2.2　课后习题详解

2．1  什么叫静载荷、变载荷、名义载荷和计算载荷？

答：不随时间变化或变化缓慢的载荷称为静载荷，如物体的重力。

随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷称为变载荷。

根据原动机或工作机的额定功率计算出的作用于机械零件上的载荷称为名义载荷。

在设计计算时，常用载荷性质K来考虑这些因素的综合影响。载荷系数K与名义载荷F的乘积称为计算载荷，即

2．2  什么叫静应力、变应力和稳定循环变应力？

答：大小和方向不随时间变化或变化缓慢的应力称为静应力，如图2-1（a）所示；

大小和方向随时间变化的应力称为变应力，如图2-1（b）所示；

周期、应力幅和平均应力保持常数的变应力称为稳定循环应力，如图2-2所示；

图2-1  应力谱

图2-2  稳定循环变应力谱

2．3  表示变应力的基本参数有哪些？它们之间的关系式是什么？

答：表示变应力的基本参数有5个，即：最大应力、最小应力、平均应力、应力幅和循环特征。

它们之间的关系式为

2．4  什么叫极限应力、许用应力？试述选用安全系数的原则和方法。

答：按照强度准则设计机械零件时，根据材料性质及应力种类而采用材料的某个应力极限值，称为极限应力，以符号、表示。

设计零件时，计算应力允许达到的最大值，称为许用应力。常用带方括号的应力符号[]和[]来表示。

许用应力等于极限应力（）和许用安全系数[]([])的比值，即

合理地选择许用安全系数是强度计算中的一项重要工作。其值取得过小则不安全，取得过大又会是机器尺寸增大，质量增加，很不经济。因此，合理的选择原则是：在保证安全可靠的原则下，尽可能选择较小的安全系数。

通常确定安全系数的方法有三种，即：表格法、经验数据法和部分系数法。

2．5  影响零件疲劳极限的因素有哪些？在疲劳强度计算时如何考虑这些因素的影响？

答：影响零件疲劳极限的主要因数有：应力集中、绝对尺寸、表面状态。

应力集中使零件疲劳极限降低的程度常用有效应力集中系数或来表征；绝对尺寸对零件疲劳极限的影响可用绝对尺寸系数或来表征；表面状态对疲劳极限的影响通常用表面状态系数或来表征。

2．6  试述选择机械零件材料的一般原则。

答： 选择材料的一般原则如下：

（1）载荷及应力的大小和性质

通常，受载荷大的零件应选用机械强度高的材料；在静应力作用下工作的零件可选用脆性材料；而在冲击、振动及变载荷作用下工作的零件则应选用塑性材料。

（2）零件的工作情况

零件的工作情况主要指零件所处的环境特点、工作温度和摩擦磨损的程度等。通常，在湿热环境下工作的零件应选用防锈和耐腐蚀能力好的材料，如不锈钢、铜合金等。当工作温度变化很大时，一方面要考虑互相配合的两零件材料的线性膨胀系数不能相差过大，以免在温度变化时产生过大的热应力，或使配合松动；另一方面也要考虑材料的机械性能随温度而改变的情况。当零件在工作中有可能发生摩擦磨损时，要提高其表面硬度，增强其耐磨性，因此，应选用适于进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢等材料。

（3）零件的尺寸和质量

零件的尺寸和质量与材料的品种及毛坏制造方法有关。用铸造材料制造毛坏时，一般不受零件的尺寸和质量的限制；而用锻造材料制造毛坏时，则需要考虑锻造机械设备的生产能力，一般用于零件尺寸和质量较小的情况。此外，一般情况下应该尽可能选用强度高而密度小的材料，以减小零件的尺寸和质量。

（4）零件结构的复杂程度及材料的加工可能性

结构复杂的零件宜用铸造毛坏，选用铸造工艺性好的铸造材料，如铸铁、铸钢等；也可以用板材冲压出元件后再焊接而成，选用冲压工艺性与焊接工艺性好的材料；而结构简单的零件可用锻造毛坏，选用锻造工艺性好的材料，如锻钢等。

（5）材料的经济性

首先应该考虑材料本身的价格，在能达到使用要求的前提下，应尽量选用价格低廉的材料。

其次应该综合考虑选用材料的经济效果。对于大量生产的零件，宜选用铸造材料，采用铸造毛坯；而对于单件生产的零件，则可选用焊接材料或锻造材料，采用焊接毛坏或自由锻造毛坏；对于某些机械零件，则采用精密的毛坏制造方法，如精铸、精锻、冲压等，这样既可提高材料的利用率，又节省了机械加工的费用，因此，可获得良好的经济效益。

（6）材料的供应情况

选用材料时，还应考虑当时当地的材料供应情况，应该在满足使用要求的条件下，首先选用库存材料，或当地材料、国产材料。

2．7  设计机械零件时应从哪几方面考虑其结构工艺性？

答：应该从以下几个方面考虑机械零件的结构工艺性：

（1）零件的结构应与生产条件、批量大小及尺寸大小相适应

在大批量生产及有大型生产设备的条件下，宜采用模锻毛坯；对形状复杂、尺寸大的零件，宜采用铸造毛坯。而单件或小批量生产的零件，宜用焊接毛坯或自由锻毛坯。

（2）零件造型应简单化

尽量采用最简单的表面（如平面、圆柱面、共轭曲面等）及其组合来构成。同时力求减少被加工表面的数量和被加工的面积。

（3）零件的结构应适合进行热处理

在零件结构设计时一定要考虑零件的热处理工艺性，避免在热处理时产生裂纹及严重变形，通常应注意以下几点：

①避免尖角、棱角；

②避免厚薄悬殊；

③零件形状力求简单、封闭和对称；

④采用结合结构。；

⑤提高零件的结构刚性。

（4）零件的结构应保证加工的可能性、方便性和精确性

设计出的零件结构不仅应保证能够进行加工，而且还应保证能够很方便地加工出满足精度要求的零件。

（5）零件的结构应保证装拆的可能性和方便性

设计出的零件结构应保证不仅能够进行装配与拆卸，而且很方便。

2．8  什么是零件的标准化，标准化的意义是什么？

答：零件的标准化，是指对机械零件的种类、尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、公差与配合、制图规范等制定出的大家共同遵守的标准。它的基本特征是统一、简化。其意义在于：

（1）能以最先进的方法在专门化工厂中对那些用途最广泛的零部件进行大量、集中的制造，以提高质量、降低成本；

（2）统一了材料和零部件的性能指标和检验方法，使其能够进行比较，提高了零部件性能的可靠性；

（3）采用了标准结构和标准零部件，可以简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量；

（4）便于互换和机器的维修。