《机械设计基础》教案.pdf

关于机械设计课程的说明关于机械设计课程的说明讲授任何一门课程,都得首先对它有个轮廓的了解,因而有必要先对机械设计课程作一简要说明。一、本课程在专业教学计划中的地位与作用一、本课程在专业教学计划中的地位与作用本课程是机械类各专业教学计划中的一主门干课程,属技术基础课。因而它不仅要求学生预先学完工程制图、理论力学、材料力学、工程材料、机械制造基础、机械原理、公差与技术测量等先修课程,而且要求学生结合本课程的学习,能够综合运用所学的基础理论和技术知识,联系生产实际和机器的具体工作条件,去设计合用的零(部)件及简单的机械,以便为顺利地过渡到专业课程的学习及进行专业产品与设备的设计打下初步的基础。因此,本课程具有从理论性课程过渡到结合工程实际的设计性课程,从基础课程过渡到专业课程的承先启后的桥梁作用。另一方面,本课程所讨论的内容,主要是通用机械零(部)件的设计和选用方面的基本知识、基本理论和基本方法,所以是一般机械工程技术人员必备的基础。二、本课程的性质与任务二、本课程的性质与任务本课程是一门培养学生机械设计能力的技术基础课,属于设计性的课程。本课程的主要任务是培养学生:1.掌握通用机械零、部件的设计原理、方法和机械设计的一般规律,具有设计机械传动装置和简单的机械的能力。2.树立正确的设计思想,了解国家当前的有关技术经济政策。3.具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力。4掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本动训练。5对机械设计的新发展有所了解。三、本课程的教学环节及特殊性三、本课程的教学环节及特殊性本课程的教学环节除了(包括自学)外，还应有习题课、讨论课、实验课、现场教学、答疑辅导、设计作业及课程设计等。虽然课堂教学是一个非常重要方面，但它远非本课程的全部，因而企图通过单单学习书本知识就把这门课程学好，最后必将落得一知半解，缺乏实践能力和设计素养，不能达到本课程的学习要求。这一点，务必提醒每个学生都必须充分注意，并随时加以警惕。如果学生在作习题、设计作业和课程设计时，不注意进行理论和技术分析，不认真查阅手册、图册和有关资料；做实验时不详细弄清实验目的、原理、仪表功能及测试方法；在现场教学中不细心观察零件的结构、材料、制法、工作情况、失效形式和有关机器的运转性能，就不可能学好这门课程，也不可能成为一个优秀的机械设计者。所以学习本课程时必须明确，书本知识固属重要，但在工程实际中，很少是靠单独运用书本知识就能正确解决问题的，而是还需掌握一定的经验资料和具备较强的工程判断能力。因为实际的机械设计问题几乎都不会只有一个答案的，新理论、新技术、新材料、新工艺以及新的市场信息等，都将使答案发生变化。所以一定要善于全面分析、综合协调、灵活处理，并富有想象力、洞察力、探索精神和创新勇气，从而对各式各样的设计问题作出机敏的工程判断。而这些能力是要靠一系列课程的各个教学环节来综合培养的。本课程应该负担培养的部分，则是通过前述全部教学环节来实现的，决不是单单课堂教学就能奏效。四、本课程的特点四、本课程的特点1.论述机械零(部)件设计时的一般顺序及目的机械设计中,除第一篇“总论”是综合论述本课程的主要内容、性质、任务及一般机械设计的共性问题外,以后四篇都是分章论述常用的通用机械零(部)件设计问题。各章内容的一般顺序是:首先介绍零(部)件的主要类型、构造、功能、材料、制法、标准、优缺点、适用场合等基本知识,以便对该章论述的零(部)件有初步的了解,从而为学习设计准备条件。然后论述工作情况、受力分析、应力状态、失效形式、设计准则、设计方法与步骤、参数选择原则、常用参考资料以及有关注意事项等,以便初步掌握零(部)件的设计理论与方法。最后给出释义例题(包括典型的工作图),以便引向设计实践,并给出若干习题,以便试行运用所学的有关知识、设计理论、设计方法及参考资料,进行初步的设计锻炼,从而加深与巩固所学的知识与技能,进一步开发智力,提高设计能力。这样就为进行设计作业、课程设计和某些简单的机械的设计,准备了必要的条件。2.机械设计的繁杂性及其对策由于本课程研究对象和性质上的特点,决定了教材内容本身的繁杂性。只有对这一点有较深的认识和充分的思想准备,才能在整个教学过程中加以正确的处理。教材内容的繁杂性主要表现“关系多、门类多、要求多、公式多、图形多、表格多”。