机械设计总复习

机械设计2016年《机械设计》期末考试考试题型及分值分配一、选择题（25分）：每题1分共25分二、简答题（25分）：4小题共计25分三、计算题（40分）：4大题共计40分四、改错题（10分）：1小题共计10分第一章知识回顾和问题知识回顾:1、知道了“学什么，为什么学，如何学”的问题；2、几个名词和概念；（失效、承载能力、计算（许用）安全系数等）3、机械设计的总体原则和一般程序；4、零件设计的一般程序。问题：1、本课程的研究对象是什么？主要任务是什么？2、从功能方面谈谈机械的组成。3、什么叫机械零部件的失效？第二章知识回顾和问题知识回顾:1.稳定循环变应力的基本参数

共有５个基本参数，知其２就能求其他5.应力循环特性1.最大应力2.最小应力3.平均应力4.应力幅典型的疲劳曲线如右图所示：

可以看出：随N的增大而减小。但是当N

超过某一循环次数N0

时，曲线趋于水平。即不再随N的增大而减小。N0

-----循环基数。

以N0为界，曲线分为两个区：1）无限寿命区：当N≥N0时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，用表示。它是表征材料疲劳强度的重要指标，是疲劳设计的基本依据。s－N疲劳曲线有限寿命区无限寿命区CDs－N疲劳曲线有限寿命区无限寿命区CD低周疲劳高周疲劳借助极限应力图，可得到各种循环特征值r下的疲劳极限smsao每一r

值，实验可得相应的疲劳极限sr

而sr=sa+smA’C曲线A’C’即为材料的极限应力图E’点所对应的循环特征值r为多少？s’ms’aE’a特殊点A’和C’A’（）0，s-1C（）,0s+1塑性材料：C（）,0ss脆性材料：C（）,0sbD’45oD（），s02s02其上任一点E’的纵、横坐标之和，即为材料在该点所对应的r下的疲劳极限(不同循环特征r时的材料的疲劳极限)

二．材料的极限应力曲线D’（），s02s02A’——对称疲劳极限点D’——脉动循环疲劳极限点C——屈服（强度）极限点为简便求出各种材料在不同循环特征r的疲劳极限，一般采用简化的极限应力图smsaoCD’45o对于塑性材料：取三点（分别对应三个r值）A’（）0，s-1D’（），s02s02G'（），0ssA’G’45o折线A’D’G’C为简化的极限应力曲线a'作法：考虑材料的最大应力不超过疲劳极限，得A’D’

及延长线,考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，得G’C对称疲劳极限点

脉动疲劳极限点

屈服极限点

总结：材料的极限应力线图的简化

A'D'G'C线已知σ-1、σ0、σs(循环次数N=N0时)作图如下：1·找A’，D’、C（σs，0）三点。

2·连接A’D’并延长。

3·过C作与横轴成45°的直线与

A’D’连线或其延长线交于G’点。

折线A’G’C即为材料的极限应力曲线做疲劳寿命实验时，材料试件是一种特殊的结构，而实际零件的几何形状、尺寸大小、加工质量及强化因素等与试件有区别，使得零件的疲劳极限要低于试件的疲劳极限1.零件的疲劳极限需考虑零件上的应力集中、绝对尺寸和表面状态这些因素的影响

零件受载时，由于几何形状或外形尺寸发生突变，而引起局部应力显著增大的现象——其影响用ks(kt)来考虑若同时有几个不同的应力集中源，选最大值计算◆

应力集中如：孔、圆角、键槽、螺纹等具体取值查附表3-1~3-6§3-2

机械零件的疲劳强度kσ＞１绝对尺寸越大，极限应力越小其影响用es(et)来考虑◆

绝对尺寸尺寸越大，晶粒越粗，出现缺陷的概率增加具体取值查附图3-2，附表3-7，3-8同时，冷作硬化层相对较薄表面光滑或经过表面处理可提高疲劳极限◆

表面质量其影响用b

来考虑，具体取值查附图3-4，附表3-9~3-11

加工质量βσ＜１（加工质量越高，βσ越大）强化因素βq>1εσ＜１（尺寸越大，εσ越小）q1)11k(Kbbessss-+=综合影响系数有效应力集中系数尺寸系数表面质量系数强化系数敏化系数理论应力集中系数D’G’CA’材料零件2.零件的极限应力线图——ADGC线ADG

