【正文】 了使學(xué)生對機(jī)器設(shè)計(jì)過程有一個(gè)總體概念以外，還在于著重說明零件和部件設(shè)計(jì)在整部機(jī)器中所占的地位及其重要性。本門課程主要服務(wù)于機(jī)器設(shè)計(jì)程序中的技術(shù)設(shè)計(jì)階段。讓學(xué)生仔細(xì)地閱讀教材第7頁上“（三）技術(shù)設(shè)計(jì)階段”的內(nèi)容。不可展開講。3．對機(jī)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(shè)的。對機(jī)器的要求在很大程度上是要靠零件滿足設(shè)計(jì)要求來保證的。4．機(jī)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(shù)功能的觀點(diǎn)來定義失效的，并不涉及社會經(jīng)濟(jì)分析問題。事實(shí)上，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有時(shí)有些機(jī)械零、部件甚至整部機(jī)器雖然沒有出現(xiàn)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(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要而必須予以淘汰或報(bào)廢。從廣義上講，這也是一種失效形式。5．設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求（167。25）本節(jié)所提出的五項(xiàng)基本要求中，避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求和結(jié)構(gòu)工藝性要求是最主要的；經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量小得要求是不言而喻的；可靠性要求是隨著機(jī)器越來越復(fù)雜而]提出的新要求的。對于強(qiáng)度，要明確強(qiáng)度既與零件的斷裂有關(guān)，也與零件的不允許的殘余變形有關(guān)。這和以后選擇零件材料的極限應(yīng)力有密切聯(lián)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(shù)因素是疲勞、腐蝕、和磨損。對于高溫下工作的機(jī)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(gè)因素。本課程是討論通用機(jī)械零件設(shè)計(jì)問題的，所以只列舉了前三個(gè)因素。結(jié)構(gòu)工藝性要求是應(yīng)給予足夠重視的一個(gè)基本要求。要讓學(xué)生正確理解和掌握結(jié)構(gòu)工藝性的要求，必須熟悉從毛坯生產(chǎn)到最后使用的全過程的有關(guān)工藝知識。此外，在機(jī)械設(shè)計(jì)工作中，從工作量上來說，處理結(jié)構(gòu)工藝性的問題所花費(fèi)的精力也是相當(dāng)可觀的。學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)，工藝知識還不夠全面，因而要特別強(qiáng)調(diào)這一要求。6．機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則（167。26）強(qiáng)度、剛度、壽命及振動穩(wěn)定性各準(zhǔn)則，與先修的力學(xué)課程密切相關(guān)，比較容易理解。關(guān)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(shù)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(xiàn)來研究零件的可靠性時(shí)所采用的規(guī)律。式（26是一個(gè)概括性很強(qiáng)的公式，隨著失效率λ的函數(shù)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(yīng)當(dāng)是：a)隨著工作時(shí)間的延長，零件的可靠度R總是逐漸降低的。這個(gè)概念是符合于常識的。從數(shù)學(xué)上看，零件的失效率λ總是一個(gè)正值。b)失效率和可靠度之間既有嚴(yán)格區(qū)別又有相互聯(lián)系，失效率越高，則在某一固定時(shí)刻的可靠度也就愈低?？煽慷瓤偸菚r(shí)間的函數(shù)，而失效率卻既可以是時(shí)間的函數(shù)，也可以不是時(shí)間的函數(shù)而為某一常數(shù)。因此，說可靠度，必須同時(shí)指明工作壽命。兩個(gè)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(shí)間（MTBF）通常是用統(tǒng)計(jì)的方法來確定的。7．機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法（167。27）本節(jié)從設(shè)計(jì)方法的類比來討論設(shè)計(jì)方法，而不是各種設(shè)計(jì)方法的具體細(xì)節(jié)內(nèi)容。不同零件的設(shè)計(jì)方法有不同的不表現(xiàn)形式，這在以后各種零件設(shè)計(jì)的有關(guān)章節(jié)中再行討論。本節(jié)提出常規(guī)設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法兩個(gè)大類別。不能誤解為有了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，常規(guī)的設(shè)計(jì)方法就是過時(shí)了或不需要了。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是在新的設(shè)計(jì)思想以及有了現(xiàn)代的設(shè)計(jì)技術(shù)物質(zhì)手段的條件下，由常規(guī)設(shè)計(jì)方法發(fā)展而來的，在必要時(shí)用來彌補(bǔ)常規(guī)設(shè)計(jì)方法的不足，但它并不能完全取代常規(guī)設(shè)計(jì)方法，因?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法本身是離不開常規(guī)設(shè)計(jì)方法的。