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1、东北大学专业硕士,机械设计基础第一章 机械设计基础知识思 考 题1-1 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?机械零件主要的主要失效形式有哪些?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
2、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:材料牌号材料名称抗拉强度极限B/ MPa屈服强度极限s / MPa延伸率5 / %硬 度HB弹性模量E / MPaHT200ZG270-500Q23545调质40CrQA19-41-2 已知
3、min500 MPa,a = 300 MPa,求 max,m,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Fa3000 N和径向力Fr6000N,支点间距L300 mm,轴的直径d50mm,求力Fr 作用面上的max,min,m,a,r,并画出变应力图。1-4 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0.43,若零件工作应力点M 恰在 OE 线上,其最大工作应力max426 MPa,最小工作应力min106 MPa,有效应力集中系数k1.42,绝对尺寸系数 0.91,表面状态系数 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
4、循环(循环特性 r-0.4)的两级应力(不稳定变应力)作用,第一级名义应力最大值 1500 MPa,作用105次,第二级名义应力最大值 2400 MPa,作用2105次,如该钢材的标准平滑试件试验得的 -1500 MPa,0 =800 MPa,循环基数 N0 = 107次,材料常数 m = 9,该零件的有效应力集中系数 k =1.62,绝对尺寸系数 0.83,表面状态系数 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 m = 20 MPa,应力幅 a = 30 MPa,试求最大应力 max 、最小应力 min 和循环特性 r。 解 最大应力为 ma
5、x =m + a = 20 + 30 = 50 MPa最小应力为 min = m - a = 20 - 30 = -10 MPa循环特性为 该变应力为非对称循环变应力。例1-2 某静止构件受弯曲应力 b150 MPa,扭转剪应力 r50 MPa;材料为35钢(B540 MPa,s320 MPa)。试分别用第一、三、四强度理论求计算应力 ca,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 s/B = 3205400.593,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 ca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
6、MPa(3)结论由于许用拉应力 212 MPa 均大于按第一、三、四强度理论所求得的计算应力 ca,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 B =600 MPa;D =60 mm;d =55 mm;r =1.5 mm;表面精车削加工(表面粗糙度Ra =1.6 m);调质处理。求过渡圆角处的有效应力集中糸数 k 、绝对尺寸系数 和表面状态系数 。解 (1)有效应力集中糸数 k为求(Dd)/r = 3.33 及 r/d = 0.0273 参数下的 k 值,须先从附表1-2中查
7、出(Dd)/r = 2 以及 r/d = 0.02 和0.03下的k值,然后通过插值计算才可求得所要求的 k 值。计算步骤如下: 查附表1-2,在(Dd)/r =2 和 B = 600 MPa 条件下,r/d = 0.02 时,k = 1.47,r/d = 0.03 时,k = 1.67;通过内插法可求得(Dd)/r = 2,r/d = 0.0273时的应力集中糸数为再查附表1-2,在(Dd)/r = 4 和 B = 600 MPa 条件下,r/d = 0.02 时,k =1.86,r/d = 0.03时,k =1.88;通过内插法可求得(Dd)/r = 4,r/d = 0.0273时的应力集
