《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》教案

關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)課程的說(shuō)明

講授任何一門課程,都得首先對(duì)它有個(gè)輪廓的了解,因而有必要先對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)課

程作一簡(jiǎn)要說(shuō)明。

一、本課程在專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的地位與作用

本課程是機(jī)械類各專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的一主門干課程,屬技術(shù)基礎(chǔ)課。因而它不

僅要求學(xué)生預(yù)先學(xué)完工程制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程材料、機(jī)械制造基礎(chǔ)、

機(jī)械原理、公差與技術(shù)測(cè)量等先修課程,而且要求學(xué)生結(jié)合本課程的學(xué)習(xí),能夠綜合

運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和技術(shù)知識(shí),聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際和機(jī)器的具體工作條件,去設(shè)計(jì)合

用的零(部)件及簡(jiǎn)單的機(jī)械,以便為順利地過(guò)渡到專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及進(jìn)行專業(yè)產(chǎn)品

與設(shè)備的設(shè)計(jì)打下初步的基礎(chǔ)。因此,本課程具有從理論性課程過(guò)渡到結(jié)合工程實(shí)

際的設(shè)計(jì)性課程,從基礎(chǔ)課程過(guò)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(nèi)容,主要是通用機(jī)械零(部)件的設(shè)計(jì)和選用方面的基本知識(shí)、基本理

論和基本方法,所以是一般機(jī)械工程技術(shù)人員必備的基礎(chǔ)。

二、本課程的性質(zhì)與任務(wù)

本課程是一門培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力的技術(shù)基礎(chǔ)課,屬于設(shè)計(jì)性的課程。

本課程的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生:

1.掌握通用機(jī)械零、部件的設(shè)計(jì)原理、方法和機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律,具有設(shè)計(jì)

機(jī)械傳動(dòng)裝置和簡(jiǎn)單的機(jī)械的能力。

2.樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想,了解國(guó)家當(dāng)前的有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。

3.具有運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)和查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力。

4．掌握典型機(jī)械零件的實(shí)驗(yàn)方法，獲得實(shí)驗(yàn)技能的基本動(dòng)訓(xùn)練。

5．對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的新發(fā)展有所了解。

三、本課程的教學(xué)環(huán)節(jié)及特殊性

本課程的教學(xué)環(huán)節(jié)除了(包括自學(xué))外，還應(yīng)有習(xí)題課、討論課、實(shí)驗(yàn)課、現(xiàn)

場(chǎng)教學(xué)、答疑輔導(dǎo)、設(shè)計(jì)作業(yè)及課程設(shè)計(jì)等。雖然課堂教學(xué)是一個(gè)非常重要方面，

但它遠(yuǎn)非本課程的全部，因而企圖通過(guò)單單學(xué)習(xí)書本知識(shí)就把這門課程學(xué)好，最

后必將落得一知半解，缺乏實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)素養(yǎng)，不能達(dá)到本課程的學(xué)習(xí)要求。

這一點(diǎn)，務(wù)必提醒每個(gè)學(xué)生都必須充分注意，并隨時(shí)加以警惕。如果學(xué)生在作習(xí)

題、設(shè)計(jì)作業(yè)和課程設(shè)計(jì)時(shí)，不注意進(jìn)行理論和技術(shù)分析，不認(rèn)真查閱手冊(cè)、圖

冊(cè)和有關(guān)資料；做實(shí)驗(yàn)時(shí)不詳細(xì)弄清實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、儀表功能及測(cè)試方法；在

現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)中不細(xì)心觀察零件的結(jié)構(gòu)、材料、制法、工作情況、失效形式和有關(guān)機(jī)

器的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，就不可能學(xué)好這門課程，也不可能成為一個(gè)優(yōu)秀的機(jī)械設(shè)計(jì)者。

所以學(xué)習(xí)本課程時(shí)必須明確，書本知識(shí)固屬重要，但在工程實(shí)際中，很少是靠單

獨(dú)運(yùn)用書本知識(shí)就能正確解決問(wèn)題的，而是還需掌握一定的經(jīng)驗(yàn)資料和具備較強(qiáng)

的工程判斷能力。因?yàn)閷?shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題幾乎都不會(huì)只有一個(gè)答案的，新理論、

新技術(shù)、新材料、新工藝以及新的市場(chǎng)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(xié)調(diào)、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(duì)各式各樣的設(shè)計(jì)問(wèn)題作出機(jī)敏的工程判斷。而這些能力是要靠一

系列課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)綜合培養(yǎng)的。本課程應(yīng)該負(fù)擔(dān)培養(yǎng)的部分，則是通過(guò)

前述全部教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，決不是單單課堂教學(xué)就能奏效。

四、本課程的特點(diǎn)

1.論述機(jī)械零(部)件設(shè)計(jì)時(shí)的一般順序及目的

《機(jī)械設(shè)計(jì)》中,除第一篇“總論”是綜合論述本課程的主要內(nèi)容、性質(zhì)、任

務(wù)及一般機(jī)械設(shè)計(jì)的共性問(wèn)題外,以后四篇都是分章論述常用的通用機(jī)械零(部)件

設(shè)計(jì)問(wèn)題。各章內(nèi)容的一般順序是:首先介紹零(部)件的主要類型、構(gòu)造、功能、材

料、制法、標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)缺點(diǎn)、適用場(chǎng)合等基本知識(shí),以便對(duì)該章論述的零(部)件有初步

的了解,從而為學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備條件。然后論述工作情況、受力分析、應(yīng)力狀態(tài)、失

效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)方法與步驟、參數(shù)選擇原則、常用參考資料以及有關(guān)注

意事項(xiàng)等,以便初步掌握零(部)件的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)實(shí)踐,并給出若干習(xí)題,以便試行運(yùn)用所學(xué)的有關(guān)知識(shí)、設(shè)

計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法及參考資料,進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)鍛煉,從而加深與鞏固所學(xué)的知識(shí)與

技能,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)智力,提高設(shè)計(jì)能力。這樣就為進(jìn)行設(shè)計(jì)作業(yè)、課程設(shè)計(jì)和某些簡(jiǎn)

單的機(jī)械的設(shè)計(jì),準(zhǔn)備了必要的條件。

2.機(jī)械設(shè)計(jì)的繁雜性及其對(duì)策

由于本課程研究對(duì)象和性質(zhì)上的特點(diǎn),決定了教材內(nèi)容本身的繁雜性。只有對(duì)

這一點(diǎn)有較深的認(rèn)識(shí)和充分的思想準(zhǔn)備,才能在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中加以正確的處理。

教材內(nèi)容的繁雜性主要表現(xiàn)“關(guān)系多、門類多、要求多、公式多、圖形多、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基礎(chǔ)之上的(即“血緣”很雜),

因而必須和那些先修課程內(nèi)容時(shí)時(shí)掛鉤,緊密聯(lián)系，才能把它們綜合地運(yùn)用來(lái)為機(jī)

械設(shè)計(jì)服務(wù)。這就形成了“關(guān)系多”的特點(diǎn)。因此在教學(xué)過(guò)程中，需要經(jīng)常引導(dǎo)

