机械基础纲要

1、一 工程力学1、理论力学一般包含静力学、运动学和动力学三部分内容。材料力学研究构件的强度、刚度和稳定性三类问题。2、构件的强度，指构件受力中抵抗破坏的能力。构件的刚度，指构件受力中抵抗变形的能力。构件的稳定性，指构件受力中保持其原有平衡形式的能力。3、力的大小、力的方向、力的作用点，称为力的三要素。牛顿和公斤力的换算关系是：1kgf=9.8N 4、柔索约束 柔索约束反力的特性是：作用点为柔索与物体的连接点，作用线与柔索中心线一致，作用力的指向为背离物体的方向。5.光滑面约束 光滑面约束反力的特性是：作用点为接触点，作用线与接触面的法线方向一致，作用力指向被约束物体。光滑面约束反力也常称为法向反

2、力。6、铰链约束反力的特性是：作用点在销轴与圆孔的接触点K，作用线通过销轴及圆孔的圆心，如RC 所表示。但铰链约束反力RC 的方位角和指向根据实际情况才能分析确定。图1-26 7、固定端约束反力的特性：可能在该端受有任意方向的反力及反转动力矩的作用，须根据构件所受外载荷分析确定。例1-2 例1-3 1、 合力对平面内任意一点之矩，等于所有分力对同一点之矩的代数和，例2-2 例2-3 2 、力偶的性质：（1）力偶无合力。 （2）力偶两力对面内任一点力矩的代数和等于力偶矩，与矩心位置无关。（3）力偶的等效性及其推论：力偶可以在其作用面内任意移动而不改变它对刚体的转动效应。 即力偶对刚体的转动效应与

3、力偶在作用面内的位置无关。3、平面汇交力系平衡的充分必要条件是：力系中各力在任选直角坐标系两个坐标轴上投影的代数和均为零。 例2-7 4、若作用在刚体上的所有力偶都在互相平行的平面内，则刚体平衡的充分必要条件为所有力偶的合力偶矩为零。 例2-9 5、平面任意力系平衡的充分必要条件是：力系中各力在两个任选的坐标轴上的投影的代数和分别等于零，各力对力系作用面内任一点之矩的代数和也等于零。 例2-11 例2-13 例2-14 例2-15 6、空间任意力系平衡的充分必要条件是，各力在直角坐标系三个坐标轴上投影的代数和均等于零，各力对三个坐标轴之矩的代数和也都分别等于零。 例2-16 7、重心是物体各部

4、分重力所形成的空间平行力系合力的作用点 均质物体的重心位置，就是该物体轮廓几何体的形心位置。 均质、等厚平板重心在面内的位置，即该平板轮廓平面图形的形心位置。 例2-18 例2-198、按物体间是否存在相对滑动，有静滑动摩擦力和动滑动摩擦力之分 物体受力产生滑动趋势而仍静止未动，则静摩擦力F取值范围为： 0F Fmax，其值随外力变化，可根据该状况下的平衡条件计算确定。物体处于临界平衡状态，静摩擦力具有最大值，即 FFmaxsN。物体处于匀速滑动中，动摩擦力值F为：FN。 例2-21 例2-22 例2-239、楔形块槽结构可以增加滑动摩擦力；且楔角越小，摩擦力增大越多。这种 “楔槽增压”方法，

5、10、自锁现象 如物体所受主动力合力的作用线在摩擦锥以内，无论主动力多大，物体都保持静止不动。斜面自锁条件为：斜面倾角小于等于摩擦角。1、 杆件的基本变形形式 ：轴向拉伸或压缩。剪切。扭转。弯曲2、轴向拉伸或压缩（简称“轴向拉压”）的外载荷条件是：拉力或压力的作用线与杆件的轴线一致，且作用在横截面的形心上。 3. 内力：由外力引起的构件（材料）内部各部分之间相互作用力的改变量，称为内力。内力的作用者与被作用者是一个构件中的这一部分与那一部分；内力是由外力引起的，是原有相互作用力的“改变量”；内力的大小应完全取决于外力；外力解除，内力也随之消失。4、用假想截面将构件截分开来，然后用平衡方程由外力