将零件材料的极限应力线图中的直线A'D'G'按比例向下移，成为右图所示的直线ADG，而极限应力曲线的CG

部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正。这样就得到了零件的极限应力线图。注：线段AG和A’G’不平行！1）坐标点及其坐标值的变化三个特征坐标说明1·Kσ为综合影响系数，只影响σa2·Kσ只影响AG线的位置。2）作图已知σ-1、σ0、σs、

Kσ、根据公式计算出A、D坐标值作图如下：1·找A、D两点。

A（0，σ-1e），D（σ0/2，σ0e/2）

2·连接AD并延长与CG交于G点，

折线AGC即为零件的极限应力曲线。

具体作图过程如下页所示D’G’CA’材料零件ADG2、单向稳定变应力时的疲劳强度计算：γ=C、σm=C、σmin=C的疲劳强度校核。判断零件的应力变化规律1计算出σm和σa3表示工作应力点4判断工作应力力点所在区域5计算出极限应力6求出危险截面的σmax和σmin2CAG从O点出发的斜直线OM上r相同3．单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算CAG极限应力当前应力量出纵横坐标值并计算得安全系数SCAG极限应力当前应力量出纵横坐标值并计算得安全系数SCAG极限应力当前应力量出纵横坐标值并计算得安全系数SG点左侧CAG极限应力当前应力量出纵横坐标值并计算得安全系数SG点右侧CAGK例1：已知某零件材料的机械性能为：（1）试画出材料的简化极限应力图。（2）如果疲劳强度综合影响系数，绘制此零件的简化极限应力图。（3）若零件所受的最大应力为，应力循环特性系数为，求平均应力和应力幅并在图中标出应力点。（4）在上述情况下零件的安全系数为多少？解：0800600500500A’D’G’C0800600500500300A’D’G’CADG0800600500500300注意:零件的图线与材料的图线斜率不同A’D’G’CADG0800600500500300200300390260A’D’G’CADGMM’0800600500500300200300390260A’D’G’CADGMM’0800600500500300200300的情况下安全系数?A’D’G’CADGMM’0800600500500300200300350260为常数的情况下安全系数?A’D’G’CADGMM’知识回顾和问题问题:1、机械零件的强度条件？2、单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度如何计算？σ≤[σ]，τ≤[τ]或Sσ≥[S]σ，Sτ≥[S]τ第三章知识回顾和问题知识回顾:1、单个螺栓连接的强度计算：失效形式、松（紧）螺栓连接；2、螺纹连接的预紧与防松；3、螺纹连接的类型及螺纹连接件；4、螺纹的形成及分类。问题：1、按照牙型，螺纹可以分为哪些类型，特点？2、螺纹连接的主要类型有哪些？3、螺纹连接预紧和防松的目的是什么？4、单个螺栓连接的失效形式是什么？5、提高螺纹连接强度的措施？知识回顾和问题1、单个螺栓连接的强度计算，F0、F2，5点讨论；2、螺栓组连接的设计—受横向载荷螺栓组连接，受轴向载荷螺栓组连接，受扭矩螺栓组连接；受倾覆力矩螺栓组连接；3、提高螺栓连接强度的措施（主要四个方面）；4、预紧力F0=?总载荷F2=?FF1F2★★求总拉力F2的二种情况：(1)由F2＝F1+F求：当有刚性或紧密性要求时不产生缝隙至少F1>0推荐：(2)由求★★受轴向变载荷（工作拉力）作用的紧螺栓联接的计算不仅要进行静强度计算，还要进行疲劳强度计算。例：某气缸缸体与缸盖间用10个M20（d1=17.294mm）的普通螺栓联接。缸体内径D＝250mm，缸内工作压力p为0～1MPa之间变化，螺栓的屈服极限σS=340MPa,安全系数取S=2。1）若结合面上的残余预紧力F1为工作载荷的1.5倍，试校核该螺栓的静强度。2）仍按上述条件，计算汽缸工作时螺栓危险剖面上的最大拉应力，最小拉应力，平均应力和应力幅.（已知螺栓的相对刚度0.5）

