第3章 影响机械零件疲劳强度的因素

三、简答题1、什么叫机械零件的计算准则？常用的机械零件的计算准则有那些？答：机械零件的计算准则就是为了防止机械零件的失效而制定的判定条件，常用的准则有：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性规则、可靠性准则。

2、影响机械零件疲劳强度的主要因素有哪些？提高机械零件疲劳强度的措施？答：主要因素有：应力集中，零件尺寸，表面状态，措施：①降低应力集中的影响；②选用疲劳强度高的材料或规定能够提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺，③提高零件的表面质量；④尽可能的减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸3、画图表示机械零件的正常磨损过程，并指出正常磨损过程通常经历哪几个磨损阶段？答：经历①磨合磨损阶段②稳定磨损阶段③剧烈磨损阶段磨合稳定剧烈4、根据磨损机理的不同，磨损通常可分为哪几种类型？它们各有什么主要特点？答：①粘着磨损：由于干摩擦，在有油，无油的表面，都需要切向力使吸附膜和脏污膜破裂后，由新表面直接接触才能发生粘着，载荷越大，表面温度越高，粘着现象也越严重；②表面疲劳磨损：受交变接触应力的摩擦副，在其表面上将形成疲劳点蚀，有小块金属剥落；③磨粒磨损：硬质颗粒或摩擦表面上的硬质突出物，在摩擦过程中引起材料脱落，与摩擦材料的硬度，磨粒的硬度有关；④腐蚀磨损：与周围介质发生化学反应或电化学反应。

5、何谓螺纹联接的预紧，预紧的目的是什么？预紧力的最大值如何控制？答：螺纹连接的预紧：螺纹连接的预紧是指在装配时拧紧，是连接在承受工作载荷之前预先受到预紧力的作用。

目的：增强连接的可靠性与紧密性，以防受载后被连接件间出现间隙或者发生相对滑移。

6、螺纹联接有哪些基本类型？适用于什么场合？答：①螺栓联接：用于被联接件不太厚且两边有足够的安装空间的场合。

②螺钉联接：用于不能采用螺栓联接，如被联接件之一太厚不宜制成通孔，或没有足够的装配空间，又不需要经常拆卸的场合。

③双头螺柱联接：用于不能采用螺栓联接且又需要经常拆卸的场合。

第3章机械零件的疲劳强度㈠基本内容：1. 疲劳断裂特征；2.疲劳曲线和疲劳极限应力图；3.影响机械零件疲劳强度的主要因素；4.许用疲劳极限应力图；5.机械零件的疲劳强度；6.稳定变应力时安全系数的计算；7.规律性非稳定变应力时机械零件的疲劳强度；㈡重点与难点：1重点：疲劳曲线和疲劳极限应力图；许用疲劳极限应力图；影响机械零件疲劳强度的主要因素；机械零件的疲劳强度；稳定变应力时安全系数的计算.2难点：绘制简化的零件疲劳极限应力图；根据许用疲劳极限应力图预测零件的失效；用图解法和解析法计算零件安全系数.㈢基本要求：1熟记疲劳曲线和疲劳极限应力图；2掌握材料的疲劳极限应力图与零件的许用疲劳极限应力图的区别；3掌握机械零件的疲劳强度的概念；4掌握零件的工作安全系数的计算方法.3.1 疲劳断裂特征在变应力下工作的零件，疲劳断裂是主要的失效形式之一。

表面无缺陷的金属材料，其疲劳断裂过程分为两个阶段：第一阶段是零件表面上应力较大处的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源，疲劳源可以有一个或数个；第二阶段是裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲劳断裂。