形成上述“六多”的主要原因是:1）由于本课程是建立在前述很多门先修课程的基础之上的(即“血缘”很杂),因而必须和那些先修课程内容时时挂钩,紧密联系，才能把它们综合地运用来为机械设计服务。这就形成了“关系多”的特点。因此在教学过程中，需要经常引导学生回顾检查自己对各有关先修课程内容掌握的程度，并及时复习与深化有关的内容，清除学习道路上的障碍，提高学习效率与质量。2)由于本课程要分门别类地选择一些典型的通用零(部)件，分章论述(实际上有些章里还包含了几个独立的部分)，而各种零(部)件本身都包含着很多类型，所以就形成了“门类多”的特点。为此，教学时要引导学生从各种零件的工作性能和适用场合等方面多作对比，从它们在机器中的功能、相互影响、装配关系等方面多作分析，找出各零件间的关联；更要从设计理论及方法上找出各章之间的共性和特性，要认真分析各个零件之间的内在联系，特别是要从中总结出某些普遍规律，以便用来解决现在没有学到而将来可能遇到的新型零件的设计问题。所以，绝对不应把一个个的零件孤立起来，否则就难免产生内容零碎杂乱的感觉。3)由于设计机械零件时，除了需要满足强度、刚度、耐久性、工艺性、体积、质量、经济、安全、方便、美观等一系列一般要求外，有时还要满足绝缘、抗磁、耐酸、防锈等特殊要求。对于部件还常会提出更多的要求，这就形成了“要求多”的特点。因此，教学时务必引导学生学会善于全面分析比较，权衡轻重，区别对待。“要求多”是由于全面考虑、分别论述的结果，而对于具体的零(部)件，则应该用“具体问题具体分析”的方法来处理。4)由于本课程是设计性课程，内容自应紧密围绕零(部)件的设计问题。设计包括多方面的内容，但其主要部分通常是工作能力设计和结构设计，而工作能力设计一般须进行某些计算(如强度计算、刚度计算、寿命计算、热平衡计算等)，这就形成了“公式多”的特点。因此，教学时务必引导学生学会彻底搞清公式的性质、使用条件、符号意义及代入单位、计算结果的单位等，然后才能正确应用它们。教材中的公式，有解析性的、经验性的、半经验性的、定义性的等，其中有些是在先修课程里学过的，有些则是新遇到的，还有的是只要求会用而不要求懂得其理论根据和推导方法的(如零件曲面接触应力的计算公式是引自弹性力学)。尽管公式很多，但除了一些定义性公式(如许用正应力=limS；标准直齿圆柱齿轮的模数m=dz等)应在理解的基础上记住外，其余公式只要求能正确使用而不必硬记。5)由于本课程很多内容要用图形表达，这就必然形成“图形多”的特点。因此，教学时务必引导学生把所有的插图一一看懂，并分清哪些是分析图，哪些是结构图，哪些是示意图；哪些是定性的，哪些是定量的；哪些图(曲线图)相当于表格(但比表格直观，可以利用“引出线”直接查找数据而不需插算，只是精确性比用表格差些)等等。这样虽然图形很多，也就不难对付了。6)由于设计性课程的教材需要附有为了阐明问题和作简单习题所必须的最基本资料(其余的则可查阅手册、图册、标准、规范等)，这就形成了“表格多”的特点。教学时务必引导学生弄清每个表格的适用场合及如何查用，并应注意一些表格下方的“标注”，忽视了这点就会造成查用上的错误，甚至带来严重的后果。还应注意观察与分析表中数据的变化情况(递减还是递增，中间小还是两头小，原因何在)，这会有助于了解有关各量之间的相互影响及概略的变化规律。五、本课程要求的学习方法五、本课程要求的学习方法前面已指出，本课程要起到“从理论性课程过渡到结合工程实际的设计性课程，从基础课程过渡到专业课程”的作用，因而必须认清这个“过渡”对学习方法提出的特殊要求。机械设计课程的学习方法,不仅和过去学习公共基础课时有根本的差别,而且和学习理论力学、材料力学、机械原理等技术基础课时的方法也大不相同。例如:材料力学由于研究范围的不同,对于一个受有垂直集中载荷的简支梁,并不管梁上的载荷是哪个物体(零件)传给它的,这个物体是怎样安装在梁上的,更不要求设计或选择出两端所需的支承；机械原理研究一个机构时，只要求确定各个构件的长度，并不要求确定构件的结构形状、材料、加工方法、强度、刚度、寿命等。但是到了机械设计课，就得解决一系列的实际问题，直到每个零件能够有效地完成其工作职能，并达到预期的工作寿命。因此，学习机械设计课程时，在学习方法上就面临着一个新的转折点，如果仍旧沿用以前的学习方法，那就会轻重倒置，不得要领。因而如果在学习方法上“转折”得好，那就会事半功倍，迅速提高联系实际分析问题与解决问题的能力。所以学习方法正确与否，是具有重要意义的。怎样才能在学习方法上“转折”得好，关键在于是否真正摸清了这门课程的性质。