工程力学与机械设计基础共48页文档

机械设计基础知识论述（doc 76页）1 材料力学知识要点一、材料力学基础（一）、构件承载能力-三个方面1 . 足够的强度构件抵抗破坏的能力称为强度。

2 . 足够的刚度构件抵抗变形的能力称为刚度。

3. 足够的稳定性受压构件保持其原有直线平衡状态的能力称为稳定性。

（二）、四种基本变形1 轴向拉伸与压缩2 剪切3 扭转4 弯曲（三）、基本概念1.基本假设均匀连续性假设、各向同性假设、小变形假设2．内力、应力（1）内力材料力学中的内力是指在外力作用下，杆件内部各部分之间相互作用力的改变量，称为“附加内力”，简称“内力”。

（2）截面法用截面假想地把杆件分成两部分，以显示并确定内力的方法称为截面法。

可将其归纳为以下三个步骤：截开：沿欲求内力的截面将杆件截分为两部分，保留任意一部分作为研究对象，弃去另一部分。

代替：用作用于截面上的内力代替弃去部分对保留部分的作用。

平衡：建立保留部分的平衡方程，确定未知内力。

（3）应力分布内力在截面上其一点处的集度称为应力。

应力P是矢量，通常将它分解为垂直于截面的分量σ和与截面相切的分量τ。

σ垂直于截面，称为正应力；τ与截面相切，称为切应力。

1Pa=1N／m2，1kPa=103Pa ，1MPa=106Pa ，1GPa=109Pa 。

二、轴向拉伸与压缩1．外力作用特点轴线方向的拉力或压力2．变形特点沿轴线方向伸长或缩短3．内力-轴力（1）轴力计算截面法计算（2）正负规定：拉正压负（3）轴力图4．应力-正应力正应力在横截面上均匀分布AF N=σ5．强度计算max σAF N=≤[]σ三、剪切和挤压1．外力作用特点 作用在构件两侧面上的横向外力的合力大小相等，方向相反，作用线平行且相距很近。

2．变形特点 截面沿外力的方向发生相对错动。

该截面称为剪切面。

剪切面平行于作用力的作用线，介于两个反向作用力之间。

3．内力-剪力 4．实用计算][ττ≤=AQ][bs bsbsbs A P σσ≤=四、扭 转1．外力作用特点作用在杆两端的一对力偶，大小相等，方向相反，而且力偶作用面垂直于杆轴线。

FT 灯
G 柔体 约束
G FN 光滑面约束
第8页，本讲稿共60页
3、光滑铰链约束
光滑铰链约束是指当两个非自由体相互连接后，接触处的摩擦 忽略不计时，只能限制两个非自由体的相对移动，而不能限制它们
相对转动的约束。由于两个光滑圆柱面接触时，因主动力的方向不
能预先确定，故约束反力方向也不能预先确定。因此，圆柱形销钉 连接的约束反力通过铰链中心，方向不定，常以两正交分力Nx、Ny 来表示。
第4页，本讲稿共60页
公理二（加减平衡力系公理）
在已知力系上加上或减去任意平衡力系，都不会改变原力系对
刚的效应。
推论一（力的可传性原理）
作用在刚体上某点的力，沿其作用线移到刚体内任意一点，不
会改变它对刚体的作用。
公理三（力的平行四边形公理）
作用于物体上某一点的两个力的合力，
D
C
作用点也在该点，大小和方向是由这两个力 为邻边所作的平行四边形的对角线确定。此
力偶使物体逆时针方向转动时，力偶矩取负号。
力偶矩的单位与力矩单位相同。
第13页，本讲稿共60页
3、力偶的性质
（1）力偶无合力，力偶不能与力等效，力偶只能用力偶平衡。
因此力偶和力是静力学的两个不同的基本物理量。 （2）力偶对其作用面上任意点之矩，恒等于其力偶矩，而与矩
心的位置无关。
（3）力偶的等效性
公理四（作用与反作用公理） 两物体相互作用的力，总是同时存在，这两个力的大小相等，
方向相反，沿同一直线，分别作用在这两个物体上。
注意： 1、公理一、公理二和推论一只适用刚体而不适用于变形体。 2、公理四是作用于两个物体上，公理一则是作用在同一物体
上的，不要把公理四与公理一混同起来。

