机械专业英语课文翻译

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　　导语：“翻”是指的这两种语言的转换，即先把一句甲语转换为一句乙语，然后再把一句乙语转换为甲语；“译”是指这两种语言转换的过程，把甲语转换成乙语，在译成当地语言的文字中，进而明白乙语的含义。以下是机械专业英语课文翻译，希望大家喜欢！

　　机械专业英语课文翻译

　　Lesson 2 力和力的作用效果

　　任何机器或机构的研究表明每一种机构都是由许多可动的零件组成。这些零件从规定的运动转变到期望的运动。另一方面，这些机器完成工作。当由施力引起的运动时，机器就开始工作了。所以，力和机器的研究涉及在一个物体上的力和力的作用效果。

　　力是推力或者拉力。力的作用效果要么是改变物体的形状或者运动，要么阻止其他的力发生改变。每一种力在它施加的零件上都会产生压力。通过人使用力臂的作用或者通过带有机械运动的机器，就产生了力的作用。

　　力在发生物理或者化学的改变，重力，或者在运动中改变时就产生了。当力的作用是朝物体外延伸的，被称为拉力。在承受拉力的时候时被称为处于拉力状态。力也可以使物体缩短或者挤压。这样的力称为压力。 或者由于力对物体进行扭转，所以再一种力被称为扭转力或扭矩。还有另一种力是剪切力，它看起来可以使材料互相之间发生层或者分子发生滑动或者滑落。

　　每一种力可以单独作用，也可以组合作用。例如，一个向下的力作用在一根垂直的钢梁上，压向此梁。如果此梁是水平放置的，那么负载作用在中间，梁的底部由于向外延伸，受到拉力。同时，梁的上部受到压力。如果挤压和拉伸的力足够大，使材料的层发生相互滑动，剪切力就产生了。

　　几个力作用的另外一个例子是在车床上对一个零件进行车削加工。随着工件的旋转和刀具靠近工件的移动，切削刃的楔入作用产生一个剪切力。这个力使得金属看起来像以切屑的形式从工件上流出来一样。如果一个工件被安装在车床的两个顶尖之间，顶尖对工件施加一个压力。车床夹头驱动工件产生剪切力。作用在刀具的压力产生拉力和压力，同时还有剪切力。

　　在砂轮上离心力的作用受到相当的关注。那就是，在轮上，包含研磨剂颗粒的粘合剂离心力必须比以高速飞转的轮子旋转起来的力要更有力。为此，在制造厂，砂轮的速度不能超过安全面速度的额定极限。离心力随着速度的增加而增加，其他的通过离心铸造离心力的原理通常用在离心力种类的机床设计中。一些离心力用来分力化学物质，法在金属中分离杂质。离心力的原理也用在普通的装置中，比如衣服甩干机和控制马达转速和加速移动的设备中。

　　向心力使物体做圆周轨迹运动。这个运动是由不停的利用朝圆心的方向的拉力产生的。在其他的工件中，抗离心力的内部的力称为向心力。以不断变化的速度旋转的物体的向心力产生一个加速度，这个加速度指向圆心，和离心力的方向相同或者相反。

　　原料用在快速移动机器零件和机构的结构上，必须足够的有力，可以提供所要的向心力来保持零件做圆周轨迹。同时，材料必须能承受使零件分开的离心力的作用。

　　运动和影响运动的基本规律是非常重要的要考虑的事情，因为这些原理的很多用途通过机械设备可以生产产品。主要的两种机械运动：圆周运动和直线运动。这些术语表明圆周运动时圆形的，在圆心四周运动，而直线运动是笔直的直线的运动。对于圆周运动或者直线运动，随着增加机械的设备，来形成其他形式的运动是有这种可能的，例如，间歇运动和交替运动。

　　圆周运动。一般的传输运动时圆周运动。产生这种类型的运动可以使用手工刀具和动力刀具。钻孔、在车床上车削零件、铣平面、驱动发电机或风扇的皮带都需要回转运动。

　　直线运动。车上刀具的进给，在电动锯上切屑钢条，或者在刨床上刨平面，都是用直线或者直线运动来生产产品的工作。千分尺的螺杆和螺帽中的螺纹是把运动方向从转动变为直线的另外一些应用实例。 谐振运动和间歇运动。任何简单的震动，例如，摆的下端有规律的往复运动是简谐运动。然而，很多制造的过程要求间歇或者不规律的运动。例如，动力锯的快速回程或者牛头刨床滑枕就是最好的例子，因为在回程中没有进行切削。因此，随着在回程节约更多的时间，加工产品的刀具就能节约成本了。

　　圆周运动和直线可得到的运动组合是无限的，因为零件的种类很多，比如齿轮、凸轮、滑轮、螺钉、连杆和皮带，都能在多种装置中组合起来。

　　Lesson 3工程力学概述

　　看一下我们周围，这个世界充满了物质：机器、设备、工具；我们设计、建造和使用这些物质；这些物质由木头、金属、陶瓷和塑料制成。我们从经验中获知，有些事物要比其他的好；他们经久耐用，花费低，更加安静，看起来更好，或者更便于使用。

　　然而，在理想的情况下，每一件产品都是设计人员根据其某些“功能”要求的理解而设计出来的，也就是说，在设计过程中，应该回答这样的问题，即“它应该具有哪些确切的功能？”在工程领域里，例如重量、惯性、压力的作用，通常主要的功能是承受一些种类的载荷。从家里的房梁到飞机的机翼，材料、尺寸和连接件必须有一个恰当的组合，使生产出来的设备能可靠地实现功能，因为合理的成本超过适度的使用期限。

　　实际中，工程力学的方法通常用在两个比较不同的方面：

　　（1）任何新设备的研发过程，对结构、尺寸、材料、载荷，耐久性、安全和成本都需要一个交互的、反复的考虑过程。

　　（2）当一个装置意外地失效后，通常需要进行研究，找出失效的原因和确定可能的改正措施。 对于大部分的工程师，以上的两个过程能完全地检验，更不用说，偶尔获利。

　　对于任何实际的问题，总是缺乏足够完整和有用的信息。我们很少准确地知道实际载荷的和工作状（然而）我们所做的整个态，因此，所作的分析工作也很少是精确的。尽管我们的数学分析可能是精确的，分析通常只能是近似估算而已，并且得到的结论是因人而异的。在工程力学的研究中，很多问题都被理想化，为了得到一个唯一的结论，但是，我们要认识到现实生活中远远不是那样理想化的，然而，为了得到一个结论，你通常需要做出一些理想化的假设。

　　在技术领域我们所考虑的一般被称作“静力学”和“材料力学”，“静力学”涉及的研究是力作用在“材料力学”涉及的是这些力对结构的作用（变形，负载极限等）。 静止的设备上 ，然而，实际上很多的设备并不是静止的，如果把与动力学相关的外负载一起考虑进去，（那么）静力学发展的理论也可以完美应用到动力学中。不管什么时候，当动态力与静载荷之间只存在很小的关联时，这个系统通常被认为是处于静态的。

　　在工程力学中，我们非常重视与实际问题本质有关的各种类型的近似方法：

　　首要的，我们假定要讨论的东西处于平衡，也就是说，没有加速度。然而，如果我们仔细观察，就可以发现任何东西都是处于加速状态中的。我们会认为许多设备组成是无重量的，但它们的确是有重量的。我们会处理一些作用在质点上的力，但所有的力都是作用在一定的受力面上的。我们会认为某些零件是刚性的，但是所有的物体在载荷下都会发生变形。

　　我们会做出很多明显错误的假设。但是这些假设会使得问题变得更简单，更容易处理。你会发现我们的目标是在不严重影响试验结果的前提下，做尽可能多的假设来使问题简化。

　　一般来说，没有明确的方法决定怎样才能完整地或者精确地解决某个问题：如果我们的分析做得过于简单，我们可能会得不到某个适当的答案；如果我们的分析过于细枝末节，我们可能会得不到任何答案。以一个相对简单的分析入手，然后再增加更多的细节，最后得到一个实用的结论，这种做法通常是更可取的。

