導語：“翻”是指的這兩種語言的轉換，即先把一句甲語轉換為一句乙語，然後再把一句乙語轉換為甲語；“譯”是指這兩種語言轉換的過程，把甲語轉換成乙語，在譯成當地語言的文字中，進而明白乙語的含義。以下是機械專業英語課文翻譯，希望大家喜歡！
Lesson 2 力和力的作用效果
任何機器或機構的研究表明每一種機構都是由許多可動的零件組成。這些零件從規定的運動轉變到期望的運動。另一方面，這些機器完成工作。當由施力引起的運動時，機器就開始工作了。所以，力和機器的研究涉及在一個物體上的力和力的作用效果。
力是推力或者拉力。力的作用效果要麼是改變物體的形狀或者運動，要麼阻止其他的力發生改變。每一種力在它施加的零件上都會產生壓力。通過人使用力臂的作用或者通過帶有機械運動的機器，就產生了力的作用。
力在發生物理或者化學的改變，重力，或者在運動中改變時就產生了。當力的作用是朝物體外延伸的，被稱為拉力。在承受拉力的時候時被稱為處於拉力狀態。力也可以使物體縮短或者擠壓。這樣的力稱為壓力。 或者由於力對物體進行扭轉，所以再一種力被稱為扭轉力或扭矩。還有另一種力是剪切力，它看起來可以使材料互相之間發生層或者分子發生滑動或者滑落。
每一種力可以單獨作用，也可以組合作用。例如，一個向下的力作用在一根垂直的鋼樑上，壓向此樑。如果此樑是水平放置的，那麼負載作用在中間，樑的底部由於向外延伸，受到拉力。同時，樑的上部受到壓力。如果擠壓和拉伸的力足夠大，使材料的層發生相互滑動，剪切力就產生了。
幾個力作用的另外一個例子是在車牀上對一個零件進行車削加工。隨着工件的旋轉和刀具靠近工件的移動，切削刃的楔入作用產生一個剪切力。這個力使得金屬看起來像以切屑的形式從工件上流出來一樣。如果一個工件被安裝在車牀的兩個頂尖之間，頂尖對工件施加一個壓力。車牀夾頭驅動工件產生剪切力。作用在刀具的壓力產生拉力和壓力，同時還有剪切力。
在砂輪上離心力的作用受到相當的關注。那就是，在輪上，包含研磨劑顆粒的粘合劑離心力必須比以高速飛轉的輪子旋轉起來的力要更有力。為此，在製造廠，砂輪的速度不能超過安全面速度的額定極限。離心力隨着速度的增加而增加，其他的通過離心鑄造離心力的原理通常用在離心力種類的機牀設計中。一些離心力用來分力化學物質，法在金屬中分離雜質。離心力的原理也用在普通的裝置中，比如衣服甩幹機和控制馬達轉速和加速移動的設備中。
向心力使物體做圓周軌跡運動。這個運動是由不停的利用朝圓心的方向的拉力產生的。在其他的工件中，抗離心力的內部的力稱為向心力。以不斷變化的速度旋轉的物體的向心力產生一個加速度，這個加速度指向圓心，和離心力的方向相同或者相反。
原料用在快速移動機器零件和機構的結構上，必須足夠的有力，可以提供所要的向心力來保持零件做圓周軌跡。同時，材料必須能承受使零件分開的離心力的作用。
運動和影響運動的基本規律是非常重要的要考慮的事情，因為這些原理的很多用途通過機械設備可以生產產品。主要的兩種機械運動：圓周運動和直線運動。這些術語表明圓周運動時圓形的，在圓心四周運動，而直線運動是筆直的直線的運動。對於圓周運動或者直線運動，隨着增加機械的設備，來形成其他形式的運動是有這種可能的，例如，間歇運動和交替運動。
圓周運動。一般的傳輸運動時圓周運動。產生這種類型的運動可以使用手工刀具和動力刀具。鑽孔、在車牀上車削零件、銑平面、驅動發電機或風扇的皮帶都需要回轉運動。
直線運動。車上刀具的進給，在電動鋸上切屑鋼條，或者在刨牀上刨平面，都是用直線或者直線運動來生產產品的工作。千分尺的螺桿和螺帽中的螺紋是把運動方向從轉動變為直線的另外一些應用實例。 諧振運動和間歇運動。任何簡單的震動，例如，擺的下端有規律的往復運動是簡諧運動。然而，很多製造的過程要求間歇或者不規律的運動。例如，動力鋸的快速回程或者牛頭刨牀滑枕就是最好的例子，因為在回程中沒有進行切削。因此，隨着在回程節約更多的時間，加工產品的刀具就能節約成本了。
圓周運動和直線可得到的運動組合是無限的，因為零件的種類很多，比如齒輪、凸輪、滑輪、螺釘、連桿和皮帶，都能在多種裝置中組合起來。
Lesson 3工程力學概述
看一下我們周圍，這個世界充滿了物質：機器、設備、工具；我們設計、建造和使用這些物質；這些物質由木頭、金屬、陶瓷和塑料製成。我們從經驗中獲知，有些事物要比其他的好；他們經久耐用，花費低，更加安靜，看起來更好，或者更便於使用。
然而，在理想的情況下，每一件產品都是設計人員根據其某些“功能”要求的理解而設計出來的，也就是説，在設計過程中，應該回答這樣的問題，即“它應該具有哪些確切的功能？”在工程領域裏，例如重量、慣性、壓力的作用，通常主要的功能是承受一些種類的載荷。從家裏的房樑到飛機的機翼，材料、尺寸和連接件必須有一個恰當的組合，使生產出來的設備能可靠地實現功能，因為合理的成本超過適度的使用期限。
實際中，工程力學的方法通常用在兩個比較不同的方面：
（1）任何新設備的研發過程，對結構、尺寸、材料、載荷，耐久性、安全和成本都需要一個交互的、反覆的考慮過程。
（2）當一個裝置意外地失效後，通常需要進行研究，找出失效的原因和確定可能的改正措施。 對於大部分的工程師，以上的兩個過程能完全地檢驗，更不用説，偶爾獲利。
對於任何實際的問題，總是缺乏足夠完整和有用的信息。我們很少準確地知道實際載荷的和工作狀（然而）我們所做的整個態，因此，所作的分析工作也很少是精確的。儘管我們的數學分析可能是精確的，分析通常只能是近似估算而已，並且得到的結論是因人而異的。在工程力學的研究中，很多問題都被理想化，為了得到一個唯一的結論，但是，我們要認識到現實生活中遠遠不是那樣理想化的，然而，為了得到一個結論，你通常需要做出一些理想化的假設。
在技術領域我們所考慮的一般被稱作“靜力學”和“材料力學”，“靜力學”涉及的研究是力作用在“材料力學”涉及的是這些力對結構的作用（變形，負載極限等）。 靜止的設備上 ，然而，實際上很多的設備並不是靜止的，如果把與動力學相關的外負載一起考慮進去，（那麼）靜力學發展的理論也可以完美應用到動力學中。不管什麼時候，當動態力與靜載荷之間只存在很小的關聯時，這個系統通常被認為是處於靜態的。
在工程力學中，我們非常重視與實際問題本質有關的各種類型的近似方法：
首要的，我們假定要討論的東西處於平衡，也就是説，沒有加速度。然而，如果我們仔細觀察，就可以發現任何東西都是處於加速狀態中的。我們會認為許多設備組成是無重量的，但它們的確是有重量的。我們會處理一些作用在質點上的力，但所有的力都是作用在一定的受力面上的。我們會認為某些零件是剛性的，但是所有的物體在載荷下都會發生變形。
我們會做出很多明顯錯誤的假設。但是這些假設會使得問題變得更簡單，更容易處理。你會發現我們的目標是在不嚴重影響試驗結果的前提下，做盡可能多的假設來使問題簡化。
