第三章 机械零件的强度作业答案

机械零件的强度1、 【答】影响机械零件疲劳强度的主要因素有零件几何形状、尺寸大小、加工质量及强化因素。

零件设计时，可以采用如下的措施来提高机械零件的疲劳强度：1）尽可能降低零件上应力集中的影响是提高零件疲劳强度的首要措施。

应尽量减少零件结构形状和尺寸的突变或使其变化尽可能地平滑和均匀。

在不可避免地要产生较大的应力集中的结构处，可采用减荷槽来降低应力集中的作用；2）选用疲劳强度大的材料和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）尽可能地减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。

2、 【解】由公式 mr rN NN σσ0= 得N 1 = 7000时 MPa 6.373=700010×5180==9610111mN N N σσN 2 = 25000时 MPa 3.324=2500010×5180==9620112mN N N σσN 3 = 620000时MPa 0.227=62000010×5180==9630113mN N N σσ3、 【解】由公式3-6 012=σσσψσ 得MPa 33.283=2.0+1170×2=+12=10σψσσ简化极限应力线图上各点的坐标分别为），（）；，（）；，（02607.1417.1411700C D A ''按比例绘制的简化极限应力线图如图所示。

4、 【解】1）绘制零件的简化极限应力线图零件极限应力线图上各点的坐标分别为：），（），（；），（0260),1.118,7.141(=2.17.1417.141)7.141,0(=2.11700C D A工作点M 坐标为)20,30(=),(m a σσ2）标出极限应力点S 1和S 2C r = 和C σm =时在零件的简化极限应力线图上的极限应力点S 1和S 2如图所示。

第三章机械零件的强度
一、分析与思考题
3-1 试举例说明什么零件的疲劳破坏属于低周疲劳破坏，什么零件的疲劳破坏属高周疲劳破坏。

3-2 在材料的疲劳曲线上，为何需要人为规定一循环基数N0，并将对应的极限应力称为材料的疲劳极限?
3-3 弯曲疲劳极限的综合影响系数Kσ的含义是什么?它与哪些因素有关?它对零件的疲劳强度和静强度各有何影响?
3-4 在单向稳定变应力下工作的零件，如何确定其极限应力?
3-5 疲劳损伤线性累积假说的含义是什么?写出其数学表达式。

3-6 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有哪些? 二、设计计算题
3-7 一零件由45钢制成，材料的力学性能为：σs=360MPa，σ-1=300 MPa，ψσ=0.2。

已
知零件上的最大工作应力σmax=190MPa，最小工作应力σmin=110MPa，应力变化规律为σ
=常数，弯曲疲劳极限的综合影响系数K d=2.0，试分别用图解法和计算法确定该零件的计m
算安全系数。

题3-7图
3-8 某材料受弯曲变应力作用，其力学性能为：σ-1=350MPa，m=9，N0=5×106。

现用此材
料的试件进行试验，以对称循环变应力σl=500MPa作用104次，σ2=400MPa作用105次，
σ3=300MPa作用106次。

试确定：
(1)该试件在此条件下的计算安全系数；
(2)如果试件再作用σ=450MPa的应力，还能循环多少次试件才破坏?。

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。

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。

K (σ + σ )ca第三章机械零件的疲劳强度设计3－39 试推导出 σmin ＝常数或 σm ＝常数时安全系数的计算公式，并比较 r ＝常数和上述两种情况下安全系数计算公式的区别（可代入一些具体数字进行比较）3－65 一钢制零件，工作应力为：σmax =250MP a ，σmin =－50MP a 。

零件的疲劳强度综合 影 响 系 数 K σ=1.35 ， 材 料 的 力 学 性 能 为 σb =630MP a ， σs =455MP a ， σ-1=285MP a ， σ0=510MP a 。

若 许 用 安 全 系 数 对 变 应 力 取 [S σ]=1.3、对静应力取[S σ]＇=1.5，并按无限寿命 考虑，试分别用解析法和图解法校核该零件的安全系数。

（σa =150MP a ，σm =100MP a ，ψσ=0.1176） 第一种情况：r=CS =caσ-1K σ + ϕ σσ a σm= 1.33 >[S σ]安全第二种情况：σm =CS = σ -1 + ( K σ - ϕσ )σm = 1.21 <[S ]σ σam不安全第三种情况：σmin =CS = ca 2σ + ( K - ϕ )σ-1 σ σ min ( K + ϕ )(2σ + σ σ σ a min)= 1.39安全第四章摩擦、磨损及润滑概述二、分析与思考题1 按照摩擦机理分，磨损有哪几种基本类型？它们各有什么主要特点？2 机械零件的磨损过程分为哪三个阶段？在设计使用时，在设计或使用机器时如何要 求以延长零件的寿命？3 获得流体动力润滑的必要条件是什么？4 润滑剂的作用是什么？常用润滑剂有哪几种？l 2第五章 螺纹联接和螺旋传动三、计算题1、 如图示高压容器螺纹联接 的 a ）、b ）、c ）三种方案，问哪 种比较合理？并说明其它方案为什么不合理。