　　在过去的二十年里，在实用性方面有了极大的提高，因为我们有了大量计算机化的方法来解决以前不能解决的问题，在以前要解决这些问题需要过多的时间。与此同时，计算机的成本和使用成本正以数量级在减少。我们正经历一个“个人电脑”大量涌入校园，家庭，和商业的时代。

　　Lesson 4 轴和联轴器

　　实际上，几乎所有的机器中都装有轴。轴的最常见的形状是圆形的，横截面可以是实心的，或者是空心的（空心轴可以减少重量）。有时候也会使用方轴，例如，螺丝起子的头部，套筒扳手和控制旋钮的杆。

　　为了在传递扭矩时不发生过载，轴应该具有适当的抗扭强度。轴还应该具有足够的抗扭刚度，以使在同一个轴上的两个传动零件之间的相对转角不会过大。一般来说，在长度等于轴的直径的20倍时，轴的扭转角不应该超过1°。

　　轴安装在轴承中，通过齿轮、皮带轮、凸轮和离合器等零件传递动力。通过这些零件传来的力可能会使轴发生弯曲变形。因此，轴应该有足够的刚度以防止支撑轴承受力过大。总而言之，在两个轴承支撑之间，轴在每英尺长度上的弯曲变形不应该超过0.01英寸。

　　此外，轴还必须能够承受弯矩和扭矩的组合作用。因此，要考虑扭矩和弯矩的当量载荷。因为扭矩和弯矩会产生交变应力，在许用应力中也应该有一个考虑疲劳现象的安全系数。

　　直径小于3英寸的轴可以采用含碳量大约为0.4%的冷轧钢，直径在3-5英寸之间的周可以采用冷轧钢或锻造毛坯。当轴的直径大于5英寸时，则要采用锻造毛坯，然后经过机械加工达到所要求的尺寸。轻载时，广泛采用塑料油。由于塑料是电的不良导体，在电器中采用塑料比较安全。

　　齿轮和皮带轮等零件通过键连接在轴上。在键及轴上与之相对应的键槽的设计中，必须进行认真的计算。例如，轴上的键槽会引起应力集中，由于键槽的存在会使轴的横截面积减少，会进一步减弱轴的强度。

　　如果轴以临界速度转动，将会发生强烈的振动，可能会毁坏整台机器。知道这些临界速度的大小是很重要的，因为这样可以避开它。一般凭经验来说，工作速度与临界速度之间至少应该相差20%。

　　许多轴需要三个或更多的轴承来支撑，这就意味着它是一个超静定问题。材料力学教科书中介绍求解这类问题的方法。但是，设计工作应该与特定场合的经济型相符合。例如，需要一根由三个或更多个轴承来支撑的主传动轴，可以对力矩做出保守的假定，按照静定轴对其进行设计，其成本可能会更低一些。由于轴的尺寸增大所增加的成本可能会比进行复杂。精细的设计分析工作所多花费的成本要低一些。

　　轴的设计工作中的另一个重要方面是一根轴与另一根轴之间的直接连接方法。这是由刚性或者弹性联轴器来实现的。

　　联轴器是用来把相邻的两个轴端连接起来的装置。在机械结构中，联轴器被用来实现相邻的两根转轴之间的半永久性连接。在机器的正常使用期间内，这种连接一般不必拆开，在这种意义上，可以说联轴器的连接是永久性的。但是在紧急情况下，或者在需要更换已磨损的零件时，可以先把联轴器拆开，然后再连接上。

　　联轴器有几种类型，它们的特性随其用途而定。如果制造工厂中或者船舶的螺旋桨需要一根特别长的轴，可以采用分段的方式将其制造出来，然后采用刚性联轴器将各段连接起来。一种常用的联轴器是由两个配对的法兰盘组成，这两个法兰盘借助靠键传动的轴套连接到相邻两节轴的两端，然后用螺栓穿过法兰连接起来形成刚性接头。相互连接的两根轴通常是靠法兰面上的槽口来对准的。

　　在把属于不同的设备（如一个电动机和一个变速箱）的轴连接起来的时候，要把这些轴精确地对准是比较困难的，此时可以采用弹性联轴器。这种联轴器连接轴的方式可以把由于被连接的轴之间的轴线的不重合所造成的有害影响减少到最低程度。弹性联轴器也允许被连接的轴在它们各自的载荷系统作用下产生偏斜或在轴线方向自由移动（浮动）而不致产生相互干扰。弹性联轴器也可以用来减轻从一根轴传到另一根轴上的冲击载荷和振动的强度。

　　Lesson 5 轴和相关零件

　　轴通常是指旋转的和传递动力的相对比较长的零件，它属于轮的一部分。一个或多个诸如齿轮，链轮，皮带轮和凸轮等类的构件通常借助于销，键，花键，卡环或其他装置连接到轴上。后面提到的这些构件在本篇课文中被称为“相关零件”，还有联轴器和万向节，它们被用来实现轴与动力源或与载荷之间的连接。

　　轴可以不是圆形，并且它也不一定是旋转的。轴可以是静止的，用来支撑一个旋转的构件，比如：在汽车上用来支撑从动轮的短轴。支撑惰轮的轴可以是旋转的或者是静止的，这取决于与轴配合或是由轴支撑的齿轮是否经过轴承。

　　很显然，轴将承受轴向，弯曲，扭转等载荷的各种组合的作用。而且，这些载荷可能是静态的，也可。并且能是波动的。典型的，一根旋转轴传递能量要承受一个不变的扭矩（产生一个大小恒定的扭转应力）还承受一个扭转歪曲载荷（产生一个交替歪曲应力）。

　　为了满足强度条件，轴的设计必须保证其偏转在可接受的极限范围内。过多的轴横向偏转会阻碍齿轮的运转并且引起令人不快的噪声。相关的角度偏转会对非自定心轴承造成破坏性损伤（不管是平动或滚动轴承）。扭矩偏转会影响凸轮或齿轮驱动机制的精度。此外，柔性（横向的或扭转的）越大，则相应的临界转速就越低。

　　有时一些零件如齿轮和凸轮是与轴造成一个整体，但更多的这类零件（包括滑轮和链轮）是单独制造的，然后安装到轴上。被安装零件与轴接触的部分叫轮毂。轴上轮毂的附件可以通过许多方法制造。一个齿轮可以用轴肩和垫圈进行轴向固定，并通过键来传递扭矩。与键配合的轴上的凸槽和轴毂叫键槽。

　　一种更简单的固定方式，它传递相对比较轻的载荷是通过销进行的。销提供了一种相对比较经济的传输轴向载荷和周向载荷的方式。

　　轴向定位和轮毂限位以及轴承在轴上的安装是通过定位环来实现的，它通常叫做卡环。卡环需要在轴上开凸槽，而凸槽会削弱轴的承受能力，但如果凸槽开在应力较小的地方，这就不是不利的。

　　可能最简单的轮毂与轴之间的固定是借助于过盈配合来实现的。毂孔只是比轴的直径小一点，安装是通过对轮毂施压或使其热膨胀来完成的，有时也通过收缩轴来完成安装，就如同干冰一样---在温度达到平衡之前完成组装。有时候也把定位销和过盈配合一起使用。

　　最好的传递扭矩的方式是借助于在轴和轮毂上加工出来的相对应的花键来实现的。花键和普通平键都可以保证轮毂和轴一起滑向轴心。

　　旋转的轴，尤其是那些高速运转的轴，它们必须设计成避免在极限速度下工作。这通常意味着要保证足够的横向刚度使得轴工作时转速可以明显高于最低临界速度。

　　考虑到横向振动和临界速度，制造以及运行的现实考量是旋转系统的质心永远不可能与其旋转中心重合。因此随着轴的旋转速度增加，作用在质心的离心力将会增加弯曲轴的趋势。在轴的最低临界（或额定）速度下，离心力与轴的弹力处于平衡状态，而此时轴处于一个适当的变形状态。在临界速度下，此时平衡