一般來説，沒有明確的方法決定怎樣才能完整地或者精確地解決某個問題：如果我們的分析做得過於簡單，我們可能會得不到某個適當的答案；如果我們的分析過於細枝末節，我們可能會得不到任何答案。以一個相對簡單的分析入手，然後再增加更多的細節，最後得到一個實用的結論，這種做法通常是更可取的。
在過去的二十年裏，在實用性方面有了極大的提高，因為我們有了大量計算機化的方法來解決以前不能解決的問題，在以前要解決這些問題需要過多的時間。與此同時，計算機的成本和使用成本正以數量級在減少。我們正經歷一個“個人電腦”大量湧入校園，家庭，和商業的時代。
Lesson 4 軸和聯軸器
實際上，幾乎所有的機器中都裝有軸。軸的最常見的形狀是圓形的，橫截面可以是實心的，或者是空心的（空心軸可以減少重量）。有時候也會使用方軸，例如，螺絲起子的頭部，套筒扳手和控制旋鈕的杆。
為了在傳遞扭矩時不發生過載，軸應該具有適當的抗扭強度。軸還應該具有足夠的抗扭剛度，以使在同一個軸上的兩個傳動零件之間的相對轉角不會過大。一般來説，在長度等於軸的直徑的20倍時，軸的扭轉角不應該超過1°。
軸安裝在軸承中，通過齒輪、皮帶輪、凸輪和離合器等零件傳遞動力。通過這些零件傳來的力可能會使軸發生彎曲變形。因此，軸應該有足夠的剛度以防止支撐軸承受力過大。總而言之，在兩個軸承支撐之間，軸在每英尺長度上的彎曲變形不應該超過0.01英寸。
此外，軸還必須能夠承受彎矩和扭矩的組合作用。因此，要考慮扭矩和彎矩的當量載荷。因為扭矩和彎矩會產生交變應力，在許用應力中也應該有一個考慮疲勞現象的安全係數。
直徑小於3英寸的軸可以採用含碳量大約為0.4%的冷軋鋼，直徑在3-5英寸之間的周可以採用冷軋鋼或鍛造毛坯。當軸的直徑大於5英寸時，則要採用鍛造毛坯，然後經過機械加工達到所要求的尺寸。輕載時，廣泛採用塑料油。由於塑料是電的不良導體，在電器中採用塑料比較安全。
齒輪和皮帶輪等零件通過鍵連接在軸上。在鍵及軸上與之相對應的鍵槽的設計中，必須進行認真的計算。例如，軸上的鍵槽會引起應力集中，由於鍵槽的存在會使軸的橫截面積減少，會進一步減弱軸的強度。
如果軸以臨界速度轉動，將會發生強烈的振動，可能會毀壞整台機器。知道這些臨界速度的大小是很重要的，因為這樣可以避開它。一般憑經驗來説，工作速度與臨界速度之間至少應該相差20%。
許多軸需要三個或更多的軸承來支撐，這就意味着它是一個超靜定問題。材料力學教科書中介紹求解這類問題的方法。但是，設計工作應該與特定場合的經濟型相符合。例如，需要一根由三個或更多個軸承來支撐的主傳動軸，可以對力矩做出保守的假定，按照靜定軸對其進行設計，其成本可能會更低一些。由於軸的尺寸增大所增加的成本可能會比進行復雜。精細的設計分析工作所多花費的成本要低一些。
軸的設計工作中的另一個重要方面是一根軸與另一根軸之間的直接連接方法。這是由剛性或者彈性聯軸器來實現的。
聯軸器是用來把相鄰的兩個軸端連接起來的裝置。在機械結構中，聯軸器被用來實現相鄰的兩根轉軸之間的半永久性連接。在機器的正常使用期間內，這種連接一般不必拆開，在這種意義上，可以説聯軸器的連接是永久性的。但是在緊急情況下，或者在需要更換已磨損的零件時，可以先把聯軸器拆開，然後再連接上。
聯軸器有幾種類型，它們的特性隨其用途而定。如果製造工廠中或者船舶的螺旋槳需要一根特別長的軸，可以採用分段的方式將其製造出來，然後採用剛性聯軸器將各段連接起來。一種常用的聯軸器是由兩個配對的法蘭盤組成，這兩個法蘭盤藉助靠鍵傳動的軸套連接到相鄰兩節軸的兩端，然後用螺栓穿過法蘭連接起來形成剛性接頭。相互連接的兩根軸通常是靠法蘭面上的槽口來對準的。
在把屬於不同的設備（如一個電動機和一個變速箱）的軸連接起來的時候，要把這些軸精確地對準是比較困難的，此時可以採用彈性聯軸器。這種聯軸器連接軸的方式可以把由於被連接的軸之間的軸線的不重合所造成的有害影響減少到最低程度。彈性聯軸器也允許被連接的軸在它們各自的載荷系統作用下產生偏斜或在軸線方向自由移動（浮動）而不致產生相互干擾。彈性聯軸器也可以用來減輕從一根軸傳到另一根軸上的衝擊載荷和振動的強度。
Lesson 5 軸和相關零件
軸通常是指旋轉的和傳遞動力的相對比較長的零件，它屬於輪的一部分。一個或多個諸如齒輪，鏈輪，皮帶輪和凸輪等類的構件通常藉助於銷，鍵，花鍵，卡環或其他裝置連接到軸上。後面提到的這些構件在本篇課文中被稱為“相關零件”，還有聯軸器和萬向節，它們被用來實現軸與動力源或與載荷之間的連接。
軸可以不是圓形，並且它也不一定是旋轉的。軸可以是靜止的，用來支撐一個旋轉的構件，比如：在汽車上用來支撐從動輪的短軸。支撐惰輪的軸可以是旋轉的或者是靜止的，這取決於與軸配合或是由軸支撐的齒輪是否經過軸承。
很顯然，軸將承受軸向，彎曲，扭轉等載荷的各種組合的作用。而且，這些載荷可能是靜態的，也可。並且能是波動的。典型的，一根旋轉軸傳遞能量要承受一個不變的扭矩（產生一個大小恆定的扭轉應力）還承受一個扭轉歪曲載荷（產生一個交替歪曲應力）。
為了滿足強度條件，軸的設計必須保證其偏轉在可接受的極限範圍內。過多的軸橫向偏轉會阻礙齒輪的運轉並且引起令人不快的噪聲。相關的角度偏轉會對非自定心軸承造成破壞性損傷（不管是平動或滾動軸承）。扭矩偏轉會影響凸輪或齒輪驅動機制的精度。此外，柔性（橫向的或扭轉的）越大，則相應的臨界轉速就越低。
有時一些零件如齒輪和凸輪是與軸造成一個整體，但更多的這類零件（包括滑輪和鏈輪）是單獨製造的，然後安裝到軸上。被安裝零件與軸接觸的部分叫輪轂。軸上輪轂的附件可以通過許多方法制造。一個齒輪可以用軸肩和墊圈進行軸向固定，並通過鍵來傳遞扭矩。與鍵配合的軸上的凸槽和軸轂叫鍵槽。
一種更簡單的固定方式，它傳遞相對比較輕的載荷是通過銷進行的。銷提供了一種相對比較經濟的傳輸軸向載荷和周向載荷的方式。
軸向定位和輪轂限位以及軸承在軸上的安裝是通過定位環來實現的，它通常叫做卡環。卡環需要在軸上開凸槽，而凸槽會削弱軸的承受能力，但如果凸槽開在應力較小的地方，這就不是不利的。
可能最簡單的輪轂與軸之間的固定是藉助於過盈配合來實現的。轂孔只是比軸的直徑小一點，安裝是通過對輪轂施壓或使其熱膨脹來完成的，有時也通過收縮軸來完成安裝，就如同乾冰一樣---在温度達到平衡之前完成組裝。有時候也把定位銷和過盈配合一起使用。
最好的傳遞扭矩的方式是藉助於在軸和輪轂上加工出來的相對應的花鍵來實現的。花鍵和普通平鍵都可以保證輪轂和軸一起滑向軸心。
旋轉的軸，尤其是那些高速運轉的軸，它們必須設計成避免在極限速度下工作。這通常意味着要保證足夠的橫向剛度使得軸工作時轉速可以明顯高於最低臨界速度。