校核该螺栓的静强度螺栓总拉力:计算静强度(计入切应力):安全螺栓应力在F2与F0之间波动第六章知识回顾和问题知识回顾:1、键连接的类型和构造；2、键连接的强度校核，键的选择；3、键连接的失效形式。知识回顾和问题问题:1、平键联接的失效形式是什么？经校核若强度不够时，应采取哪些措施？2、普通平键的工作面是什么？1）带传动的类型、工作原理、特点、应用。2）带传动的受力分析、应力分析与应力分布图、弹性滑动和打滑的基本理论。3）带传动的失效形式、设计准则、普通V带传动的设计计算方法和参数选择原则，带的张紧。

问题：4）带传动的设计步骤与方法是什么？

1）弹性打滑与打滑有何区别？2）选取小带轮直径的依据？为什么要限制带轮最小直径？3）带传动的主要失效形式是什么？第八章知识回顾和问题三、设计数据及内容设计数据设计内容四、设计步骤与方法②根据Pca、n1选择带型号①确定计算功率Pca

：

P、n1、n2(i)

传动位置要求（中心距a）工作条件等

带：型号、根数、长度轮：直径、结构尺寸轴压力Q等小轮直径D1min，要求D1≥D1min验算带速V③定带轮直径D1和D2工作情况系数见表8-7根据计算功率查表要求:最佳带速V=20~25m/s

V太小:

由P=FeV可知，传递同样功率P时，圆周力Fe太大，寿命↓V太大:

离心力太大，带与轮的正压力减小，摩擦力↓，承载能力↓知识回顾和问题④求中心距a和带的基准长度Ld

b)由a0定计算长度:c)按相关表定相近的基准长度Ld

a)初选a0：

d)由Ld求实际中心距:e)考虑到中心距调整、补偿F0，中心距a应有一个范围。

⑤验算小轮包角:不满足则采取措施：1）a↑(i一定)2）加张紧轮⑥计算带的根数Z：⑧求带作用于轴的压力Q

⑦确定带的初拉力F0（单根带）

q单位带长的质量知识回顾和问题评价——ZVFQF0a小2~410~20小适当>120°知识回顾和问题1）齿轮传动的设计准则。2）齿轮传动的计算载荷。

3）直齿圆柱齿轮轮齿受力分析和齿根弯曲疲劳强度计算。问题：3）如何进行直齿圆柱齿轮受力分析？

1）齿轮传动的设计准则是什么？2）载荷系数K代表的意义是什么？4）齿根弯曲疲劳强度计算的校核公式中有哪些影响参数？Fnc=KFn载荷系数：

第十章知识回顾和问题1、直齿圆柱齿轮传动的强度计算：轮齿的受力分析，齿根弯曲疲劳强度计算和齿面接触疲劳强度计算。2、强度计算的计算说明，设计参数的选择，齿轮精度等级；3、标准斜齿轮和标准锥齿轮的强度计算；1、在齿根弯曲疲劳强度计算的设计公式中相关参数如何取？K、Z1、Φd、YFaYSa/[σ]F122、如图所示一对标准斜齿圆柱齿轮传动，分析主动轮（右旋）1的轴向力？ω1知识回顾和问题问题：1、齿轮传动的失效形式；1）轮齿折断——闭式硬齿面齿轮的主要失效形式

