《清华机械原理》课件

《清华机械原理》课程介绍本课程旨在培养学生对机械原理的深刻理解，以及解决机械设计与制造中的实际问题的能力。课程内容涵盖机构运动学、机构动力学、机械传动、摩擦与润滑等。机械原理的学习意义机械设计基础机械原理是机械设计的基础理论，为设计和制造各种机械设备提供理论支撑。工程应用广泛机械原理的知识广泛应用于航空航天、汽车制造、机器人、自动化设备等各个领域。解决工程问题学习机械原理有助于培养学生分析问题和解决问题的能力，提高工程实践能力。机械原理的学习内容和目标核心内容学习机械运动的基本规律和原理，掌握机械传动、机构运动分析等。理解机械结构和功能，学习机械设计和制造的基本理论。学习目标掌握机械原理的基本知识，培养分析解决机械问题的能力。为后续的机械设计、制造和应用课程打下基础。机械的分类和特点按运动方式旋转运动、直线运动、往复运动、组合运动等。按传动方式齿轮传动、带传动、链传动、液压传动等。按结构特点机架式、悬臂式、移动式等。按功能加工机械、运输机械、起重机械、农业机械等。力的概念和分类力的定义力是物体之间的相互作用，导致物体的运动状态发生改变，或使其发生形变。力的分类力可以分为重力、弹力、摩擦力、压力、浮力、向心力、电磁力等。力的特征力具有大小和方向，是一个矢量。力的合成和分解力的合成多个力共同作用于物体上的效果，可以用一个等效力来代替，这个等效力称为合力。平行四边形法则将两个力的作用线作为平行四边形的两条邻边，合力则为平行四边形的对角线。力的分解将一个力分解成两个或多个力的效果相同，分解后的力称为分力。正交分解将力分解为相互垂直的两个分力，便于分析和计算，也称为力的投影。平面上的力系平面上的力系是指作用在同一平面上的多个力。它们可以是平行力，也可以是斜交力。力系的合成与分解是机械原理中一个重要的基础知识点。力系的合成是指将多个力合成为一个等效力的过程，而力系的分解是指将一个力分解成多个力的过程。平面上的平衡条件1合力为零所有作用在物体上的力矢量和为零，物体处于静止状态或匀速直线运动状态。2力矩平衡物体受到的力矩之和为零，物体不会发生转动。3平衡条件合力为零且力矩平衡，物体才能处于平衡状态。两力系的平衡1平衡状态两个力作用于刚体上，并且大小相等，方向相反，作用线在同一条直线上，则刚体处于平衡状态。2合力为零当两个力的合力为零时，刚体处于平衡状态，此时两个力互为平衡力。3应用场景两力系的平衡原理在许多工程领域中都有应用，例如：桥梁设计、建筑结构设计、机械设计等。结构中的受力分析受力分析的步骤首先，确定结构的边界条件，然后根据载荷和约束条件，绘制受力图，并标注所有的作用力和反作用力。最后，根据平衡方程，求解结构中各部分的内力。常见结构类型结构类型包括梁、桁架、框架等。不同的结构类型，其受力特点和分析方法也不同。例如，梁的受力分析主要涉及弯矩和剪力，而桁架的受力分析则主要涉及杆件的轴力。摩擦力的基本概念接触面当两个表面相互接触并发生相对运动或有相对运动趋势时，就会产生摩擦力。静摩擦力当物体处于静止状态时，接触面之间产生的摩擦力称为静摩擦力。动摩擦力当物体在接触面上滑动时，接触面之间产生的摩擦力称为动摩擦力。静摩擦力和动摩擦力静摩擦力静摩擦力是物体在静止状态下，由于接触面之间的相互作用而产生的摩擦力。静摩擦力的大小与物体所受的压力成正比，与接触面的粗糙程度有关。动摩擦力动摩擦力是物体在运动状态下，由于接触面之间的相互作用而产生的摩擦力。