1、机械设计作业集（第四版）解题指南西北工业大学机电学院2012.7前言本书是高等教育出版社出版、西北工业大学濮良贵、纪名刚主编机械设计（第八版）和李育锡主编机械设计作业集（第三版）的配套教学参考书，其编写目的是为了帮助青年教师使用好上述两本教材，并为教师批改作业提供方便。本书是机械设计课程教师的教学参考书，也可供自学机械设计课程的读者和考研学生参考。机械设计作业集已经使用多年，希望广大教师将使用中发现的问题和错误、希望增加或删去的作业题、以及对机械设计作业集的改进建议告知编者（电子信箱： ），我们会认真参考，努力改进。本书由李育锡编写，由于编者水平所限，误漏之处在所难免，敬请广大使用者批评指正。
2、编者2012.7目录第三章 机械零件的强度（1）第四章 摩擦、磨损及润滑概述（5）第五章 螺纹连接和螺旋传动（6）第六章 键、花键、无键连接和销连接（9）第七章 铆接、焊接、胶接和过盈连接（11）第八章 带传动（15）第九章 链传动（18）第十章 齿轮传动（19）第十一章 蜗杆传动（24）第十二章 滑动轴承（28）第十三章 滚动轴承（30）第十四章 联轴器和离合器（34）第十五章 轴（36）第十六章 弹簧（41）机械设计自测试题（43）第三章 机械零件的强度31 表面化学热处理 ；高频表面淬火 ；表面硬化加工 ；3 2 （3） ；33 截面形状突变 ；增大 ； 34 （1） ；（1） ； 35
3、 （1） ；36 答：零件上的应力接近屈服极限，疲劳破坏发生在应力循环次数在 10310 4范围内，零件破坏断口处有塑性变形的特征，这种疲劳破坏称为低周疲劳破坏，例如飞机起落架、火箭发射架中的零件。零件上的应力远低于屈服极限，疲劳破坏发生在应力循环次数大于 10 4时，零件破坏断口处无塑性变形的特征，这种疲劳破坏称为高周疲劳破坏，例如一般机械上的齿轮、轴承、螺栓等通用零件。37 答：材料的持久疲劳极限 r 所对应的循环次数为 N D，不同的材料有不同的 N D值，有时 N D很大。为了便于材料的疲劳试验，人为地规定一个循环次数 N 0，称为循环基数，所对应的极限应力 r称为材料的疲劳极限。 r
4、 和 N D为材料所固有的性质，通常是不知道的，在设计计算时，当 N N0时，则取rN= r。38 答：图 a 中 A 点为静应力， r = 1 。图 b 中 A 点为对称循环变应力， r = 1。图 c 中 A 点为不对称循环变应力， 1 103时，在一定的应力变化规律下，如果极限应力点落在极限应力线图中的屈服曲线 GC 上时，也应按静强度条件计算；如果极限应力点落在极限应力线图中的疲劳曲线 AG 上时，则应按疲劳强度条件计算；312 答：在单向稳定变应力下工作的零件，应当在零件的极限应力线图中，根据零件的应力变化规律，由计算的方法或由作图的方法确定其极限应力。313 答：该假说认为零件在每
5、次循环变应力作用下，造成的损伤程度是可以累加的。应力循环次数增加，损伤程度也增加，两者满足线性关系。当损伤达到 100时，零件发生疲劳破坏。疲劳损伤线性累积假说的数学表达式为n i/Ni1。314 答：首先求出在单向应力状态下的计算安全系数，即求出只承受法向应力时的计算安全系数 S和只承受切向应力时的计算安全系数 S，然后由公式（335）求出在双向应力状态下的计算安全系数 Sca，要求 S caS（设计安全系数）。315 答：影响机械零件疲劳强度的主要因素有零件的应力集中大小，零件的尺寸，零件的表面质量以及零件的强化方式。提高的措施是：1）降低零件应力集中的影响；2）提高零件的表面质量；3）对
6、零件进行热处理和强化处理；4）选用疲劳强度高的材料；5）尽可能地减少或消除零件表面的初始裂纹等。316 答：结构内部裂纹和缺陷的存在是导致低应力断裂的内在原因。317 答：应力强度因子 K I表征裂纹顶端附近应力场的强弱，平面应变断裂韧度 K IC表征材料阻止裂纹失稳扩展的能力。若 K I K IC，则裂纹不会失稳扩散；若 KI K IC，则裂纹将失稳扩展。318 解：已知 B= 750MPa ， s= 550MPa ， 1=350MPa ，由公式（3-3），各对应循环次数下的疲劳极限分别为 1N 1= m N09= 350 5 106= 583 .8 MPa 因此，取 1N1 =550MPa
