【文章內(nèi)容簡介】 接觸應(yīng)力的分析必須借助于彈性力學(xué)的方法。對于大多數(shù)工程專業(yè)的大學(xué)生來說，在學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)課程以前是不會安排彈性力學(xué)課程的。因此，對這個(gè)公式，只要會使用就可以了。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4個(gè)學(xué)時(shí)。以多媒體手段和板書推導(dǎo)相結(jié)合來共同完成該章的教學(xué)任務(wù)。第四章 摩擦、磨損及潤滑概述一、本章主要內(nèi)容、特點(diǎn)及學(xué)習(xí)要求1．主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容是對摩擦學(xué)所研究的主要對象（即摩擦、磨損和潤滑的基本問題）作簡單扼要的介紹，重點(diǎn)在于闡述摩擦和磨損的分類與機(jī)理，形成油膜的動壓和靜壓原理，以及彈性流體動力潤滑的基本知識。2．特點(diǎn)因本章涉及的內(nèi)容較廣，為了使讀者對摩擦學(xué)有一個(gè)概括的了解，因而本章包含的內(nèi)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(xué)要求1）明確摩擦學(xué)所包含的主要內(nèi)容、研究對象及發(fā)展摩擦學(xué)的重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2）對于干摩擦、邊界摩擦、混合摩擦、流體摩擦的機(jī)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(jī)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(biāo)。5）掌握流體動力潤滑的基本概念及楔效應(yīng)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(gè)初步了解即可。二、本章重點(diǎn)、難點(diǎn)及注意事項(xiàng)1．本章重點(diǎn)為：1）各類摩擦的機(jī)理與物理特征；2）各類磨損的機(jī)理與物理特征；3）流體動力潤滑的基本原理。2．本章難點(diǎn)為楔效應(yīng)承載理論及彈性流體動力潤滑原理。3．本章內(nèi)容分析及學(xué)習(xí)注意事項(xiàng) 1）概述部分本部分應(yīng)了解摩擦學(xué)所包含的主要內(nèi)容和研究對象，以及摩擦、磨損與潤滑之間的有機(jī)聯(lián)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，而潤滑則是減小摩擦和磨損的最有效的手段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(xué)科—摩擦學(xué)。它是研究相對運(yùn)動中相互作用者的表面工作情況的科學(xué)和技術(shù)。2)講授167。41“摩擦”一節(jié)內(nèi)容時(shí)應(yīng)注意的問題本節(jié)所討論的摩擦，不是先修課程內(nèi)容的簡單重復(fù)，而是更著重于摩擦的機(jī)理和物理本質(zhì)。學(xué)習(xí)時(shí)要注意了解各種摩擦的機(jī)理及其狀態(tài)。①干摩擦 關(guān)于干摩擦的理論，主要有機(jī)械嚙合理論、分子機(jī)械理論、靜電力理論的粘附理論。目前認(rèn)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(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，證明了經(jīng)典摩擦定律的正確性，得出了干摩擦?xí)r的摩擦力與表觀接觸面積無關(guān)而與載荷成正比的結(jié)論[見教材第四章公式（42）及（43）]。重點(diǎn)弄清以下概念：a）簡單粘附理論認(rèn)為真實(shí)接觸面積Ar取決于軟金屬的壓縮屈服極限σSy和法向載荷Fn。但這一結(jié)論有一定的局限性。修正粘附理論認(rèn)為真實(shí)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(shí)作用有法向應(yīng)力及切應(yīng)力，并假設(shè)當(dāng)最大切應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)，材料發(fā)生屈服。因此，真實(shí)接觸面積Ar應(yīng)該是考慮法向載荷的影響所得到的接觸面積與摩擦力產(chǎn)生的面積增量之和。b)簡單粘附理論指出摩擦系數(shù)f=τB/σSy,其中τB、σSy皆指兩金屬中較軟者的應(yīng)力。對于大多數(shù)金屬，比值τB/σSy均較接近，因而各種金屬的摩擦系數(shù)相差很小。文獻(xiàn)[12]對此的解釋，認(rèn)為是由于當(dāng)兩種硬金屬發(fā)生摩擦?xí)r，其τB及σSy都較高而真實(shí)接觸面積Ar卻很小，當(dāng)軟金屬對硬金屬摩擦?xí)r，其τB及σSy都較低而Ar卻較大的緣故。事實(shí)上，將按簡單理論算得的摩擦系數(shù)絕對值與通過試驗(yàn)側(cè)得的數(shù)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(shí)際的理論，雖然它仍以簡單理論的模型為根據(jù)并作了若干假設(shè)，但它卻能解釋不少的摩擦現(xiàn)象。