　　理论要求用一个无限中心来代替质心。阻尼使平衡会出现一个有限质心。然而，这一质心替代所产生的影响通常会大得使这根轴折断。在临界速度之上的足够大的转速可以得到质心向旋转中心移动的结果，得出一个令人满意的平衡位置。在一些特殊情况下（如一些高速涡轮机），通过快速经过临界速度（却没有足够的时间使得轴达到一个变形平衡），然后工作在临界速度之上的方法可以得到令人满意的运行结果。

　　一些应该牢记的基本原则是： 1. 度。

　　2.尽可能使必要的应力集中源远离轴上承受较高应力的区域。可考虑采用局部表面强化工艺（诸轴越短越好，并且使轴承靠近外载荷。如此便可以减少变形和弯矩，并且提升轴的最大临界速如喷丸强化和常温滚压）。

　　3. 用廉价钢材来制造挠度临界轴，因为所有的钢材都具有相同弹性模量。 当重量是最重要的因素情况下，可以考虑中空的轴。

　　轴的最大允许挠度通常是由临界速度，齿轮或者轴承相关要求决定的。临界速度的要求会随着具体的应用发生很大的改变。齿轮和轴承的运行时随着齿轮或者轴承的设计以及应用发生改变，但是以下内容可以用作一般性指导：

　　1. 0.03°在滑动轴承中，轴（轴颈）的偏转必须小于油膜厚度。

　　2.如果没有采用调心轴承，轴在球轴承或滚子轴承中的角度偏转通常不能超过0.04°。

　　3.轴的偏转不应造成相互啮合的齿轮轮齿间间隙超过0.13mm，也不应造成齿轮轴心倾斜变化超过

　　Lesson 6 皮带、离合器、制动器和链条

　　皮带、离合器、制动器和链条是利用摩擦作用在机器组成上的一个例子，皮带提供一种方便的方式，用来传递从一根轴到另一根轴上的动力。通常，有必要使皮带降低马达高速旋转的速度，来降低机械设备所需的花费。当轴需要经常连接和拆开的时候，就需要用到离合器。制动的作用使机械能转化为热量。摩擦设备的设计取决于必须用到的摩擦系数值的不确定性。链轮在平行轴之间传递动力能提供一个方便和有效的方式。

　　人造纤维和橡胶V带广泛用来进行动力传送。V带有两种系列：标准V带和高负荷V带。带的其他种类可用于动力传递的目的。同步带上的齿可以使轴与轴之间实现完全同步。

　　当设计V带驱动的时候，计算两种或三种带和带轮的不同布局所带来的费用差异，用来确定哪种布局所花费用最少，这种方法是一个很好的方案。各种V带制造厂的目录包含很多有用的信息。

　　V带在动力传递领域中是一个很重要的组成。经过各种制造厂不断的改进提高，需要时不时修正负荷的数值。通常设计师被当前广告的印刷品所影响，尤其是他想期望使用的带的牌子。要考虑前述的发展，方法是显示比如通过弯曲、离心力作用和动力传递，如何影响带的疲劳寿命。

　　离合器是一个用来使从动轴与位于同一轴线上的主动轴进行快速和顺利的连接或脱开的装置。离合器通常放置在到机器的输入轴和从驱动电动机的输出轴之间，为启动和停止机器提供一个方便的方式，而且允许启动马达或发动机以空载运行。

　　电动机里的轮子有转动惯性，需要扭矩，使电动机从启动运行到正常工作的速度。如果电动机的轴与具有很大转动惯量的负载刚性地连接在一起，当合上开关使电动机突然启动时，有可能在电动机没有来得及足够的扭矩，使电动机轴达到应有的转速之前，电动机内的线圈就会因为过大的电流而被烧毁。在电动机和负载轴之间的离合器限制电动机启动扭矩只是用来加速轮子和离合器的零件。在一些机床上，通过离合器，能很方便地驱动电动机不停地运转和启动、停止机床。

　　制动器和离合器很相似，除了其中一根轴被固定的元件所代替。制动器的功能就是吸收能量（那就是，把动能和势能转化为摩擦热）和在没有破坏的持续高温下散热。离合器也可以吸收能量和散热，但以低速率进行。使用制动器（或离合器）地方通常持续一个周期，做好快速散热到周围空气的准备。对于间歇的操作，零件的热容量能存储更多的热量，然后经过很长的周期散热。设计制动器和离合器的零件必须避免这种要不得的热量压力和热量的扭曲。

　　在摩擦面之间单位面积上所产生热的速率等于正压力，摩擦系数和摩擦速度三者的乘积。制动和制动材料的里料制造商引导化验和累积经验，以便他们能达到PV实验上的数值（正常压力次数和摩擦速度），和在摩擦表面的单位面积动力，摩擦表面是适当明确了制动的设计，制动材料的里料和服务情况的类型。

　　链传动集中了皮带和齿轮驱动的一些优点。对于任意实际轴的距离，链传动能提供任意速率。他们超过齿轮主要的优势是链传动能以任意中心距来工作。和带传动相比较，链传动的优点是强制（无滑动）传动，因此具有更大的传递动的能力。另一个优点是单条的链传动，以不同的速度，甚至能同步运动，不但能驱动两根轴，而且能驱动多根轴。主要应用在输送带系统、农业机械设备、纺织机械和摩托车。

　　最简单的链传动的形式，包括两个任意大小的链轮和一个链环。带有外部齿形的链轮以便它们能安装到驱动链上。齿形有很多齿组成。在最近的汽车应用领域里，通过修改齿的形状和/或大小来降低噪音。

　　链传动可以应用在一定精确的范围内，从优质链传动到普通链传动的范围内。普通链的成本低，主要用于额定功率在40KW以下的非关键性的传动中。与之相反，优质链传动被设计用于高速和传递大功率的场合。

　　Lesson 7 紧固件和弹簧

　　紧固件是将一个零件与另一个零件连接的零件。因此，几乎所有的设计都要用到紧固件。人们对任何产品的满意程度不仅取决于所选的零件，还取决于它们连接的方式。紧固件为产品设计提供以下特征：

　　（1） 为检查和维修提供拆卸的方便为由很多组件组成的组合设计提供方便。（2）组合设计有助于制造和运输。

　　紧固件有3种主要分类，如下所示： （1）可拆式的。采用这种紧固件连接的零件很容易被拆开，而且不会对紧固件造成损伤。例如普通的螺栓螺母连接。

　　（2）半永久式的。采用这种紧固件连接的零件虽然被拆开，但是已经对紧固件产生一定的损坏。例如开口销。

　　（3）永久式的。当使用这种紧固件时，永远都不能拆开。例如铆钉和焊接。

　　对于一个特定的应用，选择紧固件时需要考虑以下的因素： 主要的功能、外观。

　　大量的小型紧固件和小量的大型紧固件的确定（如螺栓） 操作环境，比如振动，负载和温度 拆卸的频率 零件位置的可调性 连接件的材料类型 紧固件失效和松动的后果。

　　通过复杂的产品，都可以意识到紧固件的重要程度。例如在汽车，是由成千上万的零件连接在一起得到一辆汽车的。单个紧固件的失效或松落都能导致简单的障碍，例如门发出咔吱响或者严重的故障例如车轮脱落。在特定应用场合，选择紧固件的类型时，需要考虑到这些可能性。

　　在外载荷作用下，弹簧是一个能产生相对大的弹性变形的机械零件。指出变形和负载成正比关系的胡克定律表明了弹簧的基本性能。然而，一些弹簧在负载和变形之间不是成正比的关系的。弹簧的重要性和应用如下所述：