既然机械设计是一门实践性很强的设计性课程，那就应该除了努力学好课堂教学内容外，还要认真学好各个实践性教学环节的内容，并注意把主要精力用于钻研零件的结构、选材、制法、标准、规范、适用场合、工作情况、受力及应力状态、失效形式及其机理、设计准则、设计方法与步骤，以及可能出现的问题与对策上，而对公式的推导、经验数据的取得、某些曲线的来历等，只需作一般的了解，不必反复深钻，以免偏离重点。譬如在学习过程中，在适当的时候到实验室去亲手拆装一台较简单的机器或一个完整的部件(例如减速器),详细了解一下它的构造、功能、机构、零件、材料、毛坯、加工、装配、润滑、密封、运转、维护等，就会帮助学生较全面地了解这门课程，抓住较好的学习方法。教学时务必告诉学生。最后，还要特别向学生提醒两点：一是必须明确，设计决非只是计算，计算虽也重要，但它只是为结构设计提供一个基础，而零件、部件和机器的最后尺寸和形状，通常都是由结构设计取定的，计算所得的数字,最后往往会被结构设计所修改。结构设计在设计工作量中一般占较大比重，因而必须给予足够的重视。二是必须明白，教材中给出的例题或某个零件的设计步骤及结果，仅为表明如何运用基础知识和经验资料去解决一个实际问题的范例，而不是唯一正确的答案或一切设计方法的终结；论述某个零件的设计方法和步骤，决非仅仅为了使学生学会那个零件的设计，而是为了培养学生掌握这些“武器”,从而具备设计各种有关零件的能力。机械设计教案机械设计教案第一章第一章绪论绪论一、本章的主要内容、特点及教学要求一、本章的主要内容、特点及教学要求本章主要内容是：机器的作用，组成机器的基本要素（零件）；零件的概括分类；零件（局部）与机器(总体)的关系；机械设计的主要内容及处理有关矛盾的原则；本课程的内容、性质与任务。本章的特点是：它既是本课程的序幕，又是本课程的总纲。因而它的内容要贯穿全课程的始末，并涉及本课程的前后关系。讲好绪论课对搞好该门课程的教学工作是至关重要的,必须予以高度重视,做好充分准备,保证把绪论讲好根据教育部和我院制定的机械设计教学大纲,本章的教学要求为:1）明确机械设计在国民经济建设中的重要作用；2）弄清机械零件设计在机械设计中的地位；3）了解本课程的内容、性质、特点、与先修及后续课程之间的关系，以及相应的学习方法，从而对整个课程获得一个鸟瞰。4）使学生对机械设计学科的发展前沿有所了解。总的来说，本章的教学要求就是要使学生搞清楚“为什么学？”、“学什么？”和“如何学？”这三大问题，并树立起学好本课程的决心与信心。二、本章重点及难点二、本章重点及难点本章重点，一是机器的主体及其基本组成要素和机械零件的分类，机械零件（局部）和机器（总体）的关系；二是本课程的内容性质与任务。本章难点是，除了掌握本章的基本内容之外，还应结合本课程的性质与特点，积极探索具有针对性的学习方法。三、本章教学工作的组织及学时分配三、本章教学工作的组织及学时分配本章的教学内容安排 1 个学时。另外,在课外应再组织学生参观一些实际机械如印刷厂的印刷机、切纸机、零件陈列室的实物模型等。通过现场教学使学生从感性上进一步了解本课程研究的对象和内容,体会学习本课程的目的,并进一步调动他们学习本课程的兴趣和积极性.第二章第二章 机械及机械零件设计概要机械及机械零件设计概要一、本章主要内容、特点及教学要求一、本章主要内容、特点及教学要求本章内容概括起来讲可分为两部分：第一部分是关于及其总体设计的概述，包括2-1、2-2 及2-3 三节。第二部分是关于机械零件设计的概述，包括2-4 及以后的各节。本章特点在于从机器设计的总体要求出发，引出与机械零件设计有关的一些原则性问题。这些问题，例如设计机器的一般程序、机械零件失效形式、零件的设计要求、计算准则、设计方法、设计步骤及材料选择等，始终贯穿在本书以后的各章中。在讲授本章时，由于学生还没有接触到各个具体零件的设计内容，所以不大容易较为深刻地掌握本章的内容，也无法和以后的各章建立联系。本章的教学要求：首先就是要从总体上建立起机器设计，尤其是机械零件设计的总括性的概念，即从机器的总体要求出发，引出对机械零件的要求，根据零件的失效形式，拟定出设计准则，在选择出适用的材料后，按一定的步骤，用理论设计或经验设计的方法，设计出机械零件来。这个过程的系统性是很严密的。它对以后各章的学习都具有提纲挈领的作用。其次，要掌握对机器和机械零件的基本要求。这些要求不管列出多少条，从本质上讲却只有两条，第一是提高机器总体效益；第二是避免失效。