实际上，材料内部的夹渣、微孔、晶界以及表面划伤、裂纹、酸洗等都有可能产生初始裂纹。

因此一般说零件的疲劳过程是从第二阶段开始的，应力集中促使表面裂纹产生和发展。

疲劳断裂截面是由表面光滑的疲劳发展区和粗糙的脆性断裂区组成。

零件在变应力下反复变形，裂纹周期地压紧和分开，使疲劳发展区呈光滑状态，在电子显微镜下放大观察，有以疲劳源为中心，间隔为0．1 m一1 m的同心疲劳纹。

每一疲劳纹表示每次应力循环使裂纹延伸的结果。

人眼所见到的同心弧状前沿线是由于机器开停或载荷不稳定使裂纹前进不均衡所造成的。

当载荷稳定时，前沿线可能很轻微甚至没有。

此外，还可以看到自疲劳源向外辐射的条纹，称垄沟纹，粗糙的脆性断裂区是由于剩余截面静应力强度不足造成的。

截面大小与所受载荷有关。

1.影响零件疲劳强度的主要因素有：应力集中、尺寸大小、表面加工质量。

2.静连接与动连接的强度计算区别：压溃（工作面上挤压应力强度校核）、过度磨损（工作面上压力强度校核）3.标准蜗杆传动中，蜗杆直径系数q与刚度的关系：d=mq(模数*系数)4．螺纹连接防松：一旦松动，轻者影响机器的正常运转，重者造成严重事故。

常用防松措施：摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副运动关系。

5.紧螺栓连接中，螺栓刚度对应力辐的影响：降低螺栓刚度或增加被连接件刚度可减小应力辐。

6.双键连接时，切向键两者夹角120－130度，平键180度。

7不完全液体润滑径向滑动轴承，要进行验算轴承的平均压力p、轴承的pv值、滑动速度v条件性计算。

液体润滑径向滑动轴承。

8蜗杆传动中，蜗杆头数与传动效率及自锁性关系：头数越多，传动效率越高，自锁性越不好。

9.带传动中其他参数不变，只有小轮有两种速度，当传递功率不变时应按低速设计该带传动。

按低速的，当功率不变时，速度低的受力大，按力大的选择带传动，保证带的强度。

10.链传动中，为什么链条磨损后更容易从大链轮上脱落：磨损后节距变长，滚子沿大链轮外移，大链轮容易发生掉链爬高现象。

设计时减少大链轮齿数，减少滚子沿大链轮的外移量。

11.一双齿轮传动中，1.5倍。

12.在机械设计和使用机器时应遵从力求缩短磨合期、延长稳定磨损期、推迟剧烈磨损的到来。

13.一对啮合的标准圆柱齿轮传动，若齿轮齿数分别为z1小于z2,这对齿轮的弯曲应力1大于2.14.普通紧螺栓连接受横向载荷作用，螺栓中受拉伸应力作用。

15.带传动有效拉力与预紧力、包角、摩擦系数的关系：正比关系。

最小初拉力直接决定临界摩擦力的大小，增加摩擦系数和带轮的包角有利于增大临界摩擦力，相应地降低最小初拉力。

16单向规律性不稳定变应力的疲劳强度计算依据：疲劳损伤累积假说。

17.为什么小链轮齿数不能选得过少、大链轮齿数不得过多：齿数过少增加运动的不均匀性和动载荷，链条在进入和退出啮合时链接之间的相对转角增大，链传动的圆周力增大，从整体上加速铰链和链轮的磨损。

机械设计习题第3章疲劳强度问答题1.问：试述零件的静应力与变应力是在何种载荷作用下产生的？答：静应力只能在静载荷作用下产生，变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生。

2、稳定循环变应力的种类有哪些？画出其应力变化曲线，并分别写出最大应力σmax、最小应力σmin、平均应力σm、应力幅σa与应力循环特性γ的表达式。

答：对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变应力3、机械零件疲劳破坏的特征有哪些？机械零件疲劳强度与哪些因素有关？特征：（1）疲劳失效过程：裂纹萌生、裂纹扩展和突然发生脆性断裂三个阶段（2）断裂面：疲劳源、光滑的疲劳区、粗糙的断裂区（3）无明显塑性变形的脆性突然断裂（4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。

4、如何由σ-1、σ0和σs三个试验数据作出材料的简化极限应力图？5、相对于材料，影响机械零件疲劳强度的主要因素有哪些？综合影响因素（Kσ）D的表达式为何？如何作零件的简化极限应力图？应力集中、零件尺寸、表面状态6、应力集中、零件尺寸和表面状态是否对零件的平均应力σm和应力幅均有影响？只对应力幅有影响，对平均应力没有明显影响7、按Hertz公式，两球体和圆柱体接触时的接触强度与哪些因素有关？外载荷F、ρΣ、弹性模量E、泊松比u以及b8.问：零件的等寿命疲劳曲线与材料试件的等寿命疲劳曲线是否相同？答：两者不同，零件的等寿命疲劳曲线需考虑零件上应力集中对材料疲劳极限的影响。