　　（1）控制机构运动。这类应用占弹簧应用的主要部分，如在离合器和制动器中起操纵力的作用。弹簧也用来保持凸轮和从动件的连接。

　　（2）缓冲和减振。这类应用包括汽车悬架系统弹簧和缓冲弹簧。

　　（3）储存能量。这类应用于钟、摄像机和割草机。很多停车计费使用弹簧装置来实现计时功能。

　　（4）测量力的大小。用来称重量是最普遍的用途。

　　大部分的弹簧用钢制造，但是也有用硅青铜，黄铜和铜铍合金制造而成。弹簧通常由专业从事生产的厂家完成。圆柱螺旋弹簧是最常用的一种；扭杆和板弹簧也经常应用。对于圆柱螺旋弹簧，如果弹簧丝直径小于8mm，通常用冷拔钢丝或者由回火钢丝通过冷卷法制成。如果弹簧丝直径较大，采用热轧钢筋卷制弹簧。

　　选择弹簧，尤其是遇到重载、高温、需要承受交变应力或者需要具有抗腐蚀性的时候，应该向弹簧制造厂家进行咨询。为了正确选择弹簧，应该对弹簧的各种使用要求，包括空间限制进行全面研究。有许多不同种类的专用弹簧可以满足一些特殊要求或用途。

　　Lesson 8 螺纹连接件

　　螺纹连接件起着定位、夹紧、调整和从一个机器零件向另一个传递力的作用。螺纹连接件是标准化，通常在大规模设计机器中使用。不管其他连接方法的改进，螺纹紧固件在设计中保持了基本的装配方法和机器的结构。为了达到效果，每一个应用需要合适的设计和安装，因为单一紧固件的失效带来破坏性，甚至是灾难性的。所以，工程师必须选择合规格的连接件的类型和大小，这样能适合即将到来的应用。

　　通过在另一个方向上（切向）作用的小规模的力，螺纹连接件能有效运用和保持在一个方向上（轴向）

　　多个力的作用。所有这些都是基于单头螺纹螺钉的，它是一个简单机械，可以在最小的空间内产生很大的机械效益，而且在理论上是自锁的。然而，有效的使用需要另外两个简单的机构的帮助：杠杆和轮轴机构。扳手就是一个基本的杠杆；螺丝刀是一个轮轴机构。

　　螺纹连接件基本上是小型，高拉力的零件。螺纹是螺旋状的隆起物，在圆柱体的表面通过切削和冷成型形成一个槽，所以加工出螺钉，螺栓和双头螺柱。当加工出个别在形状上对称，圆柱体内表面形成的螺纹，称为螺母。内外螺纹配合是所有的螺纹连接件装配的关键。旋转运动的螺母安装在静止的螺钉上，首先沿着螺钉传递一个轴向的运动、当遇到的阻力的时候，螺纹要求通过楔作用，产生一个轴向力。随着轴向力的增加，更多的旋转要求增加更多的努力（扭矩）。所以，连接时很紧凑的，除非受到外部的影响，比如振动或者气温变化超过了初期的条件。

　　统一标准螺纹有三个基本系列的直径—螺距组合。对于普通的装配使用，在振动不影响和需要经常拆卸的地方，粗牙系列是应用最广泛和推荐使用的。统一标准细牙螺纹在强度上有所提高，而且更适用于那些要求精密调整的场合。这个系列通常用在飞机的装配中。因为螺纹很小，在高载荷应用里，螺母的设计非常重要以防螺纹滑扣。统一标准超细牙螺纹应用在那些和外螺纹配合的地方，是薄壁的一个部分。这类螺纹更能抵抗振动，而且能提供更精密调整。

　　统一标准螺纹在图样，材料清单等标注，用一个简化的符号包括大小、螺纹的系列，配合级别和内外螺纹符号（A是外螺纹，B是内螺纹），还有螺纹的旋向。例如，符号1- 20UNC -2A – RH 4标注带有外螺纹的零件，零件具有1英寸的直径，每英寸有20个螺纹、公差等级2级和右旋的统一粗牙43- 16UNC -2B – LH 4螺纹。通常，右旋可以省略，因为它是标准的。另一个例子符号为内螺纹，左旋，有基本主要的3英寸的直径，没英寸长度上有16个统一细牙螺纹。 4ISO标准包括多种直径-螺距的组合，但是美国标准就只指定了一种直径-螺距系列。用毫米表示的大径基本尺寸的数字跟在公制螺纹用字母M表示的后面，后面继续跟着毫米为单位的螺距，用符号×分隔。例如M4×0.7表示，一个公制螺纹的大径基本尺寸为4毫米，螺距0.7毫米。

　　大部分的螺钉连接件都是可拉伸的零件，容易受弯曲载荷的影响。垫片经常被与螺纹紧固件一同使用，为螺母和螺栓头提供更好的支撑面，为支撑面提供更大的间隙孔或者槽，把负荷分布在一个大的面积内，防止在装配过程中损坏零件，改进扭矩-拉力的比例（通过减少摩擦力），通过弹簧的作用在某些情况下锁紧。平垫圈很薄，环形的圆盘，主要用来在支撑面和负载分布，没有锁紧的能力。锥形弹簧圈是由淬火后

　　又经过回火处理的钢制成的，它的形状稍微有一点像碟子。当螺杆太紧圆锥垫圈发生变形，由于热涨或者由于垫圈的压缩，用弹簧可以补偿在螺杆拉力作用下的变形。弹簧垫圈基本上是单圈螺旋形弹簧，在负载作用下变平。弹簧的作用能促进螺杆负载的维持，通过咬入支撑面上，分开的边缘提供一些锁定的作用。这些有锁定功能的垫圈一般由淬火钢制成。

　　螺纹连接件通常由于疲劳失效：所以，碳钢和碳合金通常作为螺纹连接件材料。对用于统一标准和公制螺纹连接件的材料，美国材料试验学会和美国汽车工程学会建立了标准。美国汽车工程学会标准把材料划分等级，必须要满足最小拉力强度，试验载荷和结构和加工要求。另外，美国汽车工程学会的等级被分级系统所认可，能在螺杆端部找到。美国汽车工程学会等级标准需要符合大量不同的钢。这样，紧固件生产厂家可以在一定的范围内选择最适合他们特定的生产设备的材料。

　　除碳钢之外，在抗腐蚀的地方能用很多不锈钢合金来做螺纹连接件。由于经济的原因，虽然铁素体合金例如430经常使用，但是奥氏体不锈钢，例如304和316具有更好的耐腐蚀性。镍基高温合金，例如蒙乃尔铜镍合金、铬镍铁耐热耐腐蚀合金在高温，抗腐蚀性的场合也经常用作螺纹连接件。铝、青铜和黄铜也用作螺纹连接件。在腐蚀性的环境里，在强度要求不高的地方，连接件用尼龙和其他塑料来做成，又适用有便宜。

　　Lesson 9 滚动轴承

　　对于球轴承和滚子轴承，一个机器设计人员应该考虑下面五个方面：（a）寿命与载荷的关系；（b）刚度，也就是在载荷作用下的变形；（c）摩擦；（d）磨损；（e）噪声。对于中等载荷和转速，根据额定载荷选择一个标准轴承，通常都可以保证其具有令人满意的工作性能。当载荷较大时，轴承零件变形，尽管它通常小于轴和其他与轴承一起工作的零部件的变形，将会变得重要起来。在转速高的场合需要有专门的冷却装置，而这可能会增大摩擦阻力。磨损主要是由于污染物的进入引起的，必须选用密封装置以防周围环境的不良影响。

　　因为大批量生产这种方式决定了球轴承和滚子轴承不但质量高，而且价格低，因而机器设计人员的任务是选择而不是设计轴承。滚动接触轴承通常是采用硬度约为900HV、整体淬火的钢来制造的。但在许多