第一条要求是相对的，随着科学技术的发展，对总体效益的要求总是不断变化的。第二条要求却是最基本的。即在达到设计寿命前的任何时候，对机器和零件总是有避免失效的要求的。以上要求不可能一下子掌握，因此要求在以后各章节的教学中，不断的结合各章的具体分析来逐步加深。二、本章重点及难点二、本章重点及难点本章重点是与机械零件设计有关的几节。本章的难点不在于各节的具体内容，而在于对各节的内容要从总体上以及它们的相互联系上予以理解，了解各节之间在逻辑上的相互关系。本章的难点还在于本章的内容非常原则而不具体，它的具体化要在以后的各章中才能体现。1机器的组成（2-1）本节概括的介绍了一部机器的组成情况。教学时要注意到，不管是机器的基本组成部分，还是其余部分，都包含有由机械零、部件构成的机械系统。即使在今天高科技时代，高水平的机电一体化机器，其任何部分，包括控制系统在内，也都离不开机械。这一点，一定要牢牢记住。2设计机器的一般程序（2-2）本节从最一般的概念上介绍了一部机器的设计程序。必须说明，本课程并不能负担起关于整部机器一般设计程序所涉及的所有问题的研究任务。机器的设计程序已成为一门新的专业课程。该章对机器的设计程序仅作一般的简略介绍，其目的除了使学生对机器设计过程有一个总体概念以外，还在于着重说明零件和部件设计在整部机器中所占的地位及其重要性。本门课程主要服务于机器设计程序中的技术设计阶段。让学生仔细地阅读教材第 7 页上“（三）技术设计阶段”的内容。不可展开讲。3对机器的主要要求（2-3）本节是为了能从其中引出对零件的基本要求而设的。对机器的要求在很大程度上是要靠零件满足设计要求来保证的。4机械零件的主要失效形式（2-4）本节介绍的仅为零件失效形式的主要类型，是从完成零件技术功能的观点来定义失效的，并不涉及社会经济分析问题。事实上，随着科学技术的进步，有时有些机械零、部件甚至整部机器虽然没有出现教材中所列举的任何一种失效形式，但由于它们已不能适应技术发展的需要而必须予以淘汰或报废。从广义上讲，这也是一种失效形式。5设计机械零件时应满足的基本要求（2-5）本节所提出的五项基本要求中，避免在预定寿命期内失效的要求和结构工艺性要求是最主要的；经济性和质量小得要求是不言而喻的；可靠性要求是随着机器越来越复杂而提出的新要求的。对于强度，要明确强度既与零件的断裂有关，也与零件的不允许的残余变形有关。这和以后选择零件材料的极限应力有密切联系。对于刚度，要明确它涉及到的是零件的弹性变形，不能把它和残余变形相混淆。对于寿命，要注意主要制约寿命的技术因素是疲劳、腐蚀、和磨损。对于高温下工作的机器及其零部件，或者对于工程塑料零件，蠕边变形也是影响寿命的一个因素。本课程是讨论通用机械零件设计问题的，所以只列举了前三个因素。结构工艺性要求是应给予足够重视的一个基本要求。要让学生正确理解和掌握结构工艺性的要求，必须熟悉从毛坯生产到最后使用的全过程的有关工艺知识。此外，在机械设计工作中，从工作量上来说，处理结构工艺性的问题所花费的精力也是相当可观的。学生在学习本课程时，工艺知识还不够全面，因而要特别强调这一要求。6机械零件的计算准则（2-6）强度、刚度、寿命及振动稳定性各准则，与先修的力学课程密切相关，比较容易理解。关于零件的靠性，可以从不同的失效模型研究，得到不同的可靠度规律。本章所述的指数规律，是在不具体考察零件失效的原因，而只从失效的表现来研究零件的可靠性时所采用的规律。式（2-6 是一个概括性很强的公式，随着失效率的函数形式的不同，可以得到多种不同的可靠度变化规律。对于它的理解应当是：a)随着工作时间的延长，零件的可靠度 R 总是逐渐降低的。这个概念是符合于常识的。从数学上看，零件的失效率总是一个正值。b)失效率和可靠度之间既有严格区别又有相互联系，失效率越高，则在某一固定时刻的可靠度也就愈低。可靠度总是时间的函数，而失效率却既可以是时间的函数，也可以不是时间的函数而为某一常数。因此，说可靠度，必须同时指明工作寿命。两个零件的可靠度只有在同一寿命下才是可比的。两次失效件的平均工作时间（MTBF）通常是用统计的方法来确定的。7机械零件的设计方法（2-7）本节从设计方法的类比来讨论设计方法，而不是各种设计方法的具体细节内容。不同零件的设计方法有不同的不表现形式，这在以后各种零件设计的有关章节中再行讨论。本节提出常规设计方法和现代设计方法两个大类别。不能误解为有了现代设计方法，常规的设计方法就是过时了或不需要了。