考慮到橫向振動和臨界速度，製造以及運行的現實考量是旋轉系統的質心永遠不可能與其旋轉中心重合。因此隨着軸的旋轉速度增加，作用在質心的離心力將會增加彎曲軸的趨勢。在軸的最低臨界（或額定）速度下，離心力與軸的彈力處於平衡狀態，而此時軸處於一個適當的變形狀態。在臨界速度下，此時平衡
理論要求用一個無限中心來代替質心。阻尼使平衡會出現一個有限質心。然而，這一質心替代所產生的影響通常會大得使這根軸折斷。在臨界速度之上的足夠大的轉速可以得到質心向旋轉中心移動的結果，得出一個令人滿意的平衡位置。在一些特殊情況下（如一些高速渦輪機），通過快速經過臨界速度（卻沒有足夠的時間使得軸達到一個變形平衡），然後工作在臨界速度之上的方法可以得到令人滿意的運行結果。
一些應該牢記的基本原則是： 1. 度。
2.儘可能使必要的應力集中源遠離軸上承受較高應力的區域。可考慮採用局部表面強化工藝（諸軸越短越好，並且使軸承靠近外載荷。如此便可以減少變形和彎矩，並且提升軸的最大臨界速如噴丸強化和常温滾壓）。
3. 用廉價鋼材來製造撓度臨界軸，因為所有的鋼材都具有相同彈性模量。 當重量是最重要的因素情況下，可以考慮中空的軸。
軸的最大允許撓度通常是由臨界速度，齒輪或者軸承相關要求決定的。臨界速度的要求會隨着具體的應用發生很大的改變。齒輪和軸承的運行時隨着齒輪或者軸承的設計以及應用發生改變，但是以下內容可以用作一般性指導：
1. 0.03°在滑動軸承中，軸（軸頸）的偏轉必須小於油膜厚度。
2.如果沒有采用調心軸承，軸在球軸承或滾子軸承中的角度偏轉通常不能超過0.04°。
3.軸的偏轉不應造成相互齧合的齒輪輪齒間間隙超過0.13mm，也不應造成齒輪軸心傾斜變化超過
Lesson 6 皮帶、離合器、制動器和鏈條
皮帶、離合器、制動器和鏈條是利用摩擦作用在機器組成上的一個例子，皮帶提供一種方便的方式，用來傳遞從一根軸到另一根軸上的動力。通常，有必要使皮帶降低馬達高速旋轉的速度，來降低機械設備所需的花費。當軸需要經常連接和拆開的時候，就需要用到離合器。制動的作用使機械能轉化為熱量。摩擦設備的設計取決於必須用到的摩擦係數值的不確定性。鏈輪在平行軸之間傳遞動力能提供一個方便和有效的方式。
人造纖維和橡膠V帶廣泛用來進行動力傳送。V帶有兩種系列：標準V帶和高負荷V帶。帶的其他種類可用於動力傳遞的目的。同步帶上的齒可以使軸與軸之間實現完全同步。
當設計V帶驅動的時候，計算兩種或三種帶和帶輪的不同佈局所帶來的費用差異，用來確定哪種佈局所花費用最少，這種方法是一個很好的方案。各種V帶製造廠的目錄包含很多有用的信息。
V帶在動力傳遞領域中是一個很重要的組成。經過各種製造廠不斷的改進提高，需要時不時修正負荷的數值。通常設計師被當前廣告的印刷品所影響，尤其是他想期望使用的帶的牌子。要考慮前述的發展，方法是顯示比如通過彎曲、離心力作用和動力傳遞，如何影響帶的疲勞壽命。
離合器是一個用來使從動軸與位於同一軸線上的主動軸進行快速和順利的連接或脱開的裝置。離合器通常放置在到機器的輸入軸和從驅動電動機的輸出軸之間，為啟動和停止機器提供一個方便的方式，而且允許啟動馬達或發動機以空載運行。
電動機裏的輪子有轉動慣性，需要扭矩，使電動機從啟動運行到正常工作的速度。如果電動機的軸與具有很大轉動慣量的負載剛性地連接在一起，當合上開關使電動機突然啟動時，有可能在電動機沒有來得及足夠的扭矩，使電動機軸達到應有的轉速之前，電動機內的線圈就會因為過大的電流而被燒燬。在電動機和負載軸之間的離合器限制電動機啟動扭矩只是用來加速輪子和離合器的零件。在一些機牀上，通過離合器，能很方便地驅動電動機不停地運轉和啟動、停止機牀。
制動器和離合器很相似，除了其中一根軸被固定的元件所代替。制動器的功能就是吸收能量（那就是，把動能和勢能轉化為摩擦熱）和在沒有破壞的持續高温下散熱。離合器也可以吸收能量和散熱，但以低速率進行。使用制動器（或離合器）地方通常持續一個週期，做好快速散熱到周圍空氣的準備。對於間歇的操作，零件的熱容量能存儲更多的熱量，然後經過很長的週期散熱。設計制動器和離合器的零件必須避免這種要不得的熱量壓力和熱量的扭曲。
在摩擦面之間單位面積上所產生熱的速率等於正壓力，摩擦係數和摩擦速度三者的乘積。制動和制動材料的裏料製造商引導化驗和累積經驗，以便他們能達到PV實驗上的數值（正常壓力次數和摩擦速度），和在摩擦表面的單位面積動力，摩擦表面是適當明確了制動的設計，制動材料的裏料和服務情況的類型。
鏈傳動集中了皮帶和齒輪驅動的一些優點。對於任意實際軸的距離，鏈傳動能提供任意速率。他們超過齒輪主要的優勢是鏈傳動能以任意中心距來工作。和帶傳動相比較，鏈傳動的優點是強制（無滑動）傳動，因此具有更大的傳遞動的能力。另一個優點是單條的鏈傳動，以不同的速度，甚至能同步運動，不但能驅動兩根軸，而且能驅動多根軸。主要應用在輸送帶系統、農業機械設備、紡織機械和摩托車。
最簡單的鏈傳動的形式，包括兩個任意大小的鏈輪和一個鏈環。帶有外部齒形的鏈輪以便它們能安裝到驅動鏈上。齒形有很多齒組成。在最近的汽車應用領域裏，通過修改齒的形狀和/或大小來降低噪音。
鏈傳動可以應用在一定精確的範圍內，從優質鏈傳動到普通鏈傳動的範圍內。普通鏈的成本低，主要用於額定功率在40KW以下的非關鍵性的傳動中。與之相反，優質鏈傳動被設計用於高速和傳遞大功率的場合。
Lesson 7 緊固件和彈簧
緊固件是將一個零件與另一個零件連接的零件。因此，幾乎所有的設計都要用到緊固件。人們對任何產品的滿意程度不僅取決於所選的零件，還取決於它們連接的方式。緊固件為產品設計提供以下特徵：
（1） 為檢查和維修提供拆卸的方便為由很多組件組成的組合設計提供方便。（2）組合設計有助於製造和運輸。
緊固件有3種主要分類，如下所示： （1）可拆式的。採用這種緊固件連接的零件很容易被拆開，而且不會對緊固件造成損傷。例如普通的螺栓螺母連接。
（2）半永久式的。採用這種緊固件連接的零件雖然被拆開，但是已經對緊固件產生一定的損壞。例如開口銷。
（3）永久式的。當使用這種緊固件時，永遠都不能拆開。例如鉚釘和焊接。
對於一個特定的應用，選擇緊固件時需要考慮以下的因素： 主要的功能、外觀。
大量的小型緊固件和小量的大型緊固件的確定（如螺栓） 操作環境，比如振動，負載和温度 拆卸的頻率 零件位置的可調性 連接件的材料類型 緊固件失效和鬆動的後果。
通過複雜的產品，都可以意識到緊固件的重要程度。例如在汽車，是由成千上萬的零件連接在一起得到一輛汽車的。單個緊固件的失效或鬆落都能導致簡單的障礙，例如門發出咔吱響或者嚴重的故障例如車輪脱落。在特定應用場合，選擇緊固件的類型時，需要考慮到這些可能性。
在外載荷作用下，彈簧是一個能產生相對大的彈性變形的機械零件。指出變形和負載成正比關係的胡克定律表明了彈簧的基本性能。然而，一些彈簧在負載和變形之間不是成正比的關係的。彈簧的重要性和應用如下所述：