6、求算内力的方法。 求算内力截面法很重要，通过这个引例，可知截面法的3步骤：截开 在要计算内力的截面，假想截开，留下研究对象，弃去另一部分。替代 以作用力（即欲求算的内力）替代弃去部分对研究对象的作用。求算 画研究对象的受力图，用平衡方程由已知外力求算内力。5、单位面积上的内力称为应力。 方向与横截面垂直的应力，称为正应力，用希腊字母“”表示。例3-2 6、变形后的尺寸与变形前的尺寸之差，称为绝对变形。l相对变形线应变 ：线应变是变形量与原始尺寸的比值。 7、胡克定律 杆件受轴向拉压，应力未超过某一限度时，绝对变形l与轴力N及杆件原长l成正比，与横截面面积A成反比 。 8、比例极限p，弹性极限p

7、材料服从胡克定律的最大应力值，称为材料的比例极限p 。图3-9 9、延伸率和断面收缩率是表征材料塑性的两个性能指标。 一般称延伸率5%者为塑性材料，延伸率5%者称为脆性材料。 低碳钢的拉伸试验小结： 拉伸过程经历4个阶段：弹性、屈服、强化和颈缩，然后拉断。 通过-曲线获得6个性能参数：p、e、s、b、和。 10、塑性材料构件的极限应力是它的屈服极限s（或0.2）。 脆性材料的极限应力是它的强度极限b。 构件在工作时允许产生的最大应力，称为许用应力，用 表示。 由j除以大于1的系数n得到，系数n称为安全系数。 例3-5 塑性材料 式中，ns是对应于塑性材料的安全系数，一般取 ns1.41.8。

8、脆性材料 式中，nb是对应于脆性材料的安全系数，一般取 nb2.03.5。 11、剪切变形的受力特点是：作用在构件两侧面上外力的合力大小相等、方向相反、作用线平行且相距很近。 塑性材料 （0.60.8）， 脆性材料 （0.81.0）。 12、挤压计算面积，分两种情况作不同处理： 挤压接触面为平面时，按实际接触面积计算。 挤压接触面为半圆柱面时，以半圆柱面的投影面积计算。13、jy为材料的许用挤压应力。jy与压缩许用应力的关系是： 塑性材料 jy（1.52.5）， 脆性材料 jy（0.91.5）。 例3-7 例3-8 14、可见圆轴扭转时横截面上的内力是（作用面与轴线垂直的）力偶，称为扭矩，用T

9、表示。 例3-9 15. 实心、空心圆截面的极惯性矩I和抗扭截面模量Wn直径为D的圆截面 极惯性矩 抗扭截面模量 外径为D、内径为d的圆环形截面 极惯性矩 抗扭截面模量 式中 为圆环截面内径与外径的比值 ： d/D。圆轴扭转的强度计算圆轴扭转的强度条件 式中 T为危险截面上的扭矩值， Wn为危险截面的抗扭截面模量 许用切应力值的参考数据可在有关设计手册中查取 。 已知外载荷和，设计圆轴直径D，或圆管外径D和内径d的公式： 实心圆轴直径D 空心圆轴外径D 例3-12 16、根据约束的主要力学特性，将梁归纳为三种基本类型。 简支梁：一端可简化为固定铰支座，另一端可简化为活动铰支座的梁 外伸梁： 简

10、支梁有一端或两端伸出支座之外者 悬臂梁： 一端为固定端、另一端自由的梁 17、分析强度问题的3步骤：求内力，求构件内最大应力，强度计算。 梁的弯曲内力有与横截面相切的剪力Q。和使梁的轴线曲率发生改变的弯矩M。18、关于绘制弯矩图的两点说明：按通行习惯，弯矩图与梁的结构简图对齐，置于结构简图的下方。 应在弯矩图上标出：最大弯矩值， 弯矩图转折处的弯矩值， 最大弯矩值及弯矩图转折处所在截面的位置。例3-13 例3-14 例3-15 例3-16 例3-17 19、除跨度很小的情况外，一般梁的强度主要取决于由弯矩引起的正应力。 横截面上只有弯矩、没有剪力的梁段，其受力状态称为纯弯曲。 20、梁弯曲时横

11、截面上各点正应力值，与该点到中性轴的距离y成正比：y。中性轴处的应力为零，梁的凹边顶层压应力最大，凸边底层拉应力最大。例3-19 例3-20 例3-21 1、度量弯曲变形的参量挠度和转角 挠度 横截面形心C在垂直x轴方向的线位移yC。位移与y轴正方向一致，挠度为正；反之为负。转角 横截面C绕中性轴转过的角位移C。角位移与从x轴到y轴的转向一致，转角为正；反之为负。例4-3 例4-4 例4-5 2、应力集中 截面的形状、尺寸突变处的小范围内，应力值急剧增加，而在离此稍远处，应力值即大为降低，并趋于均匀分布的现象。 3、疲劳破坏的特点“低应力脆断”应力低于（甚至低很多）强度极限b时，就发生断裂破坏