取分离体:将所研究物体从周围物体中分离出来
明确施力体，找出所有外力的作用点
2 受力分析
选择研究对象→取分离体→画受力图（分析受力）
F23
F13
第十四页，编辑于星期五：十一点 三十五分。
根据约束性质
3 判别约束力 根据平衡条件 确定某些力的作用线
根据作用力与反作用力定律。
F23
2
3
受力体：构件3
只受两个力的物体
课程组成 第一篇力学部分—工程力学
1-4章 第二篇机构部分—机械原理
5-10章 第三篇传动及零件部分—机械零件
11-19章
第一页，编辑于星期五：十一点 三十五分。
课程组成
第一篇力学部分—工程力学 1-4章
第二篇机构部分—机械原理 5-10章
第三篇传动及零件部分—机械零件 11-19章
第二页，编辑于星期五：十一点 三十五分。
平面力系向一点简化
y F1
F4
o
F2 F3
A
x
F5
汇交力系(合力)
平面力系
力偶系(合力偶)
平面任 (合力) 意力系 (合力偶)
第三十四页，编辑于星期五：十一点 三十五分。
简化
1.4 .1、力的平移定理
作用在刚体上的力向刚体上任一点平移后需附加一力偶， 此力偶的矩等于原力对该点的矩
等效
第三十五页，编辑于星期五：十一点 三十五分。
利用空间力系的平衡来求解支反力
k jR
第四十六页，编辑于星期五：十一点 三十五分。
斜齿轮的受力（三个分力）为空间力
R
合成 1 几何法——力多边形法 方法 2 解析法——坐标投影法
R=∑F
Rx= ∑Fx

1.3 运动确定性的概念
第25页/共476页
F = 3×3–2×4 = 1
F = 3×4–2×5 = 2
n = 3
Pl= 4
n = 4
Pl = 5
如图1-12（a）：
如图1-12（b）：
第26页/共476页
【例1-2】如图1-13所示，计算曲柄滑块机构的自由度。 活动构件数n=3低副数高副数
第19页/共476页
第20页/共476页
第21页/共476页
平面机构运动简图的绘制
绘制机构运动简图的步骤：（1）分析机构的组成，观察相对运动关系，了解其工作原理。（2）确定所有的构件（数目与形状）、运动副（数目和类型）。（3）选择合理的位置，能充分反映机构的特性。（4）确定比例尺 （5）用规定的符号和线条绘制成机构运动简图。
1. 机构运动简图的定义
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运动副及构件的表示方法
1．构件构件均用直线或小方块来表示，如图1-6示。
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2．转动副
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3．移动副 如图1-8所示，注意移动副的导路应与两构件相对移动的方向一致。
第18页/共476页
4．高副两构件组成高副时的相对运动与这两个构件在接触处的轮廓形状有直接关系，因此，在表示高副时必须画出两构件在接触处的曲线轮廓。如图1-8、图1-9所示为齿轮高副和凸轮高副的表示方法。
图1-4 （a）凸轮高副
平面机构中高副引入一个约束，保留两个自由度。
图1-4 （b）齿轮高副
第12页/共476页
运动链与机构
运动链：两个以上的构件以运动副连接而构成的系统。如图1-5所示，若运动链中各构件首尾相连，则称之为闭式运动链，否则称为开式运动链。

