《機械設計基礎》教案

1、關于機械設計課程的說明講授任何一門課程 ,都得首先對它有個輪廓的了解 ,因而有必要先對機械設計課 程作一簡要說明。一、本課程在專業(yè)教學方案中的地位與作用本課程是機械類各專業(yè)教學方案中的一主門干課程 ,屬技術根底課。因而它不 僅要求學生預先學完工程制圖、理論力學、材料力學、工程材料、機械制造根底、 機械原理、公差與技術測量等先修課程 ,而且要求學生結合本課程的學習 ,能夠綜合 運用所學的根底理論和技術知識 ,聯系生產實際和機器的具體工作條件 ,去設計合 用的零 部件及簡單的機械 ,以便為順利地過渡到專業(yè)課程的學習及進行專業(yè)產品 與設備的設計打下初步的根底。因此 ,本課程具有從理論性課程過渡到結合

2、工程實 際的設計性課程 ,從根底課程過渡到專業(yè)課程的承先啟后的橋梁作用。另一方面 ,本 課程所討論的內容 ,主要是通用機械零 部件的設計和選用方面的根本知識 、根本理 論和根本方法 ,所以是一般機械工程技術人員必備的根底。二、本課程的性質與任務本課程是一門培養(yǎng)學生機械設計能力的技術根底課 ,屬于設計性的課程。 本課程的主要任務是培養(yǎng)學生 :1. 掌握通用機械零、部件的設計原理、方法和機械設計的一般規(guī)律 ,具有設計 機械傳動裝置和簡單的機械的能力。2. 樹立正確的設計思想 ,了解國家當前的有關技術經濟政策。3. 具有運用標準、標準、手冊、圖冊和查閱有關技術資料的能力。4掌握典型機械零件的實驗方法

3、，獲得實驗技能的根本動訓練。5對機械設計的新開展有所了解三、本課程的教學環(huán)節(jié)及特殊性本課程的教學環(huán)節(jié)除了 包括自學 外，還應有習題課、討論課、實驗課、現 場教學、答疑輔導、設計作業(yè)及課程設計等。雖然課堂教學是一個非常重要方面， 但它遠非本課程的全部，因而企圖通過單單學習書本知識就把這門課程學好，最 后必將落得一知半解，缺乏實踐能力和設計素養(yǎng)，不能到達本課程的學習要求。 這一點，務必提醒每個學生都必須充分注意，并隨時加以警惕。如果學生在作習 題、設計作業(yè)和課程設計時，不注意進行理論和技術分析，不認真查閱手冊、圖 冊和有關資料；做實驗時不詳細弄清實驗目的、原理、儀表功能及測試方法；在 現場教學中不

4、細心觀察零件的結構、材料、制法、工作情況、失效形式和有關機 器的運轉性能，就不可能學好這門課程，也不可能成為一個優(yōu)秀的機械設計者。 所以學習本課程時必須明確，書本知識固屬重要，但在工程實際中，很少是靠單 獨運用書本知識就能正確解決問題的，而是還需掌握一定的經驗資料和具備較強 的工程判斷能力。因為實際的機械設計問題幾乎都不會只有一個答案的，新理論、 新技術、新材料、新工藝以及新的市場信息等，都將使答案發(fā)生變化。所以一定 要善于全面分析、綜合協調、靈活處理，并富有想象力、洞察力、探索精神和創(chuàng) 新勇氣，從而對各式各樣的設計問題作出機敏的工程判斷。而這些能力是要靠一 系列課程的各個教學環(huán)節(jié)來綜合培養(yǎng)的

5、。本課程應該負擔培養(yǎng)的局部，那么是通過 前述全部教學環(huán)節(jié)來實現的，決不是單單課堂教學就能奏效。四、本課程的特點1.論述機械零 部件設計時的一般順序及目的?機械設計?中 ,除第一篇“總論是綜合論述本課程的主要內容、性質、任務及一般機械設計的共性問題外 ,以后四篇都是分章論述常用的通用機械零 部件設計問題。各章內容的一般順序是 :首先介紹零 部件的主要類型、構造、功能、材料、制法、標準、優(yōu)缺點、適用場合等根本知識 ,以便對該章論述的零 部件有初步 的了解 ,從而為學習設計準備條件。然后論述工作情況、受力分析、應力狀態(tài)、失 效形式、設計準那么、設計方法與步驟、參數選擇原那么、常用參考資料以及有關注

6、意事項等 ,以便初步掌握零 部件的設計理論與方法。最后給出釋義例題 包括典型 的工作圖 ,以便引向設計實踐 ,并給出假設干習題 ,以便試行運用所學的有關知識、設 計理論、設計方法及參考資料 ,進行初步的設計鍛煉 ,從而加深與穩(wěn)固所學的知識與 技能 ,進一步開發(fā)智力 ,提高設計能力。這樣就為進行設計作業(yè)、課程設計和某些簡 單的機械的設計 ,準備了必要的條件。2. 機械設計的繁雜性及其對策由于本課程研究對象和性質上的特點 ,決定了教材內容本身的繁雜性。只有對 這一點有較深的認識和充分的思想準備 ,才能在整個教學過程中加以正確的處理。 教材內容的繁雜性主要表現“關系多、門類多、要求多、公式多、圖形多

7、、表格 多。形成上述“六多的主要原因是 :1由于本課程是建立在前述很多門先修課程的根底之上的 即“血緣很雜 , 因而必須和那些先修課程內容時時掛鉤 ,緊密聯系，才能把它們綜合地運用來為機 械設計效勞。這就形成了“關系多的特點。因此在教學過程中，需要經常引導 學生回憶檢查自己對各有關先修課程內容掌握的程度，并及時復習與深化有關的 內容，去除學習道路上的障礙，提高學習效率與質量。2由于本課程要分門別類地選擇一些典型的通用零 部件，分章論述 實際上有 些章里還包含了幾個獨立的局部 ，而各種零 部件本身都包含著很多類型，所以 就形成了“門類多的特點。為此，教學時要引導學生從各種零件的工作性能和 適用場

