绪论 1.教学目标 1).了解本课程的性质、内容、任务和学习方法 2).掌握机器、机构、构件、零件等几个概念 3).了解机械设计的一般程序 4)掌握几个静力学公理与推论及其应用 2.教学重点和难点 重点:机器、机构、构件、零件、力等几个概念公理2、3 难点:构件与零件的区别,三力平衡汇交定理 3.教学手段与方法: 多媒体、实物 4.讲授学时:2学时 0.1-0.3本课程的研究对象、内容、性质任务和学习方法 研究对象:本课程以各种机械中的常用机构及通用零部件为研究对象。 内容:本教材内容共包括两篇 第一篇为组成平面机构的构件在载荷作用下的静力分析的基本理论:组成构件 的各类零件承载能力的分析与计算 第二篇主要介绍各种常用平面机构的结构组成、工作原理、运动特点及设计; 各种常用机械零部件的结构特点、工作原理、材料和设计计算等。 3.性质:本课程是一门专业技术基础课,理论性、实践性比较强,是后继专业课程 学习的重要技术基础
1 绪 论 1．教学目标 1）．了解本课程的性质、内容、任务和学习方法 2）．掌握机器、机构、构件、零件等几个概念； 3）.了解机械设计的一般程序 4).掌握几个静力学公理与推论及其应用 2．教学重点和难点 重点：机器、机构、构件、零件、力等几个概念,公理 2、3 难点：构件与零件的区别，三力平衡汇交定理 3．教学手段与方法： 多媒体、实物 4.讲授学时：2 学时 0.1-0.3 本课程的研究对象、内容、性质任务和学习方法 1. 研究对象： 本课程以各种机械中的常用机构及通用零部件为研究对象。 2. 内 容：本教材内容共包括两篇： 第一篇为组成平面机构的构件在载荷作用下的静力分析的基本理论；组成构件 的各类零件承载能力的分析与计算。 第二篇主要介绍各种常用平面机构的结构组成、工作原理、运动特点及设计； 各种常用机械零部件的结构特点、工作原理、材料和设计计算等。 3.性质:本课程是一门专业技术基础课，理论性、实践性比较强，是后继专业课程 学习的重要技术基础
4任务 通过对本课程的学习,学生应达到以下基本要求 1).熟练掌握静力分析的基本理论和基本计算方法,零件承载能力的分析与计 算方法,能解决日常生活和工作实际中的有关构件的强度计算等问题 2).熟悉常用机构的结构特点、工作原理及应用等基本知识,并具有初步分析 和设计常用机构的能力 3).掌握通用零、部件的类型、工作原理、失效形式、设计准则和设计方法, 初步具有对一般工作条件和常用参数范围内的通用零、部件进行设计的能力 4).使学生获得机械设计实验、设计简单机械及传动装置的基本技能。 5).使学生具有运用标准、规范、手册、图册等相关技术资料的能力 5.学习方法 1).注意理论联系实际,学以致用,把知识学活。 2).注意本课程内容的内在联系,抓住基本知识和设计两条主线 3).本课程的实践性较强,而常常采用经验参数、经验公式 4).本课程的一些计算结果不具有唯一性。 5).注意重视结构设计。 0.4机器的组成及相关概念 几个概念 任何一种机器都是为实现某种功能而设计制造的。例如图0.1内燃机、图0.2 颚式破碎机,尽管机器的功能、结构、工作原理也各不相同,但机器都具有一些共 同的特征。 1.机器三个共同的特征 (1)都是人为的实物组合 (2)各实物之间具有确定的相对运动 (3)他们都能代替或减轻人类的劳动,去实现能量转换或完成机械功。 2机器的功能组成 机器基本都由五个共同的部分组成,即:动力部分、传动部分、执行部分、 控制部分和辅助部分 3.机器定义:机器是转换或传递能量、物料和信息,执行机械运动, 分代替或减轻人的脑力或体力劳动的一种设备。 0.4.2几个相关概念 与机器一词相关的概念有:机械、机构、构件、零件等