　　机构中不使用专门的套圈，而将相互作用的表面淬硬到大约600HV。滚动轴承由于在工作中会产生高的应力，其主要失效形式是金属疲劳，这一点并不奇怪，目前正在进行大量的工作以求改进这种轴承的可靠性。轴承设计可以基于能够被人们所接受的寿命值来进行。在轴承行业中，通常将轴承的承载能力定义为这样的值，即所承担的载荷小于这个值时，一批轴承中将有90%的轴承具有超过一百万转的寿命。

　　尽管球轴承和滚子轴承的基本设计责任在轴承制造厂家，机器设计人员必须对轴承所要完成的任务作出正确的评价，不仅要考虑轴承的选择，而且还要考虑轴承的正确安装条件。

　　轴承套圈与轴或轴承座的配合非常重要，因为它们之间的配合不仅应该保证所需要的过盈量，而且也应该保证轴承的内部间隙。不正确的过盈量会产生微动腐蚀从而导致严重的故障。内圈通常是通过紧靠在轴肩上进行轴向定位的。轴肩处的圆弧半径主要是为了避免应力集中。在轴承内圈上加工出一个圆弧或者倒角，用来提供容纳轴肩处圆弧半径的空间。

　　在使用寿命不是设计中的决定因素的场合，通常根据轴承受载荷时的产生的变形量来确定其最大载荷。因此，“静态承载能力”这个概念可以理解为对处于静止状态的或者进行缓慢转动的轴承所能够施加的载荷。这个载荷对轴承在随后进行旋转运动时的质量没有不利影响。按照实践经验确定，静态承载能力是这样一个载荷，当它作用在轴承上时，滚动体与滚道在任何一个接触点处的总变形量不超过滚动体直径的0.01%。这相当于直径为25mm的球产生0.0025mm的永久变形。

　　只有将轴承与周围环境适当地隔离开，许多轴承才能成功地实现它们的功用。在某些情况下，必须保护环境，试其不受润滑剂和轴承表面磨损生成物的污染。轴承设计的一个重要组成部分是使密封装置起到应有作用。此外，对摩擦学研究人员来说，为了任何目的而应用于运动零部件上的密封装置都是他们感兴趣的。因为密封装置时轴承的一部分，只有根据适当的轴承理论才能设计出令人满意的密封系统。

　　虽然它们很重要，与轴承其他方面的研究工作相比，在密封装置的研究方面所做的工作还是比较少的。

　　Lesson 10 超高温涡轮发动机轴承

　　在下世纪初期用于航天动力的先进汽油涡轮发动机已经处于设计阶段。这些发动机将具有非常高的效率，而且在很多例子中，能使航天飞机的速度超过3马赫。这些发动机的主轴轴承的工作条件要求非常高。可以预测到，主轴转速超过30000r/min，而轴承的温度超过650°C。

　　在需要有较长的轴承寿命的用途中，对于采用液体润滑的钢制轴承来说，目前的温度极限是200°C。对于轴承寿命短的应用中，有可能达到450°C。即使使用在技术上最先进的液体润滑剂和金属合金，在轴承工作极限寿命中，轴承的工作温度是500°C。

　　越过常规轴承的设计理念，利用最新的研究成果应用到高温材料和固体润滑剂的新想法是需要的。在目前的温度极限下，预计极高的工作温度（800°C -900°C）是不可能达到的。陶瓷轴承带来了能提高工作温度达到相当于650°C的希望，但是发生在高速高温陶瓷滚动轴承中的摩擦的相互作用是复杂和变化的。轴承和润滑剂材料的有效选择取决于他们热量的、物理的、化学的和机械的特性，也包括应用的工作环境和工程技术约束。

　　滚动体和滚道的材料

　　对于高温轴承的滚动体和滚道，评价材料的最重要标准是高温强度（硬度），机械特性和氧化性。工具钢是目前制造航天发动机轴承的最常用材料，它的实际温度极限大约是400°C。在这种温度下，正常轴承用钢会快速失去硬度。

　　超高温轴承是一组高性能陶瓷材料。在温度高于1100°C时，这些陶瓷材料比常规的轴承工具钢具有更高的硬度。在过去的10年里，开发了一种具有高速高温的陶瓷材料制成的滚动轴承：热压的或热等静压的氮化硅。当有足够的润滑剂的时候，氮化硅是合用的，因为具有好的高温强度和硬度，在强度/重量关系上有优势，而且还能具有极好的防止滚动体发生疲劳性能。

　　然而，氮化硅有缺点，包括较低的抗拉强度，较低断裂韧度和非常低的热膨胀系数。由于具有这些性能，在陶瓷轴承的制造和应用方面需要做大量的开发工作。

　　其他的陶瓷材料，例如碳化硅和碳化钛，已经被评为合适的滚动体和滚圈的材料。尽管不像氮化硅那么普及和成熟，它们确实具有某些能够使其成为高温滚动轴承备选材料的性能。例如，在做40000r/min的轴承测试中，把碳化硅作为滚动体的材料，虽然温度没有达到极限，但是它已经超过了液体润滑剂的范围。润滑系统仅仅包含了一层固体润滑剂膜。

　　碳化硅有利于在高温轴承中应用的性能是其良好的导热率和热扩散率，抗氧化性和高纯度（性能几乎不受杂质的影响）。这种材料的一个缺点是它具有较高的弹性模量。它的弹性模量比热压氮化硅高出50%，

　　因为高赫兹接触应力的危险，使这一特性作为一个潜在的问题。

　　固体润滑剂

　　值得注意的是，对于大多数的合成润滑剂，它的温度极限几乎等于最先进的轴承用钢的温度。对于未来涡轮发动机，计算的工作温度是大大超过了这些材料的温度极限。唯一的解决办法就是利用非常规的润滑剂。

　　如果滚动轴承充分润滑剂和并且有良好的密封性，阻挡污染物进入，轴承的寿命一般取决于材料的疲劳极限。如果不能采用液体润滑剂，则有必要采用某种形式的边界润滑来减少摩擦热和磨损。轴承接触部分表面形成的氧化层可以提供有限周期的润滑。

　　当选择了固体润滑剂之后，发现困难在于找到一种复合物，它的耐热和抗氧化性都超过温度范围，例如，从-50°C到+980°C。在低温条件下工作良好的固态润滑剂经常会在高温情况下被损坏或变得有磨蚀性，反之亦然。

　　润滑膜的重要性怎么强调都不过分，即使采用陶瓷材料时也是这样。无润滑的氮化硅或碳化硅既没有固有的低摩擦性，也没有良好的抗磨损性。这些特性可以通过与材料相适宜的固态润滑剂的帮助而获得。用包含高温添加剂的石墨润滑氮化硅，可以形成一层减小摩擦系数的摩擦化学膜，因此，便减少了热量的产生。摩擦力的减小取决于：油膜与基体材料相比，它是否更容易被撕裂。

　　对于工作在超高温—--高于550℃情况下的轴承，更要考虑较之于石墨润滑剂更具热稳定性的固态润滑剂。在充分理解各式各样元件之间的摩擦学关系的前提下，来进行复杂润滑系统的开发，如：高温润滑剂，陶瓷制轴承，是绝对必要的。

　　Lesson 11机床构造

　　机架是机床的基本组成。大部分的机架是由铸铁、焊接钢、复合材料或者混凝土制成的。以下因素决定材料的选择：

　　这些材料必须抗变形和抗破裂。其刚性必须与弹性平衡。机架必须能够承受冲击，在载荷作用下不产生裂缝和永久变形。机架材料必须能消除或阻止振动的传递，从而减小使机床精度及寿命下降的摆动。机架必须能抵抗不利的车间环境，其中包括新的冷却液和润滑剂。机架材料不能产生过多的热，必须能在其额定寿命内不发生变形，必须拥有足够的密度使力分布均匀。

　　各种机架材料的利与弊

　　铸件或焊件都可用于大部分应用场合。要决定哪一个最好，还要看给定的设计环境下所用成本而定。 铸铁。几乎全部的机床架都由传统的铸铁来制造，因为任何其它方法都难以获得的特征都可通过铸造获得。铸铁拥有较好的刚度/重量比以及较好的阻尼特性。在有需要的地方改变铸件壁厚和添加其它金属，都是相当容易实现的。