9.问：疲劳损伤线性累积假说的含义是什么？答：该假说是：在每一次应力作用下，零件寿命就要受到一定损伤率，当损伤率累积达到100%时（即达到疲劳寿命极限）便发生疲劳破坏。

通过该假说可将非稳定变应力下零件的疲劳强度计算折算成等效的稳定变应力疲劳强度。

10.问：机械零件上的哪些位置易产生应力集中？举例说明。

如果零件一个截面有多种产生应力集中的结构，有效应力集中系数如何求取？答：零件几何尺寸突变（如：沟槽、孔、圆角、轴肩、键槽等）及配合零件边缘处易产生应力集中。

简答题：1、影响零件的疲劳强度有哪些因素？原理是什么？为什么会导致零件失效？因素：由于实际机械零件与标准件之间在绝对尺寸、表面状态、应力集中、环境介质等方面往往有差异，这些因素的综合影响使零件的疲劳极限不同于材料的疲劳极限，其中尤以应力集中、零件尺寸和表面状态三项因素对机械零件的疲劳强度影响最大。

原理：零件在受到交变应力周而复始的反复作用，所受载荷远远低于屈服强度等因素产生。

失效原因：(1)设计——设计上导致零件失效的最常见原因是结构或形状不合理，对零件的工作条件估计错误。

(2)材料——选材不当是材料方面导致失效的主要原因。

(3)加工——零件加工成型过程中，由于加工工艺不良，也会造成各种缺陷。

(4)安装——零件安装时配合过紧、过松、对中不准、固定不紧等均可造成失效或事故。

2、什么叫做螺纹的预紧？预紧的目的是什么？怎样控制预紧力？绝大多数螺纹连接在装配时都必须拧紧，使连接在工作载荷之前预先受到力的作用。

这个预加作用力称为预紧力。

螺纹连接的预紧目的：增强连接的可靠性和紧密性，防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑动。

控制预紧力的方法：借助测力矩扳手或定力矩扳手，利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小，或采用测定螺栓伸长量的方法来控制预紧力。

3、齿轮疲劳折断首先出现的裂纹点在什么位置？采取什么措施来预防失效？裂纹位置：疲劳裂纹往往从齿根受拉侧开始发生。

预防失效方法：①采用正变位齿轮，以增大齿根厚度；②增大齿根圆角半径和降低表面粗糙度值；③采用表面强化处理等。

齿轮失效的原因？类型？齿轮折断——齿轮轮齿疲劳断裂、折断。

齿面点蚀——润滑良好闭式传动，齿面接触疲劳造成的。

齿面磨损——开式传动，润滑不良，由粉尘磨料磨损造成的。

齿面胶合——重载、润滑条件差。

塑性变形——材料强度低、热处理不合格等。

4、在进行轴的结构设计时应注意些什么情况？(1)轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置，轴上的零件应便于装拆和调整；(2)轴端、轴颈与轴肩的过渡部分应该有倒角或者过度圆角且符合国标，应尽可能是倒角或者圆角的半径一致；(3)应该有螺纹退刀槽或者砂轮越程槽，当轴上有两个以上的键槽是，键槽宽度尽可能相同，并且在同一母线上，以利于加工；(4)阶梯轴的直径应该是中间大，两端小，便于轴上的零件拆装。

1、影响机械零件疲劳强度的主要因素：除材料性能应力循环特征和应力循环次数之外，主要有应力集中，绝对尺寸，表面状态；2、各键工作面：平键：两侧面；半圆键侧面；楔键：上下两面：切向键：对楔键沿斜面拼合后相互平行的两个窄面；3、带传动工作时所受应力：松边应力，紧边应力，离心应力，弯曲应力，最大应力发生在紧边进入小轮处；4、带传动在工作时，设小带轮为主动，则带内应力的最大值是发生在带进入小带轮处；5、减速蜗杆传动中，主要失效形式为轮齿点蚀，弯曲折断，齿面胶合，磨损常发生在蜗轮齿上；一．轴改错1、试指出题3图所示的轴系零部件结构中的错误，并说明错误原因。