8、合等方面多作比照，從它們在機器中的功能、相互影響、裝配關系等方面 多作分析，找出各零件間的關聯；更要從設計理論及方法上找出各章之間的共性 和特性，要認真分析各個零件之間的內在聯系，特別是要從中總結出某些普遍規(guī) 律，以便用來解決現在沒有學到而將來可能遇到的新型零件的設計問題。所以， 絕對不應把一個個的零件孤立起來，否那么就難免產生內容零碎雜亂的感覺。3由于設計機械零件時，除了需要滿足強度、剛度、耐久性、工藝性、體積、 質量、經濟、平安、方便、美觀等一系列一般要求外，有時還要滿足絕緣、抗磁、 耐酸、防銹等特殊要求。對于部件還常會提出更多的要求，這就形成了“要求多 的特點。因此，教學時務必引導學生學

9、會善于全面分析比較，權衡輕重，區(qū)別對 待。“要求多是由于全面考慮、分別論述的結果，而對于具體的零部件，那么應該用“具體問題具體分析的方法來處理。4由于本課程是設計性課程，內容自應緊密圍繞零部件的設計問題。設計包括多方面的內容，但其主要局部通常是工作能力設計和結構設計，而工作能力設 計一般須進行某些計算 如強度計算、剛度計算、壽命計算、熱平衡計算等，這就形成了“公式多的特點。因此，教學時務必引導學生學會徹底搞清公式的性質、 使用條件、符號意義及代入單位、計算結果的單位等，然后才能正確應用它們。 教材中的公式，有解析性的、經驗性的、半經驗性的、定義性的等，其中有些是 在先修課程里學過的，有些那么是

10、新遇到的，還有的是只要求會用而不要求懂得其 理論根據和推導方法的 如零件曲面接觸應力的計算公式是引自彈性力學。盡管公式很多，但除了一些定義性公式如許用正應力0-= dim /S；標準直齒圓柱齒輪的 模數m=d /z等應在理解的根底上記住外，其余公式只要求能正確使用而不必硬 記。5由于本課程很多內容要用圖形表達， 這就必然形成“圖形多 的特點。因此， 教學時務必引導學生把所有的插圖一一看懂，并分清哪些是分析圖，哪些是結構 圖，哪些是示意圖；哪些是定性的， 哪些是定量的；哪些圖曲線圖相當于表格 但 比表格直觀，可以利用“引出線直接查找數據而不需插算，只是精確性比用表 格差些 等等。這樣雖然圖形很多

11、，也就不難對付了。6由于設計性課程的教材需要附有為了說明問題和作簡單習題所必須的最基 本資料 其余的那么可查閱手冊、圖冊、標準、標準等 ，這就形成了“表格多的特 點。教學時務必引導學生弄清每個表格的適用場合及如何查用，并應注意一些表 格下方的“標注，無視了這點就會造成查用上的錯誤，甚至帶來嚴重的后果。 還應注意觀察與分析表中數據的變化情況 遞減還是遞增，中間小還是兩頭小，原 因何在 ，這會有助于了解有關各量之間的相互影響及概略的變化規(guī)律。五、本課程要求的學習方法前面已指出，本課程要起到“從理論性課程過渡到結合工程實際的設計性課 程，從根底課程過渡到專業(yè)課程的作用，因而必須認清這個“過渡對學習方

12、 法提出的特殊要求。機械設計課程的學習方法 ,不僅和過去學習公共根底課時有根 本的差異 ,而且和學習理論力學、材料力學、機械原理等技術根底課時的方法也大 不相同。例如 :材料力學由于研究范圍的不同 ,對于一個受有垂直集中載荷的簡支梁 , 并不管梁上的載荷是哪個物體 零件傳給它的 ,這個物體是怎樣安裝在梁上的 ,更不 要求設計或選擇出兩端所需的支承；機械原理研究一個機構時，只要求確定各個 構件的長度，并不要求確定構件的結構形狀、材料、加工方法、強度、剛度、壽 命等。但是到了機械設計課，就得解決一系列的實際問題，直到每個零件能夠有 效地完成其工作職能，并到達預期的工作壽命。因此，學習機械設計課程時

13、，在 學習方法上就面臨著一個新的轉折點，如果仍舊沿用以前的學習方法，那就會輕 重倒置，不得要領。 因而如果在學習方法上“轉折得好，那就會事半功倍，迅 速提高聯系實際分析問題與解決問題的能力。所以學習方法正確與否，是具有重 要意義的。怎樣才能在學習方法上 “轉折 得好，關鍵在于是否真正摸清了這門課程的性 質。既然機械設計是一門實踐性很強的設計性課程，那就應該除了努力學好課堂 教學內容外，還要認真學好各個實踐性教學環(huán)節(jié)的內容，并注意把主要精力用于 鉆研零件的結構、選材、 制法、標準、標準、適用場合、工作情況、受力及應力 狀態(tài)、失效形式及其機理、設計準那么、設計方法與步驟，以及可能出現的問題與 對策

14、上，而對公式的推導、經驗數據的取得、某些曲線的來歷等，只需作一般的 了解，不必反復深鉆，以免偏離重點。譬如在學習過程中，在適當的時候到實驗 室去親手拆裝一臺較簡單的機器或一個完整的部件 例如減速器 ,詳細了解一下它 的構造、功能、機構、零件、材料、毛坯、加工、裝配、潤滑、密封、運轉、維 護等，就會幫助學生較全面地了解這門課程，抓住較好的學習方法。教學時務必 告訴學生。最后，還要特別向學生提醒兩點：一是必須明確， 設計決非只是計算，計算雖也重要，但它只是為結構設計提供 一個根底，而零件、部件和機器的最后尺寸和形狀，通常都是由結構設計取定的， 計算所得的數字 ,最后往往會被結構設計所修改。結構設計

15、在設計工作量中一般占 較大比重，因而必須給予足夠的重視。二是必須明白， 教材中給出的例題或某個零件的設計步驟及結果， 僅為說明如 何運用根底知識和經驗資料去解決一個實際問題的范例，而不是唯一正確的答案或一切設計方法的終結；論述某個零件的設計方法和步驟，決非僅僅為了使學生 學會那個零件的設計，而是為了培養(yǎng)學生掌握這些“武器 ,從而具備設計各種有 關零件的能力。?機械設計?教案第一章 緒論一、本章的主要內容、特點及教學要求 本章主要內容是：機器的作用，組成機器的根本要素零件 ；零件的概括分 類；零件局部與機器 總體 的關系；機械設計的主要內容及處理有關矛盾的原 那么；本課程的內容、性質與任務。本章

