机械设计作业集答案-第三版(西北工大版)

第三章 机械零件的强度

3—1 表面化学热处理 ；高频表面淬火 ；表面硬化加工 ；3—2 （3） ；

3—3 截面形状突变 ；增大 ； 3—4 （1） ；（1） ； 3—5 （1） ； 3－6答：

零件上的应力接近屈服极限，疲劳破坏发生在应力循环次数在103～104范围内，零件破坏断口处有塑性变形的特征，这种疲劳破坏称为低周疲劳破坏，例如飞机起落架、火箭发射架中的零件。

零件上的应力远低于屈服极限，疲劳破坏发生在应力循环次数大于104时，零件破坏断口处无塑性变形的特征，这种疲劳破坏称为高周疲劳破坏，例如一般机械上的齿轮、轴承、螺栓等通用零件。

3－7答：

材料的持久疲劳极限σr∞所对应的循环次数为ND，不同的材料有不同的ND值，有时ND很大。为了便于材料的疲劳试验，人为地规定一个循环次数N0，称为循环基数，所对应的极限应力σr称为材料的疲劳极限。σr∞和ND为材料所固有的性质，通常是不知道的，在设计计算时，当N>N0时，则取σrN=σr。

3—8答：

图a中A点为静应力，r=1。图b中A点为对称循环变应力，r=?1。图c中A点为不对称循环变应力，?1

3—9 答：

在对称循环时，Kσ是试件的与零件的疲劳极限的比值；在不对称循环时，Kσ是试件的与零件的尺寸系数εσ、表面质量系数βσ和强化系数βq极限应力幅的比值。Kσ与零件的有效应力集中系数kσ、

有关。Kσ对零件的疲劳强度有影响，对零件的静强度没有影响。

3—10答：

区别在于零件的等寿命疲劳曲线相对于试件的等寿命疲劳曲线下移了一段距离（不是平行下移）。′和m2′。但两者的失效形式也有可在相同的应力变化规律下，两者的失效形式通常是相同的，如图中m1

′和n′能不同，如图中n12。这是由于Kσ的影响，使得在极限应力线图中零件发生疲劳破坏的范围增大。

题解3—10图

3—11答：

承受循环变应力的机械零件，当应力循环次数N≤103时，应按静强度条件计算；当应力循环次数N>103时，在一定的应力变化规律下，如果极限应力点落在极限应力线图中的屈服曲线GC上时，也

应按静强度条件计算；如果极限应力点落在极限应力线图中的疲劳曲线AG上时，则应按疲劳强度条件计算；

3－12答：

在单向稳定变应力下工作的零件，应当在零件的极限应力线图中，根据零件的应力变化规律，由计算的方法或由作图的方法确定其极限应力。

1

3－13答：

该假说认为零件在每次循环变应力作用下，造成的损伤程度是可以累加的。应力循环次数增加，损伤程度也增加，两者满足线性关系。当损伤达到100％时，零件发生疲劳破坏。疲劳损伤线性累积假说的数学表达式为∑ni/Ni＝1。

3－14答：

首先求出在单向应力状态下的计算安全系数，即求出只承受法向应力时的计算安全系数Sσ和只承受切向应力时的计算安全系数Sτ，然后由公式（3－35）求出在双向应力状态下的计算安全系数Sca，

。 要求Sca＞S（设计安全系数）

3－15答：

影响机械零件疲劳强度的主要因素有零件的应力集中大小，零件的尺寸，零件的表面质量以及零件的强化方式。提高的措施是：1）降低零件应力集中的影响；2）提高零件的表面质量；3）对零件进行热处理和强化处理；4）选用疲劳强度高的材料；5）尽可能地减少或消除零件表面的初始裂纹等。

3－16答：

结构内部裂纹和缺陷的存在是导致低应力断裂的内在原因。

3－17答：

应力强度因子KI表征裂纹顶端附近应力场的强弱，平面应变断裂韧度KIC表征材料阻止裂纹失稳扩展的能力。若KI＜KIC，则裂纹不会失稳扩散；若KI≥KIC，则裂纹将失稳扩展。

