第1章机械设计概论

1、第第1 1章章 机械设计概论机械设计概论 A A 机器的组成、功能及机械设计的基本要求机器的组成、功能及机械设计的基本要求加工中心加工中心机器人 台式计算机台式计算机 问题 什么是机器?机器由几部分组成?它对人类的生产和生活有些什么影响?机械设计应怎样进行?有哪些基本要求? 1.机器 机器在人类生活与生产中占有非常重要的地位，它是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料与信息。 机器具有以下三大特征: （1）各类机器都是人工的实物组合 （2）机器的各 部分之间形成相对的确定的运动 （3）机器能完成有用的机械功或实现能量的转换 凡具有上述三大特征的实物组合称为机器。仅具备前两个特征的称为机构

2、。 分析问题分析问题2.机器的分类 （1）动力机器 主要用来实现机械能与其他形式能量间的转换 （2）加工机器 主要用来改变物料的结构形状、性质和状态 （3）运输机器 主要用来改变人或物料的空间位置 （4）信息机器 主要用来获取或处理各种信息机器一般由三大部分组成 （1）原动部分 即动力的来源 （2）执行部分 即直接完成任务的部分 （3）传动部分 即将运动和动力传到执行部分的中间环节，这部分也可称为机构。一般可把机器和机构统称为机械 构件 是指机构中形成相对运动的独立运动单元，可以是刚性联接的几个零件，也可以是一个零件零件 是机械中不可拆的制造单元凸轮机构凸轮机构机构是由构件组成零件可分为两类:

3、 一类是通用零件，指一般机械中普遍使用的零件 另一类是专用零件，指仅在特定类型机器中使用的零件（1）使用要求 设计的机器必须完成规定的功能，在 规定的条件下和预定的寿命期间 内能可靠地工作， 并且操作简单、维护方便（2）经济性要求 经济性指标是一项综合性指标。所设 计的机械产品应在满足使用要求的前提下，尽量使得 产品的设计制造成本低、能源材料耗费少、维护管理 费用低，而生产率和机械效率高 （3）其他要求 如要求机械产品外形美观、装拆容易、 运输方便、噪音较小等3.机械设计应满足的基本要求4.机械零件的设计步骤 （1）根据使用要求，选择零件的类型及结构形式（2）按工作情况，确定作用在零件上的载荷

4、（3）根据工作要求，合理地选择零件材料; （4）分析零件的主要失效形式，按照相应的设计 准则，确定零件的基本尺寸; （5）设计零件的结构及尺寸，并进行必要的强 度、刚度校核计算; （6）绘制零件图，拟定技术要求1.1 机械零件设计的标准化、系列化及通用化按规定标准生产的零件称为标准件。 （1）由专业化工厂大量生产标准件，能保证质量、降低成本、提高生产率（2）选用标准件可以简化设计工作，缩短产品的生产周期 （3）选用参数标准化的零件，在制造中可以减少刀具和量具的规格数量，降低加工成本。 （4）使用标准件便于机器的安装和维修，缩短检修期 B B 相关理论相关理论1.2力的基本概念 （1）在对构件进

5、行受力分析时，如果物体的变形对所研究的问题影响不大，可不考虑，此时将物体视为刚体 （2）在研究构件的承载能力时，必须考虑物体的变形，此时物体称为变形固体（即变形体） 物体相对于地面保持静止或做匀速直线运动的状态称为平衡 力是物体间的相互机械作用，这种作用使物体的运动状态发生变化或使物体产生变形 1.2.1 平衡 1.2.2 力力的表示力的表示 力 是既有大小又有方向的矢量，在图上用带有箭头的有向线段表示，箭头的指向表示力的方向，线段的起点表示作用点。矢量的模即为力的大小 力 用大写字母表示，如 F F、P P、W W、G G。 在国际单位中，力的单位是牛顿（N）或千牛顿（kN）。 力的作用效果