16、的特點是：它既是本課程的序幕，又是本課程的總綱。因而它的內容要 貫穿全課程的始末，并涉及本課程的前后關系。講好緒論課對搞好該門課程的教 學工作是至關重要的 ,必須予以高度重視 ,做好充分準備 ,保證把緒論講好 根據教育部 << 機械設計課程教學根本要求 >> 和我院制定的?機械設計教學 大綱? ,本章的教學要求為 :1明確?機械設計?在國民經濟建設中的重要作用；2弄清機械零件設計在機械設計中的地位；3了解本課程的內容、性質、特點、與先修及后續(xù)課程之間的關系，以及相應的學習方法，從而對整個課程獲得一個鳥瞰。4使學生對機械設計學科的開展前沿有所了解?？偟膩碚f，本章的教學要求

17、就是要使學生搞清楚“為什么學？ 、“學什么？和“如何學？這三大問題，并樹立起學好本課程的決心與信心。二、本章重點及難點本章重點，一是機器的主體及其根本組成要素和機械零件的分類， 機械零件局 部和機器總體的關系；二是本課程的內容性質與任務。本章難點是，除了掌握本章的根本內容之外，還應結合本課程的性質與特點， 積極探索具有針對性的學習方法。三、本章教學工作的組織及學時分配本章的教學內容安排 1 個學時。另外 ,在課外應再組織學生參觀一些實際機械 如印刷廠的印刷機、切紙機、零件陳列室的實物模型等。通過現場教學使學生從 感性上進一步了解本課程研究的對象和內容 ,體會學習本課程的目的 ,并進一步調 動他

18、們學習本課程的興趣和積極性 .第二章 機械及機械零件設計概要一、本章主要內容、特點及教學要求本章內容概括起來講可分為兩局部：第一局部是關于及其總體設計的概述，包括§ 2-1 、§2-2 及§2-3 三節(jié)。第二部 分是關于機械零件設計的概述，包括§ 2-4 及以后的各節(jié)。本章特點在于從機器設計的總體要求出發(fā)， 引出與機械零件設計有關的一些原 那么性問題。這些問題，例如設計機器的一般程序、機械零件失效形式、零件的設 計要求、計算準那么、設計方法、設計步驟及材料選擇等，始終貫穿在本書以后的 各章中。在講授本章時，由于學生還沒有接觸到各個具體零件的設計內容，所以

19、 不大容易較為深刻地掌握本章的內容，也無法和以后的各章建立聯系。本章的教學要求：首先就是要從總體上建立起機器設計，尤其是機械零件設計的總括性的概念， 即從機器的總體要求出發(fā)，引出對機械零件的要求，根據零件的失效形式，擬定出設計準那么，在選擇出適用的材料后，按一定的步驟，用理論設計或經驗設計的方法，設計出機械零件來。這個過程的系統性是很嚴密的。它對以后各章的學習都具有提綱挈領的作用。其次，要掌握對機器和機械零件的根本要求。這些要求不管列出多少條，從本質上講卻只有兩條，第一是提高機器總體效益；第二是避免失效。第一條要求是相對的，隨著科學技術的開展，對總體效益的要求總是不 斷變化的。第二條要求卻是最

20、根本的。即在到達設計壽命前的任何時候，對機器 和零件總是有防止失效的要求的。以上要求不可能一下子掌握， 因此要求在以后各章節(jié)的教學中， 不斷的結合各 章的具體分析來逐步加深。二、本章重點及難點 本章重點是與機械零件設計有關的幾節(jié)。本章的難點不在于各節(jié)的具體內容， 而在于對各節(jié)的內容要從總體上以及它們的相互聯系上予以理解，了解各節(jié)之間 在邏輯上的相互關系。本章的難點還在于本章的內容非常原那么而不具體，它的具 體化要在以后的各章中才能表達。1機器的組成§2-1 本節(jié)概括的介紹了一部機器的組成情況。教學時要注意到，不管是機器的基 本組成局部，還是其余局部，都包含有由機械零、部件構成的機械系

21、統。即使在 今天高科技時代，高水平的機電一體化機器，其任何局部，包括控制系統在內， 也都離不開機械。這一點，一定要牢牢記住。2設計機器的一般程序§ 2-2 本節(jié)從最一般的概念上介紹了一部機器的設計程序。必須說明，本課程并不 能負擔起關于整部機器一般設計程序所涉及的所有問題的研究任務。機器的設計程序已成為一門新的專業(yè)課程。該章對機器的設計程序僅作一般的簡略介紹，其目的除了使學生對機器設計過程有一個總體概念以外，還在于著重說明零件和部 件設計在整部機器中所占的地位及其重要性。本門課程主要效勞于機器設計程序 中的技術設計階段。讓學生仔細地閱讀教材第 7 頁上“三技術設計階段的內 容。不可展

22、開講。3對機器的主要要求§ 2-3 本節(jié)是為了能從其中引出對零件的根本要求而設的。對機器的要求在很大程 度上是要靠零件滿足設計要求來保證的。4機械零件的主要失效形式§ 2-4 本節(jié)介紹的僅為零件失效形式的主要類型，是從完成零件技術功能的觀點來 定義失效的，并不涉及社會經濟分析問題。事實上，隨著科學技術的進步，有時 有些機械零、部件甚至整部機器雖然沒有出現教材中所列舉的任何一種失效形式， 但由于它們已不能適應技術開展的需要而必須予以淘汰或報廢。從廣義上講，這 也是一種失效形式。5設計機械零件時應滿足的根本要求§ 2-5 本節(jié)所提出的五項根本要求中，防止在預定壽命期內

