1、机械设计（综合）模拟试卷 23 及答案与解析1 某材料的对称循环弯曲疲劳极限 -1180MPa，取循环基数V0510 6，m9试求循环次数 N 分别为 7 000、25 000、620 000 次时的有限寿命弯曲疲劳极限。2 已知材料的力学性能为 s260 MPa， -1170 02。试绘制此材料的简化的等寿命疲劳曲线。3 一圆轴的轴肩尺寸为 D72mm，d62mm，r3mm。材料为 40CrNi，其强度极限 B900 MPa。屈服极限 s750 MPa。试计算轴肩的弯曲有效应力集中系数k。4 圆轴轴肩处的尺寸为：D=54nn ，d=45 mm，r3 mm。设其强度极限 B420 MPa。试绘
2、制此零件的简化等寿命疲劳曲线。5 如题 34 中危险截面上的平均应力 m20 MPa，应力幅 a30 MPa，试分别按rC 、 mC。求出该截面的计算安全系数 Sca。6 分析比较普通螺纹、管螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹的特点，各举一例说明它们的应用。7 将承受轴向变载荷的连接螺栓的光杆部分做的细些有什么好处?8 分析活塞式空气压缩机气缸盖连接螺栓在工作时的受力变化情况。它的最大应力、最小应力将如何得出? 当气缸内的最高压力提高时。它的最大应力、最小应力将如何变化?9 图 56 所示的底板螺栓组连接受外力 F的作用。外力 F作用在包含 轴并垂直于底板接合面的平面内。试分析底板螺栓组的受力情况并判
3、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?10 图 57 是由两块边板和一块承重板焊成的龙门起重机导轨托架。两块边板各用4 个螺栓与立柱相连接，托架所承受的最大载荷为 20 KM，载荷有较大的变动。试问：此螺栓连接采用普通螺栓连接还是铰制孔用螺栓连接为宜?为什么?11 已知一个托架的边板用 6 个螺栓与相邻的机架相连接。托架受一与边板螺栓组的垂直对称轴线相平行、距离为 250mm、大小为 60 kN 的载荷作用。现有如图58 所示的两种螺栓布置形式。设采用铰制孔用螺栓连接，试问哪一种布置形式所用的螺栓直径较小? 为什么 ?12 图 5-9 所示为一拉杆螺纹。已知拉杆所受的载荷 F5
4、6kN，载荷稳定，拉杆材料为 O235 钢，试设计此链接。13 两块金属板用两个 M12 的普通螺栓连接。若接合面的摩擦系数 f03，螺栓预紧力控制在其屈服极限的 70。螺栓用性能等级为 48 的中碳钢制造，求此连接所能传递的横向载荷。14 受轴向载荷的紧螺栓连接，被连接钢板间采用橡胶垫片。已知螺栓预紧力F015000N，当受轴向工作载荷 F10000 N 时。求螺栓所受的总拉力及被连接件之间的残余预紧力。15 图 510 所示为一气缸盖螺栓组连接。已知气缸内的工作压力 p01 MPa，缸盖与缸体均为钢制，直径 D1350mm，D 2250mm，上、下凸缘厚均为25mm，试设计此连接。16 设
5、计简单千斤顶的螺杆和螺母的主要尺寸。起重量为 40000 N，起重高度为 200 mm，材料自选。17 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。相隔 90一 120；而采用两个半圆键时。却布置在轴的同一母线上?18 胀套串联使用时，为何要引入额定载荷系数 m?为什么 Z1 型胀套和 Z2 型胀套的额定载荷系数有明显的差别?19 在一直径 d80 mm 的轴端，安装一钢制直齿圆柱齿轮(图 61)，轮毂宽度L15d，工作时有轻微冲击。试确定平键连接的尺寸，并计算其允许传递的最大转矩。20 图 62 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
