1.2m，b=1.6m，c=2m。各杆均采用圆钢在节点处焊接在一起，起重机的最大载荷F=30kN。机架的材料为35钢，弹性模量E=2.1×105MPa，比例极限σp=220MPa。试确定斜杆c的直径。计算时可取保证稳定性的安全系数S＝4。

1－73 图示为直径不等（φ31mm和φ36mm）、但长度相等（L=1m）的两根圆杆，其端部均有M36mm的螺纹与螺母相配。螺纹小径d1=31.67mm。两杆材料的弹性模量E=2.1×105MPa，当重量为W=1000N的重锤自h=500mm的高度突然落下时，如杆的重量忽略不计，试分别计算产生在两杆危险截面上的冲击载荷和冲击应力。

机械设计习题