2）齿面疲劳点蚀——闭式软齿面齿轮的主要失效形式

3）齿面磨损——开式齿轮的主要失效形式4）齿面胶合——高速重载齿轮的主要失效形式

5）齿面塑性变形——低速重载齿轮的主要失效形式知识回顾和问题齿面接触疲劳强度准则齿根弯曲疲劳强度准则软齿面齿轮（HBS≤350）

硬齿面齿轮（HBS>350）

闭式齿轮传动齿面疲劳点蚀齿根弯曲疲劳折断开式齿轮传动齿面磨损增大m和降低许用弯曲应力2、齿轮传动的设计准则；知识回顾和问题3、齿轮传动的载荷计算；载荷系数：

工作情况系数

动载荷系数

齿向载荷分布系数

齿间载荷分配系数

知识回顾和问题1）齿向载荷分布系数Kβ的主要影响因素是什么？影响因素(1)支承情况对称布置——好非对称布置——差悬臂布置——差(2)齿轮宽度↑齿向载荷分布系数↑(3)齿面硬度越高，越易偏载，齿面较软时有变形退让。(4)制造、安装精度越高，齿向载荷分布系数越小。知识回顾和问题1)在齿根弯曲疲劳强度计算的设计公式中相关参数如何取？K、Z1、YFaYSa/[σ]F4、齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度计算公式参数表示的意义；知识回顾和问题一对相啮合两个大小齿轮，其齿根弯曲应力大小一样吗？∵z1<z2但由于YFa的变化程度更剧烈一些，因此弯曲应力与弯曲强度弯曲应力：一对相啮合的大小两轮，其弯曲强度是否一样？故：一对齿轮的弯曲强度通常不等当时，两者强度才相等弯曲强度：一般小齿轮选材较好但小轮根部较弱较大大、小齿轮分别校核试验齿轮的弯曲疲劳极限弯曲强度计算的寿命系数弯曲强度计算的最小安全系数

弯曲强度计算中，因大、小齿轮的[σF]、YFa、YSa

值不同，故按此强度准则设计齿轮传动时，公式中应代和中较大者。校核弯曲疲劳强度：按弯曲疲劳强度进行设计：取两者中的大值代入向上圆整为标准值2)接触疲劳强度的设计公式：

知识回顾和问题一样大，作用与反作用的关系!一对相啮合的大小两轮，其接触应力一样吗？即配对齿轮：齿面接触疲劳强度计算时配对齿轮：所以配对齿轮均为硬齿面时，两轮的材料、热处理方法及硬度均可取成一样，设计时可分别按齿根弯曲疲劳强度及齿面接触疲劳强度的设计公式进行计算，并取其中较大者作为设计结果。应按其中较小值设计齿轮传动的强度计算说明与材料、热处理、应力循环次数有关由知注意：齿面接触疲劳强度主要取决于分度圆直径dd越大，

接触强度越高

σH越小,齿宽b

的大小应适当，b过大会引起偏载(Fn

减小;齿廓平直)模数

m的大小对接触强度无直接影响

d1＝mz1两齿轮的接触应力相等，σH1＝σH2齿宽系数根据具体情况选取因σH1=σH2，而[σH]1≠[σH]2故一对齿轮传动时，接触强度通常不等。[σH]

越小，强度越低，应按强度低的齿轮设计提高齿面接触疲劳强度的主要措施：•加大齿轮直径或中心距•适当加大b或d•正变位•改善材料•提高齿轮的精度等级•改善热处理，提高齿面硬度两个齿轮的宽度一样吗？为保证有效啮合宽度，保证接触线长度，降低装配难度，取b1=b2+(5~10)mmb2=

d

d1b1=b2b1>b2—影响最大的几何因素为什么不用增大模数的方法减小接触应力?补充作业35.35Kw1）如图所示一对标准斜齿圆柱齿轮传动，分析主动轮（右旋）1的轴向力？12ω1Ft1=－Ft2Fr1=－Fr2Fa1=－Fa2主从动轮受力大小相等、方向相反。Fn1=－Fn25、斜齿圆柱齿轮传动轮齿的受力分析；径向力：