學(xué)生回顧檢查自己對(duì)各有關(guān)先修課程內(nèi)容掌握的程度，并及時(shí)復(fù)習(xí)與深化有關(guān)的

內(nèi)容，清除學(xué)習(xí)道路上的障礙，提高學(xué)習(xí)效率與質(zhì)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(shí)際上有

些章里還包含了幾個(gè)獨(dú)立的部分)，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(diǎn)。為此，教學(xué)時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生從各種零件的工作性能和

適用場(chǎng)合等方面多作對(duì)比，從它們?cè)跈C(jī)器中的功能、相互影響、裝配關(guān)系等方面

多作分析，找出各零件間的關(guān)聯(lián)；更要從設(shè)計(jì)理論及方法上找出各章之間的共性

和特性，要認(rèn)真分析各個(gè)零件之間的內(nèi)在聯(lián)系，特別是要從中總結(jié)出某些普遍規(guī)

律，以便用來(lái)解決現(xiàn)在沒(méi)有學(xué)到而將來(lái)可能遇到的新型零件的設(shè)計(jì)問(wèn)題。所以，

絕對(duì)不應(yīng)把一個(gè)個(gè)的零件孤立起來(lái)，否則就難免產(chǎn)生內(nèi)容零碎雜亂的感覺(jué)。

3)由于設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，除了需要滿足強(qiáng)度、剛度、耐久性、工藝性、體積、

質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、安全、方便、美觀等一系列一般要求外，有時(shí)還要滿足絕緣、抗磁、

耐酸、防銹等特殊要求。對(duì)于部件還常會(huì)提出更多的要求，這就形成了“要求多”

的特點(diǎn)。因此，教學(xué)時(shí)務(wù)必引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)善于全面分析比較，權(quán)衡輕重，區(qū)別對(duì)

待。“要求多”是由于全面考慮、分別論述的結(jié)果，而對(duì)于具體的零(部)件，則應(yīng)

該用“具體問(wèn)題具體分析”的方法來(lái)處理。

4)由于本課程是設(shè)計(jì)性課程，內(nèi)容自應(yīng)緊密圍繞零(部)件的設(shè)計(jì)問(wèn)題。設(shè)計(jì)包

括多方面的內(nèi)容，但其主要部分通常是工作能力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而工作能力設(shè)

計(jì)一般須進(jìn)行某些計(jì)算(如強(qiáng)度計(jì)算、剛度計(jì)算、壽命計(jì)算、熱平衡計(jì)算等)，這就

形成了“公式多”的特點(diǎn)。因此，教學(xué)時(shí)務(wù)必引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)徹底搞清公式的性質(zhì)、

使用條件、符號(hào)意義及代入單位、計(jì)算結(jié)果的單位等，然后才能正確應(yīng)用它們。

教材中的公式，有解析性的、經(jīng)驗(yàn)性的、半經(jīng)驗(yàn)性的、定義性的等，其中有些是

在先修課程里學(xué)過(guò)的，有些則是新遇到的，還有的是只要求會(huì)用而不要求懂得其

理論根據(jù)和推導(dǎo)方法的(如零件曲面接觸應(yīng)力的計(jì)算公式是引自彈性力學(xué))。盡管公

式很多，但除了一些定義性公式(如許用正應(yīng)力[σ]=σlim／S；標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的

模數(shù)m=d／z等)應(yīng)在理解的基礎(chǔ)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(nèi)容要用圖形表達(dá)，這就必然形成“圖形多”的特點(diǎn)。因此，

教學(xué)時(shí)務(wù)必引導(dǎo)學(xué)生把所有的插圖一一看懂，并分清哪些是分析圖，哪些是結(jié)構(gòu)

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(dāng)于表格(但

比表格直觀，可以利用“引出線”直接查找數(shù)據(jù)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，也就不難對(duì)付了。

6)由于設(shè)計(jì)性課程的教材需要附有為了闡明問(wèn)題和作簡(jiǎn)單習(xí)題所必須的最基

本資料(其余的則可查閱手冊(cè)、圖冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等)，這就形成了“表格多”的特

點(diǎn)。教學(xué)時(shí)務(wù)必引導(dǎo)學(xué)生弄清每個(gè)表格的適用場(chǎng)合及如何查用，并應(yīng)注意一些表

格下方的“標(biāo)注”，忽視了這點(diǎn)就會(huì)造成查用上的錯(cuò)誤，甚至帶來(lái)嚴(yán)重的后果。

還應(yīng)注意觀察與分析表中數(shù)據(jù)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(huì)有助于了解有關(guān)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(xué)習(xí)方法

前面已指出，本課程要起到“從理論性課程過(guò)渡到結(jié)合工程實(shí)際的設(shè)計(jì)性課

程，從基礎(chǔ)課程過(guò)渡到專業(yè)課程”的作用，因而必須認(rèn)清這個(gè)“過(guò)渡”對(duì)學(xué)習(xí)方

法提出的特殊要求。機(jī)械設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)方法,不僅和過(guò)去學(xué)習(xí)公共基礎(chǔ)課時(shí)有根

本的差別,而且和學(xué)習(xí)理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理等技術(shù)基礎(chǔ)課時(shí)的方法也大

不相同。例如:材料力學(xué)由于研究范圍的不同,對(duì)于一個(gè)受有垂直集中載荷的簡(jiǎn)支梁,

并不管梁上的載荷是哪個(gè)物體(零件)傳給它的,這個(gè)物體是怎樣安裝在梁上的,更不

要求設(shè)計(jì)或選擇出兩端所需的支承；機(jī)械原理研究一個(gè)機(jī)構(gòu)時(shí)，只要求確定各個(gè)

構(gòu)件的長(zhǎng)度，并不要求確定構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀、材料、加工方法、強(qiáng)度、剛度、壽

命等。但是到了機(jī)械設(shè)計(jì)課，就得解決一系列的實(shí)際問(wèn)題，直到每個(gè)零件能夠有

效地完成其工作職能，并達(dá)到預(yù)期的工作壽命。因此，學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)課程時(shí)，在

學(xué)習(xí)方法上就面臨著一個(gè)新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如果仍舊沿用以前的學(xué)習(xí)方法，那就會(huì)輕

重倒置，不得要領(lǐng)。因而如果在學(xué)習(xí)方法上“轉(zhuǎn)折”得好，那就會(huì)事半功倍，迅

速提高聯(lián)系實(shí)際分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。所以學(xué)習(xí)方法正確與否，是具有重

要意義的。

怎樣才能在學(xué)習(xí)方法上“轉(zhuǎn)折”得好，關(guān)鍵在于是否真正摸清了這門課程的性

質(zhì)。既然機(jī)械設(shè)計(jì)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的設(shè)計(jì)性課程，那就應(yīng)該除了努力學(xué)好課堂

教學(xué)內(nèi)容外，還要認(rèn)真學(xué)好各個(gè)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容，并注意把主要精力用于

鉆研零件的結(jié)構(gòu)、選材、制法、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、適用場(chǎng)合、工作情況、受力及應(yīng)力

狀態(tài)、失效形式及其機(jī)理、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)方法與步驟，以及可能出現(xiàn)的問(wèn)題與

