1、 1 第 一 章 绪 论 1、机器的基本组成要素是什么？ 【答】 机械系统总是由一些机构组成，每个机构又是由许多零件组成。所以，机器的基本组成要素就是机械零件。 2、什么是通用零件？什么是专用零件？试各举三个实例。 【答】 在各种机器中经常能用到的零件称为通用零件。如螺钉、齿轮、弹簧、链轮等。 在特定类型的机器中才能用到的零件称为专用零件。如汽轮机的叶片、内燃机的活塞、曲轴等。 3、在机械零件设计过程中，如何把握零件与机器的关系？ 【答】 在相互连接方面，机器与零件有着相互制约的关系； 在相对运动方面，机器中各个零件的 运动需要满足整个机器运动规律的要求； 在机器的性能方面，机器的整体性能依赖
2、于各个零件的性能，而每个零件的设计或选择又和机器整机的性能要求分不开。 二 机械设计总论 1、机器由哪三个基本组成部分组成？传动装置的作用是什么？ 【答】 机 器的三个基本组成部分是：原动机部分、执行部分和传动部分。 传动装置的作用：介于机器的原动机和执行部分之间，改变原动机提供的运动和动力参数，以满足执行部分的要求。 2、什么叫机械零件的失效？机械零件的主要失效形式有哪些？ 【答】 机械零件由于某种原因丧失工作 能力或达不到设计要求的性能称为失效。 机械零件的主要失效形式有 1）整体断裂； 2）过大的残余变形（塑性变形）； 3）零件的表面破坏，主要是腐蚀、磨损和接触疲劳； 4）破坏正常工作条
3、件引起的失效：有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，如果破坏了这些必要的条件，则将发生不同类型的失效，如带传动的打滑，高速转子由于共振而引起断裂，滑动轴承由于过热而引起的胶合等。 3、什么是机械零件的设计准则？机械零件的主要设计准则有哪些？ 【答】 机械零件的设计准则是指机械零件设计计算时应遵循的原则。 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？ 2 【答】 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：第段代表早期失效阶段，失效率由开始时很高的数值
4、急剧地下降到某一稳定的数值；第段代表正常使用阶段，失效率数值缓慢增长；第段代表损坏阶段，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？ 【答】 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？ 【答】 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
5、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
6、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 ,零件的工作情况； 3 2、 零件的尺寸及质量； 3、 零件结构的复杂程度及材料的加工可能性； 4、 材料的经济性； 5、 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？ 【答】 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
7、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。 三 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？ 【答】 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
8、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 1801 MPa，循环基数取 60 105N ， 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 mrrN NN0 得 N1 = 7000 时 M P a 6.3737000 105180 961011 1 mN NN 4 N2 = 25000 时 M P a 3.3
9、242 5 0 0 0105180 962011 2 mN NN N3 = 620000 时 M P a 0.2 2 76 2 0 0 0 01051 8 0 963011 3 mN NN 3、已知一材料的力学性能 260s MPa， 1701 MPa， 2.0 ，试 按比例绘制该材料的简化极限应力线图。 【解】 由公式 3-6 0 012 得 M P a 33.2 8 32.01 1 7 021 2 10 简化极限应力线图上各点的坐标分别为 ），（）；，（）；，（ 02 6 07.1 4 17.1 4 11 7 00 CDA 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
10、 2.1K ，零件危险截面上的平均应力 MPa 20m ，应力幅 MPa 30a ， 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 Cr 和 Cm 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 Cr 和 Cm 求出该截面的计算安全系数 caS 。 【解】 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： ），（），（；），（ 02 6 0),1.1 1 8,7.1 4 1(2.1 7.1 4 17.1 4 1)7.1 4 1,0(2.11 7 00 CDA 工作点 M 坐标为 )20,30(),( ma 2）标
11、出极限应力点 S1和 S2 Cr 和 Cm 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 Cr 和 Cm 求该截面的计算安全系数 caS 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： Cr 时 25.4202.0302.1 1701 maca KS Cm 时 17.3)2030(2.1 20)2.02.1(170)( )(1 ma mca K KS 5 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？ 【答】 膜厚比（ ）用来大致估计两滑动表面所处的摩擦（润滑）状态。 2/12221 m in )( qq RR h式中， minh
12、为两滑动粗糙表面间的最小公称油膜厚度， 1qR 、 2qR 分别为两表面轮廓的均方根偏差。 膜厚比 1 时，为边界摩擦（润滑）状态；当 31 时，为混合摩擦（润滑）状态；当 3 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？ 【答】 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
13、度缓慢，处于稳定状态； 3） 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？ 【答】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
14、、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？ 【答】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？ 【答】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 sPa （国际单位制）， 2cmsdyn (P 泊， cP 厘泊 )， St(斯 )， cSt（厘斯），
15、 tE （恩氏6 度）， SUS （赛氏通用秒） ， R （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？ 【答】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。 四 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？ 【答】普通螺纹：牙型为等边三角形，