现代设计方法是在新的设计思想以及有了现代的设计技术物质手段的条件下，由常规设计方法发展而来的，在必要时用来弥补常规设计方法的不足，但它并不能完全取代常规设计方法，因为现代设计方法本身是离不开常规设计方法的。例如优化设计方法中很多约束条件就是要依靠常规设计方法来建立。所以要摆正这两种设计方法件的关系。学生们一般对理论设计方法易于接受，但对经验设计方法却往往不予重视。经验设计“是很有效的设计方法”。所谓经验，总会随着社会的不断发展而不断积累，经验并不总是陈旧的、过时的东西。相反，它恰恰是在理论还不成熟时，用来解决各种问题的一种可靠的方法。后面各章中就有不少经验设计的内容，很多经验数据也可以广义理解为经验设计的内容，从这一意义上来说，理论设计也是离不开经验设计的。模型实验设计是在理论设计知识还不完备，原有的经验又不足以解决设计问题时，人们获取新经验和发展新理论的一种设计方法。8机械零件设计的一般步骤（2-8）本节只勾划出零件设计步骤的一个轮廓。在实际运用时，由于所掌握的已知条件的多寡不同，它会有相当的灵活性。例如，有时可先做结构设计，然后根据计算准则进行必要的验算。有时还可能要反复地进行若干步骤的工作。9机械零件材料的选用原则（2-9）由于后续各章将会对各种零件常用的材料作具体介绍。所以本节只重点说明材料的选用原则。选用材料的前提是对材料性能（包括机械、物理和工艺性能）以及经济性的全面了解。选用材料的基本方法，是在分析与总结已有的成功地使用经验及选材不当的教训的基础上，结合对材料的了解，全面衡量，妥善取定。10机械零件设计中的标准化（2-10）标准化是设计工作中的一个重要的内容，要在熟悉现行的各种有关标准的前提下，在设计中运用和遵守标准。标准是人制订的，是为设计工作服务的。可以把各种设计标准分为两类：一类是在设计中可以灵活处理的，例如直径标准、长度标准等；另一类通常是要严格遵守的，例如螺纹尺寸标准、齿轮模数标准等。虽然如此，在某些特定条件下，这类标准也可以不予遵守，例如在航空航天工业中，由于部件的尺寸及质量的大小需要严格限制，也不乏采用非标准齿轮模数的情况。三、本章教学工作的组织及学时分配三、本章教学工作的组织及学时分配本章的教学内容安排 2 学时。以课堂讲授和板书表达为主，注意条理化。第三章第三章机械零件的强度机械零件的强度一、本章主要内容、特点及教学要求一、本章主要内容、特点及教学要求强度准则是最重要的设计准则。本章把各种零件强度计算的共性问题集中到一起，略去零件的具体内容，而突出阐述强度设计计算的基本理论和方法。以后各章中各种强度的计算方法从本质上来讲都是一样的。不同零件的强度计算公式在形式上的不同，仅来源于零件本身的特殊性，以及设计工作中沿用的一些惯例，而不是强度计算方法的原则有什么不同。本章的教学要求：1了解疲劳曲线及极限应力曲线的来源、意义及用途，能从材料的几个基本机械性能(0，s，-1)及零件的几何特性，绘制零件的极限应力简化线图。2学会单项变应力时的强度计算方法，了解应力等效转化的概念。3了解疲劳损伤累计假说（Miner 法则）的意义及其应用，认识到以应力和以载荷计算的情况系数之间的联系及差别。4学会双向变应力时的强度校核方法。5会查用附录中的有关线图及数表。二、本章重点、难点及注意事项二、本章重点、难点及注意事项13-2 疲劳曲线内容绝大多数通用零件都是在变应力下工作的，因此，各式各样的疲劳破坏是通用零件的主要失效形式。1）式（3-1）式描述疲劳曲线右侧（CD）部分的一种公式。除该式以外，在专门讨论疲劳强度的文献中还会看到其它形式的公式。但式（3-1）式有关公式中形式最简单、参数最少（只有 m 和 C 两个）、又能满足工程计算的精确性要求，并且应用起来最为方便的公式，所以在设计中应用最广泛。2）教材图 3-3 上 N0和 ND是两个不同的循环次数。N0是人为规定得值，所以在不同的文献中，其值常有差异。而ND是随着材料所固有的性质的不同，通过实验来确定的一个常数。由于试验技术上的原因，各文献上对同一材料所介绍的ND值也往往有所不同。这主要是因为试验条件及方法不同所致。在本节中，主要的是要知道 N0和 ND在定义上是不同的，至于它们的具体数值，在以后各章节中用到时都会给出的。顺便提一下，对于中碳钢一类的材料，在拉压、弯曲和扭转条件下，由于ND的值不很大，所以常常以ND值作为 N0值，即 N0=ND。23-2 极限应力线图要得到疲劳强度计算时的极限应力线图，应当在各种不同应力循环特性 r 条件下进行材料的疲劳试验，先求出各不同的 r 时的疲劳曲线。然后，根据这些不同的疲劳曲线，得到很多个对应于不同循环特形式的材料的疲劳极限rn。