②邊界摩擦 首先應(yīng)該了解邊界摩擦的性質(zhì)，即這種摩擦特性主要取決于潤滑油和金屬表面的化學(xué)性質(zhì)，其特征就在于相對滑動的兩金屬表面上形成了邊界膜。進(jìn)而應(yīng)搞清楚物理吸附膜、化學(xué)吸附膜和化學(xué)反應(yīng)膜形成的機(jī)理和特點(diǎn)。明確前兩種邊界膜的潤滑性能稱為潤滑油的油性，后一種則叫極壓性。因?yàn)榧兇獾倪吔缒Σ林皇窃诶硐氲墓庹砻骈g才能實(shí)現(xiàn)，而這種理想的光整表面實(shí)際上并不存在，因此不可能有純粹的邊界摩擦。實(shí)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(dāng)兩摩擦表面間的間隙很小或機(jī)器起動機(jī)停車時(shí)，均會出現(xiàn)這種摩擦狀態(tài)。③混合摩擦 首先應(yīng)了解產(chǎn)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(zhì)的摩擦。例如，在滑動軸承中當(dāng)軸頸滑動速度不足或潤滑不足，而載荷過大時(shí)，便可產(chǎn)生這種混合摩擦（如內(nèi)燃機(jī)的連桿銷、十字滑快銷和活塞銷等）；甚至正確設(shè)計(jì)和計(jì)算能達(dá)到流體摩擦的軸承在啟動、停車及在磨合時(shí)間內(nèi)也不可避免的會產(chǎn)生混合摩擦；此外，如在油中有硬質(zhì)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?xí)r表面微觀峰尖與油墨分擔(dān)載荷的情況，教材中介紹了膜厚比公式（41），即λ=hmin/(Ra1+Ra2),它表示隨著λ的增加，油膜所承擔(dān)的載荷也增加。這是一個(gè)主要用于定性，且可粗略用來定量的公式，可供設(shè)計(jì)是確定摩擦狀態(tài)的參考。④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(diǎn)：a）由于流體摩擦?xí)r摩擦面件的油膜厚度足夠大（λ5），油分子大都不受金屬表面的吸附作用的支配而能自由移動，摩擦表現(xiàn)為油的粘性；b)形成流體摩擦是有一定條件的。3）講授167。42“磨損”一節(jié)內(nèi)容時(shí)應(yīng)注意的問題①首先應(yīng)對機(jī)件磨損的普遍規(guī)律（及圖46所表示的磨損曲線）有一個(gè)初步的認(rèn)識，從而明確設(shè)計(jì)者的職責(zé)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。②教材中所討論的五種形式的磨損。對這五中磨損形式的機(jī)理，讀者應(yīng)有一個(gè)概括性的認(rèn)識。其中，粘附磨損、磨粒磨損和疲勞磨損是應(yīng)掌握的重點(diǎn)。對腐蝕磨損、沖蝕磨損以及復(fù)合形式的磨損（即粘附、磨粒、疲勞和腐蝕磨損形式的復(fù)合）—微動磨損則只需有個(gè)基本概念即可。順便指出，這些磨損形式可隨工作條件的變化而轉(zhuǎn)化。對于通常的機(jī)械摩擦副，主要是隨相對滑動速度和載荷的變化而變化。③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(shí)均會碰到，因而要善于把三種磨損形式的機(jī)理和有關(guān)基本概念與以后有關(guān)章節(jié)中所講到的零件具體的聯(lián)系起來，以便進(jìn)一步深化概念。4）講授167。43“潤滑劑和潤滑方法”一節(jié)時(shí)應(yīng)注意的問題 ① 首先應(yīng)對潤滑的作用，潤滑劑的種類有一個(gè)初步的了解② 對于潤滑油、潤滑脂的主要質(zhì)量指標(biāo)這一小節(jié)中，重點(diǎn)是潤滑油，對潤滑脂只作一般了解即可。潤滑油的諸質(zhì)量指標(biāo)中，重點(diǎn)要了解粘度指標(biāo)，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(gè)因素。對常用的粘度單位（動力粘度、運(yùn)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(yīng)能掌握，并對潤滑油的粘溫特性、粘壓特性有一個(gè)初步概念。關(guān)于其它指標(biāo)，只需建立一個(gè)印象，以便需要時(shí)查閱有關(guān)手冊。③ 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(qiáng)度所起的作用。④ 潤滑油或潤滑脂的供應(yīng)方法在設(shè)計(jì)中是很重要的，最好能結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際掌握這一部分內(nèi)容。5）流體潤滑原理這一節(jié)（167。44）中，流體動力潤滑時(shí)學(xué)習(xí)本門課程時(shí)需掌握的一個(gè)重要內(nèi)容。學(xué)習(xí)流體動力潤滑時(shí)，主要在于搞清兩滑動表面間動壓油膜的形成原理。對彈性流體動力潤滑這一部分內(nèi)容只要求建立一個(gè)初步的概念。這部分內(nèi)容寫的比較概括，為便于理解，這里作一些簡單的補(bǔ)充說明。彈性流體動力潤滑理論是計(jì)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(guān)系。