第1章 机械设计力学基础知识

1、第第1 1章章 机械设计的力学基础知识机械设计的力学基础知识补充补充: 静力学基础静力学基础补充补充: 材料力学基础材料力学基础1-1 载荷和应力载荷和应力1-2 机械零部件失效形式与设计准则机械零部件失效形式与设计准则补充补充: 静力学基础静力学基础静力学静力学 研究物体在力系作用下的平衡研究物体在力系作用下的平衡条件的科学条件的科学补充补充: 静力学基础静力学基础力力 物体间相互的机械作用物体间相互的机械作用, ,这种作用使物体的机械运这种作用使物体的机械运 动状态发生变化动状态发生变化力的外效应力的外效应物体运动状态发生变化物体运动状态发生变化力的内效应力的内效应物体产生变形物体产生变形

2、刚体刚体 在受力情况下保持形状和大小不变的物体。它是在受力情况下保持形状和大小不变的物体。它是 理想化了的力学模型理想化了的力学模型力系力系 作用于物体上的一群力作用于物体上的一群力平面力系平面力系空间力系空间力系平面汇交力系平面汇交力系平面平行力系平面平行力系平面一般力系平面一般力系平衡平衡 物体相对于惯性参考系保持静止或作匀速直线物体相对于惯性参考系保持静止或作匀速直线 运动运动静力学公理静力学公理 公理公理1（二力平衡公理）（二力平衡公理）作用于刚体上的二力平衡的必要和充分条件是，此二作用于刚体上的二力平衡的必要和充分条件是，此二力大小相等，方向相反，且沿同一直线。力大小相等，方向相反，

3、且沿同一直线。 补充补充: 静力学基础静力学基础作用于刚体的已知力系上，加上或减去任一平衡力系，作用于刚体的已知力系上，加上或减去任一平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效果。并不改变原力系对刚体的作用效果。 推论推论（力的可传性）（力的可传性）作用于刚体上某点的力，可以沿其作用线移至刚体上作用于刚体上某点的力，可以沿其作用线移至刚体上任意一点，而不改变它对刚体的作用效果。任意一点，而不改变它对刚体的作用效果。 静力学公理静力学公理 公理公理2 2（加减平衡力系公理）（加减平衡力系公理）补充补充: 静力学基础静力学基础作用于物体上同一点的两个力，可以合成一个合力。作用于物体上同一点的两个力，可

4、以合成一个合力。合力的作用点仍在该点，合力的大小和方向以这两个合力的作用点仍在该点，合力的大小和方向以这两个力为边所做的平行四边形的对角线来表示力为边所做的平行四边形的对角线来表示静力学公理静力学公理 公理公理3 3（力的平行四边形公理）（力的平行四边形公理）补充补充: 静力学基础静力学基础两物体间相互作用的力总是大小相等，方向相反，沿两物体间相互作用的力总是大小相等，方向相反，沿同一条作用线，并分别作用在这两个物体上同一条作用线，并分别作用在这两个物体上静力学公理静力学公理 公理公理4 4（作用与反作用公理）（作用与反作用公理）补充补充: 静力学基础静力学基础变形体在某一力系作用下处于平衡，

5、如将此变形体刚变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体刚化为刚体，则平衡状态保持不变化为刚体，则平衡状态保持不变公理公理5 5（刚化原理）（刚化原理）物体的受力分析物体的受力分析 补充补充: 静力学基础静力学基础1. 取分离体取分离体 （研究对象）（研究对象）3. 画约束反力画约束反力2. 画出物体所受的已知力画出物体所受的已知力 物体的受力分析物体的受力分析 补充补充: 静力学基础静力学基础1.1.除重力等主动力以外，物体间只有在接触处才除重力等主动力以外，物体间只有在接触处才有力的相互作用。有力的相互作用。2.2.约束反力应画在解除约束的地方，并根据约束约束反力应画在解除约束的地方，并

6、根据约束类型画约束反力。类型画约束反力。3.3.若约束是二力杆，则其约束反力沿二力构件两若约束是二力杆，则其约束反力沿二力构件两个受力点的连线，不是拉力就是压力。个受力点的连线，不是拉力就是压力。4.4.作物体系整体受力图时，物体之间的相互作用作物体系整体受力图时，物体之间的相互作用力变成内力，不必画出。力变成内力，不必画出。5.5.物体系中各物体之间的作用力与反作用力，物体系中各物体之间的作用力与反作用力，若其中一个力的方向确定（或假定），则另若其中一个力的方向确定（或假定），则另一个力的方向必与其相反，不必再另行假定。一个力的方向必与其相反，不必再另行假定。物体的受力分析物体的受力分析 补

