机械设计习题及答案

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1、练习题第一篇机械设计概论基本要求：(1)掌握设计机械及机械零件的基本要求和一般程序（或方法）。(2)掌握常见机械零件的失效形式、设计准则和对应的计算方法。(3)熟练掌握机械零件的载荷与应力的基本概念，尤其要熟练掌握变应力、极限应力、许用应力与安全系数等基本概念。(4)掌握机械零件材料的选用原则和结构工艺性设计的基本要求。本章重点：(1)机械零件的失效形式及设计准则。(2)机械零件的载荷与应力的分类及变应力、极限应力、许用应力与安全系数、接触应力的概念。(3)变应力下机械零件的极限应力与安全系数的确定。(4)机械零件的材料、结构工艺性及机械设计中的标准化。思考题1-

2、1机械零件设计应满足哪些基本准则？1-2什么叫机械零件的失效？机械零件主要的失效形式有哪些？1-3提高机械零件强度的措施有哪些？1-4在什么条件下要按刚度准则设计机械零件？提高零件的刚度有哪些措施？1-5选用机械零件材料时主要考虑什么原则？1-6举例说明什么叫静载荷、变载荷、静应力和变应力？1-7什么是零件的工作应力、计算应力、极限应力和许用应力？1-8影响材料的极限应力的因素有那些？1-9线性疲劳损伤累积方程（Miner方程）的意义是什么？1-10影响材料疲劳强度的主要因素有哪些？原因是什么？这些因素对变应力的哪一部分有影响？1-11什么是有效应力集中系数？机械

3、零件设计中，常见的应力集中源有哪些？有三个形状尺寸一样，工作条件也相同，分别用铸铁、低强度钢、高强度钢制造的零件，哪个零件的有效应力集中系数最大？1-12什么叫接触应力和接触强度？影响接触应力大小的因素有哪些？1-13举例说明零件的结构及工艺对被设计零件疲劳强度的影响。习题1-1从手册中查找下面各材料的名称和性能数据，并填入表中：抗拉强度极屈服强度极延伸率硬度弹性模量材料牌号材料名称限限σ5/%HBE/MPaσB/MPaσs/MPaHT200ZG270-500Q23545调质40CrQA19-41-2已知σmin＝500MPa，σa=300MPa，求σmax，σm

4、，r,并画出变应力图。1-3图示为一转轴，在轴上作用有轴向力Fa＝3000N和径向力Fr＝6000N，支点间距L＝300mm，轴的直径d＝50mm，求力Fr作用面上的σmax，σmin，σm，σa，r，并画出变应力图。11-4已知一合金结构钢的简化疲劳极限线图如图所示。等效系数ψσ＝0.43，若零件工作应力点M恰在OE线上，其最大工作应力σmax＝426MPa，最小工作应力σmin＝106MPa，有效应力集中系数kσ＝1.42，绝对尺寸系数εσ＝0.91，表面状态系数β＝1，试求按简单加载情况下零件的安全系数（按无限寿命考虑）。1-5某钢制零件承受非对称循环（循环

5、特性r＝-0.4）的两级应力（不稳定变应力）作用，第一级名义应力55最大值σ1＝500MPa，作用10次，第二级名义应力最大值σ2＝400MPa，作用2×10次，如该钢材的标7准平滑试件试验得的σ-1＝500MPa，σ0=800MPa，循环基数N0=10次，材料常数m=9，该零件的有效应力集中系数kσ=1.62，绝对尺寸系数εσ＝0.83，表面状态系数β＝0.95。试估算该零件的计算安全系数。例题例1-1某转动心轴，其危险剖面上的平均应力为σm=20MPa，应力幅σa=30MPa，试求最大应力σmax、最小应力σmin和循环特性r。解最大应力为σmax=σm+σa

6、=20+30=50MPa最小应力为σmin=σm-σa=20-30=-10MPa循环特性为该变应力为非对称循环变应力。2例1-2某静止构件受弯曲应力σb＝150MPa，扭转剪应力τr＝50MPa；材料为35钢（σB＝540MPa，σs＝320MPa）。试分别用第一、三、四强度理论求计算应力σca，并校核静强度是否安全？用哪个强度理论较为合理？解（1）求材料的许用拉应力由于σs/σB=320／540＝0.593，按表用内插法得许用拉应力MPa（2）按第一、三、四强度理论求计算应力σca按第一强度理论得MPa按第三强度理论得MPa按第四理论强度得MPa（3）结论由于许

7、用拉应力[σ]＝212MPa均大于按第一、三、四强度理论所求得的计算应力σca，所以该构件强度足够，较为安全。但由于35钢塑性较好，故用三、四强度理论较合理。例1-3如图所示，某轴受弯矩M作用。已知：材料为优质碳素结构钢，其抗拉强度极限σB=600MPa；D=60mm；d=55mm；r=1.5mm；表面精车削加工（表面粗糙度Ra=1.6μm）；调质处理。求过渡圆角处的有效应力集中糸数kσ、绝对尺寸系数εσ和表面状态系数β。解（1）有效应力集中糸数kσ为求（D－d）/r=3.33及r/d=0.0273参数下的kσ值，须先从附表1-2中查出（D－d）/r=2以及r/d

8、=0.02