（1）控制機構運動。這類應用佔彈簧應用的主要部分，如在離合器和制動器中起操縱力的作用。彈簧也用來保持凸輪和從動件的連接。
（2）緩衝和減振。這類應用包括汽車懸架系統彈簧和緩衝彈簧。
（3）儲存能量。這類應用於鍾、攝像機和割草機。很多停車計費使用彈簧裝置來實現計時功能。
（4）測量力的大小。用來稱重量是最普遍的用途。
大部分的彈簧用鋼製造，但是也有用硅青銅，黃銅和銅鈹合金製造而成。彈簧通常由專業從事生產的廠家完成。圓柱螺旋彈簧是最常用的一種；扭杆和板彈簧也經常應用。對於圓柱螺旋彈簧，如果彈簧絲直徑小於8mm，通常用冷拔鋼絲或者由回火鋼絲通過冷卷法制成。如果彈簧絲直徑較大，採用熱軋鋼筋卷制彈簧。
選擇彈簧，尤其是遇到重載、高温、需要承受交變應力或者需要具有抗腐蝕性的時候，應該向彈簧製造廠家進行諮詢。為了正確選擇彈簧，應該對彈簧的各種使用要求，包括空間限制進行全面研究。有許多不同種類的專用彈簧可以滿足一些特殊要求或用途。
Lesson 8 螺紋連接件
螺紋連接件起着定位、夾緊、調整和從一個機器零件向另一個傳遞力的作用。螺紋連接件是標準化，通常在大規模設計機器中使用。不管其他連接方法的改進，螺紋緊固件在設計中保持了基本的裝配方法和機器的結構。為了達到效果，每一個應用需要合適的設計和安裝，因為單一緊固件的失效帶來破壞性，甚至是災難性的。所以，工程師必須選擇合規格的連接件的類型和大小，這樣能適合即將到來的應用。
通過在另一個方向上（切向）作用的小規模的力，螺紋連接件能有效運用和保持在一個方向上（軸向）
多個力的作用。所有這些都是基於單頭螺紋螺釘的，它是一個簡單機械，可以在最小的空間內產生很大的機械效益，而且在理論上是自鎖的。然而，有效的使用需要另外兩個簡單的機構的幫助：槓桿和輪軸機構。扳手就是一個基本的槓桿；螺絲刀是一個輪軸機構。
螺紋連接件基本上是小型，高拉力的零件。螺紋是螺旋狀的隆起物，在圓柱體的表面通過切削和冷成型形成一個槽，所以加工出螺釘，螺栓和雙頭螺柱。當加工出個別在形狀上對稱，圓柱體內表面形成的螺紋，稱為螺母。內外螺紋配合是所有的螺紋連接件裝配的關鍵。旋轉運動的螺母安裝在靜止的螺釘上，首先沿着螺釘傳遞一個軸向的運動、當遇到的阻力的時候，螺紋要求通過楔作用，產生一個軸向力。隨着軸向力的增加，更多的旋轉要求增加更多的努力（扭矩）。所以，連接時很緊湊的，除非受到外部的影響，比如振動或者氣温變化超過了初期的條件。
統一標準螺紋有三個基本系列的直徑—螺距組合。對於普通的裝配使用，在振動不影響和需要經常拆卸的地方，粗牙系列是應用最廣泛和推薦使用的。統一標準細牙螺紋在強度上有所提高，而且更適用於那些要求精密調整的場合。這個系列通常用在飛機的裝配中。因為螺紋很小，在高載荷應用裏，螺母的設計非常重要以防螺紋滑扣。統一標準超細牙螺紋應用在那些和外螺紋配合的地方，是薄壁的一個部分。這類螺紋更能抵抗振動，而且能提供更精密調整。
統一標準螺紋在圖樣，材料清單等標註，用一個簡化的符號包括大小、螺紋的系列，配合級別和內外螺紋符號（A是外螺紋，B是內螺紋），還有螺紋的旋向。例如，符號1- 20UNC -2A – RH 4標註帶有外螺紋的零件，零件具有1英寸的直徑，每英寸有20個螺紋、公差等級2級和右旋的統一粗牙43- 16UNC -2B – LH 4螺紋。通常，右旋可以省略，因為它是標準的。另一個例子符號為內螺紋，左旋，有基本主要的3英寸的直徑，沒英寸長度上有16個統一細牙螺紋。 4ISO標準包括多種直徑-螺距的組合，但是美國標準就只指定了一種直徑-螺距系列。用毫米表示的大徑基本尺寸的數字跟在公制螺紋用字母M表示的後面，後面繼續跟着毫米為單位的螺距，用符號×分隔。例如M4×0.7表示，一個公制螺紋的大徑基本尺寸為4毫米，螺距0.7毫米。
大部分的螺釘連接件都是可拉伸的零件，容易受彎曲載荷的影響。墊片經常被與螺紋緊固件一同使用，為螺母和螺栓頭提供更好的支撐面，為支撐面提供更大的間隙孔或者槽，把負荷分佈在一個大的面積內，防止在裝配過程中損壞零件，改進扭矩-拉力的比例（通過減少摩擦力），通過彈簧的作用在某些情況下鎖緊。平墊圈很薄，環形的圓盤，主要用來在支撐面和負載分佈，沒有鎖緊的能力。錐形彈簧圈是由淬火後
又經過回火處理的鋼製成的，它的形狀稍微有一點像碟子。當螺桿太緊圓錐墊圈發生變形，由於熱漲或者由於墊圈的壓縮，用彈簧可以補償在螺桿拉力作用下的變形。彈簧墊圈基本上是單圈螺旋形彈簧，在負載作用下變平。彈簧的作用能促進螺桿負載的維持，通過咬入支撐面上，分開的邊緣提供一些鎖定的作用。這些有鎖定功能的墊圈一般由淬火鋼製成。
螺紋連接件通常由於疲勞失效：所以，碳鋼和碳合金通常作為螺紋連接件材料。對用於統一標準和公制螺紋連接件的材料，美國材料試驗學會和美國汽車工程學會建立了標準。美國汽車工程學會標準把材料劃分等級，必須要滿足最小拉力強度，試驗載荷和結構和加工要求。另外，美國汽車工程學會的等級被分級系統所認可，能在螺桿端部找到。美國汽車工程學會等級標準需要符合大量不同的鋼。這樣，緊固件生產廠家可以在一定的範圍內選擇最適合他們特定的生產設備的材料。
除碳鋼之外，在抗腐蝕的地方能用很多不鏽鋼合金來做螺紋連接件。由於經濟的原因，雖然鐵素體合金例如430經常使用，但是奧氏體不鏽鋼，例如304和316具有更好的耐腐蝕性。鎳基高温合金，例如蒙乃爾銅鎳合金、鉻鎳鐵耐熱耐腐蝕合金在高温，抗腐蝕性的場合也經常用作螺紋連接件。鋁、青銅和黃銅也用作螺紋連接件。在腐蝕性的環境裏，在強度要求不高的地方，連接件用尼龍和其他塑料來做成，又適用有便宜。
Lesson 9 滾動軸承
對於球軸承和滾子軸承，一個機器設計人員應該考慮下面五個方面：（a）壽命與載荷的關係；（b）剛度，也就是在載荷作用下的變形；（c）摩擦；（d）磨損；（e）噪聲。對於中等載荷和轉速，根據額定載荷選擇一個標準軸承，通常都可以保證其具有令人滿意的工作性能。當載荷較大時，軸承零件變形，儘管它通常小於軸和其他與軸承一起工作的零部件的變形，將會變得重要起來。在轉速高的場合需要有專門的冷卻裝置，而這可能會增大摩擦阻力。磨損主要是由於污染物的進入引起的，必須選用密封裝置以防周圍環境的不良影響。
因為大批量生產這種方式決定了球軸承和滾子軸承不但質量高，而且價格低，因而機器設計人員的任務是選擇而不是設計軸承。滾動接觸軸承通常是採用硬度約為900HV、整體淬火的鋼來製造的。但在許多
機構中不使用專門的套圈，而將相互作用的表面淬硬到大約600HV。滾動軸承由於在工作中會產生高的應力，其主要失效形式是金屬疲勞，這一點並不奇怪，目前正在進行大量的工作以求改進這種軸承的可靠性。軸承設計可以基於能夠被人們所接受的壽命值來進行。在軸承行業中，通常將軸承的承載能力定義為這樣的值，即所承擔的載荷小於這個值時，一批軸承中將有90%的軸承具有超過一百萬轉的壽命。