圆周力：轴向力：

法向力：

知识回顾和问题力的方向：Ft和Fr：轴向力Fa：同直齿圆柱齿轮主动轮的Fa1用左右手法则判定由齿轮螺旋线旋向和转动方向共同决定“齿轮左旋用左手，右旋用右手。弯曲四指为转动方向，大拇指指向为Fa1方向”Ft1Fr1Fa1主动轮从动轮的Fa2与Fa1方向相反力的对应关系：例：n1n212主视图右旋左旋Fa2Fa1Ft1Ft2Fr2Fr1n2n1左视图Fa1Fa2Ft1Ft2Fr2Fr1①左右手法则只适用于主动轮，应判断主动轮②作用力的位置应在啮合点处。注意1、蜗杆传动类型，特点及应用；2、普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算;3、蜗杆传动的失效形式、设计准则，常用材料及选择原则，蜗杆传动的受力分析。径向力Fr

——指向各自轴线。轴向力Fa1——蜗杆左(右)手螺旋定则。圆周力Ft——主反从同。圆周力：

轴向力：

径向力：

蜗杆主动时：

知识回顾和问题模数m和压力角a蜗杆分度圆直径d1和直径系数q传动比i和齿数比u◆

力的大小FnFr1FfangFt1Fa1a左旋伸左手,右旋伸右手,四指沿主动蜗杆转向抓握,伸出拇指为主动轮受轴向力的方向.Fa1n1◆

力的方向各分力方向判断口诀

1.径向力，指圆心；2.切向力，主相反，从相同；3.轴向力，左右手法则。难点

1.受力方向的判断2.旋转方向的判断（根据受力方向）注意：蜗杆和蜗轮各分力方向之间的关系：ω2ω2ar1r212pv212pv2Fa1Fa1Ft2Ft2蜗杆传动的类型一般采用右旋。两者原理相同，计算方法也相同，只是作用力的方向不同（径向力除外）。单头：主要用于传动比较大的场合。但传动效率较低。要求自锁的传动必须采用单头。多头：主要用于传动比不大和要求效率较高的场合。但蜗杆头数过多时不易加工。通常蜗杆头数取为1、2、4、6。按蜗杆螺旋线不同分类按蜗杆头数不同分类3、下图所示传动机构，确定各轴的回转方向，蜗轮轮齿的螺旋方向，蜗轮蜗杆所受各力的方向和位置。1234右旋蜗杆（主动）ХХ1、确定蜗杆的头数zl

和蜗轮的齿数z2

应考虑哪些因素？

2、阿基米德蜗杆与蜗轮的正确啮合的条件？知识回顾和问题例题：在图示传动系统中，件1和2均为斜齿圆柱齿轮，件3为蜗杆，件4为蜗轮。已知齿轮1轮齿螺旋线方向为左旋，其转向如图所示，输入轴转速n1=960r/min，输入功率P=3kW，齿轮齿数，Z1=21，Z2=62，法向模数mn=2.5mm，分度圆螺旋角β=8.849725，分度圆柱上的法面压力角αn=20。知识回顾和问题1）齿轮2的轮齿螺旋线方向是

旋。（1分）2）在图中画出齿轮1、齿轮2在节点A所受的轴向力Fa1和Fa2、圆周力Ft1和Ft2、径向力Fr1和Fr2的方向并计算其大小。（6分）3）为使在Ⅱ轴上的齿轮2与蜗杆3的轴向力相互抵消一部分，蜗杆3的螺旋线方向应该是

