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工程力学（工程静力学与材料力学）习题与解答第12章 强度理论12－1 对于建立材料在一般应力状态下的失效判据与设计准则，试选择如下合适的论述。
（A ）逐一进行试验，确定极限应力；（B ）无需进行试验，只需关于失效原因的假说；（C ）需要进行某些试验，无需关于失效原因的假说； （D ）假设失效的共同原因，根据简单试验结果。
知识点：建立强度理论的主要思路 难度：一般 解答：正确答案是 D 。
12－2 对于图示的应力状态（y x σσ>）若为脆性材料，试分析失效可能发生在： （A ）平行于x 轴的平面； （B ）平行于z 轴的平面；（C ）平行于Oyz 坐标面的平面； （D ）平行于Oxy 坐标面的平面。
知识点：脆性材料、脆性断裂、断裂原因 难度：难 解答：正确答案是 C 。
12－3 对于图示的应力状态，若x y σσ=，且为韧性材料，试根据最大切应力准则，失效可能发生在： （A ）平行于y 轴、其法线与x 轴的夹角为45°的平面，或平行于x 轴、其法线与y 轴的夹角为45°的平面内；（B ）仅为平行于y 轴、法线与z 轴的夹角为45°的平面； （C ）仅为平行于z 轴、其法线与x 轴的夹角为45°的平面； （D ）仅为平行于x 轴、其法线与y 轴的夹角为45°的平面。
知识点：韧性材料、塑性屈服、屈服原因 难度：难 解答：正确答案是 A 。
12－4 铸铁处于图示应力状态下，试分析最容易失效的是： （A ）仅图c ； （B ）图a 和图b ； （C ）图a 、b 和图c ； （D ）图a 、b 、c 和图d 。
知识点：脆性材料、脆性断裂、断裂准则 难度：一般 解答：正确答案是 C 。
12－5低碳钢处于图示应力状态下，若根据最大切应力准则， 试分析最容易失效的是： （A ）仅图d ； （B ）仅图c ； （C ）图c 和图d ； （D ）图a 、b 和图d 。
第12章习题解答12-1 已知由与非门组成的基本RS触发器和输入端D R、D S的波形如题图12-1所示，试对应地画出Q 和Q的波形，并说明状态“不定”的含义。
题图12-1解：12.2 已知可控RS触发器CP、R和S的波形如题图12-2所示，试画出输出Q的波形。
设初始状态分别为0和1两种情况。
题图12-2解：12-3 在主从结构的JK触发器中，已知CP、J、K的波形如题图12-3所示，试画出Q端的波形。
设初始状态Q=0。
题图12-3解：12-4 维持阻塞型D触发器的输入D和时钟脉冲CP的波形如题图12-4所示，试画出Q端的波形。
设初始状态Q = 0。
题图12-4解：12-5 在T触发器中，已知T和CP的波形如题图12.5所示，试画出Q端的波形。
设初始状态Q= 0。
题图12-5解：12-6 写出题图12-6所示电路的逻辑关系式，说明其逻辑功能。
题图12-6解：逻辑关系为：Q D AQ BQ==+所以其功能为JK触发器。
12-7 如题图12-7所示的电路和波形，试画出D端和Q端的波形。
设初始状态Q= 0。
题图12-7解：12-8 将主从型JK触发器转换为T'触发器有几种方案？画出外部连线图。
解：12-9 电路如题图12-9所示。
画出Q0端和Q1端在六个时钟脉冲CP作用下的波形。
设初态Q1=Q0= 0。
题图12-9解：12-10 用题图12.10(a)所给器件构成电路，并在示波器上观察到如图12.10（b）所示波形。
试问电路是如何连接的？请画出逻辑电路图。
(a) (b)题图12-10解：12-11 已知如题图12.11(a)所示电路的各输入端信号如题图12-11(b)所示。
试画出触发器输出端Q0和Q1的波形。
设触发器的初态均为0。
(a) (b)题图12-11解：12-12 已知电路和时钟脉冲CP及输入端A的波形如题图12-12所示，试画出输出端Q、1Q的波形。
假定各触发器初态为1。
(a ) (b )题图12-12解：12-13 已知题图12-13(a )所示电路中输入A 及CP 的波形如题图12-13(b )所示。
思考题及练习题解答5-1机械正反行程的效率是否相同？其自锁条件是否相同？原因何在？答：机械通常可以有正行程和反行程，它们的机械效率一般并不想等。
其自锁条件不相同，一般来说，正行程不自锁，而反行程可以自锁也可以不自锁。
因为一个具有自锁性的机械，只是在满足自锁条件的驱动力的作用下，在一定运动方向上产生自锁，而在其它运动方向上则不一定自锁。
而正反行程力的方向不同。
5-2 当作用在转动副中轴颈上的外力为一单力，并分别作用在其摩擦圆之内、之外或相切时，轴颈将作何种运动？当作用在转动副中轴颈上的外力为一力偶矩时，也会发生自锁吗？ 答：（1）当外力作用在摩擦圆之内时，因外力对轴颈中心的力矩始终小于它本身所引起的最大摩擦力矩，因此出现自锁现象；当外力外力作用在摩擦圆之外时，因外力对轴颈中心的力矩大于它本身所引起的摩擦力矩，故轴颈将加速运动；当外力与其摩擦圆相切时，因外力对轴颈中心的力矩等于它本身所引起的摩擦力矩，故轴颈处于临界状态，将作等速运动（当轴颈原来是转动的）或静止不动（当轴颈原来是静止的）。