12、。应力集中在其中影响显著。塑性材料构件也在无明显塑性变形的情况下，突然发生脆性断裂。断裂前不易察觉征兆，具有突发性，危险性大。断口形态独特：存在着“光滑区” 、颗粒状的“粗糙区” 、 “贝壳纹” 和“裂纹源”。 4、疲劳破坏实际过程为：应力集中促生裂纹源裂纹扩展突然脆断。 5、材料的持久极限指在交变应力作用下，能承受极多次应力循环而不破坏的最大应力值，也称为疲劳极限。 6、材料的持久极限，用特定的 “光滑小试件”试验测定；这种试件有三个特点： 尺寸小，表面光滑无缺陷，试件外形不会引起应力集中。7、实际构件常不具备三个特点，因此构件的持久极限常低于“材料的持久极限”。为此定义以下三个修正系数：

13、（三个系数的数值，在手册里能够查到） 尺寸系数， 表面质量系数， 有效应力集中系数K。 二、机械基础1、现代机器的组成部分：原动机部分 电动机、内燃机、液压泵、气泵等。传动部分 带传动、齿轮传动、液压传动等机构及其组合。执行部分 机器完成工作任务的部分，联接在传动部分的终端。控制部分 有机械、光电、电子等控制元器件组成。 2、机械是由两个部分组成的：第一部分原动、传动等运动部分； 第二部分不运动的结构部分。3、机械设计的基本要求 （1）实现预定功能 （2）经济性要求 （3）安全与可靠 （4）加工制造工艺性 （5）标准化、系列化、通用化“三化”要求 （6）其他特殊要求 如高清洁度、低噪音、快速拆

14、装与便携、符合特定 族群的文化习俗等。 4、通用零部件的结构、尺寸、材料、参数和性能等指标加以统一规定，称为零部件的标准化。 每一种标准零部件，其尺寸均按一定规律从小到大、性能指标按一定要求从低到高组成多种的型号和规格，这就是标准零部件的系列化。 在产品内或系列产品间尽量采用同一规格、同一尺寸型号的零部件，减少零部件的种类，以便于制造、管理、使用、更换、维修，称为通用化。 5、三化原则的意义：减轻设计工作量。 标准零部件由专业化工厂大规模生产，效率高，成本低、质量可靠。 便于维护使用，便于更换维修。 6、材料使用性能要求 机械性能 强度、刚度、弹性、韧性、应力集中敏感性等。 表面性能 硬度、耐

15、磨性、减摩性、是否易于涂饰等。 物理性能 密度、耐热性、热膨胀性、导热性、导电性、磁性等。 化学性能 耐腐蚀性，如耐酸、耐碱、抗氧化等。1、联接分可拆联接和不可拆联接两类。 可拆联接主要有螺纹联接、键联接、销联接、弹性卡联接等。不可拆联接如拆卸则会造成零件损坏，如铆钉联接、焊接、粘接等。 2、螺纹连接基本形式：螺纹联接又分为螺栓联接、双头螺柱联接和螺钉联接 3、标准件的代号由国家标准代号和规格尺寸代号两部分组成。 4、防松措施分三类：摩擦防松、机械防松和永久防松，5、键联接 （1）平键联接 按用途又分普通平键、导向平键和滑键等（2）半圆键联接 花键联接6、销联接分类：定位销 主要用于固定零件之

16、间相对位置（图6-14a） 联接销 用于传递轴与轮子之间旋转运动（图6-14b）安全销 遭遇过载时能自动断裂，从而保护机械不遭破坏7、轴的功用与分类 轴按其功用分为三类 传动轴 只传递旋转运动而基本不支承重量、不承受横向力的轴。 心轴 只支承重物与横向力而不传递旋转运动的轴 转轴 既传递旋转运动、又承受横向力作用的轴。 8、基本轴径的估算 轴按功用分三类，轴径的强度计算也据此分为三种： 传动轴的直径由扭转强度确定，即基本轴径取决于传递的功率及转速。心轴的直径由弯曲强度确定，即基本轴径取决于横向力、跨度等因素。转轴传递运动又受横向力，轴径与功率、转速、横向力、跨度等均有关。 例6-6 9、主要问