（1）转动副 两构件间只能产生相对转动的运动副称为 转动副，如图4-3a所示。
（2）移动副 两构件间只能产生相对移动的运动副称为 移动副，如图4-3b所示。
点击播a放)转动副
图4-3平面低副
点击播放 b)移动副
平面机构运动简图
在研究或设计机构时，为了减少和避免机构复杂的结构外 形对运动分析带来的不便和混乱，我们可以不考虑机构中与运 动无关的因素，仅用简单的线条和符号来表示构件和运动副， 并按比例画出各运动副的相对位置。这种用规定符号和简单线 条表示机构各构件之间相对运动及运动特征的图形称为 机 构 运 动简图，本教材研究机构的组成及运动状态时都是以机构运动 简图为基础来研究的。
图4-1a所示为颚式破碎机 的实物图，实物图看起来直观 明了，但要分析破碎机的工作 原理和进行运动分析等就没有 办法进行，这时就需要一种能 说明机构运动原理的简单图形 ---机构运动简图。
言
图4-1a颚式破碎机实物图
引言
颚式破碎机的工作驱动是靠实物图右侧的带轮驱 动偏心轮转动，使得动颚板往复摆动，完成挤碎石料 的工作。图4-1b是机构的结构示意图，图4-1c是颚式 破碎机的机构运动简图。
第4章 平面机构运动简图
及自由度
工程力学与机械设计基础
• 书名：工程力学与机 械设计基础
• 书号：978-7-11141422-3
• 作者：柴鹏飞 • 出版社：机械工业出
版社
教学要求
能力目标
1.平面机构自由度计算的能力。 2.识别复合铰链、局部自由度和常见的虚约束 的能力。 3.判定机构具有确定相对运动的能力。
点击播放
齿轮构件
构件及运动副的表示方法
图4-4 构件的表示方法
构件及运动副的表示方法

由经验可知，在力偶的作用面内，力偶使物体产生的转动效应，取决于 力F的大小，力偶臂d的长短及力偶的转向，力学中用力偶中的一个力与力 偶臂的乘积Fd冠以正负号，作为力偶在其作用面内对物体产生转动效应的 度量，称为力偶矩。即
其正、负号规定为：使物体逆时针转动的力偶矩为正，反之为负。 力偶矩的单位与力矩的单位相同。 综上所述，力偶对物体的转动效应，取决于力偶矩的大小、力偶的 转向与力偶作用面的方位这三个要素。
1.1.2 力系
●同时作用在物体上的一组力称为力系。 ●力系有各种不同的类型。 ●工程中常涉及到物体的平衡问题。 ●为使问题简化，静力分析中通常将物体
视为刚体，即在力的作用下不变形，或可 以忽略其变形的物体。
1.1.3 力的基本性质
性质1（二力平衡公理） 作用于同一刚体上的两个 力，使刚体保持平衡的充分必要条件是：这两个力大小 相等，方向相反，且作用在同一直线上。 性质2（加减平衡力系公理） 在刚体上增加或减去 一组平衡力系不改变原力系对刚体的作用效应。 根据此性质可导出力的可传性原理。 性质3 （平行四边形公理） 作用在物体上某一点的 两个力，可以合成为作用于该点的一个合力，合力的大 小和方向由这两个力为邻边所构成的平行四边形的对角 线确定。 性质4（作用与反作用公理） 两物体间的作用力与 反作用力总是同时存在，且两力大小相等，方向相反， 沿同一直线分别作用在这两个物体上 。

1.1.6 受力图
为清晰表达物体的受力情况，常将研究对象的约束解除并从周围 物体中分离出来，这种分离出来的研究对象称为分离体。在分离体 上画出其所受的全部主动力和约束力，即得到物体的受力图。 画受力图的基本步骤为： （1）确定研究对象，画出分离体 按问题的已知条件和要求，确定研究对象（可以是一个物体，也可 以是几个物体的组合或整个系统），解除与研究对象联接的约束， 用简单的形状表示出研究对象，即画出分离体。 （2）画出全部主动力 在分离体上画出如重力、切削力等主动力。 （3）画约束力 在分离体上去掉约束的地方，根据约束类型和约束性质画出约束力。