7、充补充: 静力学基础静力学基础发动机的曲柄滑块机构如图所示。活塞发动机的曲柄滑块机构如图所示。活塞C上作用可燃气体的爆发力上作用可燃气体的爆发力F，曲柄曲柄AB上作用阻力矩上作用阻力矩MA。试画出曲柄滑块机构的主要构件活塞。试画出曲柄滑块机构的主要构件活塞C、连杆连杆BC和曲柄和曲柄AB的受力图。各构件的自重均不计。的受力图。各构件的自重均不计。平面任意力系的平衡条件平面任意力系的平衡条件补充补充: 静力学基础静力学基础力系的主矢和对于任一点的主矩都等于零力系的主矢和对于任一点的主矩都等于零, ,即即也可以表示为也可以表示为补充补充: 材料力学基础材料力学基础材料力学材料力学研究材料在各种外力

8、作用下产生的研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限的学科导致各种材料破坏的极限的学科补充补充: 材料力学基础材料力学基础变形变形弹性变形：弹性变形：塑性变形：塑性变形：可恢复可恢复不可恢复不可恢复强度强度构件抵抗塑性变形和断裂的能力构件抵抗塑性变形和断裂的能力刚度刚度构件抵抗弹性变形的能力构件抵抗弹性变形的能力稳定性稳定性构件保持其原有平衡形态能力构件保持其原有平衡形态能力一、强度、刚度、稳定性的基本概念一、强度、刚度、稳定性的基本概念补充补充: 材料力学基础材料力学基础二、构件受力与变形的基本形式二、构件受力与变形的基

9、本形式 拉伸或压缩拉伸或压缩 剪切剪切 扭转扭转 弯曲弯曲组合变形组合变形1.1.构件受力情况构件受力情况机构或机械工作时，作用在构件上的力称为载荷机构或机械工作时，作用在构件上的力称为载荷集中载荷集中载荷分布载荷分布载荷静载荷静载荷动载荷动载荷2.2.构件变形的基本形式构件变形的基本形式补充补充: 材料力学基础材料力学基础补充补充: 材料力学基础材料力学基础补充补充: 材料力学基础材料力学基础补充补充: 材料力学基础材料力学基础补充补充: 材料力学基础材料力学基础补充补充: 材料力学基础材料力学基础三、直杆的轴向拉伸与压缩三、直杆的轴向拉伸与压缩构件受外力作用产生弹性变形构件受外力作用产生弹

10、性变形时，构件内部分子间就伴随着时，构件内部分子间就伴随着产生一种抵抗力，它们力求恢产生一种抵抗力，它们力求恢复构件已变形部分的形状和尺复构件已变形部分的形状和尺寸。这种抵抗构件变形的分子寸。这种抵抗构件变形的分子间的力称为内力。间的力称为内力。补充补充: 材料力学基础材料力学基础三、直杆的轴向拉伸与压缩三、直杆的轴向拉伸与压缩单位面积上承受的内力称为应单位面积上承受的内力称为应力。应力的单位为兆帕力。应力的单位为兆帕（MPaMPa），即），即N/mmN/mm2 2补充补充: 材料力学基础材料力学基础三、直杆的轴向拉伸与压缩三、直杆的轴向拉伸与压缩补充补充: 材料力学基础材料力学基础三、直杆的

11、轴向拉伸与压缩三、直杆的轴向拉伸与压缩补充补充: 材料力学基础材料力学基础三、直杆的轴向拉伸与压缩三、直杆的轴向拉伸与压缩NAlims补充补充: 材料力学基础材料力学基础三、直杆的轴向拉伸与压缩三、直杆的轴向拉伸与压缩NllEA /Nl lEA/ E补充补充: 材料力学基础材料力学基础四、剪切四、剪切 QA补充补充: 材料力学基础材料力学基础四、剪切四、剪切QFjyjyjyjyAFtdAjy补充补充: 材料力学基础材料力学基础四、剪切四、剪切补充补充: 材料力学基础材料力学基础五、扭转五、扭转 0 xM补充补充: 材料力学基础材料力学基础五、扭转五、扭转补充补充: 材料力学基础材料力学基础五、

12、扭转五、扭转maxtTW16/3dWt补充补充: 材料力学基础材料力学基础五、扭转五、扭转 tWTmax l补充补充: 材料力学基础材料力学基础五、扭转五、扭转补充补充: 材料力学基础材料力学基础六、弯曲六、弯曲梁的基本类型梁的基本类型补充补充: 材料力学基础材料力学基础六、弯曲六、弯曲梁弯曲时的内力：梁弯曲时的内力：补充补充: 材料力学基础材料力学基础剪力与弯矩的方向剪力与弯矩的方向补充补充: 材料力学基础材料力学基础六、弯曲六、弯曲梁弯曲时的内力：剪力与弯矩的方向梁弯曲时的内力：剪力与弯矩的方向补充补充: 材料力学基础材料力学基础六、弯曲六、弯曲梁弯曲时的应力及强度计算梁弯曲时的应力及强度