7、 = s1 N1 5 10946s 1N 2=m1 mNN02 = 350 5 105 1095 = 452 MPa = N 0 = 350 5 106= 271 MPa 因此，取 N1 3N1 3= 350MPa = 1 。1 N 3 5 1071319 解：1确定有效应力集中系数、尺寸系数和表面质量系数查附表 32，由 D / d = 48 / 40 = 1.2 ， r / d = 3/ 40 = 0.075 ，用线性插值法计算 和 。(0.075 0.04 ) (1.62 2.09 ) =2.09 + =1 .66 +0 .10 0 .04(0 .075 0 .04 ) (1.33 1
8、.66 )0 .10 0 .04= 1.82= 1 .47查附图 31，由 B= 650MPa ， r = 3mm ，查得 q = 0.84 ， q = 0.86，由公式（附 34），有效应力集中系数k = 1+ q ( 1) = 1+ 0.84 (1.82 1) = 1.69k = 1 + (q 1) = 1 + 0.86 (1.47 1) = 1.40查附图 32，取 =0.77 。查附图 33，取 =0.86 。查附图 34，取 =0.86 。零件不强化处理，则 q= 1 。2计算综合影响系数由公式（3-12）和（3-14b ），综合影响系数K = (k + 1 1)1= (1.69 +
9、 1 1)1 =2.36 q 0.77 0.86 1K = (k + 1 1)1= (1.40 + 1 11) =1.79320 解：1计算法 q 0.86 0.86 1已知 max= 190MPa ， min= 110MPa ， m和 a分别为 + 190 110m= max min=+=150MPa2 2 190 110a=由公式（3-21），计算安全系数max min = =40MPa2 2Sca= +1( )K m = 300 + (2.0 0.2) 150=1.52图解法 K ( +m a ) 2.0 (150 + 40)由公式（3-6 ）知，脉动循环的疲劳极限 0为2 1 2 30
10、0 0=1+ =1+ 0.2=500MPa 5001 =300=K2.0150MPa； 2 K0 = 2 2 . 0 = 125 MPa根据点 A （0，150）、点 D （250，125）和点 C （360，0）绘出零件的极限应力线图。过工作应力点 M （150，40），作垂线交 AG 线于 M 点，则计算安全系数 + = M M =+150 135=Sca m + a + 1.5M M 150 40m a321 解：1求计算安全系数 S ca题解 320 图由公式（3-31），由于 3 1 ，对材料的寿命无影响，故略去。计算应力 =m 1Z 9 1 9 =ca N0 i=1m =nii5
11、106(104 5009+ 105 400 )3275.5MPa由公式（333），试件的计算安全系数 Sca= 1 =350= 1.272求试件破坏前的循环次数 nca 275.5由公式（31 a）各疲劳极限 rN所对应的循环次数 N 分别为N1= N06 350 9 =( 1)m = 5 10 (1500 ) 201768N = N 350 =2 0 ( 1 )m= 5 106(2400350)91503289N = N0 6 9 =( 1)m = 5 10 (由公式（328），试件破坏前的循环次数450 ) 520799n1n = (1 n2 410 510 5322 解：N1 N2 )N
12、 = (1 )520799= 460343 4.6 10201768 15032891计算平均应力和应力幅材料的弯曲应力和扭转切应力分别为Mb= =M = 300 103= 46.88MPaWT0.1d3T0.1 4033 = WT = 0 .2d 3 = 800 100 .2 403 = 62.5MPa弯曲应力为对称循环变应力，故 m= 0 ， a= b= 46.88MPa 。扭转切应力为脉动循环变应力，故 m= a= 0.5 = 0.5 62.5= 31.25MPa。2求计算安全系数由公式（317），零件承受单向应力时的计算安全系数S= 1+ =355 = 3.44S = K a 1 m=2.2 46.88 + 0.2 0200 = 3.37 K a+m 1.8 31.25 + 0.1 31.25由公式（335），零件承受双向应力时的计算安全系数Sca =S S 2 2= 3.44 3.372= 2.41323 答：由式（344），可靠性系数为=+S S rs=3.442+ 3.37600 525= 1.52 + 2 2+ 2 40 30r s由附表 312 查得对应的可靠度 R= (1.5)=0.933194