例如優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中很多約束條件就是要依靠常規(guī)設(shè)計(jì)方法來建立。所以要擺正這兩種設(shè)計(jì)方法件的關(guān)系。學(xué)生們一般對理論設(shè)計(jì)方法易于接受，但對經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法卻往往不予重視。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)“是很有效的設(shè)計(jì)方法”。所謂經(jīng)驗(yàn)，總會隨著社會的不斷發(fā)展而不斷積累，經(jīng)驗(yàn)并不總是陳舊的、過時(shí)的東西。相反，它恰恰是在理論還不成熟時(shí)，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(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，很多經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以廣義理解為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，從這一意義上來說，理論設(shè)計(jì)也是離不開經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的。模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是在理論設(shè)計(jì)知識還不完備，原有的經(jīng)驗(yàn)又不足以解決設(shè)計(jì)問題時(shí)，人們獲取新經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展新理論的一種設(shè)計(jì)方法。8．機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟（167。28）本節(jié)只勾劃出零件設(shè)計(jì)步驟的一個(gè)輪廓。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，由于所掌握的已知條件的多寡不同，它會有相當(dāng)?shù)撵`活性。例如，有時(shí)可先做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后根據(jù)計(jì)算準(zhǔn)則進(jìn)行必要的驗(yàn)算。有時(shí)還可能要反復(fù)地進(jìn)行若干步驟的工作。9．機(jī)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(diǎn)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(jī)械、物理和工藝性能）以及經(jīng)濟(jì)性的全面了解。選用材料的基本方法，是在分析與總結(jié)已有的成功地使用經(jīng)驗(yàn)及選材不當(dāng)?shù)慕逃?xùn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合對材料的了解，全面衡量，妥善取定。10．機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化（167。210）標(biāo)準(zhǔn)化是設(shè)計(jì)工作中的一個(gè)重要的內(nèi)容，要在熟悉現(xiàn)行的各種有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，在設(shè)計(jì)中運(yùn)用和遵守標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)是人制訂的，是為設(shè)計(jì)工作服務(wù)的?？梢园迅鞣N設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分為兩類：一類是在設(shè)計(jì)中可以靈活處理的，例如直徑標(biāo)準(zhǔn)、長度標(biāo)準(zhǔn)等；另一類通常是要嚴(yán)格遵守的，例如螺紋尺寸標(biāo)準(zhǔn)、齒輪模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。雖然如此，在某些特定條件下，這類標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量的大小需要嚴(yán)格限制，也不乏采用非標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)的情況。三、本章教學(xué)工作的組織及學(xué)時(shí)分配本章的教學(xué)內(nèi)容安排2學(xué)時(shí)。以課堂講授和板書表達(dá)為主，注意條理化。第三章 機(jī)械零件的強(qiáng)度一、本章主要內(nèi)容、特點(diǎn)及教學(xué)要求強(qiáng)度準(zhǔn)則是最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。本章把各種零件強(qiáng)度計(jì)算的共性問題集中到一起，略去零件的具體內(nèi)容，而突出闡述強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算的基本理論和方法。以后各章中各種強(qiáng)度的計(jì)算方法從本質(zhì)上來講都是一樣的。不同零件的強(qiáng)度計(jì)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(shè)計(jì)工作中沿用的一些慣例，而不是強(qiáng)度計(jì)算方法的原則有什么不同。本章的教學(xué)要求：1．了解疲勞曲線及極限應(yīng)力曲線的來源、意義及用途，能從材料的幾個(gè)基本機(jī)械性能(σ0，σs，σ1)及零件的幾何特性，繪制零件的極限應(yīng)力簡化線圖。2．學(xué)會單項(xiàng)變應(yīng)力時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算方法，了解應(yīng)力等效轉(zhuǎn)化的概念。3．