4
2）设计计算
d
4F
3）计算承载力
F d2
4
2. 合理选择材料和热处理
➢从考虑强度出发选择强度极限高的材料 同样尺寸的零件可以承受更大载荷而不被破坏
➢从考虑刚度出发选择弹性模量较大的材料 相同工况下可以减小变形量
➢从考虑零件的表面硬度和整体韧性出发 选择合理的热处理工艺方法
➢选择合理的耐磨材料，可以减少磨损
3. 采用合理的结构 4. 合理的使用和维护
1.2.2 设计准则
设计机械零件时保证零部件不产生失效所依据 的基本原则，称为设计准则。
(1) 强度设计准则
(2) 刚度设计准则 一般用途的轴
yy
y (0 .00 ~0 0 .03 0 )L05
END
L
F n ------作用在圆柱体上的压力，N
L ------接触线长度，mm
------综合曲率半径
1 11
1 2
1 2 ------两圆柱体材料的泊松比
Z E ------材料弹性系数，E1 E2 圆柱体材
料的弹性模量
ZE
1
1E1 12
1 22
E2
1.2 机械零部件失效形式与设计准则 1.2.1 失效形式及对策
机械零部件由于某种原因丧失工作能力而不能正常工作时称为失效。
整 体 破 坏 拉 、 弯 、 扭 、 剪
强
度
失
效
表
面
破
坏
挤
接
压（面接触） 触（点、线）
刚 度 失 效 变 形 过 大
磨
损
磨
胶
粒 合
磨 磨
损 损
失
效
失
稳

3
4
D
机架
连 曲柄：可回转360°的连架杆 架 摇杆：摆角小于360°的连架杆 杆 滑块：作往复移动的连架杆
一.铰链四杆机构基本类型 （按连架杆类型）
铰链四杆机构
曲柄摇杆机构
双曲柄机构
双摇杆机构
一曲一摇
二曲
二.(铰链四杆机构)演变类型
二摇
1.曲柄摇杆机构： 连架杆 ┌曲柄→(一般)原动件→匀速转动
本章重点:平面四杆机构主要特性和设计 本章难点:平面四杆机构的设计
第二章 平面连杆机构
铰链四杆机构的基本型式 铰链四杆机构有整转副的条件 铰链四杆机构的演变 平面四杆机构的设计
§2-1铰链四杆机构的基本型式 p.20
平面连杆机构－平面机构+低副联接 (转动、移动副) 最常用→平面四杆机构（ 四个构件→四根杆)
(3)过C1、C2、 B1 A
D
P 作圆
O
在圆上任选一点A (4)AC1=L2－L1,
AC2=L2+L1→
θ
→无数解
L1=1/2(AC2－AC1)
以L1为半径作圆,交B1,B2点
P
→曲柄两位置
NM
2.导杆机构: P.31
已知:机架长L4 , K
解:
180
K
1
n
m
K 1
(1)任选固定铰链中心C→
B A
C D
解: (1)连接B1B2,C1C2并作其垂直平分线b12,c12
(2)在b12线上任取一点A, 在C12...任取一点D
步骤：
B1
1、连接B1B2, C1C2
2、作B1B2, C1C2中垂线
3、在中垂线上取一点作A, D

06
轴系零部件设计基础
轴系零部件的基本概念和分类
轴系零部件的基本概念
轴系零部件是组成机械传动系统的重要部分，包括轴、轴承、联轴器、离合器、制动器 等，用于实现动力传递、转矩传递和运动控制等功能。
轴系零部件的分类
根据功能和应用场合的不同，轴系零部件可分为传动轴系零部件、支撑轴系零部件和控 制轴系零部件等。
优化设计
利用优化算法对设计方案进行优化， 提高产品性能和质量。
考虑环保和可持续性
在设计过程中要考虑环保和可持续性 ，选择环保材料和工艺，降低能源消 耗和减少废弃物排放。
机械设计实践案例分析
案例一
某型号汽车发动机设计。通过对市场需求和技术发展趋势的分析，提出多种设计方案，并 进行仿真分析和优化。最终制造出原型并进行测试，验证了设计方案的可行性和性能。
02
机械零件设计基础
机械零件的分类和特点
分类
根据功能、结构、制造工艺等多 种方式对机械零件进行分类，如 传动零件、轴系零件、连接零件 等。
特点
机械零件具有多样性、互换性、 标准化等特点，不同种类的零件 在形状、尺寸、精度等方面存在 差异。
机械零件的设计准则和方法
设计准则
包括强度准则、刚度准则、稳定性准 则、耐磨性准则等，确保设计的零件 满足使用要求。
03
机构设计基础
机构的基本概念和分类
机构的基本概念
机构是由两个或两个以上的构件通过活动联接形成的构件系 统，用以实现规定的运动变换和传递动力或运动。
机构的分类
根据机构的结构特征，机构可分为连杆机构、凸轮机构、齿 轮机构、蜗杆机构等。
机构的设计原则和方法
机构的设计原则
机构设计应遵循功能要求、运动学要 求、动力学要求、工作性能要求、经 济性要求等原则。