儘管球軸承和滾子軸承的基本設計責任在軸承製造廠家，機器設計人員必須對軸承所要完成的任務作出正確的評價，不僅要考慮軸承的選擇，而且還要考慮軸承的正確安裝條件。
軸承套圈與軸或軸承座的配合非常重要，因為它們之間的配合不僅應該保證所需要的過盈量，而且也應該保證軸承的內部間隙。不正確的過盈量會產生微動腐蝕從而導致嚴重的故障。內圈通常是通過緊靠在軸肩上進行軸向定位的。軸肩處的圓弧半徑主要是為了避免應力集中。在軸承內圈上加工出一個圓弧或者倒角，用來提供容納軸肩處圓弧半徑的空間。
在使用壽命不是設計中的決定因素的場合，通常根據軸承受載荷時的產生的變形量來確定其最大載荷。因此，“靜態承載能力”這個概念可以理解為對處於靜止狀態的或者進行緩慢轉動的軸承所能夠施加的載荷。這個載荷對軸承在隨後進行旋轉運動時的質量沒有不利影響。按照實踐經驗確定，靜態承載能力是這樣一個載荷，當它作用在軸承上時，滾動體與滾道在任何一個接觸點處的總變形量不超過滾動體直徑的0.01%。這相當於直徑為25mm的球產生0.0025mm的永久變形。
只有將軸承與周圍環境適當地隔離開，許多軸承才能成功地實現它們的功用。在某些情況下，必須保護環境，試其不受潤滑劑和軸承表面磨損生成物的污染。軸承設計的一個重要組成部分是使密封裝置起到應有作用。此外，對摩擦學研究人員來説，為了任何目的而應用於運動零部件上的密封裝置都是他們感興趣的。因為密封裝置時軸承的一部分，只有根據適當的軸承理論才能設計出令人滿意的密封系統。
雖然它們很重要，與軸承其他方面的研究工作相比，在密封裝置的研究方面所做的工作還是比較少的。
Lesson 10 超高温渦輪發動機軸承
在下世紀初期用於航天動力的先進汽油渦輪發動機已經處於設計階段。這些發動機將具有非常高的效率，而且在很多例子中，能使航天飛機的速度超過3馬赫。這些發動機的主軸軸承的工作條件要求非常高。可以預測到，主軸轉速超過30000r/min，而軸承的温度超過650°C。
在需要有較長的軸承壽命的用途中，對於採用液體潤滑的鋼製軸承來説，目前的温度極限是200°C。對於軸承壽命短的應用中，有可能達到450°C。即使使用在技術上最先進的液體潤滑劑和金屬合金，在軸承工作極限壽命中，軸承的工作温度是500°C。
越過常規軸承的設計理念，利用最新的研究成果應用到高温材料和固體潤滑劑的新想法是需要的。在目前的温度極限下，預計極高的工作温度（800°C -900°C）是不可能達到的。陶瓷軸承帶來了能提高工作温度達到相當於650°C的希望，但是發生在高速高温陶瓷滾動軸承中的摩擦的相互作用是複雜和變化的。軸承和潤滑劑材料的有效選擇取決於他們熱量的、物理的、化學的和機械的特性，也包括應用的工作環境和工程技術約束。
滾動體和滾道的材料
對於高温軸承的滾動體和滾道，評價材料的最重要標準是高温強度（硬度），機械特性和氧化性。工具鋼是目前製造航天發動機軸承的最常用材料，它的實際温度極限大約是400°C。在這種温度下，正常軸承用鋼會快速失去硬度。
超高温軸承是一組高性能陶瓷材料。在温度高於1100°C時，這些陶瓷材料比常規的軸承工具鋼具有更高的硬度。在過去的10年裏，開發了一種具有高速高温的陶瓷材料製成的滾動軸承：熱壓的或熱等靜壓的氮化硅。當有足夠的潤滑劑的時候，氮化硅是合用的，因為具有好的高温強度和硬度，在強度/重量關係上有優勢，而且還能具有極好的防止滾動體發生疲勞性能。
然而，氮化硅有缺點，包括較低的抗拉強度，較低斷裂韌度和非常低的熱膨脹係數。由於具有這些性能，在陶瓷軸承的製造和應用方面需要做大量的開發工作。
其他的陶瓷材料，例如碳化硅和碳化鈦，已經被評為合適的滾動體和滾圈的材料。儘管不像氮化硅那麼普及和成熟，它們確實具有某些能夠使其成為高温滾動軸承備選材料的性能。例如，在做40000r/min的軸承測試中，把碳化硅作為滾動體的材料，雖然温度沒有達到極限，但是它已經超過了液體潤滑劑的範圍。潤滑系統僅僅包含了一層固體潤滑劑膜。
碳化硅有利於在高温軸承中應用的性能是其良好的導熱率和熱擴散率，抗氧化性和高純度（性能幾乎不受雜質的影響）。這種材料的一個缺點是它具有較高的彈性模量。它的彈性模量比熱壓氮化硅高出50%，
因為高赫茲接觸應力的危險，使這一特性作為一個潛在的問題。
固體潤滑劑
值得注意的是，對於大多數的合成潤滑劑，它的温度極限幾乎等於最先進的軸承用鋼的温度。對於未來渦輪發動機，計算的工作温度是大大超過了這些材料的温度極限。唯一的解決辦法就是利用非常規的潤滑劑。
如果滾動軸承充分潤滑劑和並且有良好的密封性，阻擋污染物進入，軸承的壽命一般取決於材料的疲勞極限。如果不能採用液體潤滑劑，則有必要採用某種形式的邊界潤滑來減少摩擦熱和磨損。軸承接觸部分表面形成的氧化層可以提供有限週期的潤滑。
當選擇了固體潤滑劑之後，發現困難在於找到一種複合物，它的耐熱和抗氧化性都超過温度範圍，例如，從-50°C到+980°C。在低温條件下工作良好的固態潤滑劑經常會在高温情況下被損壞或變得有磨蝕性，反之亦然。
潤滑膜的重要性怎麼強調都不過分，即使採用陶瓷材料時也是這樣。無潤滑的氮化硅或碳化硅既沒有固有的低摩擦性，也沒有良好的抗磨損性。這些特性可以通過與材料相適宜的固態潤滑劑的幫助而獲得。用包含高温添加劑的石墨潤滑氮化硅，可以形成一層減小摩擦係數的摩擦化學膜，因此，便減少了熱量的產生。摩擦力的減小取決於：油膜與基體材料相比，它是否更容易被撕裂。
對於工作在超高温—--高於550℃情況下的軸承，更要考慮較之於石墨潤滑劑更具熱穩定性的固態潤滑劑。在充分理解各式各樣元件之間的摩擦學關係的前提下，來進行復雜潤滑系統的開發，如：高温潤滑劑，陶瓷制軸承，是絕對必要的。
Lesson 11機牀構造
機架是機牀的基本組成。大部分的機架是由鑄鐵、焊接鋼、複合材料或者混凝土製成的。以下因素決定材料的選擇：
這些材料必須抗變形和抗破裂。其剛性必須與彈性平衡。機架必須能夠承受衝擊，在載荷作用下不產生裂縫和永久變形。機架材料必須能消除或阻止振動的傳遞，從而減小使機牀精度及壽命下降的擺動。機架必須能抵抗不利的車間環境，其中包括新的冷卻液和潤滑劑。機架材料不能產生過多的熱，必須能在其額定壽命內不發生變形，必須擁有足夠的密度使力分佈均勻。
各種機架材料的利與弊
鑄件或焊件都可用於大部分應用場合。要決定哪一個最好，還要看給定的設計環境下所用成本而定。 鑄鐵。幾乎全部的機牀架都由傳統的鑄鐵來製造，因為任何其它方法都難以獲得的特徵都可通過鑄造獲得。鑄鐵擁有較好的剛度/重量比以及較好的阻尼特性。在有需要的地方改變鑄件壁厚和添加其它金屬，都是相當容易實現的。