2 4.任务: 通过对本课程的学习，学生应达到以下基本要求： 1）.熟练掌握静力分析的基本理论和基本计算方法，零件承载能力的分析与计 算方法，能解决日常生活和工作实际中的有关构件的强度计算等问题。 2）.熟悉常用机构的结构特点、工作原理及应用等基本知识，并具有初步分析 和设计常用机构的能力。 3）.掌握通用零、部件的类型、工作原理、失效形式、设计准则和设计方法， 初步具有对一般工作条件和常用参数范围内的通用零、部件进行设计的能力。 4）.使学生获得机械设计实验、设计简单机械及传动装置的基本技能。 5）．使学生具有运用标准、规范、手册、图册等相关技术资料的能力。 5.学习方法： 1）．注意理论联系实际，学以致用，把知识学活。 2）.注意本课程内容的内在联系，抓住基本知识和设计两条主线。 3）．本课程的实践性较强，而常常采用经验参数、经验公式。 4）．本课程的一些计算结果不具有唯一性。 5）．注意重视结构设计。 0. 4 机器的组成及相关概念 一、几个概念： 任何一种机器都是为实现某种功能而设计制造的。例如图 0.1 内燃机、图 0.2 颚式破碎机，尽管机器的功能、结构、工作原理也各不相同，但机器都具有一些共 同的特征。 1．机器三个共同的特征： (1)都是人为的实物组合； (2)各实物之间具有确定的相对运动； (3)他们都能代替或减轻人类的劳动，去实现能量转换或完成机械功。 2.机器的功能组成 机器基本都由五个共同的部分组成，即：动力部分、传动部分、执行部分、 控制部分和辅助部分。 3.机器定义：机器是转换或传递能量、物料和信息，执行机械运动，部 分代替或减轻人的脑力或体力劳动的一种设备。 0．4．2 几个相关概念 与机器一词相关的概念有：机械、机构、构件、零件等
4机构:(1)都是人为的实物组合;(2)各实物之间具有确定的相对运动 5.机械:工程上习惯将机器与机构统称为机械。 6.构件:构件是机械中最基本的运动单元,如图0.3、0.4中的连杆等 7.零件:零件是机械中最基本的制造单元,每个零件都具有不可拆卸 不可再分的特性,如图0.3 图0.3整体式曲轴 图0.4刚性组合式连杆 l—连杆体2一螺栓3—连杆盖4一螺母4 8、部件:在机器中,对于一套协同工作且完成共同任务的零件组合,称为部件。 9部件分类:部件也分为通用部件和专用部件,如减速器、轴承等属于通用部件 模具中的型芯、型腔等则属于专用部件 5机械设计的基本要求和一般程序 基本要求:满足预期使用功能,经济性能好、生产效率高、制造成本低、采用 新技术、造型美观和满足特殊要求 设计的一般程序:完成某种需要而萌生设计理念,设计、制造、鉴定、产品定 型和批量生产等一系列过程。这就是机械设计的一般程序 第一章静力学基础 概述 研究对象:平衡状态的刚体或刚体系统 研究内容:①物体的受力分析: ②力系的简化 ③物体在力系作用下处于平衡的条件及其在工程实践中的应用 刚体:在外力作用下,大小和形状保持不变的物体。静力学中研究的物体均可 视为刚体
3 4.机构：(1)都是人为的实物组合； (2)各实物之间具有确定的相对运动； 5.机械：工程上习惯将机器与机构统称为机械。 6.构件：构件是机械中最基本的运动单元，如图0.3、0.4中的连杆等。 7.零件：零件是机械中最基本的制造单元，每个零件都具有不可拆卸、 不可再分的特性，如图0.3。 图 0.3 整体式曲轴 图 0.4 刚性组合式连杆 1—连杆体 2—螺栓 3—连杆盖 4—螺母 4 8、部件：在机器中，对于一套协同工作且完成共同任务的零件组合，称为部件。 9 部件分类：部件也分为通用部件和专用部件，如减速器、轴承等属于通用部件； 模具中的型芯、型腔等则属于专用部件。 0.5 机械设计的基本要求和一般程序 基本要求：满足预期使用功能，经济性能好、生产效率高、制造成本低、采用 新技术、造型美观和满足特殊要求 设计的一般程序：完成某种需要而萌生设计理念，设计、制造、鉴定、产品定 型和批量生产等一系列过程。这就是机械设计的一般程序。 第一章 静力学基础 概述: 研究对象:平衡状态的刚体或刚体系统 研究内容:①物体的受力分析； ②力系的简化； ③物体在力系作用下处于平衡的条件及其在工程实践中的应用。 刚体：在外力作用下，大小和形状保持不变的物体。静力学中研究的物体均可 视为刚体