　　尽管铸铁比较便宜，但铸件都需要有一个铸模。因为铸模的成本，想要获得更大尺寸的铸件则成为一个限制因素。螺栓接合问题，铸铁需要退火，这些都是难以满足的，而且随着铸件尺寸增加，制造成本也随之增加。小尺寸，大批量的机器通常产用铸铁机架，因为它们可以很容易地承担铸模成本。对于小批量的机器来说，焊接件机架会更便宜。

　　焊接钢。在不利于使用铸件的场合下，机器制造商则用焊接钢来制造机架。因为焊接钢拥有更高的弹性模量，通常会在焊接钢上使用加强筋以提高其刚度。确定要使用焊接钢的数量是一个设计权衡的过程：虽然使用焊接钢可以容易获得较大面积截面，甚至可以在原设计完成后再增加其它特征，但热量可导致其变形并且制造成本也随之增加。另外，焊接钢通过钢架也可以阻止振动的传递。机架制造商有时会通过向焊接钢结构通循环冷却水或向铸造型腔添加铅或沙的方法来增大阻尼。

　　复合材料。使用上述材料的改良材料，包括高分子材料，合金材料，以及陶瓷基体材料，都有可能使机床的设计发生巨大变化。可以使基体和增强材料在某一个指定的轴线方向上具有所需要的强度。

　　陶瓷。日本于20世纪80年代提出了试验性的陶瓷机架机器概念。陶瓷拥有较高的强度，刚度，尺寸稳定性及良好的抗腐蚀性和极好的表面粗糙度，但陶瓷易碎并且价格较高。其较弱的传导率既可能是其优势也可能是其劣势。复合材料及陶瓷的使用都是有限的。

　　钢筋混凝土。尽管用于简单截面的常规钢筋混凝土增加了质量并减小了振动，但另一种形式的钢筋混凝土，它际上是由被粉碎的混凝土或花岗岩粘合在高分子基体上形成的高分子基体复合材料更受欢迎。这种复合材料拥有比铸铁更好的阻尼特性，它几乎可以被铸成任何形状，而不需要释放应力，如果使用镶嵌件，它还可以容纳紧固件及轨道。然而，它的强度及热扩散率都不及金属材料。

　　设计者必须考虑与复合材料及金属材料相连接的材料的不同膨胀系数。这类材料最常用于高精度机床及磨床中。

　　基础

　　基础应该保证机器的刚度，减震和隔离是次要的考虑事项。如果机床刚度不足，基础必须要能提供必要的刚度支持。在选择基础的时候，设计者必须考虑机床的重量，它所产生的力，精确度要求，以及向与机器毗邻的地面传递的载荷。地面土壤环境是一个问题，因为，长时间的改变会影响机床稳定性。

　　机架设计

　　在机架设计中考虑的主要问题是：载荷，阻尼，检测孔的数量，热变形和噪音。

　　载荷。了解机床产生的动态及静态载荷是最基本的。基本载荷是静态力：包括机床及工件的质量。动态载荷指的是，机床一经运转就产生的各种载荷。它们包括：产生加速度和减速度的载荷，刀具作用载荷，由于不平衡所产生的载荷，由载荷和振动之间引起的自激载荷。

　　阻尼。

　　尽管机架材料及其设计方案应能使其阻尼减小，然而有时候也需要安装阻尼器来解决某个具体问题。减振器只有在机器动态力很小的地方才会工作良好并且仅当设计者完全了解系统所涉及的所有载荷情况下才会有效率的工作。例如，当在静态条件下工作良好的减振器，工作在动态力条件下，它的影响是弊大于利。

　　检测孔。虽然每个机架应该是实心的，但是，机器都需要一定的开口以便组装和维修。设计人员应该综合考虑检测孔的数量和尺寸与刚度和强度之间的关系。

　　热力学方面的'考量.如果机架发生变形，那么内部热源或者外部热源都是一个造成错误的主要因素。外部热源包括车间的环境条件，冷却剂与润滑剂和阳光。机床本身也有热源：电动机，机器运动带来的摩擦以及刀具在工件上的切削运动。理想情况下，应使机架产生的热量减小到最小并保持一定。

　　噪音.鉴于健康和安全方面的因素考虑，如何减小噪音成为近年来比较受关注的话题。工件飞速转动引起的空气湍流以及飞速旋转的卡盘，都是值得注意的问题。给机床加上防护罩阻止噪音传递及使用阻尼衰减材料，都可以减小噪音。

　　Lesson 12直齿圆柱齿轮

　　齿轮，是带齿的零件，从一根轴到另一根传递旋转运动，它是在人类历史中最古老的设备和发明。大约公元前2600年，中国人使用一系列的齿轮和战车做成一体已经被世人所知道。在公元前第4世纪，亚里斯多德记述了齿轮，那时候似乎齿轮是很普通的。在公元第5世纪，达芬奇设计了大量的设备和各种齿轮合成一体。

　　在机械动力（主要包括齿轮传动、带传动和链传动）的各种传递方式中，齿轮一般是最牢固和持久耐用的。它们的动力传递效率能达到98%。另一方面，齿轮的费用比链传动和带传动的费用要多。可以预料，齿轮制造的成本随着精度的提高将会快速增加，精度指高速、重载和低噪音的组合要求。（对于各种加工精度等级而言，标准公差必须由AGAM，美国齿轮制造协会来制定。）

　　直齿圆柱齿轮在齿轮类型中是最简单和使用最广泛的一种。它们被用来在平行轴之间传递运动，它们的齿与轴线平行。

　　齿形几何学的最基本要求是提供齿形的角速率，这个速率是一个常数。例如，角速率在20齿和40齿（例如，不是1.99个齿形作为给定的一对齿轮来啮合，也不的齿轮必须在每个位置精确到2个齿形啮合。

　　是2.01个齿形，那样已经已经超出了啮合范围）。当然，制造误差和齿形变形将引起速率的轻微偏差；但是可接受的齿形是以理论曲线为基础的，这样可以满足标准的要求。

　　当齿轮啮合时，会同时产生滚动和滑动，引起点蚀和磨损。点蚀是由滚动接触造成的，而磨损是由滑动接触造成的。当接触应力很高的时候，最初的时候会产生点蚀；通过滑动能加速点蚀。虽然滑动引起磨损，也能产生流体力学的作用抵消磨损。这个相对的运动能充分提供流体力学所必须的环境条件，这个作用非常微小，也就是在表面之间有窄的，楔形的间隙，有相关运动。每次，齿轮发生啮合的同时，发生齿轮的滚动和滑动，表面和次表面的材料受压应力、剪应力和拉应力的作用。结果是使表面以麻点和金属腐蚀的形式减缓破坏。清楚地，这些现象通常被描述为单独存在，但是在实际中并不是这样的。两种或多种作用可以同时发生。实际上，一种作用会促进另一种作用。结果是牙型表面变粗糙，改变牙型轮廓，和丧失共轭物运动。当工作性能不是很令人满意的时候，失效肯定发生了，因为噪音，振动或者过热。

　　在齿轮节线首先发生点蚀，在那些不存在滑落因素的地方，早期的故障由于缺少油膜的保护。引起表面疲劳的过多的接触应力，是产生点蚀的最真正的原因。这是由于（1）狭窄的齿宽，（2）渐开线表面半径太小，而且（3）频繁过载。任意表面的半径越小，接触带越狭窄，单位应力越大。在那些经常有大量重复应力的地方，就发生表面失效。微小的裂纹在表面和表面以下生成，然后扩展并连接到一起。最后，金属的咬合被分开和挤掉，剩下点蚀。