儘管鑄鐵比較便宜，但鑄件都需要有一個鑄模。因為鑄模的成本，想要獲得更大尺寸的鑄件則成為一個限制因素。螺栓接合問題，鑄鐵需要退火，這些都是難以滿足的，而且隨着鑄件尺寸增加，製造成本也隨之增加。小尺寸，大批量的機器通常產用鑄鐵機架，因為它們可以很容易地承擔鑄模成本。對於小批量的機器來説，焊接件機架會更便宜。
焊接鋼。在不利於使用鑄件的場合下，機器製造商則用焊接鋼來製造機架。因為焊接鋼擁有更高的彈性模量，通常會在焊接鋼上使用加強筋以提高其剛度。確定要使用焊接鋼的數量是一個設計權衡的過程：雖然使用焊接鋼可以容易獲得較大面積截面，甚至可以在原設計完成後再增加其它特徵，但熱量可導致其變形並且製造成本也隨之增加。另外，焊接鋼通過鋼架也可以阻止振動的傳遞。機架製造商有時會通過向焊接鋼結構通循環冷卻水或向鑄造型腔添加鉛或沙的方法來增大阻尼。
複合材料。使用上述材料的改良材料，包括高分子材料，合金材料，以及陶瓷基體材料，都有可能使機牀的設計發生巨大變化。可以使基體和增強材料在某一個指定的軸線方向上具有所需要的強度。
陶瓷。日本於20世紀80年代提出了試驗性的陶瓷機架機器概念。陶瓷擁有較高的強度，剛度，尺寸穩定性及良好的抗腐蝕性和極好的表面粗糙度，但陶瓷易碎並且價格較高。其較弱的傳導率既可能是其優勢也可能是其劣勢。複合材料及陶瓷的使用都是有限的。
鋼筋混凝土。儘管用於簡單截面的常規鋼筋混凝土增加了質量並減小了振動，但另一種形式的鋼筋混凝土，它際上是由被粉碎的混凝土或花崗巖粘合在高分子基體上形成的高分子基體複合材料更受歡迎。這種複合材料擁有比鑄鐵更好的阻尼特性，它幾乎可以被鑄成任何形狀，而不需要釋放應力，如果使用鑲嵌件，它還可以容納緊固件及軌道。然而，它的強度及熱擴散率都不及金屬材料。
設計者必須考慮與複合材料及金屬材料相連接的材料的不同膨脹係數。這類材料最常用於高精度機牀及磨牀中。
基礎
基礎應該保證機器的剛度，減震和隔離是次要的考慮事項。如果機牀剛度不足，基礎必須要能提供必要的剛度支持。在選擇基礎的時候，設計者必須考慮機牀的重量，它所產生的力，精確度要求，以及向與機器毗鄰的地面傳遞的載荷。地面土壤環境是一個問題，因為，長時間的改變會影響機牀穩定性。
機架設計
在機架設計中考慮的主要問題是：載荷，阻尼，檢測孔的數量，熱變形和噪音。
載荷。瞭解機牀產生的動態及靜態載荷是最基本的。基本載荷是靜態力：包括機牀及工件的質量。動態載荷指的是，機牀一經運轉就產生的各種載荷。它們包括：產生加速度和減速度的載荷，刀具作用載荷，由於不平衡所產生的載荷，由載荷和振動之間引起的自激載荷。
阻尼。
儘管機架材料及其設計方案應能使其阻尼減小，然而有時候也需要安裝阻尼器來解決某個具體問題。減振器只有在機器動態力很小的地方才會工作良好並且僅當設計者完全瞭解系統所涉及的所有載荷情況下才會有效率的工作。例如，當在靜態條件下工作良好的減振器，工作在動態力條件下，它的影響是弊大於利。
檢測孔。雖然每個機架應該是實心的，但是，機器都需要一定的開口以便組裝和維修。設計人員應該綜合考慮檢測孔的數量和尺寸與剛度和強度之間的關係。
熱力學方面的'考量.如果機架發生變形，那麼內部熱源或者外部熱源都是一個造成錯誤的主要因素。外部熱源包括車間的環境條件，冷卻劑與潤滑劑和陽光。機牀本身也有熱源：電動機，機器運動帶來的摩擦以及刀具在工件上的切削運動。理想情況下，應使機架產生的熱量減小到最小並保持一定。
噪音.鑑於健康和安全方面的因素考慮，如何減小噪音成為近年來比較受關注的話題。工件飛速轉動引起的空氣湍流以及飛速旋轉的卡盤，都是值得注意的問題。給機牀加上防護罩阻止噪音傳遞及使用阻尼衰減材料，都可以減小噪音。
Lesson 12直齒圓柱齒輪
齒輪，是帶齒的零件，從一根軸到另一根傳遞旋轉運動，它是在人類歷史中最古老的設備和發明。大約公元前2600年，中國人使用一系列的齒輪和戰車做成一體已經被世人所知道。在公元前第4世紀，亞里斯多德記述了齒輪，那時候似乎齒輪是很普通的。在公元第5世紀，達芬奇設計了大量的設備和各種齒輪合成一體。
在機械動力（主要包括齒輪傳動、帶傳動和鏈傳動）的各種傳遞方式中，齒輪一般是最牢固和持久耐用的。它們的動力傳遞效率能達到98%。另一方面，齒輪的費用比鏈傳動和帶傳動的費用要多。可以預料，齒輪製造的成本隨着精度的提高將會快速增加，精度指高速、重載和低噪音的組合要求。（對於各種加工精度等級而言，標準公差必須由AGAM，美國齒輪製造協會來制定。）
直齒圓柱齒輪在齒輪類型中是最簡單和使用最廣泛的一種。它們被用來在平行軸之間傳遞運動，它們的齒與軸線平行。
齒形幾何學的最基本要求是提供齒形的角速率，這個速率是一個常數。例如，角速率在20齒和40齒（例如，不是1.99個齒形作為給定的一對齒輪來齧合，也不的齒輪必須在每個位置精確到2個齒形齧合。
是2.01個齒形，那樣已經已經超出了齧合範圍）。當然，製造誤差和齒形變形將引起速率的輕微偏差；但是可接受的齒形是以理論曲線為基礎的，這樣可以滿足標準的要求。
當齒輪齧合時，會同時產生滾動和滑動，引起點蝕和磨損。點蝕是由滾動接觸造成的，而磨損是由滑動接觸造成的。當接觸應力很高的時候，最初的時候會產生點蝕；通過滑動能加速點蝕。雖然滑動引起磨損，也能產生流體力學的作用抵消磨損。這個相對的運動能充分提供流體力學所必須的環境條件，這個作用非常微小，也就是在表面之間有窄的，楔形的間隙，有相關運動。每次，齒輪發生齧合的同時，發生齒輪的滾動和滑動，表面和次表面的材料受壓應力、剪應力和拉應力的作用。結果是使表面以麻點和金屬腐蝕的形式減緩破壞。清楚地，這些現象通常被描述為單獨存在，但是在實際中並不是這樣的。兩種或多種作用可以同時發生。實際上，一種作用會促進另一種作用。結果是牙型表面變粗糙，改變牙型輪廓，和喪失共軛物運動。當工作性能不是很令人滿意的時候，失效肯定發生了，因為噪音，振動或者過熱。
在齒輪節線首先發生點蝕，在那些不存在滑落因素的地方，早期的故障由於缺少油膜的保護。引起表面疲勞的過多的接觸應力，是產生點蝕的最真正的原因。這是由於（1）狹窄的齒寬，（2）漸開線表面半徑太小，而且（3）頻繁過載。任意表面的半徑越小，接觸帶越狹窄，單位應力越大。在那些經常有大量重複應力的地方，就發生表面失效。微小的裂紋在表面和表面以下生成，然後擴展並連接到一起。最後，金屬的咬合被分開和擠掉，剩下點蝕。
最不昂貴的齒輪的材料通常是一般的鑄鐵，從ASTM（或AGMA）等級20，等級30、40、50和60，逐漸具有越來越高的強度和越來越昂貴。典型的鑄鐵齒輪擁有比彎曲疲勞強度更好的表面疲勞強度。鑄鐵齒輪內部的阻尼使它們比鋼製齒輪的傳聲小。球墨鑄鐵齒輪實際上擁有更好的彎曲強度，和較好的表面耐用性。一種好的組合通常是鋼製小齒輪和鑄鐵大齒輪齧合。
