【正文】 .. .. .. ..《機械設(shè)計作業(yè)集》（第四版）解題指南西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院前言本書是高等教育出版社出版、西北工業(yè)大學(xué)濮良貴、紀名剛主編《機械設(shè)計》（第八版）和李育錫主編《機械設(shè)計作業(yè)集》（第三版）的配套教學(xué)參考書，其編寫目的是為了幫助青年教師使用好上述兩本教材，并為教師批改作業(yè)提供方便。本書是機械設(shè)計課程教師的教學(xué)參考書，也可供自學(xué)機械設(shè)計課程的讀者和考研學(xué)生參考。《機械設(shè)計作業(yè)集》已經(jīng)使用多年，希望廣大教師將使用中發(fā)現(xiàn)的問題和錯誤、希望增加或刪去的作業(yè)題、以及對《機械設(shè)計作業(yè)集》的改進建議告知編者（電子信箱：liyuxi05@），我們會認真參考，努力改進。本書由李育錫編寫，由于編者水平所限，誤漏之處在所難免，敬請廣大使用者批評指正。編者目錄第三章 機械零件的強度………………………………………（1）第四章 摩擦、磨損及潤滑概述………………………………（5）第五章 螺紋連接和螺旋傳動…………………………………（6）第六章 鍵、花鍵、無鍵連接和銷連接………………………（9）第七章 鉚接、焊接、膠接和過盈連接………………………（11）第八章 帶傳動…………………………………………………（15）第九章 鏈傳動…………………………………………………（18）第十章 齒輪傳動………………………………………………（19）第十一章 蝸桿傳動……………………………………………（24）第十二章 滑動軸承……………………………………………（28）第十三章 滾動軸承……………………………………………（30）第十四章 聯(lián)軸器和離合器……………………………………（34）第十五章 軸……………………………………………………（36）第十六章 彈簧…………………………………………………（41）機械設(shè)計自測試題………………………………………………（43）第三章 機械零件的強度3—1 表面化學(xué)熱處理 ；高頻表面淬火 ；表面硬化加工 ；3—2 （3） ；3—3 截面形狀突變 ；增大 ； 3—4 （1） ；（1） ； 3—5 （1） ；3－6 答：零件上的應(yīng)力接近屈服極限，疲勞破壞發(fā)生在應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在 103～104范圍內(nèi)，零件破壞斷口處有塑性變形的特征，這種疲勞破壞稱為低周疲勞破壞，例如飛機起落架、火箭發(fā)射架中的零件。零件上的應(yīng)力遠低于屈服極限，疲勞破壞發(fā)生在應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于 104時，零件破壞斷口處無塑性變形的特征，這種疲勞破壞稱為高周疲勞破壞，例如一般機械上的齒輪、軸承、螺栓等通用零件。3－7 答：材料的持久疲勞極限 σr∞ 所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為 ND，不同的材料有不同的 ND值，有時 ND很大。為了便于材料的疲勞試驗，人為地規(guī)定一個循環(huán)次數(shù) N0，稱為循環(huán)基數(shù)，所對應(yīng)的極限應(yīng)力σr稱為材料的疲勞極限。 σr∞ 和 ND為材料所固有的性質(zhì)，通常是不知道的，在設(shè)計計算時，當 N N0時，則取σrN= σr。3—8 答：圖 a 中 A 點為靜應(yīng)力， r = 1 。圖 b 中 A 點為對稱循環(huán)變應(yīng)力， r = ?1。圖 c 中 A 點為不對稱循環(huán)變應(yīng)力， ?1 r 1。3—9 答：在對稱循環(huán)時， Kσ 是試件的與零件的疲勞極限的比值；在不對稱循環(huán)時， Kσ 是試件的與零件的極限應(yīng)力幅的比值。Kσ 與零件的有效應(yīng)力集中系數(shù) kσ 、尺寸系數(shù) εσ 、表面質(zhì)量系數(shù) βσ 和強化系數(shù) βq有關(guān)。 Kσ 對零件的疲勞強度有影響，對零件的靜強度沒有影響。3—10 答：區(qū)別在于零件的等壽命疲勞曲線相對于試件的等壽命疲勞曲線下移了一段距離（不是平行下移）。在相同的應(yīng)力變化規(guī)律下，兩者的失效形式通常是相同的，如圖中 m1′ 和 m2′ 。但兩者的失效形式也有可能不同，如圖中 n1′ 和 n2′ 。這是由于 Kσ 的影響，使得在極限應(yīng)力線圖中零件發(fā)生疲勞破壞的范圍增大。題解 3—10 圖3—11 答：承受循環(huán)變應(yīng)力的機械零件，當應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N ≤ 103時，應(yīng)按靜強度條件計算；當應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 103時，在一定的應(yīng)力變化規(guī)律下，如果極限應(yīng)力點落在極限應(yīng)力線圖中的屈服曲線 GC 上時，也應(yīng)按靜強度條件計算；如果極限應(yīng)力點落在極限應(yīng)力線圖中的疲勞曲線 AG 上時，則應(yīng)按疲勞強度條件計算；3－12 答：在單向穩(wěn)定變應(yīng)力下工作的零件，應(yīng)當在零件的極限應(yīng)力線圖中，根據(jù)零件的應(yīng)力變化規(guī)律，由計算的方法或由作圖的方法確定其極限應(yīng)力。3－13 答：該假說認為零件在每次循環(huán)變應(yīng)力作用下，造成的損傷程度是可以累加的。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增加，損傷程度也增加，兩者滿足線性關(guān)系。當損傷達到 100％時，零件發(fā)生疲勞破壞。疲勞損傷線性累積假說的數(shù)學(xué)表達式為∑ni/Ni＝1。