平衠:是指物体相对于惯性参考系(如地面)保持静止或作匀速直线运动的情 形。如桥梁、高层建筑物、作匀速直线飞行的飞机等等都处于平衡状态。平衡是物 体机械运动的一种特殊形式 1.1静力学的基本概念 1.1.1力的三要素及力的表示法 力的定义:力是物体间的相互机械作用,这种作用使物体的运动状态或形状发 生改变 力的作用效应表现在两个方面 (1)外效应(运动效应)一一使物体的运动状态发生变化 (2)内效应(变形效应)一一使物体的形状发生变化 静力学研究的是力对物体的外效应。 力的三个要素:力的大小、方向、作用点,因此力是定位矢量。单位牛顿(N) 1.1.2力系及其分类 力系定义:作用在物体上的一组力,称为力系 力系分类 按照力系中各力作用线在空间分布的不同形式分为 (1)汇交力系各力作用线相交于一点; (2)平行力系各力作用线相互平行 (3)任意力系各力作用线既不相交于一点,又不相互平行。 按各力作用线是否位于同一平面内分又可分为 平面力系和空间力系两类 等效力系:两个不同的力系,如果对同一物体产生相同的外效应,则该两力系 互为等效力系。若一个力与一个力系等效,则这个力称为该力系的合力
4 平衡:是指物体相对于惯性参考系(如地面)保持静止或作匀速直线运动的情 形。如桥梁、高层建筑物、作匀速直线飞行的飞机等等都处于平衡状态。平衡是物 体机械运动的一种特殊形式。 1. 1 静力学的基本概念 1．1．1 力的三要素及力的表示法 力的定义:力是物体间的相互机械作用，这种作用使物体的运动状态或形状发 生改变。 力的作用效应表现在两个方面： (1)外效应(运动效应)——使物体的运动状态发生变化； (2)内效应(变形效应)——使物体的形状发生变化。 静力学研究的是力对物体的外效应。 力的三个要素：力的大小、方向、作用点，因此力是定位矢量。单位牛顿(N)。 图 1.1 1．1．2 力系及其分类 力系定义:作用在物体上的一组力，称为力系。 力系分类: 按照力系中各力作用线在空间分布的不同形式分为: (1)汇交力系 各力作用线相交于一点； (2)平行力系 各力作用线相互平行； (3)任意力系 各力作用线既不相交于一点，又不相互平行。 按各力作用线是否位于同一平面内分又可分为： 平面力系和空间力系两类 等效力系 :两个不同的力系，如果对同一物体产生相同的外效应，则该两力系 互为等效力系。若一个力与一个力系等效，则这个力称为该力系的合力
1.2静力学公理 人们在长期的生活和生产实践中,对力的基本性质进行了概括和归纳,提出了 能深刻反映力的本质的一般规律,其正确性已为长期的实践反复验证,并为人们所 公认,故称之为静力学公理,它们是静力学的理论基础 公理1二力平衡公理 公理内容:作用在刚体上的两个力,使刚体保持平衡的必要和充分条件是:这两 个力大小相等、方向相反,且作用在同一直线上(如图1.2所示)。即 二力体:习惯上,将仅在两点受力作用而处于平衡 的刚体,称为二力体。如果它是杆件则称为二力杆,如 果是结构中的构件则称为二力构件。如图1.3a所示构 件BC,不计其自重时,就可视为二力构件,其受力如 图1.3b所示。 公理2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,并不改变原力系对刚体的作用效应 该公理适用对象:刚体。 推论1力的可传性 1.内容:作用于刚体上某点的力,可以沿着它的作用线移动到刚体内任意一点, 并不改变该力对刚体的作用效应。 2.证明:设有力F作用在刚体上的点A,如图1.4a所示将原来的力F沿其作用线 由点A移到了点B
5 图 1.2 1.2 静力学公理 人们在长期的生活和生产实践中，对力的基本性质进行了概括和归纳，提出了 能深刻反映力的本质的一般规律，其正确性已为长期的实践反复验证，并为人们所 公认，故称之为静力学公理，它们是静力学的理论基础。 公理 1 二力平衡公理 公理内容： 作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的必要和充分条件是：这两 个力大小相等、方向相反，且作用在同一直线上(如图 1.2 所示)。即 F1=－F2 二力体:习惯上，将仅在两点受力作用而处于平衡 的刚体，称为二力体。如果它是杆件则称为二力杆，如 果是结构中的构件则称为二力构件。如图 1.3a 所示构 件 BC，不计其自重时，就可视为二力构件，其受力如 图 1.3b 所示。 图 1.3 公理 2 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，并不改变原力系对刚体的作用效应。 该公理适用对象：刚体。 推论 1 力的可传性 1.内容： 作用于刚体上某点的力，可以沿着它的作用线移动到刚体内任意一点， 并不改变该力对刚体的作用效应。 2.证明：设有力 F 作用在刚体上的点 A，如图 1.4a 所示将原来的力 F 沿其作用线 由点 A 移到了点 B