沒有經過熱處理的鋼製齒輪相對便宜，但是具有較低的表面耐久能力。熱處理鋼製齒輪必須抗扭曲；所以，通常更傾向於合金鋼和油淬火材料的齒輪。當硬度超過250~350Bhn時，通常在淬火前完成切削加工。如果在熱處理後形成表面，那麼，通過磨削，能得到更好的輪廓精度。但是如果完成了磨削，必須要注意避免在表面上形成殘餘拉應力。
在有色金屬裏，青銅是最常見用於製造齒輪的材料。非金屬齒輪（尼龍和其他塑料）通常噪聲小，持久耐用的，合理價格，而且經常在沒有潤滑劑的輕載下工作。它們的牙形比那些相應的金屬齒輪更容易變形。這樣，在發生接觸的時候，促進有效載荷分佈在齒形上。因為非金屬材料具有較低的熱導率，所以需要提供特定的冷卻液。而且，這些材料具有相對高的熱膨脹係數，這需要在安裝時比金屬齒輪具有更大的齧合間隙。
非金屬齒輪通常和鑄鐵或鋼製小齒輪齧合。如果有最好的抗磨損能力，齧合的小齒輪的硬度至少在300Bhn。對於由塑料做成的齒輪的設計過程，和用金屬製的齒輪設計過程非常相似，但是還不具備更高的可靠性。所以，對塑料齒輪，原型測試比金屬齒輪更重要。
Lesson 13 材料的物理特性
在選擇材料最重要考慮的問題之一是材料的物理性質（那就是密度，熔點，比熱，導熱率，熱膨脹率和耐蝕性）。物理性質在零件的製造和工作壽命中，有幾個重要的影響。例如，高速機牀需要採用重量輕的部件以減少慣性力，使機牀不會產生過大的振動。
1.密度
材料的密度是每單位體積裏的質量。另一個關係，比重，表達材料的密度與水的關係，所以，它沒有單位。對於自動的物體和部件，節省重量是很重要的，尤其在飛機和航空航天設備中，對於其他的產品，在能量消耗和動力有限的地方更受到極大的關注。在合計先進的設備與機器和設計諸如汽車等消費品的過程中，採用新的替代材料來減輕重量和降低成本是一個應該着重考慮的問題。
2.熔點
金屬的熔點取決於分離原子所需要的能量。合金熔點的温度有一個很寬的範圍（取決於合金的組成），而不像純金屬那樣，有一個固定的熔點。設計組成要素和結構在功能內的温度範圍是在選擇材料中一個很重要考慮的因素。
金屬的熔點在製造過程中產生一個間接的影響。因為金屬再結晶的温度涉及到它的熔點，例如退火、熱處理和熱加工要求所含材料的熔點知識。
3.比熱
材料的比熱是要求一個單位質量的温度升高一度所需要的能量。合金組成在材料的比熱上產生相對較小的影響。在機械加工過程中，工件温度的提升是所做的功和工件材料比熱的函數。如果工件温度提升過多，通過降低表面粗糙度和尺寸精度的不利影響來降低產品的質量，能引起過多的刀具磨損，也能導致在材料上發生不想要的冶金學變化。
4.熱導率
熱導率表明在材料內部傳遞熱量的速率。金屬一般具有較高的熱導率，而陶瓷和塑料具有較差的熱導率。
當熱量由塑性變形或者由於摩擦產生的時候，熱量以足夠高的速率被傳遞走，防止温度劇烈升高。例如，加工鈦的主要的困難，由它的較低的熱導率引起的。較低的熱導率可以產生高的温度梯度，因此，在金屬加工過程中會引起工件的不均勻變形。
5. 熱膨脹
材料的熱膨脹具有幾種顯著的影響，尤其是在裝配具有不同的膨脹和壓縮性質的不同材料，例如電子和計算機元件，玻璃-金屬密封，和在機牀上移動的工件，對於合理的功能都要求具有某些間隙。例如，陶瓷元件在鑄鐵引擎的使用中也要求考慮到它們相對的膨脹性。
收縮配合利用熱漲和壓縮的作用。例如，一個零件，比如是法蘭，要安裝到軸上。法蘭首先加熱，然後滑動安裝到為室温的軸上。當冷卻的時候，零件收縮，就把零件裝配成一個整體的部件。
6.抗腐蝕
金屬、陶瓷和塑料都受到腐蝕的作用。腐蝕本身通常涉及到金屬和陶瓷的變形，然而類似的情況在塑料中通常稱為降解。腐蝕不但引起零件和設備表面劣化，而且還降低它們的強度和結構完整性。
對於在化學、食品和石油工業，也包括製造業，抗腐蝕性在材料選擇上是一個很重要的方面。此外，各種可能的化學反應，從當前的組成或者複合物，零件和設備的環境腐蝕，是一個主要關注的方面，尤其在温度提升上。環境（氧、潮濕、抗腐蝕取決於材料的構成和特定的環境。腐蝕的介質可能是化學品（酸、鹼和鹽、污染和酸雨）和水（清水或鹽水）。有色金屬，不鏽鋼和非金屬材料都具有較高的抗腐蝕性。鋼和鑄鐵通常具有較差的抗腐蝕性，必須通過各種塗層或者表面處理來保護鋼和鑄鐵。牢固的某些等級的氧化物的有用性表明鋁、鈦和不鏽鋼的抗腐蝕性。鋁形成一個薄的（一些原子層）和粘附着氧化鋁層，它具有較好的保護表面免受環境的腐蝕作用。鈦形成氧化鈦保護膜。相似的現象發生在不鏽鋼上，它在表面形成一層保護膜（因為現在的不鏽鋼中含有鉻）。當保護膜刮破，保護膜下面的金屬顯露出來的時候，一層新的氧化膜就形成了。
Lesson 14 運動學和動力學
運動學的目標原則是產生（設計）目標零件所要求的運動，然後精確地計算位移、速度和加速度，那些運動就作用在零件上。因為，大多數固着在地球上的機械系統，隨着時間變化，質量基本上保持常數，加速度定義為和時間的函數，也定義動力為和時間的關係。應力，輪流是作用力和慣性力的函數關係。由於工程設計是為了建立一些不會在其預期使用壽命內失效的系統，所以目標是保證應力對於所選用的材料和使用環境均處於安全的限度內。這樣很明顯要求規定所有系統力，而且使系統力保持在期望的範圍內。在機構中，最大的力經常是那些由於機械本身產生的動態力。動態力經常和加速度成比例，把我們拉回到運動學，它是機械設計的基礎。包含了運動學準則，在設計過程中最基本和最早的決定在成功的進行機械設計中是很重要的。較差的運動學設計將引起麻煩和很差的工作。
任何機械系統能根據擁有的自由度的數目來區分。系統的自由度等於獨立參數的數目，在任意時間中，需要唯一確定它在空間位置的參數。
在一個參考系內自由運動的物體，通常會做複雜運動，即同時進行迴轉和平移運動。在三維空間裏，它們可能繞着軸旋轉，能同時解決零件沿着3根軸平移。在平面上或者二維空間，複雜運動變成了繞一個（垂直於這個平面的）軸線的轉動和同時發生的可以被分解為沿在這個平面內的兩個座標軸的平移分量。簡單而言，我們限定現在所討論的情況是在二維平面的運動學系統。我們將定義以下關係，在平面運動：
單純轉動
物體擁有一個點（旋轉中心），這個點沒有運動，關於“靜止”框架為參考系。物體上的其他點被描述為以它為圓心的圓弧。通過圓心畫在物體上的基準直線僅改變它的點的方向。
單純平移
物體上所有點的軌跡為直線。在物體上所畫出的一條基準線，只會改變它的位置，而不會改變它的角度方向。
任何在物體上所畫出的一條基準線將改變它的線性位置和它的複雜運動 轉動和平移的同時組合運動。
角度方向。在物體上的點將沿不平行的軌跡運動，在每個時刻，有一個旋轉的中心，不停改變位置。
連桿機構是所有機構的基本組成模塊。所有一般機構的形式（凸輪、齒輪、帶輪、鏈輪）實質上都是連桿機構的演變。連桿機構由杆件和運動副組成。