(2) 当作用在转动副中轴颈上的外力为一力偶矩时，若该力偶矩小于它本身所引起的摩擦力矩，也会发生自锁。
5-3眼镜用小螺钉（M1×0.25）与其他尺寸螺钉（例如M1×1.25）相比，为什么更容易发生自动松脱现象（螺纹中经=螺纹大径-0.65×螺距）？ 答：M1×0.25螺钉的螺纹中径 mm mm d 8375.0)25.065.01(2=⨯-= 螺纹升角43.58375.025.0arctanarctan2===d p αM1×1.25螺钉的螺纹中径 mm mm d 1875.7)25.165.08(2=⨯-=' 螺纹升角αα<==='17.31875.725.1arctanarctan2d p综合螺旋副的自锁条件可知，眼镜用小螺钉较其它尺寸螺钉更容易发生自动松脱现象。
思考题及练习题12.1用轴肩或轴环可以对轴上零件作轴向固定吗？答：轴肩或轴环可以对轴上零件作单向轴向固定12.2圆螺母也可以对轴上零件作周向固定吗？答：圆螺母不能对轴上零件作周向固定，可以轴向固定。
12.3轴肩或轴环的过渡圆角半径是否应小于轴上零件轮毂的倒角高度？ 答：轴肩或轴环的过渡圆角半径应小于轴上零件轮毂的倒角高度，以保证装拆方便可靠。
12.4汽车下部变速器与后桥间的轴是否传动轴？答：是传动轴。
12.5轴上零件的轴向固定方法有：1）轴肩和轴环；2）圆螺母与止动垫圈；3）套筒； 4）轴端挡圈和圆锥面；5）弹性挡圈、紧定螺钉或销钉等。
当受轴向力较大时，可采用几种方法？答：轴向力较大时，可采用：1）轴肩和轴环；2）圆螺母与止动垫圈；3）套筒； 4）轴端挡圈和圆锥面。
12.6若轴上的零件利用轴肩来轴向固定，轴肩的圆角半径R 与零件轮毅孔的圆角半径1R 或倒角1C 的关系如何？答：轴肩的圆角半径R 要小于零件轮毅孔的圆角半径1R 或倒角1C 。
12.7为了便于拆卸滚动轴承，轴肩处的直径d （或轴环直径）与滚动轴承内圈外径1D 应保持何种关系？答：1d D <，大约2 mm 。
12.8平键连接的工作原理是什么？主要失效形式是什么？平键的剖面尺寸b ×h 和键的长度L 是如何确定的？举例说明平键连接的标注方法。
答：工作原理：平键的上表面与轮毂键槽顶面留有间隙，依靠键与键槽间的两侧面挤压力 ，传递转矩 。
所以两侧面为工作面。
主要失效形式：键连接的主要失效形式是挤压破坏。
键的剖面尺寸b ×h 和键的长度L 的确定：按照轴的公称直径d ，从国家标准中选择平键的尺寸h b ×。
键的长度L 应略小于轮毂的长度，键长L 应符合标准长度系列。
12.9 圆头（A 型）、方头（B 型）及单圆头（C 型）普通平键各有何优缺点？它们分别用在什么场合？轴上的键槽是如何加工出来的？轮毂上的键槽是如何加工出来的？答：圆头（A 型）对中性好，安装方便，使用广泛；方头（B 型）应力集中小，对轴影响小。
第12章习题及解答12.1 滚动轴承主要类型有哪几种？各有何特点？试画出它们的结构简图。
解: 请参阅教材表14.1。
12.2 说明下列型号轴承的类型、尺寸、系列、结构特点及精度等级：32210E ，52411/P5，61805，7312AC ，NU2204E 。
解 ：32210E------圆锥滚子轴承、宽轻系列、内径50、加强型；52411/P5----推力球轴承、宽重系列、内径55、游隙5级； 61805--------深沟球轴承、正常超轻、内径25；7312AC-----角接触球轴承、窄中系列、内径60、接触角25︒； NU2204E----无挡边圆柱滚子轴承、窄轻系列、内径20、加强型。
12.3 选择滚动轴承应考虑哪些因素？试举出1~2个实例说明之。
解 ：载荷性质、转速、价格等。
12.4 滚动轴承的主要失效形式是什么？应怎样采取相应的设计准则？解：疲劳点蚀、塑性变形；寿命、静载荷校核。
12.5 试按滚动轴承寿命计算公式分析：（1） 转速一定的7207C 轴承，其额定动载荷从C 增为2C 时，寿命是否增加一倍？解: 由公式ε⎪⎭⎫ ⎝⎛=F C n L h 60106 可知, 当额定动载荷从C 增为2C 时, 寿命增加应为()εC 2(2) 转速一定的7207C 轴承，其当量动载荷从P 增为2P 时，寿命是否由L h 下降为L h /2？解: 由公式ε⎪⎭⎫ ⎝⎛=F C n L h 60106 可知, 当其当量动载荷从P 增为2P 时, 寿命下降应为ε⎪⎭⎫ ⎝⎛21(3) 当量动载荷一定的7207C 轴承，当工作转速由n 增为2n 时，其寿命有何变化？解: 由公式ε⎪⎭⎫ ⎝⎛=F C n L h 60106可知, 当工作转速由n 增为2n 时，其寿命为原来的⎪⎭⎫ ⎝⎛21 12.6 选择下列正确答案。