3—18解：

，各对应循环次数下的疲劳极限已知σB=750MPa，σs=550MPa，σ?1=350MPa，由公式（3-3）分别为

m

σ?1N1

=σ?1

N0

=350×N1

9

5×105×10

64

=583.8MPa>σs

因此，取σ?1N1=550MPa=σs

m

σ?1N2=σ?1

N0N2

9

=350×

9

5×1065×105

67

=452MPa

m

σ?1N3

=σ?1

NN

03

=350×

5×105×10

=271MPa<σ?1

因此，取σ?1N3=350MPa=σ?1。

3—19 解：

1．确定有效应力集中系数、尺寸系数和表面质量系数

查附表3—2，由D/d=48/40=1.2，r/d=3/40=0.075，用线性插值法计算ασ和ατ。

ασ=2.09+

ατ=1.66+

(0.075?0.04)×(1.62?2.09)

=1.82

0.10?0.04

(0.075?0.04)×(1.33?1.66)

=1.47

0.10?0.04

查附图3—1，由σB=650MPa，r=3mm，查得qσ=0.84，qτ=0.86，由公式（附3—4），有效应力集中系数

kσ=1+qσ(ασ?1)=1+0.84×(1.82?1)=1.69

kτ=1+qτ(ατ?1)=1+0.86×(1.47?1)=1.40

查附图3—2，取εσ=0.77。查附图3—3，取ετ=0.86。查附图3—4，取βσ=βτ=0.86。零件不强化处理，则βq=1。

2．计算综合影响系数

2

由公式（3-12）和（3-14b），综合影响系数

Kσ=(

kσεσ+

1

βσ?1)

1

βq

=(

1.6911

+?1)×=2.36 0.770.861

Kτ=(

3—20解： 1．计算法

kτετ+

1

βτ?1)

