【正文】 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。本門課程主要服務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。不可展開講。3．對機器的主要要求（167。23）本節(jié)是為了能從其中引出對零件的基本要求而設的。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（167。24）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發(fā)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基本要求（167。25）本節(jié)所提出的五項基本要求中，避免在預定壽命期內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殘余變形有關。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，不能把它和殘余變形相混淆。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基本要求。要讓學生正確理解和掌握結構工藝性的要求，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．機械零件的計算準則（167。26）強度、剛度、壽命及振動穩(wěn)定性各準則，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（26是一個概括性很強的公式，隨著失效率λ的函數形式的不同，可以得到多種不同的可靠度變化規(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λ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，則在某一固定時刻的可靠度也就愈低。可靠度總是時間的函數，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(tǒng)計的方法來確定的。7．機械零件的設計方法（167。27）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)設計方法發(fā)展而來的，在必要時用來彌補常規(guī)設計方法的不足，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”。所謂經驗，總會隨著社會的不斷發(fā)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，原有的經驗又不足以解決設計問題時，人們獲取新經驗和發(fā)展新理論的一種設計方法。8．機械零件設計的一般步驟（167。28）本節(jié)只勾劃出零件設計步驟的一個輪廓。在實際運用時，由于所掌握的已知條件的多寡不同，它會有相當的靈活性。例如，有時可先做結構設計，然后根據計算準則進行必要的驗算。有時還可能要反復地進行若干步驟的工作。9．機械零件材料的選用原則（167。29）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則。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。選用材料的基本方法，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基礎上，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（167。210）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，是為設計工作服務的?？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，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則是最重要的設計準則。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基本理論和方法。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則有什么不同。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，能從材料的幾個基本機械性能(σ0，σs，σ1)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法則）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別。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、難點及注意事項1．167。32疲勞曲線內容絕大多數通用零件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（31）式描述疲勞曲線右側（CD）部分的一種公式。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（31）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33上N0和ND是兩個不同的循環(huán)次數。N0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ND值也往往有所不同。這主要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N0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N0值，即N0=ND。2．167。32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σrn。利用這些σrN才能在σaσm坐標上繪制出材料的極限應力線圖。這是一條曲線?？墒且玫竭@一條曲線，需要耗費驚人的物力及時間。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。，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A175。D（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σs，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σmax=σa+σm=σs）；再將AD延長到G＇,與CG＇交于G＇。經過這樣的簡化，就得到了A＇D＇G＇和G＇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34所示的材料的簡化極限應力圖。教材圖35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′和D點的縱坐標的比值基本上都等于Kσ。因此，彎曲疲勞極限的綜合影響系數Kσ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(37a)所表達的意思。（37a）的“試件受循環(huán)彎曲應力時的材料特性”φσ，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部分被它乘了之后，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(310)是各種文獻中計算彎曲疲勞極限的綜合影響系數kσ的公式的一種。除此以外，還有其它的kσ的表達式。kσ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。3.167。32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度計算的基礎。這是因為人們所知道的材料抗疲勞破壞的機械性能——σ1或σ0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σm和應力幅σa作為描述變應力的一對參量。這等效于用σmaxσmin和r中的任何兩個作為參量的描述方法。首先要明確的是：在一個已知的工作應力點（σm,σa）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。對于基本的典型的應力變化規(guī)律，可以列出r=C, σm=C及σmin=C這三種情況下的極限應力計算方法。其次，零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，則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部分相交，就說明零件將會首先發(fā)生疲勞破壞；如和GC部分相交，則首先會發(fā)生靜應力破壞。由此道出不同的疲勞強度校核公式。4．167。32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（326）。有些文獻上把它叫做PalmgrenMiner假說，或者簡單的叫做邁納爾（Miner）法則。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，則每一應力循環(huán)中外力所作的功就是引起破壞的總能量1，這個值就是一次循環(huán)的損傷率。雖然Miner法則在許多試驗條件下與試驗的N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(tǒng)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（330）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（）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σ1作為選取的典型應力值，其它各級變應力都向σ1等效轉化為相當于對稱循環(huán)N’次的穩(wěn)定變應力σ1（），然后合并起來最后折算成ksσ1為應力幅的對稱循環(huán)變化N0次的穩(wěn)定變應力（）。所以，安全系數計算值Sca及強度條件就應當為Sca=(σ1/ksσ1)≥S。這就是教材中的式(331)。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,再加上該級的應力幅,把各級不對稱循環(huán)變應力等效對稱化,(332)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).167。32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312及式(333).式(333),式(333)就是彎曲、．對167。33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的確定以及強度條件的校核三部分。極限應力與許用應力的確定，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安全系數，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別的。