6、择两处键的类型及尺寸，并校核其连接强度。已知：轴的材料为 45 钢，传递的转矩 T1000 N.m，齿轮用锻钢制成，半联轴器用灰铸铁制成。工作时有轻微冲击。21 图 63 所示的灰铸铁 V 带轮，安装在直径 d 45 min 的轴端，带轮的基准直径dd250 mm，工作时的有效拉力 F2 kN，轮毂宽度 L65 mm，工作时有轻微振动。设采用钩头楔键连接。试选择该楔键的尺寸，并校核连接的强度。22 图 64 所示为变速箱中的双联滑移齿轮，传递的额定功率 P4 kW，转速n250 rmin。齿轮在空载下移动，工作情况良好。试选择花键类型和尺寸，并校核连接的强度。23 图 65 所示为套筒式联轴器
7、。分别用平键及半圆键与两轴相连接。已知：轴径d38 mm，联轴器材料为灰铸铁，外径 D190 mm 试分别计算两种连接允许传递的转矩，并比较其优缺点。24 现有图 72 所示的焊接接头，被焊件材料均为 Q235 钢，b170 mm，b 180mm，12 mm ，承受静载荷 F04 MN，设采用 E4303 号焊条手工焊接。试校核该接头的强度。25 接头如承受变载荷 Fmax04 MN，F min02 MN，其他条件不变。接头强度能否满足要求?26 试设计图 73 所示的不对称侧面角焊缝。已知被焊件材料均为 Q235 钢。角钢尺寸为 10010010(单位为 mm)。截面形心 c 到两边外侧的距
8、离 Z0a284 mm，用 EA303 号焊条手工焊接，焊缝腰长 k 10 mm，静载荷 F035 MN。机械设计（综合）模拟试卷 23 答案与解析1 【正确答案】 根据有限寿命内任意循环次数 N 的疲劳极限表达式 rN r ，可得不同循环系数时的有限寿命弯曲疲劳极限分别为：【知识模块】 机械零件的强度2 【正确答案】 根据题意可得：点 A(0， -1)，即 (0，170)；点 C(8，0) ，即(260， 0)，分别如图 38 所示。 点 D( )，其中，脉动循环疲劳极限 0MPa28333 MPa 解得：D(283332，283332) 按比例绘制该材料的疲劳弯曲极限应力线图，如图 38
9、所示 AGC。【知识模块】 机械零件的强度3 【正确答案】 根据题意可得：Dd72621 16，rd3620048。 则插值得理论应力集中系数 205，插值得敏性系数 q090，故有效应力集中系数： k 1q (1)1090(2 051)195。【知识模块】 机械零件的强度4 【正确答案】 根据题意可得：Dd54451 2，rd3450067。 并插值得理论应力集中系数 208，得敏性系数 q078，故有效应力集中系数：k1q (1)10 78(2081)184 故综合影响系数： K207 则简化极限应力线图的各点坐标：点 A(0， )，即(0，82 ，13) ；点 C(，0)，即(260，0
10、)；点 D( )即(141 67，6844) ，按比例作图，如图 39 所示 AGC。【知识模块】 机械零件的强度5 【正确答案】 若工作点出现在疲劳强度区，可得安全系数：若工作点出现在屈服强度区，可得：。 若工作点出现在疲劳强度区，可得安全系数：。 若工作点出现在屈服强度区，可得： 。【知识模块】 机械零件的强度6 【正确答案】 普通螺纹：属于连接螺纹，分为粗牙和细牙。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。管螺纹：属于连接螺纹，分为非螺纹密封的管螺纹和用螺纹密封的管螺纹。适用于管接头、旋塞、阀门及其他附件。梯形螺纹：属于传动螺纹，传动效率与矩形
11、螺纹相比略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好，是最常用的传动螺纹，例如，丝杠传动。锯齿形螺纹：属于传动螺纹，兼有矩形螺纹传动效率高、梯形螺纹牙根强度高的特点，但只能用于单向受力的场合。例如，可用于螺旋压力机。【知识模块】 螺纹连接和螺旋传动7 【正确答案】 将承受轴向变载荷的连接螺栓的光杆部分做的细些可以减小螺栓的刚度，从而提高螺栓连接的强度。【知识模块】 螺纹连接和螺旋传动8 【正确答案】 单个螺栓承受的工作载荷 FP D2/ 则总拉力 F2F 0 F，应力 ca13F 2 。 因此，最大应力出现在压缩到最小体积时，最小应力出现在膨胀到最大体积时。当汽缸内的最高压力提高时，它的最大应力增大
