机械设计基础第八版课后习题答案Word文档下载推荐.doc
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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、可靠性准则
4、绘出浴盆曲线并简述其含义？
浴盆曲线是失效率曲线的形象化称呼，表示了零件或部件的失效率与时间的关系，一般用实验方法求得。
浴盆曲线分为三段：
第Ⅰ段代表早期失效阶段，失效率由开始时很高的数值急剧地下降到某一稳定的数值；
第Ⅱ段代表正常使用阶段，失效率数值缓慢增长；
第Ⅲ段代表损坏阶段，失效率数值由稳定的数值逐渐急剧上升。
5、设计机械零件时应满足哪些基本要求？
机械零件的基本设计要求有：
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；
质量小要求；
可靠性要求。
6、简述机械零件的一般设计步骤？
机械零件的一般设计步骤是：
（1）选择零件的类型和结构；
（2）计算作用载荷；
（3）选择材料；
（4）确定基本尺寸；
（5）结构设计；
（6）校核计算；
（7）绘图和编写技术文件。
7、机械零件的常规设计方法有哪些？
计算机辅助设计、可靠性设计、优化设计、并行设计属于常规设计方法吗？
【答】机械零件的常规设计方法有：
（1）理论设计：
根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论设计。
理论设计中常采用的处理方法有设计计算和校核计算两种。
前者是指由公式直接算出所需的零件尺寸，后者是指对初步选定的零件尺寸进行校核计算；
（2）经验设计：
根据从某类零件已有的设计与使用实践中归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的工作经验用类比的办法所进行的设计；
（3）模型实验设计：
对于一些尺寸巨大而且结构又很复杂的重要零件件，尤其是一些重型整体机械零件，为了提高设计质量，可采用模型实验设计的方法。
计算机辅助设计、可靠性设计、优化设计、并行设计属于现代设计方法。
8、简述机械零件金属材料的一般选用原则？
【答】机械零件金属材料的在选用时主要考虑下列因素：
1、载荷、应力及其分布状况；
2、零件的工作情况；
3、零件的尺寸及质量；
4、零件结构的复杂程度及材料的加工可能性；
5、材料的经济性；
材料的供应状况。
9、什么是机械零件的标准化？
实行标准化有何重要意义？
零件的标准化就是对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、制图要求等制定出各种各样大家共同遵守的标准。
标准化的意义主要表现为：
1）能以最先进的方法在专门化工厂中对那些用途最广的零件进行大量、集中的制造，以提高质量、降低成本；
2）统一了材料和零件的性能指标，使其能够进行比较，提高了零件性能的可靠性；
3）采用了标准结构及零、部件，可以简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量，同时也简化了机器的维修工作。
机械零件的强度
1、影响机械零件疲劳强度的主要因素有哪些？
在设计中可以采用哪些措施提高机械零件的疲劳强度？
影响机械零件疲劳强度的主要因素有零件几何形状、尺寸大小、加工质量及强化因素。
零件设计时，可以采用如下的措施来提高机械零件的疲劳强度：
1）尽可能降低零件上应力集中的影响是提高零件疲劳强度的首要措施。
应尽量减少零件结构形状和尺寸的突变或使其变化尽可能地平滑和均匀。
在不可避免地要产生较大的应力集中的结构处，可采用减荷槽来降低应力集中的作用；
2）选用疲劳强度大的材料和规定能够提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺；
3）提高零件的表面质量；
4）尽可能地减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。
2、已知某材料的MPa，循环基数取，m=9，试求循环次数N分别为7000，25000，620000次时的有限寿命弯曲疲劳极限。
【解】
由公式得
N1=7000时
N2=25000时
N3=620000时
3、已知一材料的力学性能MPa，MPa，，试按比例绘制该材料的简化极限应力线图。
由公式3-6得
简化极限应力线图上各点的坐标分别为
按比例绘制的简化极限应力线图如图所示。
4、如在题3中取零件的，零件危险截面上的平均应力，应力幅，
1）按比例绘制该零件的简化极限应力线图，并在图上标出工作点M；
2）分别按和在零件的简化极限应力线图上标出极限应力点S1和S2；
3）分别按和求出该截面的计算安全系数。
1）绘制零件的简化极限应力线图
零件极限应力线图上各点的坐标分别为：
工作点M坐标为
2）标出极限应力点S1和S2
和时在零件的简化极限应力线图上的极限应力点S1和S2如图所示。
