2.2　課后習題詳解

2．1  什么叫靜載荷、變載荷、名義載荷和計算載荷？

答：不隨時間變化或變化緩慢的載荷稱為靜載荷，如物體的重力。

隨時間作周期性變化或非周期性變化的載荷稱為變載荷。

根據原動機或工作機的額定功率計算出的作用于機械零件上的載荷稱為名義載荷。

在設計計算時，常用載荷性質K來考慮這些因素的綜合影響。載荷系數K與名義載荷F的乘積稱為計算載荷，即

2．2  什么叫靜應力、變應力和穩定循環變應力？

答：大小和方向不隨時間變化或變化緩慢的應力稱為靜應力，如圖2-1（a）所示；

大小和方向隨時間變化的應力稱為變應力，如圖2-1（b）所示；

周期、應力幅和平均應力保持常數的變應力稱為穩定循環應力，如圖2-2所示；

圖2-1  應力譜

圖2-2  穩定循環變應力譜

2．3  表示變應力的基本參數有哪些？它們之間的關系式是什么？

答：表示變應力的基本參數有5個，即：最大應力、最小應力、平均應力、應力幅和循環特征。

它們之間的關系式為

2．4  什么叫極限應力、許用應力？試述選用安全系數的原則和方法。

答：按照強度準則設計機械零件時，根據材料性質及應力種類而采用材料的某個應力極限值，稱為極限應力，以符號、表示。

設計零件時，計算應力允許達到的最大值，稱為許用應力。常用帶方括號的應力符號[]和[]來表示。

許用應力等于極限應力（）和許用安全系數[]([])的比值，即

合理地選擇許用安全系數是強度計算中的一項重要工作。其值取得過小則不安全，取得過大又會是機器尺寸增大，質量增加，很不經濟。因此，合理的選擇原則是：在保證安全可靠的原則下，盡可能選擇較小的安全系數。

通常確定安全系數的方法有三種，即：表格法、經驗數據法和部分系數法。

2．5  影響零件疲勞極限的因素有哪些？在疲勞強度計算時如何考慮這些因素的影響？

答：影響零件疲勞極限的主要因數有：應力集中、絕對尺寸、表面狀態。

應力集中使零件疲勞極限降低的程度常用有效應力集中系數或來表征；絕對尺寸對零件疲勞極限的影響可用絕對尺寸系數或來表征；表面狀態對疲勞極限的影響通常用表面狀態系數或來表征。

2．6  試述選擇機械零件材料的一般原則。

答： 選擇材料的一般原則如下：

（1）載荷及應力的大小和性質

通常，受載荷大的零件應選用機械強度高的材料；在靜應力作用下工作的零件可選用脆性材料；而在沖擊、振動及變載荷作用下工作的零件則應選用塑性材料。

（2）零件的工作情況

零件的工作情況主要指零件所處的環境特點、工作溫度和摩擦磨損的程度等。通常，在濕熱環境下工作的零件應選用防銹和耐腐蝕能力好的材料，如不銹鋼、銅合金等。當工作溫度變化很大時，一方面要考慮互相配合的兩零件材料的線性膨脹系數不能相差過大，以免在溫度變化時產生過大的熱應力，或使配合松動；另一方面也要考慮材料的機械性能隨溫度而改變的情況。當零件在工作中有可能發生摩擦磨損時，要提高其表面硬度，增強其耐磨性，因此，應選用適于進行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等材料。

（3）零件的尺寸和質量

零件的尺寸和質量與材料的品種及毛壞制造方法有關。用鑄造材料制造毛壞時，一般不受零件的尺寸和質量的限制；而用鍛造材料制造毛壞時，則需要考慮鍛造機械設備的生產能力，一般用于零件尺寸和質量較小的情況。此外，一般情況下應該盡可能選用強度高而密度小的材料，以減小零件的尺寸和質量。

（4）零件結構的復雜程度及材料的加工可能性

結構復雜的零件宜用鑄造毛壞，選用鑄造工藝性好的鑄造材料，如鑄鐵、鑄鋼等；也可以用板材沖壓出元件后再焊接而成，選用沖壓工藝性與焊接工藝性好的材料；而結構簡單的零件可用鍛造毛壞，選用鍛造工藝性好的材料，如鍛鋼等。

（5）材料的經濟性

首先應該考慮材料本身的價格，在能達到使用要求的前提下，應盡量選用價格低廉的材料。

其次應該綜合考慮選用材料的經濟效果。對于大量生產的零件，宜選用鑄造材料，采用鑄造毛坯；而對于單件生產的零件，則可選用焊接材料或鍛造材料，采用焊接毛壞或自由鍛造毛壞；對于某些機械零件，則采用精密的毛壞制造方法，如精鑄、精鍛、沖壓等，這樣既可提高材料的利用率，又節省了機械加工的費用，因此，可獲得良好的經濟效益。

（6）材料的供應情況

選用材料時，還應考慮當時當地的材料供應情況，應該在滿足使用要求的條件下，首先選用庫存材料，或當地材料、國產材料。

2．7  設計機械零件時應從哪幾方面考慮其結構工藝性？

答：應該從以下幾個方面考慮機械零件的結構工藝性：

（1）零件的結構應與生產條件、批量大小及尺寸大小相適應

在大批量生產及有大型生產設備的條件下，宜采用模鍛毛坯；對形狀復雜、尺寸大的零件，宜采用鑄造毛坯。而單件或小批量生產的零件，宜用焊接毛坯或自由鍛毛坯。

（2）零件造型應簡單化

盡量采用最簡單的表面（如平面、圓柱面、共軛曲面等）及其組合來構成。同時力求減少被加工表面的數量和被加工的面積。

（3）零件的結構應適合進行熱處理

在零件結構設計時一定要考慮零件的熱處理工藝性，避免在熱處理時產生裂紋及嚴重變形，通常應注意以下幾點：

①避免尖角、棱角；

②避免厚薄懸殊；

③零件形狀力求簡單、封閉和對稱；

④采用結合結構。；

⑤提高零件的結構剛性。

（4）零件的結構應保證加工的可能性、方便性和精確性

設計出的零件結構不僅應保證能夠進行加工，而且還應保證能夠很方便地加工出滿足精度要求的零件。

（5）零件的結構應保證裝拆的可能性和方便性

設計出的零件結構應保證不僅能夠進行裝配與拆卸，而且很方便。

2．8  什么是零件的標準化，標準化的意義是什么？

答：零件的標準化，是指對機械零件的種類、尺寸、結構要素、材料性能、檢驗方法、設計方法、公差與配合、制圖規范等制定出的大家共同遵守的標準。它的基本特征是統一、簡化。其意義在于：

（1）能以最先進的方法在專門化工廠中對那些用途最廣泛的零部件進行大量、集中的制造，以提高質量、降低成本；

（2）統一了材料和零部件的性能指標和檢驗方法，使其能夠進行比較，提高了零部件性能的可靠性；

（3）采用了標準結構和標準零部件，可以簡化設計工作，縮短設計周期，提高設計質量；

（4）便于互換和機器的維修。