16、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 0 ，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，
17、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？ 【答】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？ 【答】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
18、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。 7 【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： ）螺栓联接：有普通螺栓联接和铰制孔螺栓联接
19、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
20、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。 ）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？ 【答】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，
21、为何应制成凸台或沉头座？ 【答】 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 F 作用，外力 F 作用在包含 x 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？ 【解】 将 F 等效转化到底板面上，可知底板受到轴向力yF ，横向力 xF 和倾覆力矩 M 。 （ 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 max
22、p ； （ 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 0min p ； （ 4） 为防止底板向右滑移，应验算底板在横向力作用题 7 图 8 下是否会滑动，要求摩擦力 xf FF 。 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 3.0f ，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 F 。 【解】 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 2.1sK ，性能等级为 4.8 的碳钢 MPa 320s 。螺栓所需预紧力 0F 为fzi
23、FKF s 0因此，所能传递的最大载荷为 860 1012.12.1 123.0103 2 07.0 sKf z iFF N 正确解法： 1、 M12 的螺纹内径为 mm 106.101 d ； 2、 确定螺栓的预紧力 性能等级为 4.8 的碳钢 MPa 320s ，由题意，预紧力为47.07.0 2110 dAF ss 3、 由公式 FKfziF s0 2.13.012 sKfiz ，取， ，因此，该连接能传递的最大横向载荷为 N 93.8 9 8 34 1 0 6.103 2 07.02.1 123.0 20m ax sKf z i FF 9、受轴向载荷的紧螺栓连接，被连接钢板间采用橡胶垫
24、片。已知螺栓预紧力 150000 F N，当受轴向工作载荷 10000F N 时，求螺栓所受的总拉力及被连接件之间的残余预紧力。 【解】 采用橡胶垫片密封，取螺栓的相对刚度 9.0 mb bCC C由教材公式（ 5-18），螺栓总拉力 2 4 0 0 01 0 0 0 09.01 5 0 002 FCC CFF mb b N 由教材公式（ 5.15），残余预紧力为 1 4 0 0 01 0 0 0 02 4 0 0 021 FFF N 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。 题 8 图 F F 9 【答】 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
25、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？ 【答】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
26、般不会出现键的剪断。键的截面尺寸 hb 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 90120，而采用两个半圆键时，却布置在轴的同一母线上？ 【答】两个平键连接，一般沿周向相隔 180 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 12090 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 180 时，两个楔键的承载能力大体上只相当于一个
27、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 1000T 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。 【解】 （ 1）确定联轴器段的键 根据结构特点，选 A 型平键。由轴径 mmd 70 ，查手册得键的截面尺寸为 mmb 20 ， mmh 12 ，取键的公称长度 mmL 110 。 键的标记：键 1979-G B /T 1 0 6
28、9 11020 键的工作长度为 mmbLl 9020110 ，键与轮毂键槽接触高度为 mmhk 62/ ，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 MPap 55 ，则其挤压强度 题 4 图 10 5591.5270906 100010002102 3 pp M P aM P akldT 满足强度要求。 （注：该键也可以选择长度 125L mm。） （ 2）确定齿轮段的键 根据结构特点，选 A 型平键。由轴径 mm 90d ，查手册得键的截面尺寸为 mm 25b ，mm 14h ，取键的公称长度 mm 80L 。 键的标记：键 1979-G B /T1 0 6 9
29、 8025 键的工作长度为 mm 552580 bLl ，键与轮毂键槽接触高度为 mm 72/ hk ，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 MPa 110 p ，则其挤压强度M P a 1 1 0M P a 72.5790557 101 0 0 02102 33 pp k l dT 满足强度要求。 五 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）ffec eeFF /11 /112 0 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 1
30、20 度； （ 3） 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？ 【答】由公式（ 8-10） Ac2 可知，为避免过大的离心应力，带速不宜太高； 1） 由公式（ 8-3）和（ 8-4）可知，紧边拉力 PFFFF e 1 0 0 02 001 因此，为避免紧边过大的拉应力 AF11，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？ 【答】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。