3）按和求该截面的计算安全系数
显然，两种情况可能的失效形式均为疲劳失效。
故安全系数分别为：
时
摩擦、磨损及润滑概述
1、如何用膜厚比衡量两滑动表面间的摩擦状态？
膜厚比（）用来大致估计两滑动表面所处的摩擦（润滑）状态。
式中，为两滑动粗糙表面间的最小公称油膜厚度，、分别为两表面轮廓的均方根偏差。
膜厚比时，为边界摩擦（润滑）状态；
当时，为混合摩擦（润滑）状态；
当时为流体摩擦（润滑）状态。
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？
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。
1）磨合阶段：
新的摩擦副表面较粗糙，在一定载荷的作用下，摩擦表面逐渐被磨平，实际接触面积逐渐增大，磨损速度开始很快，然后减慢；
2）稳定磨损阶段：
经过磨合，摩擦表面加工硬化，微观几何形状改变，从而建立了弹性接触的条件，磨损速度缓慢，处于稳定状态；
剧烈磨损阶段：
经过较长时间的稳定磨损后，因零件表面遭到破化，湿摩擦条件发生加大的变化（如温度的急剧升高，金属组织的变化等），磨损速度急剧增加，这时机械效率下降，精度降低，出现异常的噪声及振动，最后导致零件失效。
3、何谓油性与极压性？
油性（润滑性）是指润滑油中极性分子湿润或吸附于摩擦表面形成边界油膜的性能，是影响边界油膜性能好坏的重要指标。
油性越好，吸附能力越强。
对于那些低速、重载或润滑不充分的场合，润滑性具有特别重要的意义。
极压性是润滑油中加入含硫、氯、磷的有机极性化合物后，油中极性分子在金属表面生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜的性能。
它在重载、高速、高温条件下，可改善边界润滑性能。
4、润滑油和润滑脂的主要质量指标有哪几项？
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。
5、什么是粘度？
粘度的常用单位有哪些？
粘度是指润滑油抵抗剪切变形的能力，标志着油液内部产生相对运动运动时内摩擦阻力的大小，可定性地定义为它的流动阻力。
粘度越大，内摩擦阻力越大，流动性越差。
粘度是润滑油最重要的性能指标，也是选用润滑油的主要依据。
粘度的常用单位有（国际单位制），（P泊，cP厘泊），St（斯），cSt（厘斯），（恩氏度），（赛氏通用秒），（雷氏秒）等。
6、流体动力润滑和流体静力润滑的油膜形成原理在本质上有何不同？
流体动力润滑是借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷，具有一定粘性的流体流入楔形收敛间隙产生压力效应而形成。
流体静力润滑是靠液压泵（或其它压力流体源），将加压后的流体送入两摩擦表面之间，利用流体静压力来平衡外载荷。
螺纹连接和螺旋传动
1、简要分析普通螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹的特点，并说明哪些螺纹适合用于连接，哪些螺纹适合用于传动？
哪些螺纹已经标准化？
普通螺纹：
牙型为等边三角形，牙型角60度，内外螺纹旋合后留有径向间隙，外螺纹牙根允许有较大的圆角，以减小应力集中。
同一公称直径按螺距大小，分为粗牙和细牙，细牙螺纹升角小，自锁性好，抗剪切强度高，但因牙细不耐磨，容易滑扣。
应用：
一般连接多用粗牙螺纹。
细牙螺纹常用于细小零件，薄壁管件或受冲击振动和变载荷的连接中，也可作为微调机构的调整螺纹用。
矩形螺纹：
牙型为正方形，牙型角，传动效率较其它螺纹高，但牙根强度弱，螺旋副磨损后，间隙难以修复和补偿，传动精度降低。
梯形螺纹：
牙型为等腰梯形，牙型角为30度，内外螺纹以锥面贴紧不易松动，工艺较好，牙根强度高，对中性好。
主要用于传动螺纹。
锯齿型螺纹：
牙型为不等腰梯形，工作面的牙侧角3度，非工作面牙侧角30度。
外螺纹牙根有较大的圆角，以减小应力集中，内外螺纹旋合后，大径无间隙便于对中，兼有矩形螺纹传动效率高和梯形螺纹牙型螺纹牙根强度高的特点。
用于单向受力的传动螺纹。
普通螺纹适合用于连接，矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹适合用于传动。
普通螺纹、、梯形螺纹和锯齿形螺纹已经标准化。
2、将承受轴向变载荷连接螺栓的光杆部分做的细些有什么好处？
可以减小螺栓的刚度，从而提高螺栓连接的强度。
3、螺纹连接为何要防松？
常见的防松方法有哪些？
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。
4、简要说明螺纹连接的主要类型和特点。
【答】螺纹联接的主要类型有螺栓联接、螺钉联接、双头螺柱联接和紧定螺钉联接四种。
主要特点是：
１）螺栓联接：
有普通螺栓联接和铰制孔螺栓联接两种。
普通螺栓联接被联接件的通孔与螺栓杆之间有间隙，所以孔的加工精度可以低些，不需在被联接件上切制螺纹，同时结构简单、装拆方便，所以应用最广。