對(duì)策上，而對(duì)公式的推導(dǎo)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的取得、某些曲線的來(lái)歷等，只需作一般的

了解，不必反復(fù)深鉆，以免偏離重點(diǎn)。譬如在學(xué)習(xí)過(guò)程中，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候到實(shí)驗(yàn)

室去親手拆裝一臺(tái)較簡(jiǎn)單的機(jī)器或一個(gè)完整的部件(例如減速器),詳細(xì)了解一下它

的構(gòu)造、功能、機(jī)構(gòu)、零件、材料、毛坯、加工、裝配、潤(rùn)滑、密封、運(yùn)轉(zhuǎn)、維

護(hù)等，就會(huì)幫助學(xué)生較全面地了解這門課程，抓住較好的學(xué)習(xí)方法。教學(xué)時(shí)務(wù)必

告訴學(xué)生。

最后，還要特別向?qū)W生提醒兩點(diǎn)：

一是必須明確，設(shè)計(jì)決非只是計(jì)算，計(jì)算雖也重要，但它只是為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供

一個(gè)基礎(chǔ)，而零件、部件和機(jī)器的最后尺寸和形狀，通常都是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取定的，

計(jì)算所得的數(shù)字,最后往往會(huì)被結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所修改。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)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(gè)零件的設(shè)計(jì)步驟及結(jié)果，僅為表明如

何運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)資料去解決一個(gè)實(shí)際問(wèn)題的范例，而不是唯一正確的答案

或一切設(shè)計(jì)方法的終結(jié)；論述某個(gè)零件的設(shè)計(jì)方法和步驟，決非僅僅為了使學(xué)生

學(xué)會(huì)那個(gè)零件的設(shè)計(jì)，而是為了培養(yǎng)學(xué)生掌握這些“武器”,從而具備設(shè)計(jì)各種有

關(guān)零件的能力。

《機(jī)械設(shè)計(jì)》教案

第一章緒論

一、本章的主要內(nèi)容、特點(diǎn)及教學(xué)要求

本章主要內(nèi)容是：機(jī)器的作用，組成機(jī)器的基本要素（零件）；零件的概括分

類；零件（局部）與機(jī)器(總體)的關(guān)系；機(jī)械設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及處理有關(guān)矛盾的原

則；本課程的內(nèi)容、性質(zhì)與任務(wù)。

本章的特點(diǎn)是：它既是本課程的序幕，又是本課程的總綱。因而它的內(nèi)容要

貫穿全課程的始末，并涉及本課程的前后關(guān)系。講好緒論課對(duì)搞好該門課程的教

學(xué)工作是至關(guān)重要的,必須予以高度重視,做好充分準(zhǔn)備,保證把緒論講好

根據(jù)教育部<<機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)基本要求>>和我院制定的《機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)

大綱》,本章的教學(xué)要求為:

1）明確《機(jī)械設(shè)計(jì)》在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要作用；

2）弄清機(jī)械零件設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的地位；

3）了解本課程的內(nèi)容、性質(zhì)、特點(diǎn)、與先修及后續(xù)課程之間的關(guān)系，以及相

應(yīng)的學(xué)習(xí)方法，從而對(duì)整個(gè)課程獲得一個(gè)鳥(niǎo)瞰。

4）使學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)科的發(fā)展前沿有所了解。

總的來(lái)說(shuō)，本章的教學(xué)要求就是要使學(xué)生搞清楚“為什么學(xué)？”、“學(xué)什么？”

和“如何學(xué)？”這三大問(wèn)題，并樹(shù)立起學(xué)好本課程的決心與信心。

二、本章重點(diǎn)及難點(diǎn)

本章重點(diǎn)，一是機(jī)器的主體及其基本組成要素和機(jī)械零件的分類，機(jī)械零件（局

部）和機(jī)器（總體）的關(guān)系；二是本課程的內(nèi)容性質(zhì)與任務(wù)。

本章難點(diǎn)是，除了掌握本章的基本內(nèi)容之外，還應(yīng)結(jié)合本課程的性質(zhì)與特點(diǎn)，

積極探索具有針對(duì)性的學(xué)習(xí)方法。

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1個(gè)學(xué)時(shí)。另外,在課外應(yīng)再組織學(xué)生參觀一些實(shí)際機(jī)械

如印刷廠的印刷機(jī)、切紙機(jī)、零件陳列室的實(shí)物模型等。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)使學(xué)生從

感性上進(jìn)一步了解本課程研究的對(duì)象和內(nèi)容,體會(huì)學(xué)習(xí)本課程的目的,并進(jìn)一步調(diào)

動(dòng)他們學(xué)習(xí)本課程的興趣和積極性.

第二章機(jī)械及機(jī)械零件設(shè)計(jì)概要

一、本章主要內(nèi)容、特點(diǎn)及教學(xué)要求

本章內(nèi)容概括起來(lái)講可分為兩部分：

第一部分是關(guān)于及其總體設(shè)計(jì)的概述，包括§2-1、§2-2及§2-3三節(jié)。第二部

分是關(guān)于機(jī)械零件設(shè)計(jì)的概述，包括§2-4及以后的各節(jié)。

本章特點(diǎn)在于從機(jī)器設(shè)計(jì)的總體要求出發(fā)，引出與機(jī)械零件設(shè)計(jì)有關(guān)的一些原

則性問(wèn)題。這些問(wèn)題，例如設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序、機(jī)械零件失效形式、零件的設(shè)

計(jì)要求、計(jì)算準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)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(shí)，由于學(xué)生還沒(méi)有接觸到各個(gè)具體零件的設(shè)計(jì)內(nèi)容，所以

不大容易較為深刻地掌握本章的內(nèi)容，也無(wú)法和以后的各章建立聯(lián)系。

本章的教學(xué)要求：

首先就是要從總體上建立起機(jī)器設(shè)計(jì)，尤其是機(jī)械零件設(shè)計(jì)的總括性的概念，

即從機(jī)器的總體要求出發(fā)，引出對(duì)機(jī)械零件的要求，根據(jù)零件的失效形式，擬定

出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在選擇出適用的材料后，按一定的步驟，用理論設(shè)計(jì)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的

方法，設(shè)計(jì)出機(jī)械零件來(lái)。這個(gè)過(guò)程的系統(tǒng)性是很嚴(yán)密的。它對(duì)以后各章的學(xué)習(xí)

都具有提綱挈領(lǐng)的作用。其次，要掌握對(duì)機(jī)器和機(jī)械零件的基本要求。這些要求

不管列出多少條，從本質(zhì)上講卻只有兩條，第一是提高機(jī)器總體效益；第二是避

免失效。第一條要求是相對(duì)的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)總體效益的要求總是不

斷變化的。第二條要求卻是最基本的。即在達(dá)到設(shè)計(jì)壽命前的任何時(shí)候，對(duì)機(jī)器

和零件總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節(jié)的教學(xué)中，不斷的結(jié)合各

章的具體分析來(lái)逐步加深。

二、本章重點(diǎn)及難點(diǎn)