成规定功能的能力。
经济性原则
在满足功能和可靠性要 求的前提下，尽量降低 制造成本和提高经济效
益。
创新性原则
鼓励采用新技术、新工 艺、新材料，提高产品 的技术含量和附加值。
机械设计的发展历程与趋势
传统设计阶段
依赖经验、试错法进行设计，缺乏 系统性。
现代设计阶段
引入计算机辅助设计（CAD）、有 限元分析等先进技术，实现设计过 程的数字化、自动化。
CAD技术概述
介绍CAD技术的发展历程、基本原理和常用软 件。
CAD建模技术
详细讲解CAD建模的方法、步骤和技巧，包括 二维图形绘制、三维实体建模、曲面造型等。
CAD在机械设计中的应用
通过实例展示CAD技术在机械设计中的应用，如零件设计、装配设计、工程图 绘制等。
有限元分析（FEA）技术
FEA技术概述
量、配合公差等。
传动零件设计
齿轮传动
01
包括圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗杆蜗轮等的设计，涉及齿轮类型、
模数、齿数、压力角等。
带传动
02
包括平带传动、V带传动等的设计，涉及带型、带宽、带轮直径
等。
链传动
03
包括滚子链传动、齿形链传动等的设计，涉及链条类型、节距、
链轮齿数等。
轴系零件设计
轴的设计
包括轴的类型、尺寸、公差、配合等 的设计，涉及轴的强度计算、刚度计 算等。
03
机械零件设计
连接零件设计
01
02
03
04
螺纹连接
包括螺栓、螺母、垫圈等的设 计，涉及螺纹类型、尺寸、公
差、拧紧力矩等。
键连接
包括平键、半圆键、楔键等的 设计，涉及键的类型、尺寸、

=
——泊松比，碳钢一般≈0.3。
三、轴向拉压的强度条件
零件轴向拉压时要满足强度条件： < lim
塑性材料：lim= s，脆性材料：lim= b。
实际强度计算中，需留出一定安全裕度，引入许用应力[]。
S——安全系数，其取值要恰当，可查手册。
轴向拉压时的强度条件：
A——危险截面面积，mm2；F——轴向力，N；——应力，MPa。
一、横截面上的内力和应力
F
F
受拉 拉伸变形
F
F
受压 压缩变形
F
F
外力 内力
02
平衡方程：ΣFx=0
FA=F
根据内力并不能判断轴的强度。
应力：截面上单位面积所受内力。
=_x001A__x001A__x001B_A_x001B__x001B__x001B_
_x001A__x001B_A_x001B_——内力（N）A——横截面面积（mm2）
疲劳断口：无明显塑性变形的脆性突然断裂。
疲劳断裂是微观损伤累积到一定程度的结果。
产生微小裂纹
疲劳断裂具有以下特征：
断裂面累积损伤区：表面光滑；折断区：表面粗糙。
表面光滑
表面粗糙
微裂纹逐渐扩展
突然脆性断裂
二、疲劳破坏
对受载零件而言，零件的工作能力为承载能力，主要包括强度和刚度两个方面。
强度：指零件在外载下抵抗断裂和塑性变形的能力。
刚度：指零件在外载下抵抗过大弹性变形的能力。
刚度不足影响强度
刚度不足影响加工精度
二、机械零件变形的基本形式
2. 压缩
1. 拉伸
3. 挤压和剪切
4. 扭转
5. 弯曲
§2 轴的拉伸和压缩
5 弯曲