铰制孔螺栓联接螺栓杆与孔之间没有间隙，能确定被联接件的相对位置，并能承受横向载荷。
2）螺钉联接：
螺钉直接旋入被联接件的螺纹孔中。
适用于被联接件之一较厚，或另一端不能装螺母的场合。
由于不用螺母，所以易于实现外观平整、结构紧凑；
但要在被联接件上切制螺纹，因而其结构比螺栓联接复杂一些。
不适用于经常拆装的场合。
如经常拆装，会使螺纹孔磨损，导致被联接件过早失效。
3）双头螺柱联接：
使用两端均有螺纹的螺柱，一端旋入并紧定在较厚被联接件的螺纹孔中，另一端穿过较薄被联接件的通孔，加上垫片，旋上螺母并拧紧，即成为双头螺柱联接。
这种联接在结构上较前两种复杂，但兼有前两者的特点，即便于拆装，又可用于有较厚被联接件或要求结构紧凑的场合。
４）紧定螺钉联接：
将紧定螺钉拧入一零件的螺纹孔中，其末端顶住另一零件的表面，或顶入相应的凹坑中，以固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或扭矩,多用于固定轴上零件的相对位置。
5、简要说明平垫圈、斜垫圈和球面垫圈的用途？
垫圈的主要作用是增加被联接件的支承面积或避免拧紧螺母时擦伤被联接件的表面。
常用的是平垫圈。
当被联接件表面有斜度时，应使用斜垫圈，特殊情况下可使用球面垫圈。
6、在铸、锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，为何应制成凸台或沉头座？
1）降低表面粗造度，保证连接的紧密性；
2）避免螺栓承受偏心载荷；
3）减少加工面，降低加工成本。
7、如图所示的底板螺栓组连接受外力的作用，外力作用在包含轴并垂直于底板结合面的平面内。
试分析底板螺栓组的受力情况，判断哪个螺栓受力最大？
保证连接安全工作的必要条件有哪些？
将等效转化到底板面上，可知底板受到轴向力，横向力和倾覆力矩。
（1）底板最左侧螺栓受力最大，为防止螺栓拉断，应验算该螺栓的拉伸强度，要求拉应力；
（2）为防止底板右侧压碎，应验算底板右侧边缘的最大挤压应力，要求最大挤压应力；
（3）为防止底板左侧出现间隙，应验算底板左侧边缘的最小挤压应力，要求最小挤压应力；
为防止底板向右滑移，应验算底板在横向力作用下是否会滑动，要求摩擦力。
8、如图所示，两块金属板用两个M12的普通螺栓连接。
若结合面的摩擦系数，螺栓预紧力控制在屈服极限的70%，螺栓用性能等级为4.8的中碳钢制造，求此连接所能传递的最大横向载荷。
题5图
参考书给出的答案有问题：
螺栓数目为2，接合面数为1，取防滑系数为，性能等级为4.8的碳钢。
螺栓所需预紧力为
因此，所能传递的最大载荷为
N
正确解法：
1、M12的螺纹内径为；
2、确定螺栓的预紧力
性能等级为4.8的碳钢，由题意，预紧力为
3、由公式
，因此，该连接能传递的最大横向载荷为
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N，当受轴向工作载荷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
由教材公式（5-18），螺栓总拉力
由教材公式（5.15），残余预紧力为
键、花键、无键连接和销连接
1、分析比较平键和楔键的工作特点和应用场合。
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？
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。
键的截面尺寸应根据轴径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、为什么采用两个平键时，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？
两个平键连接，一般沿周向相隔布置，对轴的削弱均匀，并且两键的挤压力对轴平衡，对轴不产生附加弯矩，受力状态好。
采用两个楔键时，相隔布置。
若夹角过小，则对轴的局部削弱过大。
若夹角过大，则两个楔键的总承载能力下降。
当夹角为时，两个楔键的承载能力大体上只相当于一个楔键盘的承载能力。
采用两个半圆键时，在轴的同一母线上布置。
半圆键对轴的削弱较大，两个半圆键不能放在同一横截面上。
只能放在同一母线上。
4、如图所示的凸缘半联轴器及圆柱齿轮，分别用键与减速器的低速轴相连接。
试选择两处键的类型及尺寸，并校核其强度。
已知：
轴的材料为45钢，传递的转矩为N.m，齿轮用锻钢制造，半联轴器用灰铸铁制成，工作时有轻微冲击。
（1）确定联轴器段的键
根据结构特点，选A型平键。
由轴径，查手册得键的截面尺寸为，，取键的公称长度。
键的标记：
键
键的工作长度为，键与轮毂键槽接触高度为，根据联轴器材料铸铁，载荷有轻微冲击，查教材表6-1，取许用挤压应力，则其挤压强度
满足强度要求。
（注：
该键也可以选择长度mm。
）
（2）确定齿轮段的键