例如，對于某些做相對滾動或滾動滑動的兩個(gè)受潤零件，載荷的傳遞是通過零件的局部接觸來實(shí)現(xiàn)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?yàn)榫植繅毫芨?，這時(shí)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(shù)量級，因而都不能予以忽略。在這種載荷條件下，接觸體的局部彈性變形構(gòu)成立了受潤零件間的油膜形狀，而這個(gè)油膜形成的流體動壓力又起到使接觸體產(chǎn)生彈性變形的作用，它們之間相互影響，互為因果，這就構(gòu)成了彈性流體動力潤滑理論的研究內(nèi)容。兩個(gè)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(jù)這種理論來求出高副接觸處的最小油膜厚度。根據(jù)對彈性流體動力潤滑理論進(jìn)行的大量計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了如下的普遍規(guī)律： a)在靠近接觸區(qū)口處突然出現(xiàn)第二峰值壓力（見圖418）。第二峰值壓力不可忽視，因?yàn)樗臄?shù)值很大而范圍極窄，可能產(chǎn)生很高的表層下的應(yīng)力，從而導(dǎo)致零件的點(diǎn)蝕破壞。b)在出口處的油膜厚度出現(xiàn)一種縮頸現(xiàn)象，使得hmin比接觸區(qū)平行部 的油膜厚度h0小25%，這可解釋為，當(dāng)油從高壓接觸區(qū)排出后就迅速擴(kuò)散開，壓力便急劇下降，此時(shí)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(xiàn)象。c)為了實(shí)現(xiàn)彈性流體動力潤滑，必須計(jì)算其膜厚比是否能滿足要求。關(guān)于流體靜力潤滑只需了解其原理與流體動力潤滑的本質(zhì)區(qū)別即可。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個(gè)學(xué)時(shí)。以多媒體手段結(jié)合掛圖為主來共同完成該章的教學(xué)任務(wù)。第五章 螺紋聯(lián)接和螺旋傳動一、本章主要內(nèi)容、特點(diǎn)、及教學(xué)要求1．本章主要內(nèi)容包括兩部分：第一部分為螺栓聯(lián)接的設(shè)計(jì)，包括螺栓聯(lián)接的預(yù)緊、強(qiáng)度計(jì)算、螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析及提高聯(lián)接強(qiáng)度的措施；第二部分為滑動螺旋傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。2．本章特點(diǎn)是內(nèi)容包括螺紋聯(lián)接和螺旋傳動兩個(gè)部分。前者屬于聯(lián)接，后者屬于傳動。二者在內(nèi)容上雖有一定的聯(lián)系，但在設(shè)計(jì)要求上卻有很大的差別。3．本章的教學(xué)要求1）對于螺紋聯(lián)接的基本知識（167。51～167。54），應(yīng)了解螺紋及螺紋聯(lián)接的類型、特性、標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場合及有關(guān)的防松方法等，以便在設(shè)計(jì)時(shí)能夠正確的選用它們。2）對于螺紋聯(lián)接設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算部分（167。55～167。57），應(yīng)掌握其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及強(qiáng)度計(jì)算的理論與方法，能正確進(jìn)行螺拴組的受力分析，能較為合理的設(shè)計(jì)出可靠的螺栓組聯(lián)接。3）對于螺旋傳動部分，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(shè)計(jì)計(jì)算方法，并通過一種基本類型—螺旋起重器的設(shè)計(jì)，了解滑動螺旋傳動的主要設(shè)計(jì)過程。二、本章重點(diǎn)、難點(diǎn)、及注意事項(xiàng)1．本章重點(diǎn)有兩個(gè)：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(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算，尤其是承受軸向拉伸載荷的緊螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算。2．本章中較為復(fù)雜的問題是承受傾覆力矩的底板螺栓組聯(lián)接的設(shè)計(jì)。實(shí)用中，常把這種螺栓組聯(lián)接設(shè)計(jì)成傾覆力矩作用在結(jié)合面的垂直對稱面內(nèi)，并做出一些假設(shè)（如底板為絕對剛性體、地基與螺栓皆為均質(zhì)彈性體等），使問題得到簡化。3．本章教學(xué)注意事項(xiàng)1）167。51～167。54都是敘述性的內(nèi)容，對做好螺栓聯(lián)接的設(shè)計(jì)是必不可少的基本知識，應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生閱讀機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。