23、失效的要求和結構工藝 性要求是最主要的；經濟性和質量小得要求是不言而喻的；可靠性要求是隨著機 器越來越復雜而 提出的新要求的。對于強度，要明確強度既與零件的斷裂有關，也與零件的不允許的剩余變形 有關。這和以后選擇零件材料的極限應力有密切聯系。對于剛度，要明確它涉及到的是零件的彈性變形，不能把它和剩余變形相混 淆。對于壽命，要注意主要制約壽命的技術因素是疲勞、腐蝕、和磨損。對于高溫下工作的機器及其零部件，或者對于工程塑料零件，蠕邊變形也是影響壽命的一個因素。本課程是討論通用機械零件設計問題的，所以只列舉了前三個因素。 結構工藝性要求是應給予足夠重視的一個根本要求。要讓學生正確理解和掌 握結構工藝

24、性的要求，必須熟悉從毛坯生產到最后使用的全過程的有關工藝知識。 此外，在機械設計工作中，從工作量上來說，處理結構工藝性的問題所花費的精 力也是相當可觀的。學生在學習本課程時，工藝知識還不夠全面，因而要特別強 調這一要求。6機械零件的計算準那么§ 2-6 強度、剛度、壽命及振動穩(wěn)定性各準那么，與先修的力學課程密切相關，比較 容易理解。關于零件的靠性，可以從不同的失效模型研究，得到不同的可靠度規(guī)律。本 章所述的指數規(guī)律，是在不具體考察零件失效的原因，而只從失效的表現來研究 零件的可靠性時所采用的規(guī)律。式2-6是一個概括性很強的公式，隨著失效率入的函數形式的不同，可以得到多種不同的可靠度變

25、化規(guī)律。對于它的理解應當是：a隨著工作時間的延長，零件的可靠度 R總是逐漸降低的。這個概念是符合 于常識的。從數學上看，零件的失效率入總是一個正值。b失效率和可靠度之間既有嚴格區(qū)別又有相互聯系， 失效率越高， 那么在某一固定時刻的可靠度也就愈低?？煽慷瓤偸菚r間的函數，而失效率卻既可以是時間的函數，也可以不是時間的函數而為某一常數。因此，說可靠度，必須同時指明工作壽命。兩個零件的可靠度只有在同一壽命下才是可比的。兩次失效件的平均工作時間 MTBF 通常是用統計的方法來確定的。7機械零件的設計方法§ 2-7 本節(jié)從設計方法的類比來討論設計方法，而不是各種設計方法的具體細節(jié)內 容。不同零件

26、的設計方法有不同的不表現形式，這在以后各種零件設計的有關章 節(jié)中再行討論。本節(jié)提出常規(guī)設計方法和現代設計方法兩個大類別。不能誤解為有了現代設 計方法，常規(guī)的設計方法就是過時了或不需要了?，F代設計方法是在新的設計思 想以及有了現代的設計技術物質手段的條件下，由常規(guī)設計方法開展而來的，在 必要時用來彌補常規(guī)設計方法的缺乏，但它并不能完全取代常規(guī)設計方法，因為 現代設計方法本身是離不開常規(guī)設計方法的。例如優(yōu)化設計方法中很多約束條件 就是要依靠常規(guī)設計方法來建立。所以要擺正這兩種設計方法件的關系。學生們一般對理論設計方法易于接受，但對經驗設計方法卻往往不予重視。 經驗設計“是很有效的設計方法 。所謂經

27、驗，總會隨著社會的不斷開展而不斷 積累，經驗并不總是陳舊的、過時的東西。相反，它恰恰是在理論還不成熟時， 用來解決各種問題的一種可靠的方法。后面各章中就有不少經驗設計的內容，很 多經驗數據也可以廣義理解為經驗設計的內容，從這一意義上來說，理論設計也 是離不開經驗設計的。模型實驗設計是在理論設計知識還不完備，原有的經驗又缺乏以解決設計問 題時，人們獲取新經驗和開展新理論的一種設計方法。8機械零件設計的一般步驟§ 2-8 本節(jié)只勾劃出零件設計步驟的一個輪廓。在實際運用時，由于所掌握的條件的多寡不同，它會有相當的靈活性。例如，有時可先做結構設計，然后根據計算準那么進行必要的驗算。有時還可能

28、要反復地進行假設干步驟的工作。9機械零件材料的選用原那么§ 2-9 由于后續(xù)各章將會對各種零件常用的材料作具體介紹。所以本節(jié)只重點說明 材料的選用原那么。選用材料的前提是對材料性能包括機械、物理和工藝性能 以及經濟性的全面了解。選用材料的根本方法，是在分析與總結已有的成功地使 用經驗及選材不當的教訓的根底上，結合對材料的了解，全面衡量，妥善取定。10 機械零件設計中的標準化§ 2-10 標準化是設計工作中的一個重要的內容，要在熟悉現行的各種有關標準的前 提下，在設計中運用和遵守標準。標準是人制訂的，是為設計工作效勞的?？梢园迅鞣N設計標準分為兩類：一類是在設計中可以靈活處理的

29、，例如直徑 標準、長度標準等；另一類通常是要嚴格遵守的，例如螺紋尺寸標準、齒輪模數 標準等。雖然如此，在某些特定條件下，這類標準也可以不予遵守，例如在航空 航天工業(yè)中，由于部件的尺寸及質量的大小需要嚴格限制，也不乏采用非標準齒 輪模數的情況。三、本章教學工作的組織及學時分配本章的教學內容安排 2 學時。以課堂講授和板書表達為主，注意條理化。第三章 機械零件的強度一、本章主要內容、特點及教學要求強度準那么是最重要的設計準那么。本章把各種零件強度計算的共性問題集中到 一起，略去零件的具體內容，而突出闡述強度設計計算的根本理論和方法。以后 各章中各種強度的計算方法從本質上來講都是一樣的。不同零件的強

30、度計算公式 在形式上的不同，僅來源于零件本身的特殊性，以及設計工作中沿用的一些慣例， 而不是強度計算方法的原那么有什么不同。本章的教學要求： 1了解疲勞曲線及極限應力曲線的來源、意義及用途，能從材料的幾個根本機械性能O0,os ,61及零件的幾何特性，繪制零件的極限應力簡化線圖。2 學會單項變應力時的強度計算方法，了解應力等效轉化的概念。3了解疲勞損傷累計假說 Miner 法那么的意義及其應用,認識到以應力和 以載荷計算的情況系數之間的聯系及差異。4學會雙向變應力時的強度校核方法。5會查用附錄中的有關線圖及數表。二、本章重點、難點及本卷須知1 §3-2 疲勞曲線內容 絕大多數通用零件