动摩擦力的大小与物体所受的压力成正比，与接触面的粗糙程度有关，但与运动速度无关。静摩擦力和动摩擦力的区别静摩擦力的大小会随着外力变化而改变，直到达到最大静摩擦力，而动摩擦力的大小则相对固定。静摩擦力的大小可大于或等于外力，而动摩擦力的大小则小于外力。机械传动的分类齿轮传动齿轮传动广泛应用于各种机械设备，如汽车变速箱、精密仪器等。带传动带传动常用于速度较低、载荷较轻的场合，如纺织机械、农业机械等。链传动链传动具有较高的传动效率和承载能力，常用于重型机械、矿山设备等。摩擦传动摩擦传动利用两个接触面间的摩擦力来传递运动和能量，如刹车、离合器等。齿轮传动的基本原理1齿轮啮合两个齿轮的齿相互啮合，实现旋转运动的传递。2齿轮参数齿轮的模块、齿数、压力角等参数决定传动比和传动效率。3传动类型外啮合、内啮合、行星齿轮等不同类型，适用于不同应用场景。4运动关系齿轮的转速和扭矩通过传动比相互转换，实现能量传递。齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种，具有结构紧凑、传动效率高、传动比准确、承载能力强等优点。它在汽车、航空、工业设备等领域发挥着至关重要的作用。带传动的基本原理1摩擦力带与轮之间摩擦力2张紧力带的拉紧程度3速度比轮的转速比4功率传递带的张力差带传动利用带和轮之间摩擦力传递运动和功率。张紧带增加摩擦力，实现高效传动。速度比受带轮直径影响，功率与带的张力差成正比。链传动的基本原理1链轮链条的连接点2链条由多个链节组成，连接链轮3传动比链轮尺寸影响转速链传动是一种通过链条和链轮实现机械运动传递的传动方式，链传动能够传递较大的功率，承载较大的载荷，使用寿命长。链条通常由钢制成，由许多链节连接而成。联轴器的作用和分类1连接作用联轴器用于连接两根旋转轴，使它们同步旋转，传递扭矩。2缓冲作用一些联轴器可以缓冲两轴之间的冲击和振动，保护机器。3补偿作用联轴器可以补偿两轴之间的轻微偏差，例如轴线偏移、角度偏差等。4分类联轴器可以根据结构、用途、连接方式等进行分类，包括刚性联轴器、弹性联轴器、液压联轴器等。螺纹传动的基本原理1螺纹副螺纹副由螺纹和螺母组成2螺纹的类型三角形、梯形、矩形3螺纹传动形式旋转运动转换为直线运动4螺纹传动应用夹紧、升降、紧固螺纹传动是利用螺纹副之间的摩擦力来传递动力的。通过旋转螺纹，可以带动螺母沿螺纹轴线移动，从而实现直线运动。螺纹传动广泛应用于各种机械设备中，例如夹紧装置、升降机构、紧固件等。液压传动的基本原理1液体介质传递动力液压传动利用液体作为工作介质，通过液体的压力传递动力。2能量转换液压系统将机械能转换为液体的压力能，再将压力能转换为机械能。3应用广泛液压传动广泛应用于工程机械、机床、农业机械等领域，具有传递功率大、控制方便的特点。气压传动的基本原理压缩空气气压传动利用压缩空气作为动力源，通过气缸、气动马达等执行机构来完成各种机械动作。控制系统气压控制系统通过电磁阀、压力开关等元件来控制压缩空气的压力、流量和方向，从而实现对执行机构的动作控制。执行机构气动执行机构将压缩空气的能量转换为机械能，如气缸将压缩空气转换为线性运动，气动马达将压缩空气转换为旋转运动。常见机械零件的作用齿轮齿轮用于改变旋转运动的方向和速度，实现机械传动。轴承轴承用于支撑旋转轴，减少摩擦，提高机械效率。弹簧弹簧用于储存和释放能量，缓冲冲击力，保持机械部件的稳定性。