2）螺紋及螺紋聯(lián)接件大都已標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)計(jì)時(shí)，對不太重要的螺紋聯(lián)接一般只需根據(jù)不同情況進(jìn)行選用，不許自行設(shè)計(jì)。對重要的螺紋聯(lián)接，設(shè)計(jì)計(jì)算也只是確定螺栓危險(xiǎn)截面的直徑（螺紋小徑），螺紋聯(lián)接的其它部分尺寸由標(biāo)準(zhǔn)選定。但是，這并不排斥在個(gè)別特殊情況下，根據(jù)特殊的需要而自行設(shè)計(jì)某種非標(biāo)準(zhǔn)的螺紋聯(lián)接件。3）螺紋聯(lián)接的設(shè)計(jì)主要是螺栓組聯(lián)接的設(shè)計(jì)（因?yàn)楣こ虒?shí)際中螺栓聯(lián)接通常是成組使用的）。其設(shè)計(jì)工作包括兩部分內(nèi)容：第一部分內(nèi)容是正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過受力分析找出受力最大的螺栓；第二部分內(nèi)容是按照單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算公式來設(shè)計(jì)這個(gè)受力最大的螺栓的尺寸，其余的螺栓則按同樣尺寸選用。4）在設(shè)計(jì)螺栓組聯(lián)接時(shí)，應(yīng)正確解決以下幾個(gè)問題①螺栓組的布臵 螺栓組中螺栓的個(gè)數(shù)及其在結(jié)合面上的布臵方案，一般可參考現(xiàn)有設(shè)備按經(jīng)驗(yàn)確定。不同的布臵方案將影響總的載荷在各個(gè)螺栓上的分配。在計(jì)算總載荷在各螺栓中的分配時(shí)，可以采用這樣的步驟：先講總載荷分解，分解后所得到的載荷不外乎軸向力、橫向力、扭矩和彎矩的等四種基本情況；接著就按這四種情況分別進(jìn)行載荷分配計(jì)算；然后再迭加起來，便得到了總載荷在各螺栓中的分配情況。在這四種基本情況中，承受傾覆力矩的地板螺栓組聯(lián)接的載荷分配計(jì)算是一個(gè)難點(diǎn)，學(xué)習(xí)時(shí)要注意所采用的簡化假定及受載前后各部分的載荷和應(yīng)力變化的關(guān)系。②確定螺栓的擰緊力矩 緊螺栓聯(lián)接所需要的扳手力矩和由此而產(chǎn)生的預(yù)緊力的大小，可以利用機(jī)械原理中關(guān)于螺旋副摩擦阻力的公式進(jìn)行計(jì)算。擰緊力矩過大，將對強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響，而過小又不能保證聯(lián)接的可靠性。因此，對于重要的螺栓聯(lián)接，擰緊力矩或預(yù)緊力必需加以控制。所以，進(jìn)行計(jì)算是必要的，而且應(yīng)將計(jì)算的結(jié)果標(biāo)注到相應(yīng)的裝配圖紙上。于這一問題相聯(lián)系的扳手?jǐn)Q緊力矩或預(yù)緊力的測定方法，以及擰緊后的防松措施，也必需考慮好。③確定螺栓直徑 螺栓的直徑計(jì)算是整個(gè)螺栓聯(lián)接設(shè)計(jì)的核心部分。因?yàn)橹灰睆酱_定了，就可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定螺栓其它部分的尺寸（螺栓的長度可根據(jù)杯聯(lián)接零件的厚度和螺母、墊圈等的厚度來確定）。教材中介紹了螺栓直徑的簡化計(jì)算方法，以及螺母按疲勞強(qiáng)度的精確校核方法。在螺栓疲勞強(qiáng)度的精確校核中，螺栓聯(lián)接的受力變形線圖應(yīng)該給予特別的注意。弄清楚為什么當(dāng)緊螺栓受到軸向拉伸載荷時(shí)，它的預(yù)緊力會變小，而螺栓的總載荷并不是預(yù)緊力與外載荷的和。在這個(gè)基礎(chǔ)上，了解為什么降低螺栓剛度、增大被聯(lián)接件剛度以及增大預(yù)緊力可以提高螺栓的抗疲勞能力。④提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施 在初步確定以上三個(gè)問題的解決方案的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)一步考慮如何提高螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度。在各類機(jī)器中所見到的各種螺紋聯(lián)接件，大多數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)化了的。但是也有許多重要的螺栓聯(lián)接，所用的螺栓、螺母或墊圈具有各種非標(biāo)準(zhǔn)的形狀。其原因可以從提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施這一節(jié)中找到答案。應(yīng)該注意的是，提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度并不是只有加粗直徑這一途徑。有時(shí)候，其它的措施可能更為合理，更為有效。特別是對于受變載荷的螺栓聯(lián)接。三、本章內(nèi)容的分析與補(bǔ)充1．螺紋（167。51）由于各類螺紋大多已標(biāo)準(zhǔn)化，少量未標(biāo)準(zhǔn)化的也有了推薦尺寸。因而，在講授表51時(shí)