键的工作长度为，键与轮毂键槽接触高度为，根据齿轮材料为钢，载荷有轻微冲击，查教材表6-1，取许用挤压应力，则其挤压强度
带传动
1、影响带传动工作能力的因素有哪些？
【答】由公式（8-7）
影响带传动工作能力的因素有：
（1）预紧力：
预紧力越大，工作能力越强，但应适度，以避免过大拉应力；
（2）包角：
包角越大越好，一般不小于120度；
摩擦系数：
摩擦系数越大越好。
2、带传动的带速为什么不宜太高也不宜太低？
1）由公式（8-10）可知，为避免过大的离心应力，带速不宜太高；
2）由公式（8-3）和（8-4）可知，紧边拉力
因此，为避免紧边过大的拉应力，带速不宜太低。
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？
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？
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。
5、V带传动的，带与带轮的当量摩擦系数，包角，预紧力。
试问：
1）该传动所能传递的最大有效拉力为多少；
2）若，其传递的最大转矩为多少；
3）若传动效率为0.95，弹性滑动忽略不计，求从动轮的输出功率。
（1）
（2）传递的最大扭矩
.mm
（3）输出功率
6、V带传动传递的功率kW，带速，紧边拉力是松边拉力的两倍，即，试求紧边拉力、有效拉力和预紧力。
由，得
由，又，得
7、有一带式输送装置，其异步电动机与齿轮减速器之间用普通V带传动，电动机功率，转速，减速器输入轴的转速，允许误差为，运输装置工作时有轻微冲击，两班制工作，试设计此带传动。
1）确定计算功率由表8-7查得，计算功率为
kW
2）选取V带型号根据，由图8-11选用B型带。
3）确定带轮的基准直径，并验算带速
⑴确定小带轮基准直径由表8-6和表8-8，取小带轮的基准直径
⑵验算带速按式8-13
由于，故带速合适。
⑶确定大带轮基准直径
传动比，根据式8-15a，有
根据表8-8，圆整为。
⑷验算带速误差由式8-14，从动轮实际转速
带速误差，满足要求。
4）确定V带的中心距和基准长度
⑴确定小带轮基准直径根据式8-20
，初定中心距，
⑵计算带的基准长度按式8-22
由表8-2选带的基准长度
⑶计算实际中心距由式8-23
mm
由式8-24，中心距的变化范围为
5）验算小带轮上的包角
包角合适。
6）计算带的根数
⑴计算单根V带的额定计算功率
由和，查表8-4a得kW
查表8-4b得kW
查表8-5得，查表8-2得，根据式8-26
取4根。
7）计算单根V带的最小初拉力
由表8-3得B型带的单位长度质量kg/m
8）计算压轴力压轴力的最小值为
9）带轮结构设计（略）
链传动
1、与带传动相比，链传动有哪些优缺点？
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？
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;
降低链速。
3、简述滚子链传动的主要失效形式和原因。
滚子链传动的主要失效形式和原因如下：
1）链的疲劳破坏：
链在工作时，周而复始地由松边到紧边不断运动着，因而它的各个元件都是在变应力作用下工作，经过一定循环次数后，链板将会出现疲劳断裂，或者套筒、滚子表面将会出现疲劳点蚀（多边形效应引起的冲击疲劳）。
2）链条铰链的磨损：
链条在工作过程中，由于铰链的销轴与套筒间承受较大的压力，传动时彼此又产生相对转动,导致铰链磨损,使链条总长伸长,从而使链的松边垂度变化,增大动载荷,发生振动,引起跳齿,加大噪声以及其它破坏,如销轴因磨损削弱而断裂等。
3）链条铰链的胶合：
当链轮转速高达一定数值时，链节啮入时受到的冲击能量增大，销轴和套筒间润滑油被破坏，使两者的工作表面在很高的温度和压力下直接接触，从而导致胶合。
因此，胶合在一定程度上限制了链的传动的极限转速。
4）链条静力拉断：
低速（m/s）的链条过载，并超过了链条静力强度的情况下，链条就会被拉断。
a
4、在如图所示链传动中，小链轮为主动轮，中心距。
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
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。
5、选择并验算一输送装置用的传动链。
已知链传动传递的功率，主动链轮转速，传动比，工作情况系数，中心距（可以调节）。
（1）选择链轮齿数。
假定链速，由教材表9-8取主动链轮齿数，则从动链轮齿数。
（2）确定链节距p。
计算功率
由教材图9-13按小链轮转速估计链工作在额定功率曲线顶点的左侧。
查教材表9-10得
初选中心距则
取，根据教材表9-10得
选取单排链，由教材
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