螺母和螺栓螺母和螺栓用于连接和固定机械部件，确保机械结构的牢固性。常见机械零件的设计要求强度零件应能承受工作载荷而不发生断裂或永久变形。刚度零件应具有足够的刚度，以保证在工作过程中不发生过大的变形，影响机械的正常工作。耐磨性零件在工作过程中会发生摩擦，因此应具有足够的耐磨性，以延长使用寿命。耐腐蚀性某些零件需要在腐蚀性环境中工作，因此应具有足够的耐腐蚀性，以防止腐蚀失效。机械系统的运动学分析1位移描述物体在空间中的位置变化。2速度描述物体运动的快慢和方向。3加速度描述物体速度变化的快慢和方向。机械系统的运动学分析主要研究机械系统中各构件的运动规律，而不考虑引起运动的力。机械系统的动力学分析运动规律分析分析机械系统在受力作用下的运动规律，例如速度、加速度和位移等。能量分析研究机械系统中的能量转化和传递过程，包括动能、势能和功等。平衡分析分析机械系统在受到外力和惯性力作用下的平衡状态，并评估其稳定性和安全性。振动分析研究机械系统在受到周期性外力作用下产生的振动现象，并确定其振幅、频率和阻尼等特性。机械系统的动平衡分析动平衡分析是机械设计中的重要环节，保证机械系统的稳定运行，延长机械的使用寿命。1静平衡转动轴线上的质量分布均匀，处于平衡状态。2动平衡转动部件在运转中保持稳定，不会产生振动和噪声。3动平衡试验通过试验确定不平衡量，并进行平衡修正。4平衡方法添加平衡块或调整部件质量分布进行平衡。常见的动平衡方法包括添加平衡块，调整部件质量分布等，可以有效降低机械系统的振动和噪声，提高运行效率。振动对机械系统的影响降低机械效率振动会引起机械部件之间的摩擦增加，导致能量损失，降低机械效率。振动还会导致机械部件的疲劳损伤，缩短其使用寿命。影响产品质量振动会引起机械加工精度降低，导致产品质量下降。振动还会引起产品表面出现瑕疵，影响产品的外观。造成噪音污染振动会产生噪音，影响周围环境，造成噪音污染。噪音还会影响工作人员的健康，降低工作效率。安全隐患振动会引起机械部件的松动，甚至脱落，造成安全隐患。振动还会导致机械系统失控，造成事故。材料的力学性能和试验11.强度材料抵抗外力破坏的能力，是指材料在拉伸、压缩、弯曲、剪切等外力作用下发生断裂或屈服时的抵抗能力。22.韧性材料在断裂前吸收能量的能力，是指材料在拉伸、压缩、弯曲等外力作用下发生断裂前所能吸收的能量。33.硬度材料抵抗硬物压入其表面的能力，是指材料抵抗压痕的难易程度，表示材料表面的抵抗磨损能力。44.疲劳强度材料在交变载荷作用下抵抗破坏的能力，是指材料在交变载荷作用下发生疲劳断裂时的抵抗能力。机械设计的基本过程1需求分析明确设计目标，了解用户需求，确定设计参数。2方案设计提出多种设计方案，进行可行性分析，选取最优方案。3详细设计绘制零件图和装配图，确定材料和工艺，进行强度和刚度计算。4样机制作根据设计图纸制造样机，进行测试和验证，进行必要的修改。5产品试制批量生产产品，进行性能测试和可靠性试验，进行产品改进。6产品投产产品投入市场，进行市场推广和售后服务，不断改进产品性能。机械设计的常见问题强度不足零件承受过大的载荷，导致强度不足，甚至发生断裂或变形。刚度不足零件在承受载荷时，发生过大的变形，影响机器的正常工作。疲劳失效零件在反复载荷的作用下，产生裂纹，最终导致失效。润滑不良零件之间摩擦力过大，导致磨损加剧，影响机器的使用寿命。机械设计的未来趋势智能化设计人工智