12、，最小应力不变。【知识模块】 螺纹连接和螺旋传动9 【正确答案】 (1)将外力 F等效在底板面上，可知各螺栓受有轴向力 Fy，横向力 F和倾覆力矩 M，受力分析后可得底板上最左侧的螺栓受力最大。 (2)保证连接安全工作的必要条件： 受力最大螺栓的最大拉应力 ； 底板右侧边缘螺栓的最大挤压应力 pmaxp； 底板左侧边缘螺栓的最小挤压应力 pmin0； 底板接合面不产生滑移，要求摩擦力 FfF 2。【知识模块】 螺纹连接和螺旋传动10 【正确答案】 采用铰制孔用螺栓为宜。 由于托架承受的载荷有较大变动，普通螺栓靠接合面产生的摩擦力来抵抗转矩，铰制孔用螺栓则靠剪切和挤压来抵抗转矩。根据接合面不滑移
13、条件求得普通螺栓的最小直径：再由剪切及挤压强度条件求得铰制孔用螺栓的最小直径 F max 比较可知铰制孔用螺栓的直径较小，因此，采用铰制孔用螺栓为宜。【知识模块】 螺纹连接和螺旋传动11 【正确答案】 将外力简化为作用在各螺栓中心的剪力 F 和转矩 TFL。 (1)图58(a)所示方案 在力 F 作用下各个螺栓受到的剪力：F i F10 kN 转矩 T 作用在各螺栓的工作剪力为 Fj kN20kN 分析可和最右侧的螺栓受力最大：F (10 20)kN30 kN。 (2)图 58(b)所示方案 在力 F 作用下各个螺栓受到的剪力：F i F10 kN 转矩 T 作用在各螺栓的工作剪力为： Fjm
14、axkN244kN 分析可得最右侧两个螺栓的受到的总剪力最大，总剪力为： FkN336 kN 综上可知，方案(1)即图 5-8(a)所示方案受力最大的螺栓的总剪力值较小，并由 d 得其螺栓所需最小直径较小。【知识模块】 螺纹连接和螺旋传动12 【正确答案】 松螺栓连接的拉伸强度条件为： 拉杆材料为 Q235 钢，其许用应力95 MPa，则有： d 1 mm274 mm 故选用螺栓的直径 d30 mm。【知识模块】 螺纹连接和螺旋传动13 【正确答案】 取防滑系数 Ks12，根据接合面不滑移条件 F0 争，其中，螺栓数目为 2，接合面数目为 1，可得此连接能传递的横向载荷为： F N11210
15、6N。【知识模块】 螺纹连接和螺旋传动14 【正确答案】 螺栓的总拉力 F2F 0 F，其中，采用橡胶垫片密封，取螺栓相对刚度 09。 则总拉力为：F 2(150000910000)N24000 N 故残余预紧力为：F 1F 2F(2400010000)N 14000 N。【知识模块】 螺纹连接和螺旋传动15 【正确答案】 (1)确定螺栓数目 z 和直径 d 螺栓间距 t07d，取 t06d，z 12，则螺栓间距 t0 mm92mm 故螺栓直径dt 016926mm=15 33mm，取 d16mm。 (2)选择螺栓性能等级，确定许用应力 选择螺栓性能等级为 88 级，可得 B800 MPa，
16、S640 MPa 。 选取安全系数 S4，可得许用应力 MPa160 MPa。 (3)计算螺栓上的载荷 单个螺栓的工作载荷 F 1 N4091 N 取残余预紧力F115F，则螺栓总拉力 F2F 1F25F 254091 N 102275N (4)强度校核 查取手册，可得螺栓的几何参数：螺栓小径 d113835 mm，则螺栓的计算应力 ca MPa8844 MPa 满足强度条件。 综上所述，选择的螺栓为 GBT 578286 M1670，螺栓数目 z12。【知识模块】 螺纹连接和螺旋传动16 【正确答案】 (1)材料选择和螺纹牙型 螺杆材料选用 45 号钢， s300 MPa ，螺母材料选用 Z
17、CuAl9Mn2，选取许用压强p15 MPa 。 选用梯形螺纹，因为其工艺性好，牙根强度高，对中性好。 (2)按耐磨性初选螺纹中径 因选用梯形螺纹，且螺母兼作支承，故取25， d 208 mm2613 mm。 (3)按螺杆抗压强度初选螺纹内径 根据第四强度理论，其中近似的认为 05，则 ca 其中， A 为危险段截面面积，且 A，S 为安全系数，取 S5。 故 d1 mm332 mm。 (4)确定螺杆直径 比较(2)(3)的计算结果可知，选取螺杆的尺寸：外径 d44 mm，内径 d136 mm，中径 d2405 mm，螺纹线数 n1，螺距 P7 mm。 (5)校核螺旋的自锁能力 查手册，可知钢