　　最不昂贵的齿轮的材料通常是一般的铸铁，从ASTM（或AGMA）等级20，等级30、40、50和60，逐渐具有越来越高的强度和越来越昂贵。典型的铸铁齿轮拥有比弯曲疲劳强度更好的表面疲劳强度。铸铁齿轮内部的阻尼使它们比钢制齿轮的传声小。球墨铸铁齿轮实际上拥有更好的弯曲强度，和较好的表面耐用性。一种好的组合通常是钢制小齿轮和铸铁大齿轮啮合。

　　没有经过热处理的钢制齿轮相对便宜，但是具有较低的表面耐久能力。热处理钢制齿轮必须抗扭曲；所以，通常更倾向于合金钢和油淬火材料的齿轮。当硬度超过250~350Bhn时，通常在淬火前完成切削加工。如果在热处理后形成表面，那么，通过磨削，能得到更好的轮廓精度。但是如果完成了磨削，必须要注意避免在表面上形成残余拉应力。

　　在有色金属里，青铜是最常见用于制造齿轮的材料。非金属齿轮（尼龙和其他塑料）通常噪声小，持久耐用的，合理价格，而且经常在没有润滑剂的轻载下工作。它们的牙形比那些相应的金属齿轮更容易变形。这样，在发生接触的时候，促进有效载荷分布在齿形上。因为非金属材料具有较低的热导率，所以需要提供特定的冷却液。而且，这些材料具有相对高的热膨胀系数，这需要在安装时比金属齿轮具有更大的啮合间隙。

　　非金属齿轮通常和铸铁或钢制小齿轮啮合。如果有最好的抗磨损能力，啮合的小齿轮的硬度至少在300Bhn。对于由塑料做成的齿轮的设计过程，和用金属制的齿轮设计过程非常相似，但是还不具备更高的可靠性。所以，对塑料齿轮，原型测试比金属齿轮更重要。

　　Lesson 13 材料的物理特性

　　在选择材料最重要考虑的问题之一是材料的物理性质（那就是密度，熔点，比热，导热率，热膨胀率和耐蚀性）。物理性质在零件的制造和工作寿命中，有几个重要的影响。例如，高速机床需要采用重量轻的部件以减少惯性力，使机床不会产生过大的振动。

　　1.密度

　　材料的密度是每单位体积里的质量。另一个关系，比重，表达材料的密度与水的关系，所以，它没有单位。对于自动的物体和部件，节省重量是很重要的，尤其在飞机和航空航天设备中，对于其他的产品，在能量消耗和动力有限的地方更受到极大的关注。在合计先进的设备与机器和设计诸如汽车等消费品的过程中，采用新的替代材料来减轻重量和降低成本是一个应该着重考虑的问题。

　　2.熔点

　　金属的熔点取决于分离原子所需要的能量。合金熔点的温度有一个很宽的范围（取决于合金的组成），而不像纯金属那样，有一个固定的熔点。设计组成要素和结构在功能内的温度范围是在选择材料中一个很重要考虑的因素。

　　金属的熔点在制造过程中产生一个间接的影响。因为金属再结晶的温度涉及到它的熔点，例如退火、热处理和热加工要求所含材料的熔点知识。

　　3.比热

　　材料的比热是要求一个单位质量的温度升高一度所需要的能量。合金组成在材料的比热上产生相对较小的影响。在机械加工过程中，工件温度的提升是所做的功和工件材料比热的函数。如果工件温度提升过多，通过降低表面粗糙度和尺寸精度的不利影响来降低产品的质量，能引起过多的刀具磨损，也能导致在材料上发生不想要的冶金学变化。

　　4.热导率

　　热导率表明在材料内部传递热量的速率。金属一般具有较高的热导率，而陶瓷和塑料具有较差的热导率。

　　当热量由塑性变形或者由于摩擦产生的时候，热量以足够高的速率被传递走，防止温度剧烈升高。例如，加工钛的主要的困难，由它的较低的热导率引起的。较低的热导率可以产生高的温度梯度，因此，在金属加工过程中会引起工件的不均匀变形。

　　5. 热膨胀

　　材料的热膨胀具有几种显著的影响，尤其是在装配具有不同的膨胀和压缩性质的不同材料，例如电子和计算机元件，玻璃-金属密封，和在机床上移动的工件，对于合理的功能都要求具有某些间隙。例如，陶瓷元件在铸铁引擎的使用中也要求考虑到它们相对的膨胀性。

　　收缩配合利用热涨和压缩的作用。例如，一个零件，比如是法兰，要安装到轴上。法兰首先加热，然后滑动安装到为室温的轴上。当冷却的时候，零件收缩，就把零件装配成一个整体的部件。

　　6.抗腐蚀

　　金属、陶瓷和塑料都受到腐蚀的作用。腐蚀本身通常涉及到金属和陶瓷的变形，然而类似的情况在塑料中通常称为降解。腐蚀不但引起零件和设备表面劣化，而且还降低它们的强度和结构完整性。

　　对于在化学、食品和石油工业，也包括制造业，抗腐蚀性在材料选择上是一个很重要的方面。此外，各种可能的化学反应，从当前的组成或者复合物，零件和设备的环境腐蚀，是一个主要关注的方面，尤其在温度提升上。环境（氧、潮湿、抗腐蚀取决于材料的构成和特定的环境。腐蚀的介质可能是化学品（酸、碱和盐、污染和酸雨）和水（清水或盐水）。有色金属，不锈钢和非金属材料都具有较高的抗腐蚀性。钢和铸铁通常具有较差的抗腐蚀性，必须通过各种涂层或者表面处理来保护钢和铸铁。牢固的某些等级的氧化物的有用性表明铝、钛和不锈钢的抗腐蚀性。铝形成一个薄的（一些原子层）和粘附着氧化铝层，它具有较好的保护表面免受环境的腐蚀作用。钛形成氧化钛保护膜。相似的现象发生在不锈钢上，它在表面形成一层保护膜（因为现在的不锈钢中含有铬）。当保护膜刮破，保护膜下面的金属显露出来的时候，一层新的氧化膜就形成了。

　　Lesson 14 运动学和动力学

　　运动学的目标原则是产生（设计）目标零件所要求的运动，然后精确地计算位移、速度和加速度，那些运动就作用在零件上。因为，大多数固着在地球上的机械系统，随着时间变化，质量基本上保持常数，加速度定义为和时间的函数，也定义动力为和时间的关系。应力，轮流是作用力和惯性力的函数关系。由于工程设计是为了建立一些不会在其预期使用寿命内失效的系统，所以目标是保证应力对于所选用的材料和使用环境均处于安全的限度内。这样很明显要求规定所有系统力，而且使系统力保持在期望的范围内。在机构中，最大的力经常是那些由于机械本身产生的动态力。动态力经常和加速度成比例，把我们拉回到运动学，它是机械设计的基础。包含了运动学准则，在设计过程中最基本和最早的决定在成功的进行机械设计中是很重要的。较差的运动学设计将引起麻烦和很差的工作。

　　任何机械系统能根据拥有的自由度的数目来区分。系统的自由度等于独立参数的数目，在任意时间中，需要唯一确定它在空间位置的参数。

　　在一个参考系内自由运动的物体，通常会做复杂运动，即同时进行回转和平移运动。在三维空间里，它们可能绕着轴旋转，能同时解决零件沿着3根轴平移。在平面上或者二维空间，复杂运动变成了绕一个（垂直于这个平面的）轴线的转动和同时发生的可以被分解为沿在这个平面内的两个坐标轴的平移分量。简单而言，我们限定现在所讨论的情况是在二维平面的运动学系统。我们将定义以下关系，在平面运动：