解答：图（b ）比较合理。

图(a)螺纹联接布置太少，两螺纹间矩太大，对于高压熔器很难保证密封性要求；图(c)螺纹联接太多，两螺纹间矩太小，不够扳手的活动空间，没法拧紧和放松。

第三章 机械零件的强度p45习题答案3-1某材料的对称循环弯曲疲劳极限MPa 1801=-σ，取循环基数60105⨯=N ，9=m ，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。

[解] MPa 6.373107105180936910111=⨯⨯⨯==--N N σσN MPa 3.324105.2105180946920112=⨯⨯⨯==--N N σσNMPa 0.227102.6105180956930113=⨯⨯⨯==--N N σσN 3-2已知材料的力学性能为MPa 260=s σ，MPa 1701=-σ，2.0=σΦ，试绘制此材料的简化的等寿命寿命曲线。

[解])170,0('A)0,260(C012σσσΦσ-=-σΦσσ+=∴-1210MPa 33.2832.0117021210=+⨯=+=∴-σΦσσ得)233.283,233.283(D '，即)67.141,67.141(D '根据点)170,0('A ，)0,260(C ，)67.141,67.141(D '按比例绘制该材料的极限应力图如下图所示3-4 圆轴轴肩处的尺寸为：D=72mm，d=62mm，r=3mm。

如用题3-2中的材料，设其强度极限σB=420MPa，精车，弯曲，βq=1，试绘制此零件的简化等寿命疲劳曲线。

[解] 因2.14554==dD，067.0453==dr，查附表3-2，插值得88.1=ασ，查附图3-1得78.0≈σq，将所查值代入公式，即()()69.1188.178.0111k=-⨯+=-α+=σσσq查附图3-2，得75.0=σε；按精车加工工艺，查附图3-4，得91.0=σβ，已知1=qβ，则35.211191.0175.069.1111k=⨯⎪⎭⎫⎝⎛-+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+=qσσσσββεK()()()35.267.141,67.141,0,260,35.2170,0DCA∴根据()()()29.60,67.141,0,260,34.72,0DCA按比例绘出该零件的极限应力线图如下图3-5 如题3-4中危险截面上的平均应力MPa20m=σ，应力幅MPa20a=σ，试分别按①Cr=②Cσ=m，求出该截面的计算安全系数caS。

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。

第三章 强度1. ①零件的应力变化规律(工作应力增长规律)通常分为几种?②并对每种举出一个实例。

③工程设计中难以确定应力变化规律时，可采用何种类型？①分为简单加载(r =常数，或m aσσ=常数) ，复杂加载（σm =常数及σmin =常数）②r =常数：转轴弯曲应力； σm =常数：车辆减振弹簧σmin =常数：气缸盖螺栓③难以判定类型时，一般按r =常数处理。

2. 在图示某零件的许用极限应力图中，A'E'S 为疲劳极限曲线，M 为零件的工作应力点，下列三种情况下的极限应力点分别为：a)应力循环特性r =常数时_______ M 3_______点；和塑性安全区外；A点位于安全区内)4. 试在下列极限应力图上分别标出三种不同加载情况下的疲劳安全区及塑性安全区。

1.某受稳定弯曲变应力作用的轴类零件，最大工作应力σmax =400MPa，最小工作应力σmin=-100MPa。

已知材料的对称循环疲劳极限σ-=1450MPa，脉动循环疲劳极限σ0700=MPa，屈服极限σS MPa=800。

1）试绘出材料的按折线简化的极限应力图；2〕工作应力点M ；σσσm a +==max 400σσσm a -==-min 100σm MPa =150σa MPa =250M (150,250)3）M 点位于疲劳安全区，可能的失效形式为疲劳破坏。

2.某零件受稳定交变弯曲应力作用，最大工作应力MPa 180max =σ，最小工作应力MPa 150min =σ，屈服极限MPa 240S =σ，对称循环疲劳极限MPa 1801=-σ，脉动循环疲劳极限MPa 2400=σ，略去危险截面处应力集中系数等影响，试求：（1）作极限应力图；（2）材料特性系数（等效系数）σϕ值；（3）安全系数S 值解：1).作极限应力图,见图:标明工作点M ；833.0180/150/max min ===σσr (r =常数)MPa 1652minmax m =+=σσσ，MPa 152minmax a =-=σσσ2). σϕ：由图可知：01001222tan σσσσσσγϕσ-=-==--5.024********=-⨯= 材料特性系数σϕ:表示材料对循环不对称性的敏感程度，材料强度越高，其值越大。