杆件是一個剛體，擁有至少2個節點，節點是和其他杆件連接的點。
運動副（也稱為接頭）是連接兩個或多個連桿（在它們的節點），在連接杆之間用來連接一些確定的運動，或者潛在的運動。
低副的關係用來描述和表面接觸的接頭，如在孔內安裝銷。高副的關係用來描述點或者線接觸的連接。但是如果在孔和銷之間有任意間隙（用於運動），在鉸鏈中所謂表面接觸實際上變為直線接觸，因為銷僅接觸孔的一側。同樣地，在微小精度的水平下，一個物體在平面上滑動實際上只在幾個離散點上接觸，就是表面粗糙的頂端。相比高副，低副的優點最主要是它們在包絡面上具有較好的潤滑能力。尤其對於旋轉的鉸鏈效果更好。潤滑劑更容易在高副中被擠出。結果，鉸鏈具有較低的磨損和較長的壽命。
在設計機器的時候，我們必須首先完成有關設計的運動學分析，為了獲得有關運動物體的加速度。我們接下來想用牛頓第二定律進行動力計算。但是這樣做，我們必須知道所有已知加速度的移動零件的質量。這些零件不會分離！如同任何的設計問題一樣，我們在設計階段缺少足夠的信息來準確的決定零件的最佳的大小和形狀。在設計中，我們必須估計連桿的和其他零件的質量，為了在初次計算中通過。我們將反覆驗算得到越來越好的解決方案，以便我們得到更多的信息。
對於所有零件，通過假設一些合理的形狀和尺寸，和通過選擇合適的材料，獲得零件質量的最初估計。每個零件的體積的計算等於它的（單位質量上的）體積乘以材料的質量密度（不是重量密度）來獲得最初的大概質量。這些質量值用在牛頓定理中。
我們怎麼知道，我們選擇杆件的尺寸和形狀是否可以接受，更不用説（尺寸和形狀是）最優了。遺憾的是，通過對零件的完整應力和變形分析之後，我們用所有的方法計算才知道（杆件的大小和形狀哪些是可以接受的）。通常情況是，尤其在長的、薄的零件，比如軸或細長的杆件，即使在較低的應力水平下，在它們的動態負載下的這些零件變形將限制到設計。
我們可能發現，在動態負載下發生零件的失效。然後，我們不得不又返回到最初的假設，有關形狀、大小和這些零件的材料，重新設計它們，重複進行受力、應力和變形的分析。設計不可避免地成為了一個迭代過程。
值得注意的是，在靜態力的作用下，可以通過增加零件的質量來提高其強度，將不合格的設計變為合格，而在動態力作用的情況下，這樣做可能產生有害的後果。具有相同加速度的更多質量將產生更大的力的作用，所以有更大的應力！由於F=ma，機器的設計師經常需要減少零件的質量，以便減少應力和變形。所以，設計師需要具有較好的理解材料的特性和應力及變形分析的能力，對於最小的質量，以便得到合適的零件形狀和尺寸；從而得到承受動態力的最大的強度和剛度。
Lesson 15 機構的基本內容
具有確定運動的相互關聯的零件和能執行有效工作的組合稱為機器。機構是機器的組成部分，由兩個或多個零件安排組成，以便一個運動驅動另一個運動。運動學僅研究機構的運動，而不考慮作用在機構上的力。在力和扭矩的影響下，動力學是研究單一物體和機構的運動。在靜止的系統裏（可忽略慣性的系統），力和扭矩的研究稱為靜力學。
綜合是一個過程，通過開發產品（例如機構）來滿足一系列的性能要求。如果產品的結構暫時確定下來，那麼需要檢查，確定（這個產品的結構）是否滿足工作性能要求，這個過程稱為分析。機構的設計包含綜合和分析（兩個過程）。
設計的過程從需求認識開始。然後，一系列的要求將羅列出來。通常要求位移、速度和加速度的詳細分析。零件的設計過程在分析受力和扭矩之後進行。在第一個模型產生之後，設計過程持續很長，而且還包括對零件的速度、加速度、力、扭矩的重新設計。為了年復一年獲得更好的設計，大部分製造者必須不停的修改它們的產品和它們的生產方法。經常需要提高生產率，提高產品的性能，重新設計的費用和減輕重量。對問題進行正確的運動學和動力學分析是成功的關鍵。
很久以前，大部分基本連桿的結構合併到機器的設計中，我們用來描述（連桿和機器設計）的關係已經變化了很多年。所以，定義和專門用語並不符合技術文獻的要求。然而，大多數情況下，具體的含義清楚的出現在解釋問題的語境中。尤其一些機器的運動學和動力學的關係研究在以下説明。
杆件
一根杆件是一個剛體或者連接到運動鏈的接頭。剛性杆件的關係，或者有時候單一的杆件，在機構的研究中是一種理想的應用，由於機器中零件的（微小的）應變，它不需要考慮一些微小的變形。一個絕對剛體或不可伸長的杆件只能作為真實機器零件在教科書上的模型存在。對於典型的機器零件，在尺寸上最大的變化是千分之一的零件長度。當考慮大部分典型機構發生較大運動的時候，忽略小運動是合理的。杆件是用作一般的意思，包括凸輪、齒輪和其他機械零件，還包括曲柄，連桿和其他銷連接件。
機架
在機構中固定的或者靜止的杆件稱為機架。當沒有實際固定的杆件的時候，我們需要考慮固定一根杆，決定和它相關的其他杆件的運動。例如，在汽車發動機中，發動機汽缸體看做是一個機架，即使汽車是可以移動的。
自由度
連桿機構中自由度的數目是等於機架或者固定杆件相連的每個杆件的指定位置所要求的獨立參數的數目。如果能完全地定義系統的瞬間結構，通過指定一個獨立的變量，那麼系統具有一個自由度。大部分實際機構具有一個自由度。
一個自由的剛體具有6個自由度：在三個座標系上平移，和繞着三個座標軸旋轉。如果在一個平面上剛體的運動受到約束，它有3個自由度：兩個座標方向平移和在平面內旋轉。
低副和高副
在剛體之間的連接包括零件的低副和高副。低副的2個組成具有和其他零件有理論表面接觸，而高副的兩個方面是具有理論點和線的接觸（如果我們忽略變形）。
運動鏈
運動鏈是杆件和副（接頭）的裝配。運動鏈是由若干個構件和運動副連接而成的。在閉式運動鏈中，每一個構件都同兩個或兩個以上的構件相連接。未能滿足閉環標準的連桿結構是一個開環的運動鏈。
連桿機構
因為我們希望檢查運動鏈，不用考慮它們的最終使用，這是很方便的，區分任意被連桿機構用運動接頭連接的剛體的裝配。所以，機構和機器都被看做是連桿機構。然而在某些參考文獻中，linkage這個詞只限於由低副構成的運動鏈。
平面運動和平面連桿機構 如果連桿機構中所有點在平行平面中運動，系統做平面運動，而連桿也被稱為平面連桿。如果我們檢查連桿機構由曲柄，連桿和活塞組成的活塞發動機，我們把它看做平面連桿機構。大部分的機構一般用作平面連桿。
空間運動和空間連桿 在運動中更常見的情況不能被描述為發生在平行平面的運動稱為空間運動，而相應的連桿機構就被認為是空間連桿或者三維連桿。
(四杆機構的)機架變換 連桿無約束的運動取決於連桿是固定的，也就是説，所選的連桿作為機架。如果另外兩個相當的連桿具有不同的固定杆件，那麼每一個都是另一個的機架變換。在兩個連桿中具有相同的相對運動。
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