说明：（1）轴承部件采用两端固定式支承，轴承采用油脂润滑；（2）同类错误按1处计；（3）指出6处错误即可，将错误处圈出并引出编号，并在图下做简单说明；（4）若多于6处，且其中有错误答案时，按错误计算。

图中存在错误如下（见题4图解）：题3图解（1）弹簧垫圈开口方向错误；（2）螺栓布置不合理，且螺纹孔结构表示错误；（3）轴套过高，超过轴承内圈定位高度；（4）齿轮所在轴段过长，出现过定位现象，轴套定位齿轮不可靠；（5）键过长，轴套无法装入；（6）键顶面与轮毂接触；且键与固定齿轮的键不位于同一轴向剖面的同一母线上；（7）轴与端盖直接接触，且无密封圈；（8）箱体的加工面未与非加工面分开，且无调整垫片；（9）重复定位轴承；（10）齿轮油润滑，轴承脂润滑而无挡油盘；（11）悬伸轴精加工面过长，装配轴承不便；（12）应减小轴承盖加工面。

二、蜗轮蜗杆1．图为一重物提升装置传动系统图，图示电机回转方向。

在重物提升时，根据受力合理性，试回答：（1）确定两个斜齿轮及蜗轮蜗杆的螺旋线方向；（2）并在图中标出各齿轮及蜗轮蜗杆所受各分力的方向。

三．滚动轴承1、一对角接触球轴承反安装(宽边相对安装)。

已知：径向力F rl=6750N，F r2=5700N，外部轴向力F A=3000N，方向如图所示，试求两轴承的当量动载荷P l、P2，并判断哪个轴承寿命短些。

1.影响零件疲劳强度的主要因素有：应力集中、尺寸大小、表面加工质量。

2.静连接与动连接的强度计算区别：压溃（工作面上挤压应力强度校核）、过度磨损（工作面上压力强度校核）3.标准蜗杆传动中，蜗杆直径系数q与刚度的关系：d=mq(模数*系数)4．螺纹连接防松：一旦松动，轻者影响机器的正常运转，重者造成严重事故。

常用防松措施：摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副运动关系。

5.紧螺栓连接中，螺栓刚度对应力辐的影响：降低螺栓刚度或增加被连接件刚度可减小应力辐。

6.双键连接时，切向键两者夹角120－130度，平键180度。

7不完全液体润滑径向滑动轴承，要进行验算轴承的平均压力p、轴承的pv值、滑动速度v条件性计算。

液体润滑径向滑动轴承。

8蜗杆传动中，蜗杆头数与传动效率及自锁性关系：头数越多，传动效率越高，自锁性越不好。

9.带传动中其他参数不变，只有小轮有两种速度，当传递功率不变时应按低速设计该带传动。

按低速的，当功率不变时，速度低的受力大，按力大的选择带传动，保证带的强度。

10.链传动中，为什么链条磨损后更容易从大链轮上脱落：磨损后节距变长，滚子沿大链轮外移，大链轮容易发生掉链爬高现象。

设计时减少大链轮齿数，减少滚子沿大链轮的外移量。

11.一双齿轮传动中，1.5倍。

12.在机械设计和使用机器时应遵从力求缩短磨合期、延长稳定磨损期、推迟剧烈磨损的到来。

13.一对啮合的标准圆柱齿轮传动，若齿轮齿数分别为z1小于z2,这对齿轮的弯曲应力1大于2.14.普通紧螺栓连接受横向载荷作用，螺栓中受拉伸应力作用。

15.带传动有效拉力与预紧力、包角、摩擦系数的关系：正比关系。

最小初拉力直接决定临界摩擦力的大小，增加摩擦系数和带轮的包角有利于增大临界摩擦力，相应地降低最小初拉力。

16单向规律性不稳定变应力的疲劳强度计算依据：疲劳损伤累积假说。

17.为什么小链轮齿数不能选得过少、大链轮齿数不得过多：齿数过少增加运动的不均匀性和动载荷，链条在进入和退出啮合时链接之间的相对转角增大，链传动的圆周力增大，从整体上加速铰链和链轮的磨损。