滚动轴承的额定寿命是指一批相同的轴承，在相同的条件下运转，当其中 10% 的轴承发生疲劳点蚀时所达到的寿命。
（a ） 1%（b ） 5%（c ） 10%（d ） 50%12.7 一矿山机械的转轴，两端用6313深沟球轴承；每个轴承受径向载荷 R =5400 N ，轴的轴向载荷A =2650 N ，轴的转速n =1250 r/min ，运转中有轻微冲击，预期寿命L h =5000 h ，问是否适用？解: （1）由机械零件设计手册得6313深沟球轴承的C 0=56500 N , A/C 0= 2650/56500=0.0469,查表14.11 得 e=0.25（2） 而A/R= 2650/5400=0.49＞e, 查表14.11 得X=0.56,Y=1.85,故径向当量动载荷为P=0.56×5400+1.85×2650=7926.5(3) 由机械零件设计手册得6313深沟球轴承的C=72200, 因t <100︒C ，由表14.8查得f T =1，因载荷有轻微冲击，由表14.9查得f F =1.1，对球轴承取ε=3。
将以上有关数据代入下式ε⎪⎪⎭⎫⎝⎛=F f C f n L P T h 60106 75705.79261.1722001250601036=⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯=h L ＞5000,故该深沟球轴承适用。
12.8 根据工作条件，某机械传动装置中轴的两端各采用一深沟球轴承，轴颈直径d =35mm ，转速n =1460r/min ，每个轴承受径向负荷R =2500N ，常温下工作，负荷平稳，预期寿命L h =8000h ，试选择轴承的型号。
解: （1）初选轴承的型号为6307, 由机械零件设计手册得6307深沟球轴承的C 0r =17800 N, C r =25800(2) 由于轴承在常温下工作,由表14.8查得f T =1，载荷负荷平稳，由表14.9查得f F =1.0，对球轴承取ε=3。
将以上有关数据代入下式ε⎪⎪⎭⎫⎝⎛=F f C f n L P T h 60106 得125462500258001460601036=⎪⎭⎫⎝⎛⨯=h L ＞L h =8000h故可选轴承的型号为6307。
12.9 一深沟球轴承 6304承受径向力 R =4 kN ，载荷平稳；转速n=960 r/min ，室温下工作，试求该轴承的额定寿命，并说明能达到或超过此寿命的概率。
若载荷改为R =2 kN 时，轴承的额定寿命是多少？解: （1）由于轴承在常温下工作,由表14.8查得f T =1，载荷负荷平稳，由表14.9查得f F =1.0，对球轴承取ε=3。
将以上有关数据代入下式ε⎪⎪⎭⎫⎝⎛=F f C f n L P T h 60106 得5.492400012200960601036=⎪⎭⎫⎝⎛⨯=h L h能达到或超过此寿命的概率为10%。
若载荷改为R =2 kN 时，则轴承的额定寿命为6.3940200012200960601036=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=h L h12.10 图14.25所示为一对7209C 轴承，承受径向负荷R 1=8 k N ，R 2=5 k N ，试求当轴上作用的轴向负荷为F A =2 k N 时，轴承所受的轴向负荷A 1与A 2。
图 14.25图 14.26解: （1）计算轴承1、2的轴向力A A 、A B由表14.12可知70000C 型轴承的内部轴向力S A 、S B 为 S 1=0.5R 1=0.5×8 =4 k N S 2=0.5R 1=0.5×5 =2.5 k N 因为S 2＋F A =2.5+2=4.5 ＞ S 1=4所以轴承1被压紧,则二轴承所受的轴向负荷A 1与A 2为A 1 = S 2＋F A =4.5 kN A 2=S 2 =2.5 kN12.11 如图14.26中一对30307圆锥滚子轴承，已知轴承1和轴承2的径向载荷分别为R 1=584N ，R 2=1776N ，轴上作用的轴向载荷F A =146N 。
轴承载荷有中等冲击，工作温度不大于100︒C ，试求轴承1和轴承2的当量动载荷P 。
解: （1）计算轴承1、2的轴向力A A 、A B由机械零件设计手册得30307圆锥滚子轴承的C r =71200 N, C 0r =50200 N , Y = 1.9, e=0.31表14.12可知圆锥滚子轴承轴承的内部轴向力S A 、S B 为 S 1= R 1/2Y=584/（2×1.9）=153.6 N S 2= R 2/2Y=1776/（2×1.9）=467.4 N 因为S 2＋F A =467.4+146=613.4 ＞ S 1=153.6所以轴承1被压紧,则二轴承所受的轴向负荷A 1与A 2为A 1 = S 2＋F A =613.4 N A 2=S 2=467.4 N (2) 计算轴承1、2的当量动载荷31.026.017764.46731.005.15844.6132211<==>==R A R A查表18-11可得X 1=0.40、Y 1=1.9；X 2=1、Y 2=0。