本章重點(diǎn)是與機(jī)械零件設(shè)計(jì)有關(guān)的幾節(jié)。本章的難點(diǎn)不在于各節(jié)的具體內(nèi)容，

而在于對(duì)各節(jié)的內(nèi)容要從總體上以及它們的相互聯(lián)系上予以理解，了解各節(jié)之間

在邏輯上的相互關(guān)系。本章的難點(diǎn)還在于本章的內(nèi)容非常原則而不具體，它的具

體化要在以后的各章中才能體現(xiàn)。

1．機(jī)器的組成（§2-1）

本節(jié)概括的介紹了一部機(jī)器的組成情況。教學(xué)時(shí)要注意到，不管是機(jī)器的基

本組成部分，還是其余部分，都包含有由機(jī)械零、部件構(gòu)成的機(jī)械系統(tǒng)。即使在

今天高科技時(shí)代，高水平的機(jī)電一體化機(jī)器，其任何部分，包括控制系統(tǒng)在內(nèi)，

也都離不開(kāi)機(jī)械。這一點(diǎn)，一定要牢牢記住。

2．設(shè)計(jì)機(jī)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(jī)器的設(shè)計(jì)程序。必須說(shuō)明，本課程并不

能負(fù)擔(dān)起關(guān)于整部機(jī)器一般設(shè)計(jì)程序所涉及的所有問(wèn)題的研究任務(wù)。機(jī)器的設(shè)計(jì)

程序已成為一門新的專業(yè)課程。該章對(duì)機(jī)器的設(shè)計(jì)程序僅作一般的簡(jiǎn)略介紹，其

目的除了使學(xué)生對(duì)機(jī)器設(shè)計(jì)過(guò)程有一個(gè)總體概念以外，還在于著重說(shuō)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(yè)上“（三）技術(shù)設(shè)計(jì)階段”的內(nèi)

容。不可展開(kāi)講。

3．對(duì)機(jī)器的主要要求（§2-3）

本節(jié)是為了能從其中引出對(duì)零件的基本要求而設(shè)的。對(duì)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(lái)保證的。

4．機(jī)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(shù)功能的觀點(diǎn)來(lái)

定義失效的，并不涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)分析問(wèn)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(méi)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（§2-5）

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(lái)越復(fù)雜而]提出的新要求的。

對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于高溫下工作的機(jī)器及其零部件，或者對(duì)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(wèn)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(guò)程的有關(guān)工藝知識(shí)。

此外，在機(jī)械設(shè)計(jì)工作中，從工作量上來(lái)說(shuō)，處理結(jié)構(gòu)工藝性的問(wèn)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(shí)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（§2-6）

強(qiáng)度、剛度、壽命及振動(dòng)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(lái)研究

零件的可靠性時(shí)所采用的規(guī)律。

式（2-6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(duì)于它的理解應(yīng)當(dāng)是：

a)隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，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(shí)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(shuō)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(lái)確定的。

7．機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法（§2-7）

本節(jié)從設(shè)計(jì)方法的類比來(lái)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(guò)時(shí)了或不需要了?，F(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(lái)的，在

必要時(shí)用來(lái)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)?/p>

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法本身是離不開(kāi)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(lái)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(duì)理論設(shè)計(jì)方法易于接受，但對(duì)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(huì)隨著社會(huì)的不斷發(fā)展而不斷

積累，經(jīng)驗(yàn)并不總是陳舊的、過(guò)時(shí)的東西。相反，它恰恰是在理論還不成熟時(shí)，

用來(lái)解決各種問(wèn)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(lái)說(shuō)，理論設(shè)計(jì)也

是離不開(kāi)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(shí)還不完備，原有的經(jīng)驗(yàn)又不足以解決設(shè)計(jì)問(wèn)

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（§2-8）

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(huì)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（§2-9）

由于后續(xù)各章將會(huì)對(duì)各種零件常用的材料作具體介紹。所以本節(jié)只重點(diǎn)說(shuō)明

材料的選用原則。選用材料的前提是對(duì)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(duì)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（§2-10）

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。

可以把各種設(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(zhǎng)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(wèn)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(lái)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(lái)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(lái)源、意義及用途，能從材料的幾個(gè)基本

機(jī)械性能(σ，σ，σ)及零件的幾何特性，繪制零件的極限應(yīng)力簡(jiǎn)化線圖。

0s-1

2．學(xué)會(huì)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(shuō)（Miner法則）的意義及其應(yīng)用，認(rèn)識(shí)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(huì)雙向變應(yīng)力時(shí)的強(qiáng)度校核方法。

5．會(huì)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．§3-2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（3-1）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(huì)看到其它形式的公式。但式（3-1）式有關(guān)公式中

形式最簡(jiǎn)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(lái)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3-3上N和N是兩個(gè)不同的循環(huán)次數(shù)。N是人為規(guī)定得值，所

0D0

以在不同的文獻(xiàn)中，其值常有差異。而N是隨著材料所固有的性質(zhì)的不同，通過(guò)

D

實(shí)驗(yàn)來(lái)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(duì)同一材料所介紹的

N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。

D

在本節(jié)中，主要的是要知道N和N在定義上是不同的，至于它們的具體數(shù)

0D

值，在以后各章節(jié)中用到時(shí)都會(huì)給出的。順便提一下，對(duì)于中碳鋼一類的材料，

在拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)條件下，由于N的值不很大，所以常常以N值作為N值，

DD0

即N=N。

0D

2．§3-2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(duì)應(yīng)于不同循環(huán)特形式的材料的疲勞極限σ。利用這些σ

rn

才能在σ-σm坐標(biāo)上繪制出材料的極限應(yīng)力線圖。這是一條曲線，即圖3.1上

rNa

ADB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(lái)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。

圖3.1所示的材料的極限應(yīng)力圖，是用光滑的(無(wú)應(yīng)力集中源的）、標(biāo)準(zhǔn)尺寸的

試件通過(guò)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AˉD（由圖可知，這樣簡(jiǎn)化，誤差很小，但計(jì)算公式大大簡(jiǎn)化）；

對(duì)于塑性材料承受靜應(yīng)力時(shí)，其極限應(yīng)力為屈服極限σ，故可用CG來(lái)表示其極限

s

應(yīng)力線（注意CG上任一點(diǎn)所代表的極限應(yīng)力均為σ=σ+σ=σ）；再將AD延

maxams

長(zhǎng)到G＇,與CG＇交于G＇。經(jīng)過(guò)這樣的簡(jiǎn)化，就得到了A＇D＇G＇和G＇C兩條

分別對(duì)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3-4所示的材料的簡(jiǎn)

化極限應(yīng)力圖。

教材圖3-5是用有應(yīng)力集中源的試件作實(shí)驗(yàn)求得的簡(jiǎn)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(lái)計(jì)算的，即根據(jù)截面尺寸不

考慮應(yīng)力集中作用來(lái)計(jì)算應(yīng)力的。由于有應(yīng)力集中源，致使試件在N循環(huán)時(shí)發(fā)生

0

破壞的試驗(yàn)載荷要比無(wú)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K。因此，彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù)K只是在相同平均應(yīng)力條件

σσ

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(duì)應(yīng)力幅有作用，對(duì)平均應(yīng)力不發(fā)生影響。這就是式(3-7a)所表達(dá)的意