利用这些rN才能在a-m 坐标上绘制出材料的极限应力线图。这是一条曲线，即图 3.1 上ADB 曲线。可是要得到这一条曲线，需要耗费惊人的物力及时间。因此，人们提出只利用很少的几个试验数据来近似地求得在工程应用上足够精确的极限应力曲线的方法。图 3.1 所示的材料的极限应力图，是用光滑的(无应力集中源的）、标准尺寸的试件通过试验的方法求出的，曲线 ADB 为极限应力曲线。为了便于计算，可用 AD 近似地代替 AD（由图可知，这样简化，误差很小，但计算公式大大简化）；对于塑性材料承受静应力时，其极限应力为屈服极限s，故可用 CG 来表示其极限应力线（注意 CG 上任一点所代表的极限应力均为max=a+m=s）；再将 AD 延长到 G,与 CG交于 G。经过这样的简化，就得到了ADG和 GC 两条分别对应于变应力及静应力情况下的极限应力线。这就是图 3-4 所示的材料的简化极限应力图。教材图 3-5 是用有应力集中源的试件作实验求得的简化极限应力线图。有应力集中源的试件中的应力是按照公称（名义）应力来计算的，即根据截面尺寸不考虑应力集中作用来计算应力的。由于有应力集中源，致使试件在N0循环时发生破坏的试验载荷要比无应力集中源试件的破坏载荷低得多，因而求得的公称应力值就低得多。根据试验数据，人们发现 A和 A 以及 D和 D 点的纵坐标的比值基本上都等于 K。因此，弯曲疲劳极限的综合影响系数K只是在相同平均应力条件下，材料的与零件的极限应力幅的比值。这个意思在不少的书籍中表述为：综合影响系数只对应力幅有作用，对平均应力不发生影响。这就是式(3-7a)所表达的意思。（3-7a）的“试件受循环弯曲应力时的材料特性”，其含义就相当于某种材料能把所承受的弯曲平均应力转化成等效的弯曲应力幅的一种特性，所以也叫做“弯曲平均应力转化系数”，亦即弯曲应力的平均应力部分被它乘了之后，就具有与弯曲应力的应力幅同等的疲劳损伤作用了。这个转化可以用图 3.2 来说明。不过，这样的分析是以应力的循环特性不变的工作情况为前提的。由图可见，图 a 中的单向不对称循环变应力，可以分解为图 b 所示的平均应力。图 c 的平均应力又可等效转化为图 d 所示的对称循环变应力了。因此，这个应力的转化过程也可以叫做不对称循环变应力的等效转化。这个应力等效转化的概念，就是把的工作应力，转化成在强度上具有等效影响的对称循环变应力。式(3-10)是各种文献中计算弯曲疲劳极限的综合影响系数 k的公式的一种。除此以外，还有其它的 k的表达式。k的计算式是人们根据经验拟合的，也就是说它是该书的作者根据自己的经验和认识提出的，而不是一个理论公式。不同资料不得混用。3.3-2 单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算单向稳定变应力虽然在实际的机械零件中是较少遇见的工作状况，但它的计算方法却是疲劳强度计算的基础。这是因为人们所知道的材料抗疲劳破坏的机械性能-1或0是在实验室中按照单向稳定变应力的工作状况用试验方法决定的缘故。因此本节内容非常重要。我们用平均应力m和应力幅a作为描述变应力的一对参量。这等效于用maxmin和 r 中的任何两个作为参量的描述方法。首先要明确的是：在一个已知的工作应力点（m,a）条件下，由于零件中应力变化规律的不同，可以求出对应于此工作应力点的无数个极限应力，即极限应力曲线上任何一个点所代表的极限应力都有可能作为该工作应力的极限应力。对于基本的典型的应力变化规律，可以列出 r=C,m=C 及min=C 这三种情况下的极限应力计算方法。其次，零件在任一种应力变化规律下，都有可能出现静应力破坏或疲劳破坏的情况。到底哪一种破坏更易于发生，则取决于应力变化曲线首先和极限应力曲线的那一段相交。如首先和 AG 部分相交，就说明零件将会首先发生疲劳破坏；如和 GC 部分相交，则首先会发生静应力破坏。由此道出不同的疲劳强度校核公式。43-2 单向不稳定变应力时疲劳强度计算单向不稳定变应力时强度计算的依据是疲劳损伤累计假说，即式（3-26）。有些文献上把它叫做 Palmgren-Miner 假说，或者简单的叫做迈纳尔（Miner）法则。这是一个基于能量观点的假说。该假说认为材料发生疲劳破坏，是材料上所作用的外力对材料所作的功积累到一定值时的必然结果，并认为同等的变应力中每一应力循环都做同样的功，都对材料起同样的损伤作用。