31、都是在變應力下工作的,因此,各式各樣的疲勞破壞是通 用零件的主要失效形式。1 式3-1 式描述疲勞曲線右側CD 局部的一種公式。除該式以外，在 專門討論疲勞強度的文獻中還會看到其它形式的公式。但式 3-1 式有關公式中 形式最簡單、參數最少只有 m 和 C 兩個、又能滿足工程計算的精確性要求， 并且應用起來最為方便的公式，所以在設計中應用最廣泛。2教材圖3-3上No和Nd是兩個不同的循環(huán)次數。No是人為規(guī)定得值，所 以在不同的文獻中，其值常有差異。而 Nd是隨著材料所固有的性質的不同，通過 實驗來確定的一個常數。由于試驗技術上的原因，各文獻上對同一材料所介紹的 N D 值也往往有所不同。這主要

32、是因為試驗條件及方法不同所致。在本節(jié)中，主要的是要知道 No和Nd在定義上是不同的，至于它們的具體數 值，在以后各章節(jié)中用到時都會給出的。順便提一下，對于中碳鋼一類的材料， 在拉壓、彎曲和扭轉條件下，由于 Nd的值不很大，所以常常以Nd值作為No值, 即 N o=N D。2 §3-2 極限應力線圖 要得到疲勞強度計算時的極限應力線圖，應當在各種不同應力循環(huán)特性 r 條 件下進行材料的疲勞試驗， 先求出各不同的 r 時的疲勞曲線。 然后，根據這些不同 的疲勞曲線，得到很多個對應于不同循環(huán)特形式的材料的疲勞極限c rn。利用這些c rN才能在ca- Cm坐標上繪制出材料的極限應力線圖。這

33、是一條曲線，即圖3.1上ADB 曲線?？墒且玫竭@一條曲線，需要消耗驚人的物力及時間。因此，人們提 出只利用很少的幾個試驗數據來近似地求得在工程應用上足夠精確的極限應力曲 線的方法。圖 3.1 所示的材料的極限應力圖， 是用光滑的 無應力集中源的、標準尺寸的 試件通過試驗的方法求出的，曲線A'D'B為極限應力曲線。為了便于計算，可用A D近似地代替A Q 由圖可知，這樣簡化，誤差很小，但計算公式大大簡化； 對于塑性材料承受靜應力時，其極限應力為屈服極限c s,故可用CG來表示其極限 應力線注意CG上任一點所代表的極限應力均為C max= Ca+ Cm = Cs；再將AD延 長到

34、Gz ,與CG，交于Gz0經過這樣的簡化，就得到了 A/ D/ G，和Gz C兩條 分別對應于變應力及靜應力情況下的極限應力線。這就是圖 3-4 所示的材料的簡 化極限應力圖。教材圖 3-5 是用有應力集中源的試件作實驗求得的簡化極限應力線圖。有應 力集中源的試件中的應力是按照公稱名義應力來計算的，即根據截面尺寸不考慮應力集中作用來計算應力的。由于有應力集中源，致使試件在N0 循環(huán)時發(fā)生 破壞的試驗載荷要比無應力集中源試件的破壞載荷低得多，因而求得的公稱應力值就低得多。根據試驗數據，人們發(fā)現 A '和A以及D'SD點的縱坐標的比值基 本上都等于因此，彎曲疲勞極限的綜合影響系數

35、Ko只是在相同平均應力條件 下，材料的與零件的極限應力幅的比值。這個意思在不少的書籍中表述為：綜合 影響系數只對應力幅有作用，對平均應力不發(fā)生影響。這就是式3-7a所表達的意 思。3-7a 的“試件受循環(huán)彎曲應力時的材料特性，其含義就相當于某種 材料能把所承受的彎曲平均應力轉化成等效的彎曲應力幅的一種特性，所以也叫 做“彎曲平均應力轉化系數 ，亦即彎曲應力的平均應力局部被它乘了之后，就具 有與彎曲應力的應力幅同等的疲勞損傷作用了。這個轉化可以用圖3.2 來說明。不過，這樣的分析是以應力的循環(huán)特性不變的工作情況為前提的。由圖可見，圖 a 中的單向不對稱循環(huán)變應力，可以分解為圖 b 所示的平均應

36、力。圖 c 的平均應力又可等效轉化為圖 d 所示的對稱循環(huán)變應力了。因此，這個 應力的轉化過程也可以叫做不對稱循環(huán)變應力的等效轉化。這個應力等效轉化的 概念，就是把的工作應力，轉化成在強度上具有等效影響的對稱循環(huán)變應力。式3-10是各種文獻中計算彎曲疲勞極限的綜合影響系數k疔的公式的一種。除此以外，還有其它的 k。的表達式。k。的計算式是人們根據經驗擬合的，也就是 說它是該書的作者根據自己的經驗和認識提出的，而不是一個理論公式。不同資 料不得混用。3.§3-2 單向穩(wěn)定變應力時機械零件的疲勞強度計算 單向穩(wěn)定變應力雖然在實際的機械零件中是較少遇見的工作狀況，但它的計 算方法卻是疲勞強

37、度計算的根底。這是因為人們所知道的材料抗疲勞破壞的機械性能T -1或00是在實驗室中按照單向穩(wěn)定變應力的工作狀況用試驗方法決定的緣故。因此本節(jié)內容非常重要。我們用平均應力O m和應力幅oa作為描述變應力的一對參量。這等效于用0 max Omin和r中的任何兩個作為參量的描述方法。首先要明確的是：在一個的工作應力點O m,o 條件下，由于零件中應 力變化規(guī)律的不同，可以求出對應于此工作應力點的無數個極限應力，即極限應 力曲線上任何一個點所代表的極限應力都有可能作為該工作應力的極限應力。對 于根本的典型的應力變化規(guī)律，可以列出r=C, om=C及omin=C這三種情況下的極限應力計算方法。其次，零