18、对青铜的摩擦系数 f009，由于梯形螺纹牙型角 a30，则牙侧角 15 ，因此， 螺纹升角为：arctan39 当量摩擦角为： Varctanf varctan 519 比较可得 p v，满足自锁要求。 (6)计算螺母高度 H 已选 25，故可得Hd 22540 5 mm10125 mm，取 H102 mm 螺纹工作圈数：u14510 故可适当降低螺母高度，现取 H70 mm ，则 10。 (7)螺纹牙强度计算 由于螺杆材料强度一般远大于螺母材料强度，故只需校核螺母螺纹的牙根强度。青铜螺纹的许用剪切强度30MP。且对于梯形螺纹有 b065 P，故螺纹牙危险截面的剪切应力 MPa636MPa。
19、满足强度要求。 (8) 螺杆稳定性计算 取 B70 mm，则螺杆的工作长度： lLB (2006535)mm300 mm 螺杆按一端自由，一端固定考虑，取长度系数 2。 螺杆的柔度： S666740 ，100 为中柔度压杆 临界载荷由欧拉公式计算得： F crkN465kN 安全系数：Ssc 116355 满足稳定性要求。【知识模块】 螺纹连接和螺旋传动17 【正确答案】 采用两个平键连接时，一般沿周向相隔 180布置，这样对轴的削弱均匀，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，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
20、180时，两个楔键的承载能力大体上只相当于一个楔键的承载能力，故相隔 90至 120布置；采用两个半圆键时，由于其对轴的削弱较大，两个半圆键不能放在同一横截面上，因此放在同一母线上。【知识模块】 键、花键、无键连接和销连接18 【正确答案】 胀套串联使用时，由于各胀套的胀紧程度不同，因此，各个胀套的承载能力有别，所以计算时要引入载荷系数 m 来考虑这一因素的影响。 Z1 型胀套在串联使用时，由于夹紧力的传递受到摩擦力的影响，使得内侧胀套和外侧胀套的胀紧程度相差比较大，因此，额定载荷系数 m 值较小。 Z2 型胀套在串联使用时，各个胀套分别自行胀紧，由于先后胀紧的原因，内侧胀套和外侧胀套的胀紧程
21、度会有少量差别，因此，额定载荷系数 m 值较大。【知识模块】 键、花键、无键连接和销连接19 【正确答案】 由题图可知，采用的键为 A 型平键。根据轴径查手册得 b22 mm，h14 mm，根据轮毂宽度 L15d120 mm ，取键的公称长度 L90 mm，则键标记为：键 2290GB109679。 根据齿轮材料为钢，且载荷有轻微冲击，取许用挤压应力 p110MPa。又该键的工作长度 lL 6(90 22)mm68 mm，键与轮毂键槽的接触高度 kh27 mm，则由普通平键的挤压强度条件可得此键连接能传递的最大扭矩： T max N.m2094 N.m。【知识模块】 键、花键、无键连接和销连接
22、20 【正确答案】 (1)确定联轴器轴段的键 键的类型：选取 A 型平键 尺寸的确定：根据轴径 d70 mm，查手册得 b20 mm，h12 mm，并取键的公称长度L110 mm，故键的标记为：键 20110 GBl096 79。 挤压强度校核 根据联轴器材料为铸铁，载荷有轻微冲击，取许用挤压应力 p55MPa 。又该键的工作长度 lLb110 mm20 mm90 mm，键与轮毂槽的接触高度 kh26 mm，故其挤压应力： p MPa5291 MPa 55 MPa p 满足强度要求。 (2)确定齿轮轴段的键 键的类型：选取 A 型平键 尺寸的确定：根据轴径 d90 mm，查手册得 b25 mm