了解疲勞損傷累計(jì)假說（Miner法則）的意義及其應(yīng)用，認(rèn)識到以應(yīng)力和以載荷計(jì)算的情況系數(shù)之間的聯(lián)系及差別。4．學(xué)會雙向變應(yīng)力時(shí)的強(qiáng)度校核方法。5．會查用附錄中的有關(guān)線圖及數(shù)表。二、本章重點(diǎn)、難點(diǎn)及注意事項(xiàng)1．167。32疲勞曲線內(nèi)容絕大多數(shù)通用零件都是在變應(yīng)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(cè)（CD）部分的一種公式。除該式以外，在專門討論疲勞強(qiáng)度的文獻(xiàn)中還會看到其它形式的公式。但式（31）式有關(guān)公式中形式最簡單、參數(shù)最少（只有m和C兩個(gè)）、又能滿足工程計(jì)算的精確性要求，并且應(yīng)用起來最為方便的公式，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛。2）教材圖33上N0和ND是兩個(gè)不同的循環(huán)次數(shù)。N0是人為規(guī)定得值，所以在不同的文獻(xiàn)中，其值常有差異。而ND是隨著材料所固有的性質(zhì)的不同，通過實(shí)驗(yàn)來確定的一個(gè)常數(shù)。由于試驗(yàn)技術(shù)上的原因，各文獻(xiàn)上對同一材料所介紹的ND值也往往有所不同。這主要是因?yàn)樵囼?yàn)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(shù)值，在以后各章節(jié)中用到時(shí)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(zhuǎn)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(yīng)力線圖要得到疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的極限應(yīng)力線圖，應(yīng)當(dāng)在各種不同應(yīng)力循環(huán)特性r條件下進(jìn)行材料的疲勞試驗(yàn)，先求出各不同的r時(shí)的疲勞曲線。然后，根據(jù)這些不同的疲勞曲線，得到很多個(gè)對應(yīng)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(biāo)上繪制出材料的極限應(yīng)力線圖。這是一條曲線?？墒且玫竭@一條曲線，需要耗費(fèi)驚人的物力及時(shí)間。因此，人們提出只利用很少的幾個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來近似地求得在工程應(yīng)用上足夠精確的極限應(yīng)力曲線的方法。，是用光滑的(無應(yīng)力集中源的）、標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試件通過試驗(yàn)的方法求出的，曲線A′D′B為極限應(yīng)力曲線。為了便于計(jì)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(jì)算公式大大簡化）；對于塑性材料承受靜應(yīng)力時(shí)，其極限應(yīng)力為屈服極限σs，故可用CG來表示其極限應(yīng)力線（注意CG上任一點(diǎn)所代表的極限應(yīng)力均為σmax=σa+σm=σs）；再將AD延長到G＇,與CG＇交于G＇。經(jīng)過這樣的簡化，就得到了A＇D＇G＇和G＇C兩條分別對應(yīng)于變應(yīng)力及靜應(yīng)力情況下的極限應(yīng)力線。這就是圖34所示的材料的簡化極限應(yīng)力圖。教材圖35是用有應(yīng)力集中源的試件作實(shí)驗(yàn)求得的簡化極限應(yīng)力線圖。有應(yīng)力集中源的試件中的應(yīng)力是按照公稱（名義）應(yīng)力來計(jì)算的，即根據(jù)截面尺寸不考慮應(yīng)力集中作用來計(jì)算應(yīng)力的。由于有應(yīng)力集中源，致使試件在N0循環(huán)時(shí)發(fā)生破壞的試驗(yàn)載荷要比無應(yīng)力集中源試件的破壞載荷低得多，因而求得的公稱應(yīng)力值就低得多。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，人們發(fā)現(xiàn)A′和A以及D′和D點(diǎn)的縱坐標(biāo)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(shù)Kσ只是在相同平均應(yīng)力條件下，材料的與零件的極限應(yīng)力幅的比值。這個(gè)意思在不少的書籍中表述為：綜合影響系數(shù)只對應(yīng)力幅有作用，對平均應(yīng)力不發(fā)生影響。這就是式(37a)所表達(dá)的意思。（37a）的“試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時(shí)的材料特性”φσ，其含義就相當(dāng)于某種材料能把所承受的彎曲平均應(yīng)力轉(zhuǎn)化成等效的彎曲應(yīng)力幅的一種特性，所以也叫做“彎曲平均應(yīng)力轉(zhuǎn)化系數(shù)”，亦即彎曲應(yīng)力的平均應(yīng)力部分被它乘了之后，就具有與彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅同等的疲勞損傷作用了。這個(gè)轉(zhuǎn)化可以用圖3..2來說明。不過，這樣的分析是以應(yīng)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(yīng)力，可以分解為圖b所示的平均應(yīng)力。圖c的平均應(yīng)力又可等效轉(zhuǎn)化為圖d所示的對稱循環(huán)變應(yīng)力了。因此，這個(gè)應(yīng)力的轉(zhuǎn)化過程也可以叫做不對稱循環(huán)變應(yīng)力的等效轉(zhuǎn)化。這個(gè)應(yīng)力等效轉(zhuǎn)化的概念，就是把的工作應(yīng)力，轉(zhuǎn)化成在強(qiáng)度上具有等效影響的對稱循環(huán)變應(yīng)力。式(310)是各種文獻(xiàn)中計(jì)算彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù)kσ的公式的一種。除此以外，還有其它的kσ的表達(dá)式。