因此，设该变应力循环 N 次使材料发生疲劳破坏，则每一应力循环中外力所作的功就是引起破坏的总1，这个值就是一次循环的损伤率。虽然 Miner 法则在许多试验条件下与能量的N试验数据不能很好的吻合，但作为概念，它还是反映了总和损伤率的统计关系。因此，就工程计算精确性的意义上来说还是可用的。式（3-30）中的应力情况系数 Ks的作用，是把对称循环的不稳定变应力（图3.3a）转化为等效的对称循环稳定变应力。至于转化成具有什么参数的稳定变应力，虽然可以在各级不稳定变应力中任选一级变应力作为典型应力，但实用上通常是选择其中绝对值最大且作用时间也较长的一级变应力作为典型应力。对于那些在零件整个工作寿命中循环很少次数的峰值过载应力，只要它通过了静强度计算，一般不作为典型应力。公式中以1作为选取的典型应力值，其它各级变应力都向1等效转化为相当于对称循环 N次的稳定变应力1（图 3.3b），然后合并起来最后折算成 ks1为应力幅的对称循环变化 N0次的稳定变应力（图3.3c）。所以，安全系数计算值Sca及强度条件就应当为 Sca=(-1/ks1)S。这就是教材中的式(3-31)。如果原来作用的是不对称循环的不稳定变应力时,就先对各级应力的乘以,再加上该级的应力幅,把各级不对称循环变应力等效对称化,然后再用系数进行等效稳定化.这样就可以当作对称循环稳定变应力来处理.式(3-32)中的载荷情况系数与的意义相同,只不过是施加于变载荷(使之转化为等效的稳定载荷)情况下的系数而已.5.3-2 双向稳定变应力时的疲劳强度计算双向稳定变应力时的计算依据是图3-12及式(3-33).式(3-33)是用于同相位对称循环的弯曲和扭转变应力联合作用的情况.对于一般的平面应力状态,可以应用最大切应力理论进行强度计算.事实上,式(3-33)就是弯曲、扭转联合作用下最大且应力理论也是大致符合于试验结果的.6对3-3 机械零件接触强度的说明和所有其它条件下的强度一样，接触强度计算也包括接触应力的计算、极限应力与许用应力的确定以及强度条件的校核三部分。极限应力与许用应力的确定，就是根据试验数据来确定接触疲劳极限，然后再根据使用经验确定安全系数，从而计算出许用应力。应当特别指出，用试验方法求接触疲劳极限时，由于试验条件的不同，可能有纯滚动及滚动带滑动两种情况。同样的材料在这两种条件下得到的接触疲劳极限值是有不小的差别的。接触应力的分析必须借助于弹性力学的方法。对于大多数工程专业的大学生来说，在学机械设计课程以前是不会安排弹性力学课程的。因此，对这个公式，只要会使用就可以了。三、本章教学工作的组织及学时分配三、本章教学工作的组织及学时分配本章的教学内容安排 4 个学时。以多媒体手段和板书推导相结合来共同完成该章的教学任务。第四章第四章 摩擦、磨损及润滑概述摩擦、磨损及润滑概述一、本章主要内容、特点及学习要求一、本章主要内容、特点及学习要求1主要内容本章主要内容是对摩擦学所研究的主要对象（即摩擦、磨损和润滑的基本问题）作简单扼要的介绍，重点在于阐述摩擦和磨损的分类与机理，形成油膜的动压和静压原理，以及弹性流体动力润滑的基本知识。2特点因本章涉及的内容较广，为了使读者对摩擦学有一个概括的了解，因而本章包含的内容是较多的。这里只要求搞清概念，而无需做更深的探讨。3教学要求1）明确摩擦学所包含的主要内容、研究对象及发展摩擦学的重要经济价值。2）对于干摩擦、边界摩擦、混合摩擦、流体摩擦的机理与物理要有扼要的了解。3）初步了解磨损的一般规律（即磨损曲线）及各种磨损（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）的机理和物理特征。4）了解润滑的作用及润滑剂（油、脂）的主要指标。5）掌握流体动力润滑的基本概念及楔效应承载原理，而对于弹性流体动力润滑和流体静力润滑只需有一个初步了解即可。二、本章重点、难点及注意事项二、本章重点、难点及注意事项1本章重点为：1）各类摩擦的机理与物理特征；2）各类磨损的机理与物理特征；3）流体动力润滑的基本原理。2本章难点为楔效应承载理论及弹性流体动力润滑原理。3本章内容分析及学习注意事项1）概述部分本部分应了解摩擦学所包含的主要内容和研究对象，以及摩擦、磨损与润滑之间的有机联系。明确摩擦是因其能量损耗的主要原因，磨损是造成零件失效和材料损耗的主要原因，而润滑则是减小摩擦和磨损的最有效的手段。随着科学技术的发展，材料和能源的节约日益重要，因此形成了一门新兴的学科摩擦学。它是研究相对运动中相互作用者的表面工作情况的科学和技术。