13、计算maxMW32/3dW补充补充: 材料力学基础材料力学基础六、弯曲六、弯曲梁弯曲时的变形及刚度计算梁弯曲时的变形及刚度计算补充补充: 材料力学基础材料力学基础六、弯曲六、弯曲工作能力工作能力需求需求强度、刚度强度、刚度耐磨性耐磨性振动稳定性振动稳定性 以传动为主的零件一般要求有一定的强度和刚度，即在以传动为主的零件一般要求有一定的强度和刚度，即在工作负荷下不发生破坏和过大的变形；具有相对运动并传力工作负荷下不发生破坏和过大的变形；具有相对运动并传力的零件需要有较好的耐磨性；而高速转动的零件则要具有较的零件需要有较好的耐磨性；而高速转动的零件则要具有较高的振动稳定性。高的振动稳定性。1-1

14、载荷和应力载荷和应力 在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。为工作能力。按工作条件分按工作条件分按破坏部位和按破坏部位和破坏形式分破坏形式分强度反映机械零件承受载荷时抵抗破坏的能力强度反映机械零件承受载荷时抵抗破坏的能力1-1 载荷和应力载荷和应力额定功率或名义功率引入载荷系数K 计算载荷计算载荷= =K*名义载荷名义载荷载荷指的是使结构或构件产生内力和变形的外载荷指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素。力及其它因素。1-1 载荷和应力载荷和应力（a）对称循环 (b)脉动循环 (c)非对称循环 静应力 r=1循环特

15、性系数循环特性系数minmaxrr=-1 r=0 -1r11-1 载荷和应力载荷和应力1-1 载荷和应力载荷和应力bbssrr脆性材料脆性材料 脆性破坏脆性破坏塑形材料塑形材料 塑性变形塑性变形疲劳破坏疲劳破坏工作应力：按照材料力学的基本公式求出的、作用在零件剖工作应力：按照材料力学的基本公式求出的、作用在零件剖面上的应力面上的应力计算应力：零件危险剖面上呈复杂应力状态时，按照某一强计算应力：零件危险剖面上呈复杂应力状态时，按照某一强度理论求出、与简单单向拉伸应力等效的应力。度理论求出、与简单单向拉伸应力等效的应力。ca按照强度准则设计机械零件时，根据材料性质及应力种类而按照强度准则设计机械零

16、件时，根据材料性质及应力种类而采用材料的某个应力极限值。采用材料的某个应力极限值。1-1 载荷和应力载荷和应力m01NNN疲劳破坏应力循环次数有限寿命疲劳极限有限寿命疲劳极限工程上常用对称循环工程上常用对称循环 r=-1 的应力极限值的应力极限值 和和 作为材料的疲劳极限作为材料的疲劳极限11N0 循环基数，对应的循环基数，对应的 和和 称为称为 疲劳极限疲劳极限rr1-1 载荷和应力载荷和应力11()kK11()kK110()()dd110()()d110()()110()()11eK11eK1-1 载荷和应力载荷和应力 Slim Slim许用应力：计算应力允许达到的最大值。在实现条件下许用

17、应力：计算应力允许达到的最大值。在实现条件下找出极限应力值，在现场情况下，考虑各方面的影响，找出极限应力值，在现场情况下，考虑各方面的影响，加一个安全系数。加一个安全系数。1-1 载荷和应力载荷和应力整体强度整体强度 2d4F零件受载时在本体内产生应力为整体强度问题，整零件受载时在本体内产生应力为整体强度问题，整体强度的形式有拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切体强度的形式有拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切 零件受载时，在传力的接触表面上产生应力，引起零件受载时，在传力的接触表面上产生应力，引起表面强度问题。表面强度问题。 表面强度表面强度 pPdF1-1 载荷和应力载荷和应力接触应力：是在两个零件通过点

18、接触或线接触传递接触应力：是在两个零件通过点接触或线接触传递载荷时，在接触部位产生弹性变形，同时产生的很载荷时，在接触部位产生弹性变形，同时产生的很大的应力。此时，零件的工作能力取决于表面的接大的应力。此时，零件的工作能力取决于表面的接触强度。触强度。1-1 载荷和应力载荷和应力1LFZE1E111LFnE22212121nH两个平行轴圆柱体接触受压时，最大接触应力计算：弹性力学中的赫兹Hertz公式 -作用在圆柱体上的压力，N -接触线长度，mm -综合曲率半径 -两圆柱体材料的泊松比 -材料弹性系数，E1 E2 圆柱体材 料的弹性模量nFL1211112EZ221212111EZEE1-1 载荷和应力载荷和应力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。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。1-2 机械零部件失效形式与设计准则机械零部件失效形式与设计准则1-2 机械零部件失效形式与设计准则机械零部件失效形式与设计准则1. 控制零件尺寸控制零件尺寸 按强度、刚度等工作能力准则计算零件尺寸，按强度、刚度等工作能力准则计算零件尺寸，使在