思。（3-7a）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(lái)說(shuō)明。

不過(guò)，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(jiàn)，圖a中的單向不對(duì)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(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力了。因此，這個(gè)

應(yīng)力的轉(zhuǎn)化過(guò)程也可以叫做不對(duì)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(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。

式(3-10)是各種文獻(xiàn)中計(jì)算彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù)k的公式的一種。

σ

除此以外，還有其它的k的表達(dá)式。k的計(jì)算式是人們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)擬合的，也就是

σσ

說(shuō)它是該書的作者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)提出的，而不是一個(gè)理論公式。不同資

料不得混用。

3.§3-2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(jiàn)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——σ或σ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

-10

的緣故。因此本節(jié)內(nèi)容非常重要。

我們用平均應(yīng)力σ和應(yīng)力幅σ作為描述變應(yīng)力的一對(duì)參量。這等效于用σ

mamax

σ和r中的任何兩個(gè)作為參量的描述方法。

min

首先要明確的是：在一個(gè)已知的工作應(yīng)力點(diǎn)（σ,σ）條件下，由于零件中應(yīng)

ma

力變化規(guī)律的不同，可以求出對(duì)應(yīng)于此工作應(yīng)力點(diǎn)的無(wú)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(duì)

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(shuō)明零件將會(huì)首先發(fā)

生疲勞破壞；如和GC部分相交，則首先會(huì)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．§3-2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(shuō)，即式（3-26）。有

些文獻(xiàn)上把它叫做Palmgren-Miner假說(shuō)，或者簡(jiǎn)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(shuō)。該假說(shuō)認(rèn)為材料發(fā)生疲勞破壞，是材料上所

作用的外力對(duì)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(duì)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

能量的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

N

試驗(yàn)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(lái)說(shuō)還是可用的。

式（3-30）中的應(yīng)力情況系數(shù)K的作用，是把對(duì)稱循環(huán)的不穩(wěn)定變應(yīng)力（圖

s

3.3a）轉(zhuǎn)化為等效的對(duì)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(jí)不穩(wěn)定變應(yīng)力中任選一級(jí)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(duì)值最大且作用時(shí)間也較長(zhǎng)的一級(jí)變應(yīng)力作為典型應(yīng)力。對(duì)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(guò)載應(yīng)力，只要它通過(guò)了靜強(qiáng)度計(jì)

算，一般不作為典型應(yīng)力。公式中以σ作為選取的典型應(yīng)力值，其它各級(jí)變應(yīng)力

1

都向σ等效轉(zhuǎn)化為相當(dāng)于對(duì)稱循環(huán)N’次的穩(wěn)定變應(yīng)力σ（圖3.3b），然后合并

11

起來(lái)最后折算成kσ為應(yīng)力幅的對(duì)稱循環(huán)變化N次的穩(wěn)定變應(yīng)力（圖3.3c）。所

s10

以，安全系數(shù)計(jì)算值S及強(qiáng)度條件就應(yīng)當(dāng)為S=(σ/kσ)≥S。這就是教材中的

caca-1s1

式(3-31)。

如果原來(lái)作用的是不對(duì)稱循環(huán)的不穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí),就先對(duì)各級(jí)應(yīng)力的乘以,再

加上該級(jí)的應(yīng)力幅,把各級(jí)不對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力等效對(duì)稱化,然后再用系數(shù)進(jìn)行等效

穩(wěn)定化.這樣就可以當(dāng)作對(duì)稱循環(huán)穩(wěn)定變應(yīng)力來(lái)處理.

式(3-32)中的載荷情況系數(shù)與的意義相同,只不過(guò)是施加于變載荷(使之轉(zhuǎn)化為

等效的穩(wěn)定載荷)情況下的系數(shù)而已.

5.§3-2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3-12及式(3-33).式(3-33)是用于同相位對(duì)

稱循環(huán)的彎曲和扭轉(zhuǎn)變應(yīng)力聯(lián)合作用的情況.對(duì)于一般的平面應(yīng)力狀態(tài),可以應(yīng)用

最大切應(yīng)力理論進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算.事實(shí)上,式(3-33)就是彎曲、扭轉(zhuǎn)聯(lián)合作用下最大且

應(yīng)力理論也是大致符合于試驗(yàn)結(jié)果的.

6．對(duì)§3-3機(jī)械零件接觸強(qiáng)度的說(shuō)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(lái)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(dòng)及滾動(dòng)帶滑動(dòng)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。

接觸應(yīng)力的分析必須借助于彈性力學(xué)的方法。對(duì)于大多數(shù)工程專業(yè)的大學(xué)生

來(lái)說(shuō)，在學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)課程以前是不會(huì)安排彈性力學(xué)課程的。因此，對(duì)這個(gè)公式，

只要會(huì)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(lái)共同完成

該章的教學(xué)任務(wù)。

第四章摩擦、磨損及潤(rùn)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(duì)摩擦學(xué)所研究的主要對(duì)象（即摩擦、磨損和潤(rùn)滑的基本問(wèn)

題）作簡(jiǎn)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(dòng)

壓和靜壓原理，以及彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本知識(shí)。

2．特點(diǎn)

因本章涉及的內(nèi)容較廣，為了使讀者對(duì)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(wú)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(duì)象及發(fā)展摩擦學(xué)的重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2）對(duì)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(dòng)磨損）的機(jī)理和物理特征。

4）了解潤(rùn)滑的作用及潤(rùn)滑劑（油、脂）的主要指標(biāo)。

5）掌握流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本概念及楔效應(yīng)承載原理，而對(duì)于彈性流體動(dòng)力潤(rùn)

滑和流體靜力潤(rùn)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(dòng)力潤(rùn)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(dòng)力潤(rùn)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(duì)象，以及摩擦、磨損與潤(rùn)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(rùn)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(duì)運(yùn)動(dòng)中相互作用者的表面工作情況的科學(xué)和技術(shù)。

2)講授§4-1“摩擦”一節(jié)內(nèi)容時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

本節(jié)所討論的摩擦，不是先修課程內(nèi)容的簡(jiǎn)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(duì)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

時(shí)的摩擦力與表觀接觸面積無(wú)關(guān)而與載荷成正比的結(jié)論[見(jiàn)教材第四章公式（4-2）

及（4-3）]。

重點(diǎn)弄清以下概念：

a）簡(jiǎn)單粘附理論認(rèn)為真實(shí)接觸面積A取決于軟金屬的壓縮屈服極限σ和法

rSy

向載荷F。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

n

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A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

r

積增量之和。

b)簡(jiǎn)單粘附理論指出摩擦系數(shù)f=τ/σ,其中τ、σ皆指兩金屬中較軟者的應(yīng)

BSyBSy

力。對(duì)于大多數(shù)金屬，比值τ/σ均較接近，因而各種金屬的摩擦系數(shù)相差很小。

BSy

文獻(xiàn)[12]對(duì)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τ及σ都較高而

BSy

真實(shí)接觸面積A卻很小，當(dāng)軟金屬對(duì)硬金屬摩擦?xí)r，其τ及σ都較低而A卻較

rBSyr

大的緣故。事實(shí)上，將按簡(jiǎn)單理論算得的摩擦系數(shù)絕對(duì)值與通過(guò)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(jiǎn)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(rùn)