38、件在任一種應力變化規(guī)律下，都有可能出現靜應力 破壞或疲勞破壞的情況。到底哪一種破壞更易于發(fā)生，那么取決于應力變化曲線首 先和極限應力曲線的那一段相交。 如首先和AG局部相交，就說明零件將會首先發(fā) 生疲勞破壞；如和GC局部相交，那么首先會發(fā)生靜應力破壞。由此道出不同的疲勞 強度校核公式。4 . §3-2單向不穩(wěn)定變應力時疲勞強度計算單向不穩(wěn)定變應力時強度計算的依據是疲勞損傷累計假說，即式3-26 。有些文獻上把它叫做 Palmgren-Miner假說，或者簡單的叫做邁納爾Miner 法那么。這是一個基于能量觀點的假說。該假說認為材料發(fā)生疲勞破壞，是材料上所 作用的外力對材料所作的功積累

39、到一定值時的必然結果，并認為同等的變應力中 每一應力循環(huán)都做同樣的功，都對材料起同樣的損傷作用。因此，設該變應力循 環(huán)N次使材料發(fā)生疲勞破壞，那么每一應力循環(huán)中外力所作的功就是引起破壞的總 能量的命，這個值就是一次循環(huán)的損傷率。雖然Miner法那么在許多試驗條件下與試驗數據不能很好的吻合，但作為概念，它還是反映了總和損傷率的統計關系。因此，就工程計算精確性的意義上來說還是可用的式(3-30 )中的應力情況系數Ks的作用，是把對稱循環(huán)的不穩(wěn)定變應力(圖3.3a )轉化為等效的對稱循環(huán)穩(wěn)定變應力。至于轉化成具有什么參數的穩(wěn)定變應 力，雖然可以在各級不穩(wěn)定變應力中任選一級變應力作為典型應力，但實用上

40、通 常是選擇其中絕對值最大且作用時間也較長的一級變應力作為典型應力。對于那 些在零件整個工作壽命中循環(huán)很少次數的峰值過載應力，只要它通過了靜強度計 算，一般不作為典型應力。公式中以c i作為選取的典型應力值，其它各級變應力 都向廠等效轉化為相當于對稱循環(huán) N '次的穩(wěn)定變應力c 1 (圖3.3b ),然后合并 起來最后折算成ksci為應力幅的對稱循環(huán)變化No次的穩(wěn)定變應力(圖3.3c)。所 以，平安系數計算值Sca及強度條件就應當為Sca=( cl/ks cl)?S。這就是教材中的 式 (3-31) 。如果原來作用的是不對稱循環(huán)的不穩(wěn)定變應力時,就先對各級應力的乘以 ,再加上該級的應力

41、幅 ,把各級不對稱循環(huán)變應力等效對稱化,然后再用系數進行等效穩(wěn)定化 .這樣就可以當作對稱循環(huán)穩(wěn)定變應力來處理 .式(3-32) 中的載荷情況系數與的意義相同 ,只不過是施加于變載荷 (使之轉化為 等效的穩(wěn)定載荷 )情況下的系數而已 .5.§3-2 雙向穩(wěn)定變應力時的疲勞強度計算雙向穩(wěn)定變應力時的計算依據是圖 3-12 及式(3-33). 式(3-33) 是用于同相位對 稱循環(huán)的彎曲和扭轉變應力聯合作用的情況 .對于一般的平面應力狀態(tài) ,可以應用 最大切應力理論進行強度計算 .事實上 ,式(3-33) 就是彎曲、扭轉聯合作用下最大且 應力理論也是大致符合于試驗結果的 .6對§

42、3-3 機械零件接觸強度的說明和所有其它條件下的強度一樣，接觸強度計算也包括接觸應力的計算、極限 應力與許用應力確實定以及強度條件的校核三局部。極限應力與許用應力確實定，就是根據試驗數據來確定接觸疲勞極限，然后再根據使用經驗確定平安系數，從而計算出許用應力。應當特別指出，用試驗方法求接觸疲勞極限時，由于試驗條件的不同，可能有純滾動及滾動帶滑動兩種情 況。同樣的材料在這兩種條件下得到的接觸疲勞極限值是有不小的差異的。接觸應力的分析必須借助于彈性力學的方法。對于大多數工程專業(yè)的大學生 來說，在學機械設計課程以前是不會安排彈性力學課程的。因此，對這個公式， 只要會使用就可以了。三、本章教學工作的組織

43、及學時分配本章的教學內容安排 4 個學時。以多媒體手段和板書推導相結合來共同完成 該章的教學任務。第四章 摩擦、磨損及潤滑概述一、本章主要內容、特點及學習要求1主要內容本章主要內容是對摩擦學所研究的主要對象即摩擦、磨損和潤滑的根本問 題作簡單扼要的介紹，重點在于闡述摩擦和磨損的分類與機理，形成油膜的動 壓和靜壓原理，以及彈性流體動力潤滑的根本知識。2特點因本章涉及的內容較廣，為了使讀者對摩擦學有一個概括的了解，因而本章 包含的內容是較多的。這里只要求搞清概念，而無需做更深的探討。3教學要求1明確摩擦學所包含的主要內容、研究對象及開展摩擦學的重要經濟價值。2對于干摩擦、邊界摩擦、混合摩擦、流體摩

44、擦的機理與物理要有扼要的了 解。3初步了解磨損的一般規(guī)律即磨損曲線及各種磨損粘附磨損、磨粒磨 損、疲勞磨損、沖蝕磨損、腐蝕磨損和微動磨損的機理和物理特征。4了解潤滑的作用及潤滑劑油、脂的主要指標。5 掌握流體動力潤滑的根本概念及楔效應承載原理，而對于彈性流體動力潤滑和流體靜力潤滑只需有一個初步了解即可。二、本章重點、難點及本卷須知1 本章重點為： 1各類摩擦的機理與物理特征； 2各類磨損的機理與物理 特征； 3流體動力潤滑的根本原理。2本章難點為楔效應承載理論及彈性流體動力潤滑原理。3本章內容分析及學習本卷須知1概述局部本局部應了解摩擦學所包含的主要內容和研究對象，以及摩擦、磨損與潤滑 之間的