3－14 答：首先求出在單向應(yīng)力狀態(tài)下的計算安全系數(shù)，即求出只承受法向應(yīng)力時的計算安全系數(shù) Sσ和只承受切向應(yīng)力時的計算安全系數(shù) Sτ，然后由公式（3－35）求出在雙向應(yīng)力狀態(tài)下的計算安全系數(shù) Sca，要求 Sca＞S（設(shè)計安全系數(shù)）。3－15 答：影響機械零件疲勞強度的主要因素有零件的應(yīng)力集中大小，零件的尺寸，零件的表面質(zhì)量以及零件的強化方式。提高的措施是：1）降低零件應(yīng)力集中的影響；2）提高零件的表面質(zhì)量；3）對零件進行熱處理和強化處理；4）選用疲勞強度高的材料；5）盡可能地減少或消除零件表面的初始裂紋等。3－16 答：結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋和缺陷的存在是導(dǎo)致低應(yīng)力斷裂的內(nèi)在原因。3－17 答：應(yīng)力強度因子 KI表征裂紋頂端附近應(yīng)力場的強弱，平面應(yīng)變斷裂韌度 KIC表征材料阻止裂紋失穩(wěn)擴展的能力。若 KI＜ KIC，則裂紋不會失穩(wěn)擴散；若 KI≥ KIC，則裂紋將失穩(wěn)擴展。3—18 解：已知 σB= 750MPa ，σs= 550MPa ， σ ?1=350MPa ，由公式（33），各對應(yīng)循環(huán)次數(shù)下的疲勞極限分別為σ ?1N 1=σ ?mN09= 350 5 106=583 .8 MPaσ因此，取σ ?1N1=550MPa = σs1N15 10946sσσ?1N 2=?m1mNN02= 350 5 105 1095= 452 MPaσ= σN0= 350 5 106= 271 MPa σ因此，取σN?1 3N?1 3= 350MPa = σ ?1 。?1N35 107?13—19 解：1．確定有效應(yīng)力集中系數(shù)、尺寸系數(shù)和表面質(zhì)量系數(shù)查附表 3—2，由 D / d = 48 / 40 = ， r / d = 3/ 40 = ，用線性插值法計算 ασ 和ατ 。( ? ) ( ? )α σ= +α τ=1 .66 +0 .10 ? 0 .04(0 .075 ? 0 .04 ) ( ? 1 .66 )0 .10 ? 0 .04= = 1 .47查附圖 3—1，由σB= 650MPa ， r = 3mm ，查得 qσ = ， qτ = ，由公式（附 3—4），有效應(yīng)力集中系數(shù)kσ= 1+ q (ασ σ?1) = 1+ ( ?1) = kτ= 1 +α(qτ τ?1) = 1 + ( ? 1) = 查附圖 3—2，取 εσ= 。查附圖 3—3，取 ετ= 。查附圖 3—4，取 βσ=βτ= 。零件不強化處理，則 βq= 1 。2．計算綜合影響系數(shù)由公式（312）和（314b），綜合影響系數(shù)Kσ = (kσ+1 ? 1)1= (+11)1? =εσ β σβq1Kτ= (kτ+1 ?1)1= (+11?1) =3—20 解：1．計算法ετ βτβq1已知 σmax= 190MPa ， σmin= 110MPa ， σm和 σa分別為σ+σ190 110σm=max min=+=150MPa2 2σ? σ190 110σa=由公式（321），計算安全系數(shù)max min = ?=40MPa2 2Sca=σ+?1(?ψ )σKσ σσ σm=300 + ( ? ) 150=2．圖解法Kσ (+m a) (150 + 40)由公式（36）知，脈動循環(huán)的疲勞極限σ0為σ2 ?12 300σσ0=1+ψ σ=1+ =500MPaσ 500?1 =300=150MPa；2 K0σ=2 2 . 0= 125 MPa根據(jù)點 A （0，150）、點 D （250，125）和點 C （360，0）繪出零件的極限應(yīng)力線圖。過工作應(yīng)力點 M （150，40），作垂線交 AG 線于 M ′ 點，則計算安全系數(shù)σ′ + ′=M Mσ=+150 135=Scam+a+M M150 40σmσa3—21 解：1．求計算安全系數(shù) Sca題解 3—20 圖由公式（331），由于 σ3 σ ?1 ，對材料的壽命無影響，故略去。計算應(yīng)力σ=m1Z∑σ919=caN0i=1m =nii5 106(104 5009+ 105 400 )3由公式（3—33），試件的計算安全系數(shù)σScaσ= ?1 =350= 2．求試件破壞前的循環(huán)次數(shù) nca由公式（3—1 a）各疲勞極限σrN所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù) N 分別為σN1= N0σ6 3509 =( ?1)m = 5 10 (1500) 201768σN = N σ350=20( ?1 )m= 5 106(2σ400350)91503289N = N0σ6 9 =( ?1)m = 5 10 (由公式（3—28），試件破壞前的循環(huán)次數(shù)450) 520799n1n = (1? ?n2?410?51053—22 解：N1N2)N = (1)520799= 460343≈ 10201768 15032891．計算平均應(yīng)力和應(yīng)力幅材料的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力分別為Mσb= =M=300 103= WTT 4033τ=WT=0 .2d3=800 100 .2 403= 彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力，故 σm= 0 ，σa= σb= 。扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，故τm= τa= = =。2．求計算安全系數(shù)由公式（3—17），零件承受單向應(yīng)力時的計算安全系數(shù)Sσ=σ ?1σ +ψ σ=355=Sτ =Kσ aτ ?1σm= + 0200=τ ψ τKτ a+τm + 由公式（3—35），零件承受雙向應(yīng)力時的計算安全系數(shù)Sca=S Sσ τ2 2= 2=3－23 答：由式（3