滑油和金屬表面的化學(xué)性質(zhì)，其特征就在于相對(duì)滑動(dòng)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(rùn)滑性能稱為潤(rùn)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(shuō)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(dòng)機(jī)停車時(shí)，均會(huì)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(dòng)軸承中當(dāng)軸頸滑動(dòng)

速度不足或潤(rùn)滑不足，而載荷過(guò)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(dòng)、

停車及在磨合時(shí)間內(nèi)也不可避免的會(huì)產(chǎn)生混合摩擦；此外，如在油中有硬質(zhì)顆粒，，

其尺寸超過(guò)了油膜厚度，也會(huì)發(fā)生混合摩擦。

如何評(píng)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（4-1），即λ=h/(R+R),它表示隨著λ的增加，油膜所承擔(dān)的載荷也

mina1a2

增加。這是一個(gè)主要用于定性，且可粗略用來(lái)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(duì)液體摩擦只作為一種摩擦狀態(tài)來(lái)介紹，沒(méi)有涉及

一些理論分析問(wèn)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（λ>5），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(dòng)，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§4-2“磨損”一節(jié)內(nèi)容時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

①首先應(yīng)對(duì)機(jī)件磨損的普遍規(guī)律（及圖4-6所表示的磨損曲線）有一個(gè)初步

的認(rèn)識(shí)，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(zhǎng)穩(wěn)定磨損

期，推遲劇烈磨損期的到來(lái)。

②教材中所討論的五種形式的磨損，主要根據(jù)J.T.Burwell提出的分類方法。

對(duì)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(shí)。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(duì)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(dòng)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(duì)于通常的機(jī)械摩擦

副，主要是隨相對(duì)滑動(dòng)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(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承的失效形式時(shí)均會(huì)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(lái)，以便進(jìn)一步深化概念。

4）講授§4-3“潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方法”一節(jié)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

①首先應(yīng)對(duì)潤(rùn)滑的作用，潤(rùn)滑劑的種類有一個(gè)初步的了解

②對(duì)于潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂的主要質(zhì)量指標(biāo)這一小節(jié)中，重點(diǎn)是潤(rùn)滑油，對(duì)潤(rùn)滑

脂只作一般了解即可。

潤(rùn)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(rùn)滑油是牛頓液體，油的粘

度是流體潤(rùn)滑中極為重要的一個(gè)因素。對(duì)常用的粘度單位（動(dòng)力粘度、運(yùn)動(dòng)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(duì)潤(rùn)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(cè)。

③潤(rùn)滑油、潤(rùn)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(duì)提高潤(rùn)滑油邊界膜的強(qiáng)度所起的作用。

④潤(rùn)滑油或潤(rùn)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(rùn)滑原理這一節(jié)（§4-4）中，流體動(dòng)力潤(rùn)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(dòng)力潤(rùn)滑時(shí)，主要在于搞清兩滑動(dòng)表面間動(dòng)壓油膜的

形成原理。對(duì)彈性流體動(dòng)力潤(rùn)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(jiǎn)單的補(bǔ)充說(shuō)明。

彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論是計(jì)入了高壓下油的粘-壓特性在流體動(dòng)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(dòng)力潤(rùn)滑油膜壓力

的相互關(guān)系。例如，對(duì)于某些做相對(duì)滾動(dòng)或滾動(dòng)-滑動(dòng)的兩個(gè)受潤(rùn)零件，載荷的傳

遞是通過(guò)零件的局部接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的（如外嚙合齒輪的輪齒之間，滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)

體與套圈之間，凸輪與從動(dòng)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(jí)，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(rùn)零件間的油膜形狀，而這個(gè)油膜

形成的流體動(dòng)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(dòng)力潤(rùn)滑理論的研究?jī)?nèi)容。

兩個(gè)受潤(rùn)零件是否能形成彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑，不僅要看局部受載的大小和形

成流體動(dòng)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(dòng)力潤(rùn)滑理論的研究目的是根據(jù)這種理論來(lái)求出高副接觸處的最

小油膜厚度。

根據(jù)對(duì)彈性流體動(dòng)力潤(rùn)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(jiàn)圖4-18）。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h比接觸區(qū)平行部

min

的油膜厚度h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(kāi)，壓

0

力便急劇下降，此時(shí)要保持流動(dòng)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(dòng)力潤(rùn)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(rùn)滑只需了解其原理與流體動(dòng)力潤(rùn)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(lái)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(dòng)

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(dòng)螺旋傳動(dòng)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(dòng)兩個(gè)部分。前者屬于聯(lián)接，后者

屬于傳動(dòng)。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(duì)于螺紋聯(lián)接的基本知識(shí)（§5-1～§5-4），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(chǎng)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(duì)于螺紋聯(lián)接設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算部分（§5-5～§5-7），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(duì)于螺旋傳動(dòng)部分，主要是掌握螺旋傳動(dòng)性能（效率、自鎖等）對(duì)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(guò)一種基本類型—螺

旋起重器的設(shè)計(jì)，了解滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的主要設(shè)計(jì)過(guò)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(wèn)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(duì)稱面內(nèi)，并做出一些

假設(shè)（如底板為絕對(duì)剛性體、地基與螺栓皆為均質(zhì)彈性體等），使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。

3．本章教學(xué)注意事項(xiàng)

1）§5-1～§5-4都是敘述性的內(nèi)容，對(duì)做好螺栓聯(lián)接的設(shè)計(jì)是必不可少的基本

知識(shí)，應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生閱讀機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。

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(duì)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(duì)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(guò)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(lái)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(wèn)題

①螺栓組的布置螺栓組中螺栓的個(gè)數(shù)及其在結(jié)合面上的布置方案，一般可參

考現(xiàn)有設(shè)備按經(jīng)驗(yàn)確定。不同的布置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(lái)，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(jiǎn)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(guò)大，將對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響，而過(guò)小又不能保證聯(lián)接的可靠性。因此，對(duì)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(wèn)題相聯(lián)系的扳手?jǐn)Q緊力

矩或預(yù)緊力的測(cè)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?/p>

直徑確定了，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(zhǎng)度可根據(jù)杯聯(lián)

接零件的厚度和螺母、墊圈等的厚度來(lái)確定）。教材中介紹了螺栓直徑的簡(jiǎn)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(huì)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(wèn)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(jiàn)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(duì)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（§5-1）

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5-1時(shí)，要從工藝性、工作時(shí)的自鎖性、強(qiáng)度、適宜于承受載荷的類型、密封

性、傳動(dòng)效率等方面進(jìn)行互相比較，掌握它們的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。這里應(yīng)該指出：