故当量动载荷为N1776N 13994.6139.158440.021==⨯+⨯=P P12.12 一双向推力球轴承52310，受轴向负荷A =4800N ，轴的转速n =1450r/min ，负荷有中等冲击，试计算其额定寿命。
解：（1）查机械零件设计手册得52310的C r =74.5 kN （2）P =A =4800 N（3）取f T =1.0，f F =1.4，则轴承的额定寿命为1566148004.1745001450601036=⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯=h L h12.13 某机械的转轴，两端各用一个径向轴承支持。
已知轴颈d =40 mm ，转速n =1000 r/min ，每个轴承的径向载荷R =5880 N ，载荷平稳，工作温度t=125︒C ，预期寿命L h =5000 h ，试分别按深沟球轴承和圆柱滚子轴承选择型号。
并比较之。
解：（1）初选深沟球轴承和圆柱滚子轴承型号为6208(C r =22800, C 0r =15800)和N2208(C r =36500, C 0r =24000)(2) 由表14.8查得f T =0.95，载荷负荷平稳，由表14.9查得f F =1.0，对球轴承取ε=3, 对滚子轴承ε=10/3。
将以上有关数据代入下式ε⎪⎪⎭⎫⎝⎛=F f C f n L P T h 60106 对球轴承1.83358802280095.010*******6=⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯=h L h, 不满足要求,再选6408 (C r =50200, C 0r =37800),得8.889158805020095.010*******6=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=h L h对圆柱滚子轴承1564358803650095.010*******/106=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=h L h可看出圆柱滚子轴承比球轴承的承载能力大得多。
12.14 根据工作要求选用内径d =50 mm 的圆柱滚子轴承。
轴承的径向载荷R =39.2 k N ，轴的转速n =85 r/min ，运转条件正常，预期寿命L h =1250 h ，试选择轴承型号。
解：（1）初选圆柱滚子轴承型号为N410(C r =11500) （2）P =R =39200 N（3）取f T =1.0，f F =1.0, 代入下式, 得495039200115008560103/106=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=h L h所选轴承型号为N410合适。
12.15 一齿轮轴由一对 30206轴承支承，支点间的跨距为 200 mm ，齿轮位于两支点的中央。
已知齿轮模数m n =2.5 mm ，齿数z 1=17，螺旋角β=16.5︒，传递功率P =2.6 kW ，齿轮轴的转速n =384r/min 。
试求轴承的额定寿命。
解： (1) 计算齿轮的作用力4.646613846.21055.91055.966=⨯=⨯=n P T N·mm 5.2917326.448.129322211===d T F t N5.1107=Fr N2.864=Fa N (2) 计算轴向力R 2V =457.98 R 1V =649.5 R 1H = R 2H =1458.75 ()8.15962/1111==+V H R R R ()95.15282/1222==+VH R R R4992.38.1596211===Y s R8.4772.395.1528222===Y s R轴承采用面对面布置, 因S 2+ F A =477.8+864.2=1342> S 1, 故轴承1被压紧, 轴承2被放松。
则A 1=1342 N ，A 2=477.8 N(3)计算轴承的寿命查手册得30206的C r =41.2 kN, C 0r =29.5 kN, e=0.37, Y=1.6 37.084.08.1596134211>==R A37.031.096.15288.47722<==R AP 1=0.4R 1+1.6A 1 =0.4×1596.8+1.6×1342=2785.92 N 。