公理3力的平行四边形法则 内容:作用在物体上同一点的两个力,可以合成为一个合力:合力的作用点也 在该点,合力的大小和方向,由这两个力为边构成的平行四边形的对角线确定,如 图1.5a所示。或者说,合力矢等于这两个力矢的几何和,即 FR=FI+F2 图 该公理既是力的合成法则,也是力的分解法则,是较复杂力系简化的基础 力三角形法则:如图1.5b所示.应用力三角形法则求解力的大小和方向时,可 应用数学中的三角公式或在图上按比例直接量出。 推论2三力平衡汇交定理 内容:刚体受三力作用而平衡,若其中的两个力的作用线汇交于一点,则三 力必在同一平面内,且第三个力的作用线通过汇交点。 2.证明:如图1.6所示
6 图 1.4 公理 3 力的平行四边形法则 内容：作用在物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力；合力的作用点也 在该点，合力的大小和方向，由这两个力为边构成的平行四边形的对角线确定，如 图 1.5a 所示。或者说，合力矢等于这两个力矢的几何和，即 FR =F1+F2 图 1.5 该公理既是力的合成法则，也是力的分解法则，是较复杂力系简化的基础。 力三角形法则:如图 1.5b 所示.应用力三角形法则求解力的大小和方向时，可 应用数学中的三角公式或在图上按比例直接量出。 推论 2 三力平衡汇交定理 1. 内容： 刚体受三力作用而平衡，若其中的两个力的作用线汇交于一点，则三 力必在同一平面内，且第三个力的作用线通过汇交点。 2.证明：如图 1.6 所示
图1.6 公理4作用和反作用定律 作用力和反作用力总是同时存在,两力的大小相等、方向相反、沿着同一直线, 分别作用在两个相互作用的物体上。 注意:虽然作用力与反作用力两者等值、反向、共线,但它们是分别作用在两个 不同的物体上,因此,不能把它们看成是一对平衡力 总结:通过本次课程学习,一定要掌握刚体、平衡、力等概念;也要掌握四个公理 及两个推论,这是学习后续内容的基础 作业:p5习题0.1、03p43习题1、2 1.3约束和约束反力 1.教学目标 1)掌握工程上常见的几种约束类型及其约束力的画法 2)掌握物体及物体系的受力图画法 教学重点和难点 7
7 图 1.6 公理 4 作用和反作用定律 作用力和反作用力总是同时存在，两力的大小相等、方向相反、沿着同一直线， 分别作用在两个相互作用的物体上。 注意:虽然作用力与反作用力两者等值、反向、共线，但它们是分别作用在两个 不同的物体上，因此，不能把它们看成是一对平衡力。 总结：通过本次课程学习，一定要掌握刚体、平衡、力等概念；也要掌握四个公理 及两个推论，这是学习后续内容的基础。 作业：p5 习题 0.1、03 p43 习题 1、2 1．3 约束和约束反力 1．教学目标 1）掌握工程上常见的几种约束类型及其约束力的画法 2）掌握物体及物体系的受力图画法 2．教学重点和难点
重点:四种约束类型及其约束力、物体的受力图 难点:二力杆的判断、外力与内力的区分 3.教学手段与方法: 多媒体、实物 4.讲授学时:4学时 复习 1.三个概念 平衡的概念、刚体的概念、力的概念 2.四个静力学公理 (1)二力平衡公理 (2)加减平衡力系公理 (3)力的平行四边形法则(4)作用与反作用定律 3、两个推论 (1)力的可传性原理(2)三力平衡汇交定理 1.3约束和约束反力 几个概念 1、自由体:物体能在空间做任意运动,他们的位移不受任何限制。如天空中飞行 的飞机、鸟等。 2、非自由体:物体总是以一定的形式与周围其他物体相互联系,即物体的位移要 受到周围其他物体的限制。如用绳悬挂的灯可向上、前、后、左、右运动,但不能 向下运动,转轴要受到轴承的限制。 3、约束和约束反力 约束定义:能限制某些物体运动的其它物体 约束反力(反力):约束对被约束物体的作用力。 反力的作用点:约束与被约束物体的接触点 反力的方向:总是与该约束所能限制的运动方向相反 反力的大小:总是未知的。在静力学中可以利用相关平衡条件求出。 下面介绍几种工程中常用的约束类型,并分析其约束反力的特点 1.3.1柔索约束