一般的三角形螺紋聯(lián)接是不能起密封作用的；所有的螺紋聯(lián)接都不能保證螺桿與

螺母之間有較高的同心度。因此，一般地說(shuō)，不能用它們來(lái)滿足某種定位的要求。

2．螺紋聯(lián)接的類型和標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接件（§5-2）

螺紋聯(lián)接的種類很多，基本形式有螺栓聯(lián)接、雙頭螺柱聯(lián)接和螺釘聯(lián)接三種。

它們分別適用于不同的情況，包括被聯(lián)接件的不同厚度和形狀、不同的材料以及

聯(lián)結(jié)的裝拆要求等。緊釘螺釘聯(lián)接及地腳螺栓聯(lián)接則是兩類特殊用途的聯(lián)接，因

而具有與一般聯(lián)接螺紋不同的形狀。這些聯(lián)接用的零件都已標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根

據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用。

3．螺紋聯(lián)接的預(yù)緊（§5-3）

預(yù)緊力與擰緊力舉之間的關(guān)系式是根據(jù)機(jī)械原理課程中關(guān)于螺紋的摩擦力矩

的計(jì)算公式得出的。應(yīng)該注意到，由于螺紋聯(lián)接中實(shí)際產(chǎn)生的預(yù)緊力比扳手一端

所施加的擰緊力要大許多倍。因此，重要的螺栓聯(lián)接要采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄅc工具來(lái)

控制擰緊力矩，使之既能達(dá)到預(yù)緊的目的，又不致擰斷螺栓。

4．螺紋聯(lián)接的防松（§5-4）

應(yīng)該指出，放松的根本點(diǎn)在于防止螺母和螺栓的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。凡能達(dá)到這個(gè)目的

的措施，都可列為防松方法。一般地說(shuō)，機(jī)械防松要比摩擦防松更為可靠，但成

本較高，因而只宜用于比較重要的或機(jī)器內(nèi)部不容易檢查到的地方。

5．螺紋聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算(§5-5)

對(duì)于一般的緊螺栓聯(lián)接，在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，可以將總拉力增大30%以考慮

擰緊時(shí)的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響。由于螺栓的相對(duì)剛度不易計(jì)算準(zhǔn)確，總拉力也不宜

計(jì)算準(zhǔn)確，因此，這一計(jì)算時(shí)近似的，但可以認(rèn)為是偏于安全的。另外，在計(jì)算

時(shí)假定應(yīng)力在危險(xiǎn)截面上均勻分布。實(shí)際上，在螺紋根部有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，這

一點(diǎn)在變應(yīng)力計(jì)算中通過(guò)綜合影響系數(shù)K來(lái)考慮。

在強(qiáng)度計(jì)算公式中，許用應(yīng)力[σ]由屈服極限σ除以安全系數(shù)S得出。而安全

S

系數(shù)則由表5-11查出。應(yīng)該注意，這時(shí)在強(qiáng)度計(jì)算公式中所使用的載荷必須是計(jì)

入各種影響后螺栓承受的總的載荷。對(duì)于松螺栓聯(lián)接，這個(gè)總載荷就是工作載荷F；

對(duì)于只承受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接，這個(gè)總載荷要考慮擰緊力矩的影響，它等于預(yù)

緊力Q的1.3倍；對(duì)于同時(shí)承受軸向工作載荷的緊螺栓聯(lián)接，要考慮受載后補(bǔ)充

P

擰緊的影響。這個(gè)總載荷是總拉力Q的1.3倍。對(duì)于絞制孔用螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)

算，所用的安全系數(shù)也由表5-11給出。

6．螺栓組聯(lián)接的設(shè)計(jì)（§5-6）

本節(jié)除應(yīng)掌握螺栓組聯(lián)接結(jié)構(gòu)布置的一些原則外，還應(yīng)注意到有些簡(jiǎn)化假設(shè)是

有一定條件的。例如，假設(shè)絞制孔用螺栓組聯(lián)接在受橫向載荷時(shí)，各個(gè)螺栓均勻

受力。這種假設(shè)只適用于沿載荷作用方向排列的螺栓個(gè)數(shù)不很多的情況。

下面對(duì)受傾覆力矩的螺栓組聯(lián)接的受力分析做一些補(bǔ)充說(shuō)明。

1）計(jì)算時(shí)假定地板是剛性的，傾轉(zhuǎn)時(shí)不變形，即仍能保持為平板；地基與螺

栓則是彈性的。同時(shí)，假定地板在受到傾覆力矩作用時(shí)，將繞對(duì)稱軸線O-O旋轉(zhuǎn)

(參閱教材圖5-27)。后面的分析及所得到的計(jì)算公式都是在這個(gè)假定的前提下產(chǎn)

生的。這一假定對(duì)于剛性（例如剛或鑄鐵的）底座安裝在彈性（例如水泥的）地

基上是合適的。如果不是這樣，則隨著地基和螺栓的剛度的不同，傾轉(zhuǎn)中心的位

置將發(fā)生變動(dòng)。對(duì)于圖5-27所示的受力情況，如果地基相對(duì)螺栓來(lái)說(shuō)，剛度增大，

傾轉(zhuǎn)中心將移向右側(cè)，各螺栓和地基所受的載荷情況將隨之而變動(dòng)，其變動(dòng)情況

可以用相同的方法進(jìn)行分析。

2）螺栓組中受力最大的螺栓的工作拉力Fmax可由式（5-31）計(jì)算出，即

MLz2

FmaxL

max其中各符號(hào)的意義見(jiàn)教材。

i

i1

這里應(yīng)注意的是，F(xiàn)只是受力最大的螺栓中的工作載荷，它的總載荷應(yīng)力Q=F+Q＇，

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按總載荷Q來(lái)計(jì)算螺栓所需的最小直徑。

3）為了防止結(jié)合面受壓最大處壓碎或受壓最小處出現(xiàn)間隙，應(yīng)按式(5-32)及

(5-33)檢查，受載后的σ不超過(guò)允許值，σ不小于零，即

pmaxppmaxp

0

pminppmax

這里σ代表由于加載而在地基結(jié)合面上產(chǎn)生的附加擠壓應(yīng)力的最大值。它由公式

（5-34）計(jì)算：

1C

M?m

pmaxWCC

mb

其中W為結(jié)合面的抗彎截面系數(shù)。這里M乘以地基的相對(duì)剛度是因?yàn)橛捎?/p>

C

m而引起得力的變化包括兩部分，一為地基的，一為螺栓的，兩者的分配比

CC

mb

例與它們的剛度大小成正比。

7．螺紋聯(lián)接件的材料及許用應(yīng)力（§5-7）

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定螺紋聯(lián)接件按材料的機(jī)械性能分級(jí)（見(jiàn)表5-9，5-10）,螺栓材

料機(jī)械性能等級(jí)的標(biāo)記代號(hào)由“·”隔開(kāi)的兩部分?jǐn)?shù)字組成，第一部分?jǐn)?shù)字（“·”前）

表示公稱抗拉強(qiáng)度（σ）的1/100；第二部分?jǐn)?shù)字（“·”后）表示公稱屈服極限（σ）

或公稱屈服強(qiáng)度（σ）與公稱抗拉強(qiáng)度（σ）比值（屈服比）的10倍。這兩部分?jǐn)?shù)