第一次柞业=〜1、计算鼓材FW題所示机构（见下图）的自由屋，井捲出虚約束和局釦窘曰厘・"2、计算教材P19 /& 1-3（*）®所示机构的自由度，并蜡田蠢约束和局配自由度点见下圏〉卞儿计笄烫村PI9^1-3（d）E3^示礼枸的目由复，弁指匕匪约审和母部目由度江兀下国）*答题:1、此机构运动简图中无复合铰链、1局部自由度、1个虚约束。

此机构中有6个自由杆件，8个低副，1个高副。

自由度F=3n-2PL-Ph=3*6-2*8-仁12、此机构中编号1〜9,活动构件数n=9，滚子与杆3联接有局部自由度，滚子不计入活动构件数，.B、C、D、G、H、I、6个回转副（低副），复合铰链J, 2个回转副（低副），A、K，各有1个回转副+1个移动副，此两处共4个低副，低副总数PL =6+2+4 =12 •两齿轮齿合处E，有1个高副，滚子与凸轮联接处F，有1个高副，高副总数PH =1+1=2.自由度 F =3n -2PL -PH =3*9-2*12-2=13、此机构有6个自由杆件，在C点有1个复合铰链，有1个虚约束、9个低副，没有高副。

自由度F=3n-2PL=3*5-2*7=1第二次作业：*Is对心曲輛滑块机构是否具育急回特性？简述理由。

-2.题2图所示为偏置曲柄滑块机构-O)判断该机构是否具有急回特性，井说明其尿据：(2)若潛決的工作行程方向朝右.试从急回特性叩压力角两个方理2砂3、在题3图所示的钱链四杆机构中.已知如亍30nun・^=35mm*如尸30miiu 试问：(1)若此机构为曲柄摇杆机构，且、AB为融炳，I熔的最大值为多少？若此机构为取曲柄机构.［站的最小值为叢少？□)若此机构为双搖秆机构，加又应为多少？(教材P43 ®2-2)，答题：1、不具有急回特性，其极位夹角为零，即曲柄和连杆重合的两个位置的夹角为02、⑴有急回特性，因为AB可以等速圆周运动，C块做正、反行程的往复运动，且极位夹角不为0°(2)当C块向右运动时，AB杆应做等速顺时针圆周运动，C块加速运动；压力角趋向0°，有效分力处于加大过程，驱动力与曲柄转向相反。

通用零部件:各种机器中普遍使用，如齿轮、螺栓。
标准件：制定了国家标准，由专门工厂生产。 如：滚动轴承、螺栓等。
第一章 绪论
12
零 静联接 构 动联接 机 协调组合 机
件
件
构
器
机构：是具有确定的相对运动的若干构件的组合。
曲柄滑块机构
第一章 绪论
13
机器：是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、 物料或信息。
和谐号动车组 CRH1、CRH2、 CRH3、CRH5、CRH380
第一章 绪论
34
磁浮列车
上海磁浮列车 430km/h
日本磁浮车 500km/h
高温超导试验车
北京地铁S1号线<160km/h (2015年)
南车集团中低速磁浮车<100km/h
第一章 绪论
35
真空管道运输
2003年，西南交通开始研究真空管道磁悬浮
二、注意事项 ➢ 课程的特点：综合性、实践性、繁杂性、多解性 ➢ 学习方法：注重理解记忆和平时积累 ➢ 成绩构成：平时成绩30%（考勤、作业、实验、期中 等环节），期末70%。
第一章 绪论

新中国成立后：我国机械工业得到了长足发展。 如：轿车发展
红旗、上海 → 桑塔纳、夏利、标致505 → 几十个品牌
1964
1958 1985
1984 1986
第一章 绪论
30
火车发展： 蒸汽机车 —→内燃机车 —→电力机车 —→高速列车 —→磁浮列车 —→真空管道运输
蒸汽机车
(1804年) (中国1952) 2005年退出历史
第一章 绪论
44
虚拟现实是一种基于可计算信息的视、听、触觉一 体化的交互环境，是在图形学、电子显示、语音识别与 合成、传感器等技术上发展起来的一门综合仿真技术。