17、题有：轴在机箱机架上的固定、相关零件在轴上的轴向和周向固定、轴的加工和装拆工艺要求、降低应力集中提高疲劳强度，等。 10、联轴器 使两根轴实现常态联接，机器停止运动时才能接合与分离；离合器 可在机器运动中随时实现两轴的接合与分离。 11、刚性联轴器和挠性联轴器刚性联轴器 结构简单，使两轴严格地同步运动。但两轴轴线存在错位、偏角时，引起机器振动等不良后果。转速高，后果尤严重。 挠性联轴器 对两轴心线的位移和偏斜有补偿能力，可缓冲减振，但两轴运动不能严格地同步。 凸缘联轴器 套筒联轴器 弹性套柱销联轴器 万向联轴器 12、牙嵌离合器 摩擦离合器 超越离合器 13、滚动轴承的优缺点：摩擦阻力小，起动

18、灵敏，效率高，发热少温升低。轴向尺寸小，有利于整机结构的紧凑和简化。当机器工作中同时受有径向 载荷与轴向的情况下，这一相对优势更为明显。径向间隙小，并且可以用预紧方法调整间隙，因此旋转精度高。润滑简单，耗油量小，维护保养方便。滚动轴承是标准件，由专业厂大批量生产供应市场，性价比高，使用更换 方便。滚动轴承标准件已形成非常丰富的种类、规格、尺寸系列，可满足 不同尺寸、精度、转速、载荷类型、环境条件的各种要求。滚动轴承的缺点是：径向尺寸较大，一般型号滚动轴承承受冲击载荷的能 力不高，高速运转时声响较大，工作寿命不够长。14、滚动轴承的代号由基本代号、前置代号和后置代号三段构成。基本代号由类型代号、

19、尺寸系列代号和内径代号等数字或字母构成，基本代号左起第二、三位数字为尺寸系列代号，由直径系列代号及宽（高）度系列代号组成。基本代号左起第四、五位数字为内径代号，表示轴承的内径尺寸15、弹簧的功用 缓和冲击，吸收振动 控制运动 储存和释放能量 测量指示 维持零件的弹性接触 1、 平面低副 两构件面接触构成的运动副。又分为 转动副 (也称铰链)，移动副。 2、平面高副 两构件点接触或线接触所构成的运动副。 低副与高副的对比：低副接触压强低，承载大、磨损慢、寿命长，且构件的形状简单，容易制造，成本低。高副接触压强高，材料和加工要求高，但能实现某些复杂精确的运动。 2、分为铰链四 杆机构和滑块四杆机构

20、两大类铰链四杆机构的类型：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。 3、凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成。凸轮是一个具有曲线轮廓或曲线凹槽的构件，凸轮与从动件构成高副。凸轮通常是原动件，它作转动、摆动或往返移动，驱动从动件按预设的规律作连续或间歇的转动、移动或摆动。 4、凸轮机构的特点 优点 依靠凸轮轮廓便可使从动件实现预设的运动，包括较复杂的曲线运动。与四杆机构比较，凸轮机构设计方便，结构简单紧凑、工作可靠。 缺点 凸轮与从动件是点、线接触，易磨损，传递的力量小。复杂凸轮轮廓的加工困难，成本也高。但数控加工技术已使这一困难缓解。5、凸轮机构的几个基本参数 ：基圆、近休止角、推程和推程角、

21、远休止角、回程和回程止角6、设计要求 推杆实现运动 匀速推程h10mm， 推程角0135， 远休止角S75 匀速回程角060近休止角S 90 凸轮匀速逆时针转动，凸轮基圆半径 r0 20mm，设计该凸轮的轮廓。1、传动带具有挠形，相应地带传动有以下优缺点： （1）能够缓和冲击，吸收振动，因此传动平稳，噪声小； （2）结构简单，制造和安置的精度要求不高，使用维护方便； 传动带损坏后容易更换，因此加工制造及运行成本均比较低； （3）能简便地实现大中心距间的传动，最大中心距可达15m以上； （4）过载时传动带会在带轮上打滑，有利于避免机器中其他机件的损坏； （5）带传动不能保证精确不变的传动比； （6）带传动的机械传动效率较低； （7）因传动带必须张紧，使轴与轴承受到较大的径向力，对机器运行 有些不利影响。2、带传动主要有：a）平带传动 b）V带传动 c）圆带传