1

βq

=(

1.4011

+?1)×=1.79 0.860.861

已知σmax=190MPa，σmin=110MPa，σm和σa分别为

+σmin190+110σ==150MPa σm=max

22?σmin190?110σ==40MPa σa=max

22由公式（3-21），计算安全系数

σ+(Kσ?ψσ)σm300+(2.0?0.2)×150

==1.5 Sca=?1

2.0×(150+40)Kσ(σm+σa)2．图解法

由公式（3-6）知，脉动循环的疲劳极限σ0为

2σ?12×300

==500MPa σ0=

1+ψσ1+0.2

σ?1

σ0500300； ==125MPa ==150MPa

K22×2.0σ2.0Kσ、点D（250，125）和点C（360，0）绘出零件的极限应力线图。过工作应力根据点A（0，150）

点M（150，40），作垂线交AG线于M′点，则计算安全系数

Sca=

′m+Mσ′aMσMσm+Mσa

=

150+135

=1.5

150+40

题解3—20图

3—21解：

1．求计算安全系数Sca

由公式（3-31），由于σ3<σ?1，对材料的寿命无影响，故略去。计算应力

m

9

σca=

1Z

∑niσim=N0i=1

1

×(104×5009+105×4009)=275.5MPa 6

5×10

3

由公式（3—33），试件的计算安全系数

σ350Sca=?1==1.27

σca275.52．求试件破坏前的循环次数n

由公式（3—1 a）各疲劳极限σrN所对应的循环次数N分别为

σ3509

N1=N0(?1)m=5×106×()=201768

σ1500

N2=N0(

σ?1m3509

)=5×106×()=1503289 σ2400

N=N0(

σ?1m3509

)=5×106×()=520799

450σ由公式（3—28），试件破坏前的循环次数

n1n2104105

n=(1??)N=(1??)×520799=460343≈4.6×105

N1N22017681503289

3—22解：

1．计算平均应力和应力幅

材料的弯曲应力和扭转切应力分别为

σb

MM300×103

====46.88MPa W0.1d30.1×403

TT800×103

==τ==62.5MPa 33WT0.2d0.2×40

弯曲应力为对称循环变应力，故σ2．求计算安全系数

m

=0，σa=σb=46.88MPa。扭转切应力为脉动循环变应力，

故τm=τa=0.5τ=0.5×62.5=31.25MPa。

由公式（3—17），零件承受单向应力时的计算安全系数 σ?1355

==3.44 Sσ=

Kσσa+ψσσm2.2×46.88+0.2×0

Sτ=

τ?1200

==3.37

Kττa+ψττm1.8×31.25+0.1×31.25

SσSτSσ+Sτ2

2

由公式（3—35），零件承受双向应力时的计算安全系数

Sca=

=

3.44×3.373.44+3.37

2

2

=2.41

3－23答： 由式（3－44），可靠性系数β为

β=

μr?μsσr+σs

2

2

=

600?525402+302

=1.5

由附表3－12查得对应的可靠度R=φ(1.5)=0.93319

4

第四章 摩擦、磨损及润滑概述

4－1（略） 4－2答：

膜厚比λ是指两滑动表面间的最小公称油膜厚度与两表面轮廓的均方根偏差的比值，边界摩擦状态时λ≤1，流体摩擦状态时λ＞3，混合摩擦状态时1≤λ≤3。

4－3（略） 4－4答：

润滑剂的极性分子吸附在金属表面上形成的分子膜称为边界膜。边界膜按其形成机理的不同分为吸附膜和反应膜，吸附膜是由润滑剂的极性分子力（或分子的化学键和力）吸附于金属表面形成的膜，反应膜是由润滑剂中的元素与金属起化学反应形成的薄膜。

在润滑剂中加入适量的油性添加剂或极压添加剂，都能提高边界膜强度。 4－5答：

零件的磨损过程大致分为三个阶段，即磨合阶段、稳定磨损阶段以及剧烈磨损阶段。

磨合阶段使接触轮廓峰压碎或塑性变形，形成稳定的最佳粗糙面。磨合是磨损的不稳定阶段，在零件的整个工作时间内所占比率很小。稳定磨损阶段磨损缓慢，这一阶段的长短代表了零件使用寿命的长短。剧烈磨损阶段零件的运动副间隙增大，动载荷增大，噪声和振动增大，需更换零件。

4－6答：

根据磨损机理的不同，磨损分为粘附磨损，磨粒磨损，疲劳磨损，冲蚀磨损，腐蚀磨损和微动磨损等，主要特点略。

4－7答：

润滑油的粘度即为润滑油的流动阻力。润滑油的粘性定律：在液体中任何点处的切应力均与该处流体的速度梯度成正比（即τ=－η?u?y ）。

在摩擦学中，把凡是服从粘性定律的流体都称为牛顿液体。 4－8答：

粘度通常分为以下几种：动力粘度、运动粘度、条件粘度。 按国际单位制，动力粘度的单位为Pa·s（帕·秒），运动粘度的单位为m2/s，在我国条件粘度的单位为Et（恩氏度）。运动粘度νt与条件粘度ηE的换算关系见式（4－5）；动力粘度η与运动粘度νt的关系见式（4－4）。

4－9答：

润滑油的主要性能指标有：粘度，润滑性，极压性，闪点，凝点，氧化稳定性。润滑脂的主要性能指标有：锥入度（稠度），滴点。

4－10答：

在润滑油和润滑脂中加入添加剂的作用如下：

1） 提高润滑油的油性、极压性和在极端工作条件下更有效工作的能力。 2） 推迟润滑剂的老化变质，延长润滑剂的正常使用寿命。

3） 改善润滑剂的物理性能，例如降低凝点，消除泡沫，提高粘度，改善其粘－温特性等。 4－11答：

流体动力润滑是利用摩擦面间的相对运动而自动形成承载油膜的润滑。

流体静力润滑是从外部将加压的油送入摩擦面间，强迫形成承载油膜的润滑。 流体静力润滑的承载能力不依赖于流体粘度，故能用低粘度的润滑油，使摩擦副既有高的承载能力，又有低的摩擦力矩。流体静力润滑能在各种转速情况下建立稳定的承载油膜。

4－12答：

5