2)讲授4-1“摩擦”一节内容时应注意的问题本节所讨论的摩擦，不是先修课程内容的简单重复，而是更着重于摩擦的机理和物理本质。学习时要注意了解各种摩擦的机理及其状态。干摩擦关于干摩擦的理论，主要有机械啮合理论、分子机械理论、静电力理论的粘附理论。目前认为粘附理论对金属摩擦在宏观上提出了最满意地解释。用粘附理论，结合试验结果，证明了经典摩擦定律的正确性，得出了干摩擦时的摩擦力与表观接触面积无关而与载荷成正比的结论见教材第四章公式（4-2）及（4-3）。重点弄清以下概念：a）简单粘附理论认为真实接触面积 Ar取决于软金属的压缩屈服极限Sy和法向载荷 Fn。但这一结论有一定的局限性。修正粘附理论认为真实接触面积是与金属材料的塑性变形决定的。这是考虑在有摩擦的情况下，由于接触区同时作用有法向应力及切应力，并假设当最大切应力达到临界值时，材料发生屈服。因此，真实接触面积 Ar应该是考虑法向载荷的影响所得到的接触面积与摩擦力产生的面积增量之和。b)简单粘附理论指出摩擦系数 f=B/Sy,其中B、Sy皆指两金属中较软者的应力。对于大多数金属，比值B/Sy均较接近，因而各种金属的摩擦系数相差很小。文献12对此的解释，认为是由于当两种硬金属发生摩擦时，其B及Sy都较高而真实接触面积 Ar却很小，当软金属对硬金属摩擦时，其B及Sy都较低而 Ar却较大的缘故。事实上，将按简单理论算得的摩擦系数绝对值与通过试验侧得的数值作一比较，就可以证明它是不完全的。修正后的粘附理论是一种较符合实际的理论，虽然它仍以简单理论的模型为根据并作了若干假设，但它却能解释不少的摩擦现象。边界摩擦首先应该了解边界摩擦的性质，即这种摩擦特性主要取决于润滑油和金属表面的化学性质，其特征就在于相对滑动的两金属表面上形成了边界膜。进而应搞清楚物理吸附膜、化学吸附膜和化学反应膜形成的机理和特点。明确前两种边界膜的润滑性能称为润滑油的油性，后一种则叫极压性。因为纯粹的边界摩擦只是在理想的光整表面间才能实现，而这种理想的光整表面实际上并不存在，因此不可能有纯粹的边界摩擦。实际上，我们所说的边界摩擦都是边界摩擦与干摩擦的混合。例如，当两摩擦表面间的间隙很小或机器起动机停车时，均会出现这种摩擦状态。混合摩擦首先应了解产生混合摩擦的条件，明确混合摩擦是一种兼有干摩擦、边界摩擦和流体摩擦的平均性质的摩擦。例如，在滑动轴承中当轴颈滑动速度不足或润滑不足，而载荷过大时，便可产生这种混合摩擦（如内燃机的连杆销、十字滑快销和活塞销等）；甚至正确设计和计算能达到流体摩擦的轴承在启动、停车及在磨合时间内也不可避免的会产生混合摩擦；此外，如在油中有硬质颗粒，其尺寸超过了油膜厚度，也会发生混合摩擦。如何评定混合摩擦时表面微观峰尖与油墨分担载荷的情况，教材中介绍了膜厚比公式（4-1），即=hmin/(Ra1+Ra2),它表示随着的增加，油膜所承担的载荷也增加。这是一个主要用于定性，且可粗略用来定量的公式，可供设计是确定摩擦状态的参考。流体摩擦本小节中，对液体摩擦只作为一种摩擦状态来介绍，没有涉及一些理论分析问题，因而只需掌握两点：a）由于流体摩擦时摩擦面件的油膜厚度足够大（5），油分子大都不受金属表面的吸附作用的支配而能自由移动，摩擦表现为油的粘性；b)形成流体摩擦是有一定条件的。3）讲授4-2“磨损”一节内容时应注意的问题首先应对机件磨损的普遍规律（及图 4-6 所表示的磨损曲线）有一个初步的认识，从而明确设计者的职责在于采取措施，力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损期的到来。教材中所讨论的五种形式的磨损，主要根据 J.T.Burwell提出的分类方法。对这五中磨损形式的机理，读者应有一个概括性的认识。其中，粘附磨损、磨粒磨损和疲劳磨损是应掌握的重点。对腐蚀磨损、冲蚀磨损以及复合形式的磨损（即粘附、磨粒、疲劳和腐蚀磨损形式的复合）微动磨损则只需有个基本概念即可。顺便指出，这些磨损形式可随工作条件的变化而转化。对于通常的机械摩擦副，主要是随相对滑动速度和载荷的变化而变化。这几种磨损形式中的粘附磨损、磨粒磨损及疲劳磨损，在以后分析齿轮传动、蜗杆传动、滑动轴承和滚动轴承的失效形式时均会碰到，因而要善于把三种磨损形式的机理和有关基本概念与以后有关章节中所讲到的零件具体的联系起来，以便进一步深化概念。4）讲授4-3“润滑剂和润滑方法”一节时应注意的问题 首先应对润滑的作用，润滑剂的种类有一个初步的了解 对于润滑油、润滑脂的主要质量指标这一小节中，重点是润滑油，对润滑脂只作一般了解即可