6、取决于三个要素，即力的大小、方向和作用点。 作用于刚体的两个力平衡的充要条件是这两个力大小相等、方向相反、作用线相同 当物体受到两个共线力 F F1和F F2 作用而处于平衡状态时，则必须有F F1=F F2 F F1和F F2称为作用在同一物体上的一对平衡力 二力平衡及二力杆件二力平衡及二力杆件 当一个物体不计自重和摩擦力，只受两个力而保持平衡时，称之为. 这两点所受力的作用线必定是沿着两个力作用点的连线性质性质1 1（二力平衡公理）（二力平衡公理）二力杆件 在刚体上增加或减去一组平衡力系并不改变原力系对刚体的作用效应力的可传性原理推导力的可传性原理推导 作用在刚体上的力可沿其作用线任意滑移

7、，而不改变该力对刚体的作用效应 性质2（加减平衡力系公理）力的可传性原理 作用在物体上同一点的两个力可以合成一个合力，合力的作用点仍在该点，合力的大小和方向由这两个力为邻边构成的平行四边形的对角线来确定，即合力矢等于这两个分力矢的矢量和，F F表示合力，F F1、F F2表示分力 它们的矢量表达式为 F F1+F F2=F F力的平行四边形法则、力的平行四边形法则、三角形法则三角形法则性质性质3 3（力的平行四边形法则）（力的平行四边形法则） 两物体间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反，且在同一作用线。 力总是成对出现，有作用力就有反作用力，二者同时出现且同时消失作用力与反作用力作用力与

8、反作用力 性质性质4 4（作用力与反作用力公理）（作用力与反作用力公理） 1.2.3 约束和约束反力 非自由体 机构中的每个构 件都以一定的方式 与其他构件相联接，这些联接就使构件的运 动受到了一定限制，成为了非自由体约束 对非自由体的运动起限制作用的物体称为 约束约束反力 约束限制物体的运动，这种限制是通过力的作用来实现的，约束受到被约束物体的作 用力，反过来，约束也必然会给被约束物体一反作用力，即为约束反力 约束的类型 1.柔性约束柔性约束实例柔性约束实例 柔性约束实例柔性约束实例 特点:只承受拉力，不承受压力约束反力方向:总是沿着柔性体的中心线背 离物体作用在接触点，用 F FT 表示2

9、.2.光滑面约束光滑面约束 光滑面约束实例光滑面约束实例光滑面约束实例光滑面约束实例特点:只能限制物体沿接触处的法线方向且朝向支承面内的运动，不能限制物体离开支承处或沿其他方向的运动 约束反力方向:通过接触点沿接触处法线指向物体，这种约束反力也称法向反力，F FN表示 光滑平面或曲面对物体所构成的约束两个物体用光滑圆柱销相联接而形成的约束 光滑圆柱铰链约束实例光滑圆柱铰链约束实例 3.光滑圆柱铰链约束 当铰链联接的构件中有一个构件为支座固定，称为固定铰链支座约束 固定铰链支座约束固定铰链支座约束中间铰链约束中间铰链约束 固定铰链支座约束的特点: 限制被约束物体间的相对移动，但不限制物体绕销轴线

10、的相对转动约束反力方向: 作用线通过铰链中心，方向待定，通常用两个正交力 F Fx、F Fy来表示固定铰链支座约束活动铰链支座约束的特点: 只能限制物体沿支承面法线方向的运动，而不能限制切线方向的运动或绕着销钉的转动约束反力方向: 垂直于支承面且通过铰链中心，指向或背离物体，用F FN 表示 活动铰链支座约束活动铰链支座约束活动铰链支座约束 若铰链约束两构件与地面或机架的联接是可动的，则这种约束称为活动铰链支座约束4.4.固定端约束固定端约束 物体的一部分固嵌于另一物体所构成的约束特点: 固定端约束限制物体在约束处沿任何方向的移动以及在约束处的转动 固定端约束实例固定端约束实例固定端约束的力学