旋，并在图中画出蜗杆的旋向；在节点B处画出蜗杆3所受的轴向力、圆周力和径向力的方向，在节点B处画出蜗轮4所受的圆周力和径向力的方向，在图中画出蜗轮4的转动方向。（8分）知识回顾和问题请回答下列问题：（1分）（1分）3）右旋；（1分），画出螺旋线方向(1分)蜗杆3和蜗轮4所受个分力方向如图所示，蜗轮4的转动方向如图所示。(6分)解：1）右旋。（1分）（1分）（1分）2）知识回顾和问题Fa1Fa2Fr1Fr2·Ft1×Ft1Fa3Ft4Fr4Fr3·Ft3n4×Fa4知识回顾和问题4、轴的结构设计，包括轴设计的要求和内容、轴上零件的轴向定位和周向定位。3、轴的失效形式和设计准则；2、轴的材料及其选择原则；1、轴的分类及转轴在汽车中的应用；1、轴的设计主要包括哪些方面的内容？其要求如何？2、轴的主要失效形式是什么？如何进行轴的设计即设计准则？3、如何对轴上零件进行轴向定位和周向定位？第十五章知识回顾和问题问题：轴的类型按受载性质分：心轴——只承受弯矩而不承受转矩的轴，如自行车轮轴。按轴转动与否，又可分为转动心轴和固定心轴。传动轴——指只受转矩不受弯矩或受很小弯矩的轴，如联接汽车发动机输出轴和后桥的轴。转轴——指既受弯矩又受转矩的轴，转轴在各种机器中最为常见。转轴：M+T；心轴：M；传动轴：T转轴心轴传动轴只受弯矩M只受扭矩T既受弯矩M，又受扭矩T转动心轴固定心轴2、轴的材料及其选择；碳素钢——35,45,50钢(正火或调质)，常用45#。合金钢——力学性能高，贵，多用于有特殊要求的轴。3、轴的失效形式和设计准则；失效形式：疲劳断裂、塑性变形、脆性断裂、过度磨损和振动。设计准则：1）适合的材料、毛坯形式和热处理方法；2）合理结构及尺寸，即进行轴的结构设计；3）强度计算和校核；4）刚度计算；5）振动稳定性计算。4、轴的结构设计：设计要求、设计内容、轴向定位、周向定位；5、各轴段长度、直径和轴的结构工艺性；6、轴的强度计算1）按扭转强度条件计算（按许用切应力计算）2）按弯扭合成强度条件计算（按许用弯曲应力计算）知识回顾和问题7、轴的刚度及振动稳定性；8、轴的设计步骤：1）、2）、3）、4）、5）、6）、7）9、提高轴的强度、刚度和减轻轴的重量的措施。

知识回顾和问题1、完成图中轴系部件结构。知识回顾和问题2、图中有12处错误，请你指出来，并说明原因。知识回顾和问题知识回顾：1、滑动轴承在汽车中的应用；4、滑动轴承的失效形式。3、滑动轴承油槽设计基本要求；2、滑动轴承的材料及轴瓦结构；问题：1、滑动轴承的材料，轴瓦的材料主要有哪些？如何选择？2、滑动轴承油槽（沟）设计的基本要求是什么？3、滑动轴承的主要失效形式是什么？第十二章滑动轴承2、非全液体润滑径向滑动轴承的计算；3、滚动轴承的类型与特点；4、滚动轴承的代号；问题：1、非全液体润滑径向滑动轴承的简化计算法的主要内容是什么？2、根据接触角不同滚动轴承主要分为哪几种类型？3、代号为7208AC轴承所表示的意义是什么？1、滑动轴承的润滑；知识回顾和问题1、滚动轴承的选择原则；

2、滚动轴承的受力分析、失效形式和计算准则；

3、滚动轴承的动载荷和寿命计算。问题：2、滚动轴承的失效形式和计算准则是什么？1、滚动轴承的主要选择原则是什么？3、某轴装有一个斜齿轮，两端支承为7206B轴承，假如已知斜齿轮的轴向力和径向力以及周向力，如何计算这一对轴承的寿命呢？P=fp（XFr+YFa）知识回顾和问题如图所示，某轴由一对7209AC轴承支承，轴承采用面对面安装形式。已知两轴承径向载荷分别为Fr1=3000N，Fr2=4000N，轴上作用有轴向外载荷Fa=1800N。载荷平稳，在室温下工作，转速n=1000r/min