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一、機械設計的教學內容

1.連接部分。因為螺栓被連接件剛度的準確獲得有助于精確預報預緊力的形成及衰退規律，進而指導螺栓聯接工藝的優化。被連接件的壓強分布能夠簡化為空心圓柱體、圓錐體、球體等形狀。國內外已有的大量實驗證明，接觸剛度隨著接觸載荷的改變而變化，與接觸狀態緊密聯系，同時摩擦表面微觀幾何學形貌、兩接觸材料皆影響接觸剛度，使接觸剛度呈現出明顯的非線性特點。

2.傳動部分，包括螺旋傳動、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動以及摩擦輪傳動等。齒輪接觸強度是齒輪設計中的一個主要設計參數，其大小直接關系到齒輪的承受載荷能力與運行壽命。因為赫茲彈性接觸理論不能運用于相同曲率半徑內接觸時的接觸壓強，有限元方法相對比較煩瑣，但根據分形接觸理論可以計算齒輪接觸壓強。表面粗糙度對齒輪接觸強度的影響并非一種簡單的線性關系，不能單純地減小表面的粗糙度，達到提高齒輪接觸壓強的目的。要按照齒輪的實際外加力，獲得表面粗糙度的某個最佳值，能夠顯著地減小齒輪的加工成本。齒面的加工誤差與熱處理變形會引起齒輪出現沖擊、振動及噪聲。分形參數中的分形維數與分形粗糙度具有尺度獨立性，可以表現結合面的內稟特點。

3.軸系部分，包括滑動軸承、滾動軸承、聯軸器與離合器以及軸等。軸瓦是滑動軸承中的重要零件，它的結構設計是否合理對軸承性能影響很大。有時為了節省貴重合金材料或者由于結構上的需要，常在軸瓦的內表面上澆鑄或軋制一層軸承合金，稱為軸承襯。常見的背襯有H62黃銅帶，表示平均含銅量為62%的普通黃銅帶，其中H表示漢字“黃”的拼音字母的第一個字母，62表示銅元素的平均含量。在普通黃銅的基礎上加入其他元素的銅合金稱為特殊黃銅，仍以“H”表示，后面會跟其他添加元素的化學符號和平均成份，如H62為含銅量60.5%~63.5%，余量為鋅含量。背襯可以是金屬，一般為黃銅，也可以是塑料。應用在船舶上的水潤滑橡膠艉管軸承一般有套筒式與板條式兩種。自從1840年水潤滑橡膠軸承用于船舶艉管軸承以來，已經有170多年的歷史。只承受扭矩而不承受彎矩（或彎矩很?。┑妮S稱為傳動軸。為與傳統的滑動和滾動相區別，微動是指在機械振動、疲勞載荷、電磁振動或熱循環等交變載荷作用下，兩接觸表面間發生的振幅極小的相對運動（位移幅度一般為微米量級），這些接觸表面通常名義上是靜止的，即微動發生在看似“緊固”配合的機械部件中。

4.其他部分，包括彈簧、機座和箱體、減速器和變速器等。恢復性是能使物體位置恢復到平衡狀態的特性，是貯存勢能的元素，典型的恢復性元件是彈簧。系統勢能是重力勢能與彈簧的彈性變形的勢能之和。當恢復力與位移成正比時，其比例常數稱為彈簧常數或彈簧的剛度系數，單位為N/m。彈簧是組成振動系統最基本的元件，是不可或缺的，否則就不會發生振動。機座和箱體等零件在機床中占總質量的70%~90%。

二、機械設計的教學方法

機械設計是綜合性要求很高的一門專業課，課程要求預備知識多且廣。如何在機械設計中既突出重點方法，又能讓學生將學會的機械設計方法融會貫通，并能自學其他設計方法，是本課程的重點與難點。使用知識單元化、富媒體化及學習行為管理，實現課堂教學工具，使傳統教學方式的“課堂上聽講，課堂下答疑”轉變為“課堂上討論，線上學習”。應規劃機械設計的內容，以知識單元為主題，錄制成微課。融會現存資源，將理論教學與實踐案例以多媒體形式呈現，建立和諧融洽的師生關系，點燃學生的學習興趣，興趣是學生最好的教師，努力提高學生的學習興趣顯得非常重要。研究教學大綱，分析與機械設計相關及機械設計先修課程的教學情況，與相關學科的授課團隊合作，形成立體化的課程管理庫，夯實專業基礎。

三、機械設計的習題課

習題的選取要具有典型性與針對性，習題數量要少，質量要保證好，但是解題的要求一定要高。例如機械現代設計方法發展很快，目前較易見到的有分形設計（fractaldesign）。在一個世紀以前，相繼出現了一些被稱之為“數學怪物”（Mathematicalmonsters）的東西，人們無法用傳統的Euclid幾何語言去描述它們的局部和整體性質。經典的數學怪物為馮•科克的分形曲線。按照分形接觸理論，可以計算機械結合部的法向接觸剛度、切向接觸剛度、靜摩擦系數、法向接觸阻尼、切向接觸阻尼、損耗因子、彈性模量、切變模量、泊松比的解析解。

傳統觀念得出結論，連續函數的不可導的點集合在某種意義上理應非常小，例如測量度為0。早期的數學家包括高斯都認為這是對的，一些書籍甚至把此看法當作定理，并寫了證明（現在看來，顯然是不嚴格的，比如說他們可能只考慮了初等函數）。為了說明直覺的不可靠，1842年提出了一致收斂概念的德國數學家Weierstrass于1872年7月18日在柏林科學院的一次演講中，構造了一個連續函數卻處處不可微的例子，由此最終結束了想要證明最一般形式的連續函數的可微性的企圖，轟動了整個數學界！這個例子推動了人們去構造更多的函數，這樣的函數在一個區間上連續或處處連續，但在一個稠密集或在任何點上都不可微，從而推動了函數論的發展。式中，0＜a＜1＜b，且ab≥1。式（1）的圖形可用數學軟件Maple、MATLAB來演示。分形幾何學理論的合理立足點是采納點點連續、統計學自仿射特性、處處不可微的Ausloos-Berman函數模擬粗糙表面微觀幾何學形貌。

作者：田紅亮 戚江艷 田戚可人 單位：三峽大學 機械與動力學院 三峽大學 學生工作部教育管理中心 湖北省宜昌市西陵區葛洲壩實驗小學