23、，h14 mm，并取键的公称长度 L80 mm，故键的标记为：键 2580 GBl09679。 挤压强度校核 根据齿轮材料为钢，载荷有轻微冲击，查材表表 62，取许用挤压应力 p110MPa 。又该键的工作长度 lLb80 mm25 mm55 mm，键与轮毂键槽的接触高度 kh/27 mm，故其挤压应力： p MPa5772 MPa 110 MPa p 满足强度要求。【知识模块】 键、花键、无键连接和销连接21 【正确答案】 根据轴径 d45 mm 选取键的剖面尺寸，根据轮毂宽度选取键公称长度，则楔键标记为：键 1470 GBl56579，且键的高度 h9 mm。 根据带轮材料为灰铸铁，取许用
24、挤压应力 p55 MPa，楔键的挤压应力：p ，其中转矩 TFd d220000 252 N?m250 N?m ，键的工作长度 lLh70 mm9 mm61 mm，取 f015，故： pMPa64 5MPap 连接的强度不能满足要求。【知识模块】 键、花键、无键连接和销连接22 【正确答案】 该滑移齿轮传递的转矩： T95510 6 95510 6 N?mm1528 N?m 选用矩形花键。 根据外花键大径 D40 mm，查手册选取内花键小径 d36 mm，则选取矩形花键的标记：键836407 GBll4487，其中倒角 C03 mm，可得： 键的工作高度 h203 mm14 mm 工作长度 l
25、60 mm 键的平均直径 d m38 mm 根据其工况条件，取其许用压力p30 MPa 。 取载荷分配不均匀系数 07，可得该花键连接的压力： p MPa171 MPap30 MPa 满足强度要求。【知识模块】 键、花键、无键连接和销连接23 【正确答案】 根据联轴器材料为灰铸铁，取许用挤压应力 p55 MPa。 (1) 平键连接计算：由图 65(a)可知采用的为 A 型平键。 确定尺寸：根据轴径查手册得键尺寸：b10 mm，h8 mm。根据轮毂宽取键的公称长度：L63 mm ，故键的标记为：键 1063 GBl09679。 强度校核：键的工作长度 lLb53 mm，键与轮毂键槽接触高度 kh
26、24 mm，根据挤压强度条件得允许传递的最大转矩： T max N.m222154N.m (2)半圆键连接计算 根据轴径查手册，取键的尺寸：b10 mm，h13 mm，d 132 mm，键长L314mm，故键的标记为：键 1032 GBl096 79。 强度校核：键的工作长度lL314 mm，键与轮毂槽接触高度 k13 mm10 mm3 mm，则根据挤压强度条件可得允许传递的最大转矩： T max N.m98 N.m。 (3)综上可知，平键连接承载能力较高，半圆键对轴削弱较大，承载能力较低。但半圆键有自定位作用，而平键不具备，因此，采用半圆键的套筒式联轴器可允许两轴有一定的角度误差。【知识模块
27、】 键、花键、无键连接和销连接24 【正确答案】 被焊接件的材料为 Q235，则焊缝的静载许用拉应力 180MPa，许用切应力140 MPa ，故由强度条件可得： 对接焊缝能承受的静载荷 F 1b17012180 kN3672 kN 搭接焊缝能承受的静载荷 F2207b2078012140 kN18816 kN 故焊缝能承受的最大静载荷 F F 1F 23672 kN 18816 kN55536 kN F400 kN 满足强度要求。【知识模块】 铆接、焊接、胶接和过盈连接25 【正确答案】 对于承受变载荷的焊接件，焊缝及被焊件的许用应力应乘上降低系数 y，且： 如果计算得到的 y1，则取 1，而 Q235 为低碳钢，故有 对于对接焊缝，取 a1，b05，得： 对于对接焊缝，取 a1 5，b1，得： 综上可知，许用应力并无变化，该接头强度仍满足要求。【知识模块】 铆接、焊接、胶接和过盈连接26 【正确答案】 由题意可得，网侧焊缝分别承担的载荷为： F 1FkN994 kN F2F kN2506kN 被焊件材料为 Q235 钢，取许用切应力140 MPa，又 k10 mm，故可得两侧所需的焊缝长度为： l1mm1 014 mm，取 l1 102 mm l2mm2557mm。【知识模块】 铆接、焊接、胶接和过盈连接