11、模型固定端约束的力学模型1.2.4 1.2.4 受力分析与受力图受力分析与受力图 受力分析 是指研究某个物体受到的力，并分析这些力对物体的作用情况，即研究各个力的作用位置、大小和方向 受力图 是将实际问题简化成简单的力学模型 画受力图的步骤如下 （1）明确研究对象，画出分离体 注意:受力图上只画出要分析的非自由体，不画约束；一定要明确受力对象（2）在分离体上画出全部主动力； （3）在分离体的约束处画出约束反力【例1-1】 圆球重量为 W W，由杆AB、绳索BC与墙壁支撑，若杆重与物体间摩擦力不计，试分别画出球和杆AB的受力图受力图画法实例受力图画法实例【例1-2】 梁A端用铰链固定支座支撑，B

12、端放置于光滑墙上，画出梁的受力图受力图画法实例受力图画法实例 【例1-3】 分别作出每个物体的受力图（杆重与物体之间的摩擦力忽略不计） 受力图画法实例受力图画法实例1.3 1.3 构件的静力分析构件的静力分析 在同一个平面内，各力作用线汇交于一点的力系称为平面汇交力系平面汇交力系实例平面汇交力系实例 1.3.1 平面汇交力系1.1.力在平面直角坐标轴上的投影与分解力在平面直角坐标轴上的投影与分解 力的投影是标量，其正负规定如下:从a到b的方向与坐标轴一致时，投影值为正，反之为负力在平面直角坐标轴上的投影与分解力在平面直角坐标轴上的投影与分解 必须注意，力的投影与分力是不同的，投影是标量，而分力

13、是矢量，两者不可混淆。 计算公式 设有一平面汇交力系 F F1、F F2、F F3作用在刚体A点上，根据力的平行四边形法则，先将 F F1和F F2合成为F F12，再将F F12与F F3合成，即得F F1、F F2、F F3的合力F F 2.合力投影定理 计算公式计算公式3.3.平面汇交力系的平衡条件平面汇交力系的平衡条件1.1.力对点的矩力对点的矩 如果力 F F 的作用方向不同，其效果也不同（拧紧或松开）。因此，力 F F 使扳手绕O点转动的效应用力 F F 的大小与 d 的乘积 F Fd 来度量，称为力 F F 对O点之矩，简称力矩，以MO（F F）表示，即MO（F F）=Fd 通常

14、规定:力使物体绕矩心做逆时针方向转动时，力矩为正；反之为负。 扳手的力矩扳手的力矩 1.3.2 1.3.2 力矩和平面力偶系力矩和平面力偶系 在力矩的计算中，有时力臂不易确定，力矩很难直接求出 但如果将力进行适当分解，各分力力矩的计算就非常容易，所以应用合力矩定理可以简化力矩的计算 2.合力矩定理 平面汇交力系的合力对平面内任一点的矩，等于力系中各分力对该点的矩的代数和3.3.力偶和力偶矩力偶和力偶矩 力学上把作用在同一物体上的等值、反向、不共线的两个平行力称为力偶，以符号（ F F，F F）表示 力偶实例力偶实例 力学中用Fd的乘积来度量力偶，称为力偶矩，并以符号M（F F，F F） 表示，

15、简写为 M， 即 M（ F F，F F）=M=Fd 力偶矩的正负号、单位规定与力矩相同。力偶使物体做逆时针方向转动时，力偶矩取正号；反之取负号。力偶矩的单位为 Nm 性质（1）力偶无合力，不能用一个力来代替，力偶对物体只有转动效应而无移动效应。力偶不能合成为一个力，它不能用一个力来平衡而只能与力偶平衡。力偶和力是组成力系的两个基本物理量 （2）力偶对其作用面上任意点之矩恒等于力偶矩，而与矩心的位置无关 （3）同一平面内的两个力偶，如果力偶矩大小相等，力偶转向相同，则两力偶等效力偶的单位及性质 力偶可用力和力偶臂来表示，也可直接用力偶矩来表示，即用带箭头的弧线表示，将力偶矩值标注出来，箭头的转向