kσ的計(jì)算式是人們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)擬合的，也就是說它是該書的作者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識提出的，而不是一個(gè)理論公式。不同資料不得混用。3.167。32單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算單向穩(wěn)定變應(yīng)力雖然在實(shí)際的機(jī)械零件中是較少遇見的工作狀況，但它的計(jì)算方法卻是疲勞強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)。這是因?yàn)槿藗兯赖牟牧峡蛊谄茐牡臋C(jī)械性能——σ1或σ0是在實(shí)驗(yàn)室中按照單向穩(wěn)定變應(yīng)力的工作狀況用試驗(yàn)方法決定的緣故。因此本節(jié)內(nèi)容非常重要。我們用平均應(yīng)力σm和應(yīng)力幅σa作為描述變應(yīng)力的一對參量。這等效于用σmaxσmin和r中的任何兩個(gè)作為參量的描述方法。首先要明確的是：在一個(gè)已知的工作應(yīng)力點(diǎn)（σm,σa）條件下，由于零件中應(yīng)力變化規(guī)律的不同，可以求出對應(yīng)于此工作應(yīng)力點(diǎn)的無數(shù)個(gè)極限應(yīng)力，即極限應(yīng)力曲線上任何一個(gè)點(diǎn)所代表的極限應(yīng)力都有可能作為該工作應(yīng)力的極限應(yīng)力。對于基本的典型的應(yīng)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(yīng)力計(jì)算方法。其次，零件在任一種應(yīng)力變化規(guī)律下，都有可能出現(xiàn)靜應(yīng)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(yīng)力變化曲線首先和極限應(yīng)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(yīng)力破壞。由此道出不同的疲勞強(qiáng)度校核公式。4．167。32單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)疲勞強(qiáng)度計(jì)算單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)是疲勞損傷累計(jì)假說，即式（326）。有些文獻(xiàn)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(gè)基于能量觀點(diǎn)的假說。該假說認(rèn)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(shí)的必然結(jié)果，并認(rèn)為同等的變應(yīng)力中每一應(yīng)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(shè)該變應(yīng)力循環(huán)N次使材料發(fā)生疲勞破壞，則每一應(yīng)力循環(huán)中外力所作的功就是引起破壞的總能量1，這個(gè)值就是一次循環(huán)的損傷率。雖然Miner法則在許多試驗(yàn)條件下與試驗(yàn)的N數(shù)據(jù)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(jì)關(guān)系。因此，就工程計(jì)算精確性的意義上來說還是可用的。式（330）中的應(yīng)力情況系數(shù)Ks的作用，是把對稱循環(huán)的不穩(wěn)定變應(yīng)力（）轉(zhuǎn)化為等效的對稱循環(huán)穩(wěn)定變應(yīng)力。至于轉(zhuǎn)化成具有什么參數(shù)的穩(wěn)定變應(yīng)力，雖然可以在各級不穩(wěn)定變應(yīng)力中任選一級變應(yīng)力作為典型應(yīng)力，但實(shí)用上通常是選擇其中絕對值最大且作用時(shí)間也較長的一級變應(yīng)力作為典型應(yīng)力。對于那些在零件整個(gè)工作壽命中循環(huán)很少次數(shù)的峰值過載應(yīng)力，只要它通過了靜強(qiáng)度計(jì)算，一般不作為典型應(yīng)力。公式中以σ1作為選取的典型應(yīng)力值，其它各級變應(yīng)力都向σ1等效轉(zhuǎn)化為相當(dāng)于對稱循環(huán)N’次的穩(wěn)定變應(yīng)力σ1（），然后合并起來最后折算成ksσ1為應(yīng)力幅的對稱循環(huán)變化N0次的穩(wěn)定變應(yīng)力（）。所以，安全系數(shù)計(jì)算值Sca及強(qiáng)度條件就應(yīng)當(dāng)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(yīng)力時(shí),就先對各級應(yīng)力的乘以,再加上該級的應(yīng)力幅,把各級不對稱循環(huán)變應(yīng)力等效對稱化,(332)中的載荷情況系數(shù)與的意義相同,只不過是施加于變載荷(使之轉(zhuǎn)化為等效的穩(wěn)定載荷).167。32雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的計(jì)算依據(jù)是圖312及式(333).式(333),式(333)就是彎曲、．對167。33機(jī)械零件接觸強(qiáng)度的說明和所有其它條件下的強(qiáng)度一樣，接觸強(qiáng)度計(jì)算也包括接觸應(yīng)力的計(jì)算、極限應(yīng)力與許用應(yīng)力的確定以及強(qiáng)度條件的校核三部分。極限應(yīng)力與許用應(yīng)力的確定，就是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定接觸疲勞極限，然后再根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)確定安全系數(shù)，從而計(jì)算出許用應(yīng)力。應(yīng)當(dāng)特別指出，用試驗(yàn)方法求接觸疲勞極限時(shí)，由于試驗(yàn)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。