字的乘積為公稱屈服極限（σ）或公稱屈服強(qiáng)度（σ）的1/10。例如強(qiáng)度級(jí)別標(biāo)記

為4.6，表示材料的抗拉強(qiáng)度極限為400MPa，屈服比為0.6，屈服極限為240MPa。

標(biāo)準(zhǔn)又規(guī)定螺母材料的強(qiáng)度不低于與之相配的螺栓材料的強(qiáng)度。螺母材料性能等

級(jí)的標(biāo)記由可與之相配的螺栓的最高性能等級(jí)標(biāo)記的第一部分?jǐn)?shù)字標(biāo)記。這樣規(guī)

定保證了聯(lián)接的承載能力可達(dá)到螺栓或螺釘?shù)淖畹颓O限，在這之前不致發(fā)生

螺母脫扣。因?yàn)槁輻U的斷裂是突然發(fā)生的，比較容易發(fā)現(xiàn)，螺母脫扣是逐漸發(fā)生

的，很難發(fā)現(xiàn)，增加了由于螺紋組合件失效而造成事故的可能性。所以對(duì)螺紋聯(lián)

接，如果失效的話,希望失效的形式是螺桿斷裂而不是脫扣。

在許用應(yīng)力中所使用的的安全系數(shù)，請(qǐng)參看§5-5種的有關(guān)說(shuō)明。

8．提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施（§5-8）

本節(jié)中所敘述的幾條提高螺紋聯(lián)接強(qiáng)度的措施都是很重要的。對(duì)于重要的螺紋

聯(lián)接，特別是承受變載荷的，應(yīng)該考慮采用這些措施。這時(shí)，就不一定采用標(biāo)準(zhǔn)

的螺紋聯(lián)接件了。

為什么懸置螺母可以改善螺紋牙上的載荷分布不均呢？因?yàn)樵瓉?lái)螺母受壓，

螺桿受拉，兩者的變形不協(xié)調(diào)，引起載荷分布不均勻；改為懸置螺母后，兩者都

變?yōu)槭芾冃伪容^協(xié)調(diào)，載荷分布也就比較均勻了。

9．螺旋傳動(dòng)（§5-9）

講授這一部分內(nèi)容時(shí)，應(yīng)注意螺旋傳動(dòng)與前面的螺紋聯(lián)接的差別。雖然它們都

由帶螺紋的零件組成，但兩者工作情況完全不同，從而在要求上也有很大差別。

對(duì)螺旋傳動(dòng)來(lái)講，由于要傳遞運(yùn)動(dòng)，主要要求保證螺旋副有較高的傳動(dòng)效率和磨

損壽命。從這一基本點(diǎn)出發(fā)，去理解它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和設(shè)計(jì)計(jì)算方法的特點(diǎn)

以及與螺紋聯(lián)接的差別。

雖然滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)和靜壓螺旋傳動(dòng)在精密機(jī)械中已有廣泛的應(yīng)用，但限于篇

幅，在本節(jié)只對(duì)它們作簡(jiǎn)單的介紹，而把主要的重點(diǎn)放在最基本的滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)

的設(shè)計(jì)和計(jì)算上。

四、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8個(gè)學(xué)時(shí)。以多媒體手段介紹結(jié)構(gòu)圖，以板書推導(dǎo)和實(shí)

物共同完成該章的教學(xué)任務(wù)。螺旋傳動(dòng)不占計(jì)劃學(xué)時(shí)，安排一個(gè)設(shè)計(jì)大作業(yè)。安

排一次參觀，安排做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

第六章鍵、花鍵、無(wú)鍵聯(lián)接和銷聯(lián)接

一、本章主要內(nèi)容及教學(xué)要求

本章主要內(nèi)容為鍵及花鍵聯(lián)接的類型、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和應(yīng)用，失效形式和強(qiáng)度計(jì)

算。

健、花鍵和銷大多已標(biāo)準(zhǔn)化，因此學(xué)習(xí)本章的主要要求是：

1．了解鍵聯(lián)接的主要類型及應(yīng)用特點(diǎn)，掌握鍵的類型及尺寸的選擇方法，并

能對(duì)平鍵聯(lián)接進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。

2．了解花鍵聯(lián)接的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用。掌握花鍵聯(lián)接強(qiáng)度校核方法。

3．對(duì)無(wú)鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接的類型、特點(diǎn)及應(yīng)用有一定的了解。

二、本章重點(diǎn)、難點(diǎn)及注意事項(xiàng)

本章重點(diǎn)是鍵與花鍵的類型、尺寸選擇和強(qiáng)度校核方法。

應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1．根據(jù)軸與轂是否有相對(duì)軸向移動(dòng)，平鍵聯(lián)接和花鍵都可分為靜聯(lián)接與動(dòng)聯(lián)

接。由于靜聯(lián)接與動(dòng)聯(lián)接的失效形式不同，因而計(jì)算準(zhǔn)則也不相同。對(duì)于靜聯(lián)接

與動(dòng)聯(lián)接，強(qiáng)度校核公式中的主要區(qū)別在于許用值不同。當(dāng)靜聯(lián)接與動(dòng)聯(lián)接的材

料相同時(shí)，。在選取許用值時(shí)應(yīng)注意，應(yīng)為聯(lián)接中最弱材料的許用值。

2．圖6-6所示的平鍵聯(lián)接受力情況只是為了計(jì)算方便而進(jìn)行的一個(gè)簡(jiǎn)化假設(shè)，

即認(rèn)為載荷在鍵的兩側(cè)工作面上均勻分布。實(shí)際上這樣的載荷分布情況是不可能

建立的。若區(qū)間作為分離提（圖6.1a），可知鍵并非處于平衡狀態(tài)，而是要沿順時(shí)

針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。因而可以判定鍵在工作時(shí)，兩側(cè)面壓力的合力N必須共線（圖6.1b），

鍵才能處于平衡狀態(tài)。因此，實(shí)際上載荷在鍵兩側(cè)工作面的高度方向上為不均勻

分布。此外，由于軸的扭轉(zhuǎn)變形，實(shí)際上載荷在鍵的長(zhǎng)度方向上也是不均勻分布

的。

3．在花鍵聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算式（6-5）和(6-6)中，考慮到載荷不可能均勻分布的

分配到各個(gè)花鍵齒上,所以引入了一個(gè)載荷分配不均勻系數(shù)。在制造及安裝精度相

同的情況下，齒數(shù)越多，載荷在各花鍵齒上的分配就愈不均勻，的取值愈偏于0.7～

0.8的下限。與平鍵聯(lián)接相似，載荷在每個(gè)花鍵齒的高度方向上和長(zhǎng)度方向上也是

不均勻分布的。應(yīng)說(shuō)明的是，載荷分配不均系數(shù)并未考慮上述載荷分布不均的影

響。

4.平鍵聯(lián)接和花鍵聯(lián)接中，存在著載荷分布不均的問(wèn)題；在用花鍵聯(lián)接或沿軸

向多于一個(gè)平鍵時(shí)，還存在著載荷分配不均問(wèn)題；其它機(jī)械零件工作時(shí)也常存在

這方面的問(wèn)題。因此，零件的計(jì)算模型與零件實(shí)際工作情況之間必然存在著差距

的簡(jiǎn)化程度，該差距的大小與計(jì)算模型的簡(jiǎn)化程度有關(guān)。在機(jī)