8、中糸数为最后再通过内插法计算即可求得(Dd)/r 3.33 和 r/d = 0.0273 时的有效应力集中糸数为(2)绝对尺寸糸数 查查附表1-4,当 d55 mm,材料为碳素结构钢时, = 0.81。(3)表面状态系数 查附表1-5,当材料的 B600 MPa 及表面精车削加工(Ra1.6 m)田寸,0.95。在疲劳强度计算中,应根据具体晴况选取 值。例如,零件表面只经过切削加工或不加工时,则应按附表1-5选取 值;若零件表面不仅机械加工而且经过强化工艺处理,则应按附表1-6 选取 值。例1-4 一优质碳素结构钢零件,其B560 MPa,s280 MPa,-1250 MPa。承受工作变应力
9、max155 MPa,min30 MPa。零件的有效应力集中系数 k = 1.65,绝对尺寸糸数 = 0.81,表面状态糸数 =0.95(精车)。如取许用安全系数S1.5。校核此零件的强度是否足够。解 (1)计算应力幅和平均应力 应力幅 MPa平均应力MPa(2)计算疲劳强度安全糸数椐表1.5查得等效糸数0.30(拉压应力,车削表面)。计算安全系数为(3)计算静强度安全糸数 由上述计算结果可知,该零件的疲劳强度和静强度安全系数均大于许用安全糸数S1.5,故零件强度足够。 例1-5 一转轴受规律性非稳定非对称循环变应力作用,其各级变应力的a和m初的名义值见下表的第二、第三列。各级变应力的循环次数
10、见第四列。材料力45钢调质,-1250MPa,m9,N0107。k = 1.76, = 0.78,表面状态糸数 =0.95,0.34。许用安全糸数S1.5。求该轴的计算安全糸数S。解 (1)计算各级变应力的当量应力i根据式(1-33) i 的计算结果见下表的第五列。例1-5表 MPa应力级序号应力幅a平均应力m循环次数ni当量应力i12312011090202020310471044106292268220.6(2)求当量应力循环次数Nv因 3 小干材料的-1,故对零件不会造成疲劳损伤,在求Nv时不计入。根据式(1-39) (3)求寿命糸数KN根椐式(1-40)(4)求计算安全糸数S根据式(1
11、-41)结论:该转轴疲劳强度足够安全。第二章 螺纹联接及轴毂联接思 考 题2-1 常用螺纹有哪些类型?其中哪些用于联接,哪些用于传动,为什么?哪些是标准螺纹?2-2 螺纹联接预紧的目的是什么?如何控制预紧力?2-3 拧紧螺母时,螺栓和被联接件各受什么载荷?拧紧力矩要克服哪些阻力矩?2-4 联接螺纹能满足自锁条件,为什么在设计螺纹联接时还要考虑防松问题?根据防松原理,防松分哪几类?可拆卸的防松中哪类工作可靠,为什么?2-5 在受横向载荷的螺纹联接中,螺栓是否一定受剪切?为什么?2-6 为改善螺纹牙上载荷分配不均现象,常采用悬置螺母或内斜螺母,试分析其原因。2-7 画出题2-7图中各螺纹联接的正确
12、结构并选择标准螺纹联接件。2-8 平键的标准截面尺寸如何确定?键的长度如何确定?2-9 矩形花键和渐开线花键如何定心? 2-10 过盈配合联接中有哪几种装配方法?哪种方法能获得较高的联接紧固性?为什么?2-11 影响过盈配合联接承载能力的因素有哪些?为提高承载能力可采取什么措施? 习 题2-1 用图示的扳手拧紧M16的螺母,扳手有效长度L= 400 mm,求实现预紧力 QP =13500 N 的拧紧力F。2-2 图示为普通螺栓组联接,载荷R5000 N,L280 mm,l100 mm,接合面间的摩擦系数 f0.3。试确定预紧力。2-3 如图所示,用六个M16的普通螺栓联接的钢制液压油缸,螺栓8.8级,安全系数S3,缸内油压 p2.5 MPa,为保证紧密性要求,剩余预紧力Qp1.5F。求预紧力的取值范围。(缸盖与油缸结合面处采用金属垫片)2-4 图示减速器端盖用四个螺钉固定在铸铁箱体上,端盖与箱体间采用金属垫片。端盖受轴向载荷F6000 N,试确定预紧力及螺钉直径。2-5 在图示的夹紧联接中,柄部承受载荷P600 N,柄长L350 mm,轴直径db60mm,螺栓个数 z2,接合面摩擦系数 f0.15,试确定螺栓直径。2-6 在图示的气缸盖联接中,气缸内径 D400 mm,螺栓个数z16,