16、表示力偶的转向力偶的表示方法力偶的表示方法 力偶的推论 力偶可在其作用平面内任意移动和转动，转动效应与它在作用面内的位置无关 在保持力偶矩大小和力偶转向不变的情况下，可任意改变力偶中力的大小和力偶臂的长短，而不改变它对物体的转动效应。 力偶的合成力偶的合成 力偶矩分别为 M1=F1d1 M2=F2d2 合力大小为 F=F=Fp1+Fp2 F和F等值、反向、相互平行，力F和F组成一个新力偶（F，F），即为两个已知力偶的合力偶 其力偶矩为 M=Fd=Fp1d+Fp2d=M1+M2 同样地，若在同一平面内有n个力偶 则其合力偶矩应为 M=M1+M2+Mn 即平面力偶系可以合成为一个合力偶，合力偶矩等

17、于各分力偶矩的代数和4.4.平面力偶系的合成平面力偶系的合成 在同一平面内，由若干个力偶所组成的力偶系称为平面力偶系5.5.平面力偶系的平衡平面力偶系的平衡 作用于物体上的各力的作用线在同一平面内，既不汇交于一点，也不平行，该力系称为平面任意力系 平面任意力系平面任意力系 1.3.3 1.3.3 平面任意力系平面任意力系1.力的平移定理 作用于刚体上的力 F可以平行移动到任一点，但必须同时附加一个力偶，其力偶矩 M 等于原来的力F对新作用点之矩，这就是力的平移定理力的平移定理力的平移定理 2.平面任意力系的简化与平衡 设在刚体上作用有平面任意力系（ F F1 ，F F2，F Fn），在力系平面

18、内任取一点O，称为简化中心 平面任意力系的简化平面任意力系的简化 平面任意力系向平面内任意一点简化，一般可以得到一个作用在简化中心的主矢和一个作用于原平面的主矩。 主矢等于原力系各力的矢量和，主矩等于原力系各力对简化中心之矩的代数和重要结论3.3.平面任意力系的平衡条件平面任意力系的平衡条件 当主矢和主矩都等于零时，则说明这一平面任意力系是平衡力系；反之，若平面任意力系是平衡力系，则它向任意点简化的主矢、主矩必同时为零 所以，平面任意力系平衡的充要条件为:力系的主矢及力系对任一点的主矩均为零，即平面任意力系的平衡方程为平面任意力系平衡的解析条件 力系中各力在两个任选的直角坐标轴上的投影的 代数

19、和分别等于零及对平面内任一点的主矩等于零 二矩式平衡方程 三矩式平衡方程使用条件为使用条件为A A、B B、C C三点不共线三点不共线即各力作用线处于同一平面内且互相平行的力系平面平行力系平面平行力系的两个独立平衡方程 注意: 给定一个平衡的平面任意力系，只能列出三个独立的平衡方程式，最多可以求解三个未知量 实际计算时，应用哪种形式的平衡方程，取决于计算是否简便，最好一个方程仅含一个未知量，矩心尽量取在较多未知力的汇交点上，坐标轴应尽量与较多的未知力垂直 工程中的许多机械结构都是由几个构件以一定的约束形式连接在一起构成物体系统，简称物系 例 ：机床一偏心夹紧机构，压杆 AC 处于水平位置，偏心

20、轮柄上作用一力 F。 已知:=30，a =120 mm，b =60 mm，R=40 mm，e =15 mm， l=100 mm。 不计接触面之间的摩擦 求工件E所受的夹紧力。1.3.4 物系的平衡 摩擦是机械运动中一种常见的现象，也是一种对物体的约束 两个相互接触的物体有相对滑动或相对滑动趋势时，在接触面产生的彼此阻碍滑动的阻力，称为滑动摩擦力滑滑动动摩摩擦擦力力 1.3.5 1.3.5 滑动摩擦的平衡滑动摩擦的平衡1.滑动摩擦力 当 Fp较小时物体保持平衡 当Fp增加到某一值后物体即将开始滑动，此时，静摩擦力达到最大值，称为最大静摩擦力，用Ffmax表示 静摩擦力的大小随主动力的变化范围为 0FfFfmax 最大静摩擦力的大小与两物体间的正压力成正比。即