8 重点：四种约束类型及其约束力、物体的受力图 难点：二力杆的判断、外力与内力的区分 3．教学手段与方法： 多媒体、实物 4.讲授学时：4 学时 复习 1.三个概念： 平衡的概念、刚体的概念、力的概念 2.四个静力学公理 （1）二力平衡公理 （2） 加减平衡力系公理 （3）力的平行四边形法则 （4）作用与反作用定律 ３、两个推论 （1）力的可传性原理 （2）三力平衡汇交定理 1.3 约束和约束反力 一、几个概念 1、自由体：物体能在空间做任意运动，他们的位移不受任何限制。如天空中飞行 的飞机、鸟等。 2、非自由体：物体总是以一定的形式与周围其他物体相互联系，即物体的位移要 受到周围其他物体的限制。如用绳悬挂的灯可向上、前、后、左、右运动，但不能 向下运动，转轴要受到轴承的限制。 3、约束和约束反力 约束定义：能限制某些物体运动的其它物体。 约束反力(反力)：约束对被约束物体的作用力。 反力的作用点：约束与被约束物体的接触点 反力的方向：总是与该约束所能限制的运 动方向相反 反力的大小：总是未知的。在静力学中可以利用相关平衡条件求出。 下面介绍几种工程中常用的约束类型，并分析其约束反力的特点。 1．3．l 柔索约束
工程中常见柔索:钢丝绳、三角带、链条等。 约束特点:柔软易变形,只能承受拉,不能承受压。柔索约束只能限制非自由 体沿约束伸长方向的运动而不能限制其它方向的运动 约束反力F 只能是拉力,作用在与非自由体的接触点处,作用线沿柔索背离非自由体 举例:图1.7 FI 图1.7 3.2光滑接触面约束 约束特点:无论两物体间的接触面是平面还是曲面,只能承受压而不能承受拉,只 能限制物体沿接触面法线方向的运动而不能限制物体沿接触面切线方向的运动 约束反力FN:垂直于接触处的公切面,而指向非自由体。 如图1.8中的FNA、FNB、FNC、FN所示
9 工程中常见柔索：钢丝绳、三角带、链条等。 约束特点：柔软易变形，只能承受拉，不能承受压。柔索约束只能限制非自由 体沿约束伸长方向的运动而不能限制其它方向的运动。 约束反力 FT 只能是拉力，作用在与非自由体的接触点处，作用线沿柔索背离非自由体。 举例：图 1.7 图 1.7 1．3．2 光滑接触面约束 约束特点：无论两物体间的接触面是平面还是曲面，只能承受压而不能承受拉，只 能限制物体沿接触面法线方向的运动而不能限制物体沿接触面切线方向的运动。 约束反力 FN ：垂直于接触处的公切面，而指向非自由体。 如图 1.8 中的 FNA、FNB、FNC、FN 所示
FNB A NB 图1.8 1.3.3光滑圆柱铰链约束 约束特点:两非自由体相互联接后,接触处的摩擦忽略不计,只能限 制两非自由体的相对移动,而不能限制两非自由体的相对转动的约 束,包括中间铰链约束、固定铰链约束和活动铰支座三种类型。 约束反力F:通过铰链中心,大小、方向均未确定。一般用一对通 过铰链中心,大小未知的正交分力来表示。但其中二力构件、活动铰 支座的反力方向是可以确定的。 如图1.9a。在实际受力分析时,可利用力的正交分解将该约束反力表示为两 个正交分力Fx和Fy,如图1.9b所示 光滑圆柱铰链有以下不同的结构 1固定铰支座如图1.10
10 图 1.8 １.3．3 光滑圆柱铰链约束 约束特点：两非自由体相互联接后，接触处的摩擦忽略不计，只能限 制两非自由体的相对移动，而不能限制两非自由体的相对转动的约 束，包括中间铰链约束、固定铰链约束和活动铰支座三种类型。 约束反力 FN ：通过铰链中心，大小、方向均未确定。一般用一对通 过铰链中心，大小未知的正交分力来表示。但其中二力构件、活动铰 支座的反力方向是可以确定的。 如图 1.9a。在实际受力分析时，可利用力的正交分解将该约束反力表示为两 个正交分力 Fx 和 Fy，如图 1.9b 所示。 光滑圆柱铰链有以下不同的结构。 1.固定铰支座 如图 1.10