　　单纯转动

　　物体拥有一个点（旋转中心），这个点没有运动，关于“静止”框架为参考系。物体上的其他点被描述为以它为圆心的圆弧。通过圆心画在物体上的基准直线仅改变它的点的方向。

　　单纯平移

　　物体上所有点的轨迹为直线。在物体上所画出的一条基准线，只会改变它的位置，而不会改变它的角度方向。

　　任何在物体上所画出的一条基准线将改变它的线性位置和它的复杂运动 转动和平移的同时组合运动。

　　角度方向。在物体上的点将沿不平行的轨迹运动，在每个时刻，有一个旋转的中心，不停改变位置。

　　连杆机构是所有机构的基本组成模块。所有一般机构的形式（凸轮、齿轮、带轮、链轮）实质上都是连杆机构的演变。连杆机构由杆件和运动副组成。

　　杆件是一个刚体，拥有至少2个节点，节点是和其他杆件连接的点。

　　运动副（也称为接头）是连接两个或多个连杆（在它们的节点），在连接杆之间用来连接一些确定的运动，或者潜在的运动。

　　低副的关系用来描述和表面接触的接头，如在孔内安装销。高副的关系用来描述点或者线接触的连接。但是如果在孔和销之间有任意间隙（用于运动），在铰链中所谓表面接触实际上变为直线接触，因为销仅接触孔的一侧。同样地，在微小精度的水平下，一个物体在平面上滑动实际上只在几个离散点上接触，就是表面粗糙的顶端。相比高副，低副的优点最主要是它们在包络面上具有较好的润滑能力。尤其对于旋转的铰链效果更好。润滑剂更容易在高副中被挤出。结果，铰链具有较低的磨损和较长的寿命。

　　在设计机器的时候，我们必须首先完成有关设计的运动学分析，为了获得有关运动物体的加速度。我们接下来想用牛顿第二定律进行动力计算。但是这样做，我们必须知道所有已知加速度的移动零件的质量。这些零件不会分离！如同任何的设计问题一样，我们在设计阶段缺少足够的信息来准确的决定零件的最佳的大小和形状。在设计中，我们必须估计连杆的和其他零件的质量，为了在初次计算中通过。我们将反复验算得到越来越好的解决方案，以便我们得到更多的信息。

　　对于所有零件，通过假设一些合理的形状和尺寸，和通过选择合适的材料，获得零件质量的最初估计。每个零件的体积的计算等于它的（单位质量上的）体积乘以材料的质量密度（不是重量密度）来获得最初的大概质量。这些质量值用在牛顿定理中。

　　我们怎么知道，我们选择杆件的尺寸和形状是否可以接受，更不用说（尺寸和形状是）最优了。遗憾的是，通过对零件的完整应力和变形分析之后，我们用所有的方法计算才知道（杆件的大小和形状哪些是可以接受的）。通常情况是，尤其在长的、薄的零件，比如轴或细长的杆件，即使在较低的应力水平下，在它们的动态负载下的这些零件变形将限制到设计。

　　我们可能发现，在动态负载下发生零件的失效。然后，我们不得不又返回到最初的假设，有关形状、大小和这些零件的材料，重新设计它们，重复进行受力、应力和变形的分析。设计不可避免地成为了一个迭代过程。

　　值得注意的是，在静态力的作用下，可以通过增加零件的质量来提高其强度，将不合格的设计变为合格，而在动态力作用的情况下，这样做可能产生有害的后果。具有相同加速度的更多质量将产生更大的力的作用，所以有更大的应力！由于F=ma，机器的设计师经常需要减少零件的质量，以便减少应力和变形。所以，设计师需要具有较好的理解材料的特性和应力及变形分析的能力，对于最小的质量，以便得到合适的零件形状和尺寸；从而得到承受动态力的最大的强度和刚度。

　　Lesson 15 机构的基本内容

　　具有确定运动的相互关联的零件和能执行有效工作的组合称为机器。机构是机器的组成部分，由两个或多个零件安排组成，以便一个运动驱动另一个运动。运动学仅研究机构的运动，而不考虑作用在机构上的力。在力和扭矩的影响下，动力学是研究单一物体和机构的运动。在静止的系统里（可忽略惯性的系统），力和扭矩的研究称为静力学。

　　综合是一个过程，通过开发产品（例如机构）来满足一系列的性能要求。如果产品的结构暂时确定下来，那么需要检查，确定（这个产品的结构）是否满足工作性能要求，这个过程称为分析。机构的设计包含综合和分析（两个过程）。

　　设计的过程从需求认识开始。然后，一系列的要求将罗列出来。通常要求位移、速度和加速度的详细分析。零件的设计过程在分析受力和扭矩之后进行。在第一个模型产生之后，设计过程持续很长，而且还包括对零件的速度、加速度、力、扭矩的重新设计。为了年复一年获得更好的设计，大部分制造者必须不停的修改它们的产品和它们的生产方法。经常需要提高生产率，提高产品的性能，重新设计的费用和减轻重量。对问题进行正确的运动学和动力学分析是成功的关键。

　　很久以前，大部分基本连杆的结构合并到机器的设计中，我们用来描述（连杆和机器设计）的关系已经变化了很多年。所以，定义和专门用语并不符合技术文献的要求。然而，大多数情况下，具体的含义清楚的出现在解释问题的语境中。尤其一些机器的运动学和动力学的关系研究在以下说明。

　　杆件

　　一根杆件是一个刚体或者连接到运动链的接头。刚性杆件的关系，或者有时候单一的杆件，在机构的研究中是一种理想的应用，由于机器中零件的（微小的）应变，它不需要考虑一些微小的变形。一个绝对刚体或不可伸长的杆件只能作为真实机器零件在教科书上的模型存在。对于典型的机器零件，在尺寸上最大的变化是千分之一的零件长度。当考虑大部分典型机构发生较大运动的时候，忽略小运动是合理的。杆件是用作一般的意思，包括凸轮、齿轮和其他机械零件，还包括曲柄，连杆和其他销连接件。

　　机架

　　在机构中固定的或者静止的杆件称为机架。当没有实际固定的杆件的时候，我们需要考虑固定一根杆，决定和它相关的其他杆件的运动。例如，在汽车发动机中，发动机汽缸体看做是一个机架，即使汽车是可以移动的。

　　自由度

　　连杆机构中自由度的数目是等于机架或者固定杆件相连的每个杆件的指定位置所要求的独立参数的数目。如果能完全地定义系统的瞬间结构，通过指定一个独立的变量，那么系统具有一个自由度。大部分实际机构具有一个自由度。

　　一个自由的刚体具有6个自由度：在三个坐标系上平移，和绕着三个坐标轴旋转。如果在一个平面上刚体的运动受到约束，它有3个自由度：两个坐标方向平移和在平面内旋转。

　　低副和高副

　　在刚体之间的连接包括零件的低副和高副。低副的2个组成具有和其他零件有理论表面接触，而高副的两个方面是具有理论点和线的接触（如果我们忽略变形）。

　　运动链

　　运动链是杆件和副（接头）的装配。运动链是由若干个构件和运动副连接而成的。在闭式运动链中，每一个构件都同两个或两个以上的构件相连接。未能满足闭环标准的连杆结构是一个开环的运动链。

　　连杆机构

　　因为我们希望检查运动链，不用考虑它们的最终使用，这是很方便的，区分任意被连杆机构用运动接头连接的刚体的装配。所以，机构和机器都被看做是连杆机构。然而在某些参考文献中，linkage这个词只限于由低副构成的运动链。

　　平面运动和平面连杆机构 如果连杆机构中所有点在平行平面中运动，系统做平面运动，而连杆也被称为平面连杆。如果我们检查连杆机构由曲柄，连杆和活塞组成的活塞发动机，我们把它看做平面连杆机构。大部分的机构一般用作平面连杆。

　　空间运动和空间连杆 在运动中更常见的情况不能被描述为发生在平行平面的运动称为空间运动，而相应的连杆机构就被认为是空间连杆或者三维连杆。

　　(四杆机构的)机架变换 连杆无约束的运动取决于连杆是固定的，也就是说，所选的连杆作为机架。如果另外两个相当的连杆具有不同的固定杆件，那么每一个都是另一个的机架变换。在两个连杆中具有相同的相对运动。