45、有機聯系。明確摩擦是因其能量損耗的主要原因，磨損是造成零件失效和 材料損耗的主要原因，而潤滑那么是減小摩擦和磨損的最有效的手段。隨著科學技 術的開展，材料和能源的節(jié)約日益重要， ，因此形成了一門新興的學科摩擦學。 它是研究相對運動中相互作用者的外表工作情況的科學和技術。2講授§4-1 “摩擦一節(jié)內容時應注意的問題本節(jié)所討論的摩擦，不是先修課程內容的簡單重復，而是更著重于摩擦的機 理和物理本質。學習時要注意了解各種摩擦的機理及其狀態(tài)。 干摩擦 關于干摩擦的理論，主要有機械嚙合理論、分子機械理論、靜電 力理論的粘附理論。目前認為粘附理論對金屬摩擦在宏觀上提出了最滿意地解釋。用粘附理論，結

46、合試驗結果，證明了經典摩擦定律的正確性，得出了干摩擦 時的摩擦力與表觀接觸面積無關而與載荷成正比的結論見教材第四章公式 4-2 及4-3 。重點弄清以下概念：a簡單粘附理論認為真實接觸面積 Ar取決于軟金屬的壓縮屈服極限C Sy和法 向載荷Fn。但這一結論有一定的局限性。修正粘附理論認為真實接觸面積是與金 屬材料的塑性變形決定的。這是考慮在有摩擦的情況下，由于接觸區(qū)同時作用有 法向應力及切應力，并假設當最大切應力到達臨界值時，材料發(fā)生屈服。因此， 真實接觸面積Ar應該是考慮法向載荷的影響所得到的接觸面積與摩擦力產生的面 積增量之和。b簡單粘附理論指出摩擦系數f= T/ OSy,其中TB、OSy

47、皆指兩金屬中較軟者的應 力。對于大多數金屬，比值T B/ OSy均較接近，因而各種金屬的摩擦系數相差很小。 文獻12對此的解釋，認為是由于當兩種硬金屬發(fā)生摩擦時，其T B及oSy都較高而 真實接觸面積Ar卻很小，當軟金屬對硬金屬摩擦時，其T B及0Sy都較低而Ar卻較 大的緣故。事實上，將按簡單理論算得的摩擦系數絕對值與通過試驗側得的數值 作一比較，就可以證明它是不完全的。修正后的粘附理論是一種較符合實際的理 論，雖然它仍以簡單理論的模型為根據并作了假設干假設，但它卻能解釋不少的摩 擦現象。 邊界摩擦 首先應該了解邊界摩擦的性質，即這種摩擦特性主要取決于潤 滑油和金屬外表的化學性質，其特征就在

48、于相對滑動的兩金屬外表上形成了邊界膜。進而應搞清楚物理吸附膜、化學吸附膜和化學反響膜形成的機理和特點。明 確前兩種邊界膜的潤滑性能稱為潤滑油的油性，后一種那么叫極壓性。因為純粹的邊界摩擦只是在理想的光整外表間才能實現，而這種理想的光整 外表實際上并不存在，因此不可能有純粹的邊界摩擦。實際上，我們所說的邊界 摩擦都是邊界摩擦與干摩擦的混合。例如，當兩摩擦外表間的間隙很小或機器起 動機停車時，均會出現這種摩擦狀態(tài)。 混合摩擦 首先應了解產生混合摩擦的條件，明確混合摩擦是一種兼有干 摩擦、邊界摩擦和流體摩擦的平均性質的摩擦。例如，在滑動軸承中當軸頸滑動 速度缺乏或潤滑缺乏，而載荷過大時，便可產生這種

49、混合摩擦如內燃機的連桿 銷、十字滑快銷和活塞銷等 ；甚至正確設計和計算能到達流體摩擦的軸承在啟動、 停車及在磨合時間內也不可防止的會產生混合摩擦； 此外，如在油中有硬質顆粒， ， 其尺寸超過了油膜厚度，也會發(fā)生混合摩擦。如何評定混合摩擦時外表微觀峰尖與油墨分擔載荷的情況，教材中介紹了膜厚比公式4-1 ,即A=h min/R al+R a2,它表示隨著入的增加，油膜所承擔的載荷也增加。這是一個主要用于定性，且可粗略用來定量的公式，可供設計是確定摩擦 狀態(tài)的參考。 流體摩擦 本小節(jié)中，對液體摩擦只作為一種摩擦狀態(tài)來介紹，沒有涉及一些理論分析問題，因而只需掌握兩點：a由于流體摩擦時摩擦面件的油膜厚度

50、 足夠大入5 ,油分子大都不受金屬外表的吸附作用的支配而能自由移動，摩擦 表現為油的粘性；b形成流體摩擦是有一定條件的。3講授§4-2 “磨損一節(jié)內容時應注意的問題 首先應對機件磨損的普遍規(guī)律及圖 4-6所表示的磨損曲線有一個初步 的認識，從而明確設計者的職責在于采取措施，力求縮短磨合期，延長穩(wěn)定磨損 期，推遲劇烈磨損期的到來。 教材中所討論的五種形式的磨損，主要根據提出的分類方法。對這五中磨損形式的機理，讀者應有一個概括性的認識。其中，粘附磨損、磨粒 磨損和疲勞磨損是應掌握的重點。 對腐蝕磨損、 沖蝕磨損以及復合形式的磨損 即 粘附、磨粒、疲勞和腐蝕磨損形式的復合微動磨損那么只需有

51、個根本概念即可。順便指出，這些磨損形式可隨工作條件的變化而轉化。對于通常的機械摩擦 副，主要是隨相對滑動速度和載荷的變化而變化。 這幾種磨損形式中的粘附磨損、磨粒磨損及疲勞磨損，在以后分析齒輪傳 動、蝸桿傳動、滑動軸承和滾動軸承的失效形式時均會碰到，因而要善于把三種 磨損形式的機理和有關根本概念與以后有關章節(jié)中所講到的零件具體的聯系起 來，以便進一步深化概念。4講授§4-3 “潤滑劑和潤滑方法一節(jié)時應注意的問題 首先應對潤滑的作用，潤滑劑的種類有一個初步的了解 對于潤滑油、潤滑脂的主要質量指標這一小節(jié)中，重點是潤滑油，對潤滑 脂只作一般了解即可。潤滑油的諸質量指標中，重點要了解粘度指

52、標，明確潤滑油是牛頓液體，油的粘 度是流體潤滑中極為重要的一個因素。對常用的粘度單位動力粘度、運動粘度、 條件粘度的定義、量綱及不同粘度單位的相互換算方法應能掌握，并對潤滑油 的粘-溫特性、粘 -壓特性有一個初步概念。關于其它指標，只需建立一個印象，以便需要時查閱有關手冊。 潤滑油、潤滑脂的添加劑種類很多，主要了解添加劑的作用，特別是油性 添加劑、極壓添加劑對提高潤滑油邊界膜的強度所起的作用。 潤滑油或潤滑脂的供應方法在設計中是很重要的，最好能結合生產實際掌 握這一局部內容。5流體潤滑原理這一節(jié)§ 4-4 中，流體動力潤滑時學習本門課程時需掌握 的一個重要內容。學習流體動力潤滑時，主

53、要在于搞清兩滑動外表間動壓油膜的 形成原理。對彈性流體動力潤滑這一局部內容只要求建立一個初步的概念。這部 分內容寫的比較概括，為便于理解，這里作一些簡單的補充說明。彈性流體動力潤滑理論是計入了高壓下油的粘 - 壓特性在流體動壓油膜形成中 所起的重要作用，以及引起接觸區(qū)材料彈性變形的壓力與流體動力潤滑油膜壓力 的相互關系。例如，對于某些做相對滾動或滾動 - 滑動的兩個受潤零件，載荷的傳 遞是通過零件的局部接觸來實現的如外嚙合齒輪的輪齒之間，滾動軸承的滾動 體與套圈之間，凸輪與從動件之間等 。因為局部壓力很高，這時接觸區(qū)的局部彈 性變形量與油膜厚度差不多具有同樣的數量級，因而都不能予以忽略。在這種

54、載 荷條件下，接觸體的局部彈性變形構成立了受潤零件間的油膜形狀，而這個油膜 形成的流體動壓力又起到使接觸體產生彈性變形的作用，它們之間相互影響，互 為因果，這就構成了彈性流體動力潤滑理論的研究內容。兩個受潤零件是否能形成彈性流體動力潤滑，不僅要看局部受載的大小和形 成流體動壓油膜的所需的條件如何，而且還取決于接觸體材料的彈性和油的粘-壓特性。彈性流體動力潤滑理論的研究目的是根據這種理論來求出高副接觸處的最 小油膜厚度。根據對彈性流體動力潤滑理論進行的大量計算結果，發(fā)現了如下的普遍規(guī)律：a在靠近接觸區(qū)口處突然出現第二峰值壓力見圖 4-18 。第二峰值壓力不可 無視，因為它的數值很大而范圍極窄，可

55、能產生很高的表層下的應力，從而導 致零件的點蝕破壞。b在出口處的油膜厚度出現一種縮頸現象，使得 hmin比接觸區(qū)平行部的油膜厚度ho小25%，這可解釋為，當油從高壓接觸區(qū)排出后就迅速擴散開，壓 力便急劇下降，此時要保持流動的連續(xù)性，通道截面即油膜厚即必須減小， 因而形成了這一油膜局部收縮現象。c為了實現彈性流體動力潤滑，必須計算其膜厚比是否能滿足要求。關于流體靜力潤滑只需了解其原理與流體動力潤滑的本質區(qū)別即可。三、本章教學工作的組織及學時分配本章的教學內容安排 2 個學時。以多媒體手段結合掛圖為主來共同完成該章 的教學任務。第五章 螺紋聯接和螺旋傳動一、本章主要內容、特點、及教學要求1 本章主

56、要內容包括兩局部：第一局部為螺栓聯接的設計，包括螺栓聯接的 預緊、強度計算、螺栓組結構設計、受力分析及提高聯接強度的措施；第二局部 為滑動螺旋傳動的設計計算方法。2本章特點是內容包括螺紋聯接和螺旋傳動兩個局部。前者屬于聯接，后者 屬于傳動。二者在內容上雖有一定的聯系，但在設計要求上卻有很大的差異。3本章的教學要求1對于螺紋聯接的根本知識§ 5-1§5-4 ，應了解螺紋及螺紋聯接的類型、 特性、標準、結構、應用場合及有關的防松方法等，以便在設計時能夠正確的選用它們2對于螺紋聯接設計及強度計算局部§ 5-5§5-7 ,應掌握其結構設計原那么 及強度計算的理論

57、與方法，能正確進行螺拴組的受力分析，能較為合理的設計出 可靠的螺栓組聯接。3 對于螺旋傳動局部，主要是掌握螺旋傳動性能效率、自鎖等對螺紋選 型的要求及主要零件螺桿、螺母的設計計算方法，并通過一種根本類型螺 旋起重器的設計，了解滑動螺旋傳動的主要設計過程。二、本章重點、難點、及本卷須知1 本章重點有兩個：其一是各類不同外載荷情況下，螺栓組中各螺栓的受力 分析；其二是螺栓聯接的強度計算，尤其是承受軸向拉伸載荷的緊螺栓聯接的強 度計算。2本章中較為復雜的問題是承受傾覆力矩的底板螺栓組聯接的設計。實用中， 常把這種螺栓組聯接設計成傾覆力矩作用在結合面的垂直對稱面內，并做出一些 假設如底板為絕對剛性體、

58、地基與螺栓皆為均質彈性體等 ，使問題得到簡化。3本章教學本卷須知1§5-1§5-4 都是表達性的內容，對做好螺栓聯接的設計是必不可少的根本 知識，應當引導學生閱讀機械設計手冊。2 螺紋及螺紋聯接件大都已標準化。設計時，對不太重要的螺紋聯接一般只 需根據不同情況進行選用，不許自行設計。對重要的螺紋聯接，設計計算也只是 確定螺栓危險截面的直徑螺紋小徑 ，螺紋聯接的其它局部尺寸由標準選定。但 是，這并不排斥在個別特殊情況下，根據特殊的需要而自行設計某種非標準的螺 紋聯接件3螺紋聯接的設計主要是螺栓組聯接的設計因為工程實際中螺栓聯接通常 是成組使用的。其設計工作包括兩局部內容： 第一局部內容是正確