机械基础（少学时第3版） 课件汇 曾德江 第1-8单元 机械的认知 -间歇机构

第1单元机械的认知

项目背景

图1-1所示自动组装机是由可编程序控制器进行控制的，可进行安全检测、质量检验、自动计数

的六工位组装机。可以根据需要设计相应的夹具及工装，利用它代替人完成产品的装配任务。本单元通过对此案例的分析得出机器的共同特征，引出机器、机构、构件与零件等与机械相关的基本概念，并介绍学习本课程所应掌握的知识点。第1单元机械的认知本课程的研究内容、性质及任务本课程的研究对象本课程的学习方法思考与训练内容CONTENTS第1单元机械的认知

知识目标

1.理解本课程的研究对象和内容、机械设计的基本要求和一般过程。2.掌握机器、机构及机械等概念，以及机器和机构的用途及区别。

1.能明确课程研究的对象和内容、机械设计的基本要求和一般过程。

2.具有识别机器和机构，判断其用途及区别的能力。

能力目标第1单元机械的认知

素质目标

1.养成机械传动应用的科学思维方式。。2.学习中外机械发展史，树立文化自信与科技报

国的爱国情怀。

1.机器的组成及其特征。2.机械、机器、机构、构件及零件等概念。

学习重点和难点1.1本课程的研究对象

1.本课程的研究对象是机械。机械是机器和机构的总称。

2.机械发展历史：

1）我国古代在机械研制方面有许多杰出的发明创造。水排鼓风炼铁水运仪象台1.1本课程的研究对象

2）18世纪初以蒸汽机的出现为代表产生了第一次产业革命，人们开始设计制造各种各样的机械，例如纺织机、火车、汽轮船。珍妮纺织机法国陆军技术军官古诺发明世界上第一辆蒸汽动力车

1.1本课程的研究对象

3）19世纪到20世纪初的第二次产业革命，随着内燃机的出现，促进了汽车、飞机等运输工具的出现和发展。“圣路易斯精神”号飞机1886年发明的世界上第一辆汽车1.1本课程的研究对象

4）20世纪中后期，以机电一体化技术为代表，在机器人、航空航天，海洋舰船等领域开发出了众多高新机械产品。利用机械臂施放哈勃空间望远镜月球车1.1本课程的研究对象

5）进入21世纪后，智能机械、微型机构、仿生机械的蓬勃发展，将促进人工智能、绿色制造、无人控制技术、虚拟现实技术、3D打印技术、自动化和智能化技术等领域的交叉与融合，并进一步丰富和发展机械学科知识。中国空间站中国空间站天和机械手1.1本课程的研究对象

3.基本概念

1）机器：具备三个特征

（1）它们是许多人为实物的组合；

（2）各实物之间具有确定的相对运动；

（3）能代替或减轻人类的劳动，以完

成有效的机械功，或进行能量转换。

1—曲轴2—连杆3—活塞4—缸体5—凸轮6—推杆7—摆杆8—阀门杆图1-1飞机发动机1.1本课程的研究对象

2）机器的组成

（1）动力部分；（2）执行部分（又称为工作部分）；（3）传动部分

（4）操纵部分和控制部分；（5）框架支撑部分

1.1本课程的研究对象

3）机构

机构只具有机器的前两个特征，机构的作用是传递运动和转换动力。

机械:机器和机构的总称。

4）构件：是机构中的运动单元。

5）零件：是机构的制造单元。内燃机连杆自行车

1.1本课程的研究对象

6）通用零件：在各种机器中都能用到的零件。标准螺纹联接件滚动轴承结构1.1本课程的研究对象

7）专用零件：在特定类型的机器中才能用到的零件。风扇叶轮曲轴飞轮组1.2本课程的研究性质、内容及任务

7）专用零件：在特定类型的机器中才能用到的零件。风扇叶轮曲轴飞轮组模块1机械的认知模块2机械工程材料的分析与应用模块3工程构件的承载分析模块5联接与轴系零件部件模块4常用机构和机械传动分析与应用1.2本课程的研究性质、内容及任务

1.本课程的研究内容：5个模块，16个单元1.2本课程的研究性质、内容及任务

2.本课程的性质本课程是一门理论性和实践性都很强的专业技术基础课，是后续专业课程学习或解决工程实际问题的必备基础，是机械类和近机类专业的骨干基础课。

1.2本课程的研究性质、内容及任务

3.本课程的任务1)掌握常用工程材料的性能、用途及选用原则。2)初步掌握分析解决工程实际中简单力学问题的方法，并能对工程构件进行受力分析与简单承载能力分析。3)掌握常用机构和通用零件的基本知识、基本理论和基本技能，掌握一般机械传动装置、机械零件的选用方法。4)初步具有选用常用机构和通用零件的能力以及使用和维护一般机械的能力，达到对学生进行基本技能的训练。例如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、标准、图册和规范等）的能力。

1.3本课程的学习方法

鉴于本课程的特点，建议在学习这门课程时应注重以下几点：

1)要学会综合应用金工实习、机械制图、互换性与测量技术等课程的基本知识，并注重本课程学习内容与先前学习课程的融会贯通。

2)课程不同学习单元，虽然所涉及研究对象的理论基础不同，但其最终目的都是培养学生具有简单分析和解决工程实际问题的能力。

3)由于工程实际的问题很复杂，很难用纯理论的方法来解决，因此常常采用经验公式或简化模型代替。

4)工程案例的计算步骤和计算结果常常不像基础课那样具有唯一性。

5)在学习过程中，还应注重将生活内容与学习内容相融合，学会用生活演绎学习。

思考与训练

指出下列机器的动力部分、传动部分、控制部分和执行部分：1）

自动组装机（见图1-1）；2）汽车；3）数控车床；4）越野自行车；

5）全自动滚筒洗衣机；6）智能家用豆浆机。谢谢聆听！

第2单元

机械工程材料

项目背景

材料是人类生活和生产的物质基础。机械工程材料是指用于制造各类机械零

件、构件的材料和在机械制

造过程中所应用的工艺材

料。近几年新材料和新工艺

广泛应用在国防、航天、军事等领域，国家综合实力得到极大提高。通过本单元的学习，应了解机械工程中常用的材料有哪些，有哪些热处理工

艺，如何根据使用要求选用合适的材料。图2-1某汽车主要零部件应用的材料第2单元机械工程材料

钢铁材料及应用金属材料的性能非铁金属和粉末冶金材料金属材料的热处理及应用内容CONTENTS常用非金属材料思考与练习第2单元机械工程材料

知识目标

1.熟悉常用钢铁材料、非铁金属、粉末冶金等材料的牌号、种类、性能、用途及选用。

2.了解常用金属材料的热处理工艺、特点及应用。3.熟悉高分子材料、陶瓷材料、复合材料的种类、性能、用途。

1.能识别机械行业常用金属及非金属材料，并能识读常用材料的牌号。

2.能依据机械零件的工作要求选用合适的材料。

能力目标第2单元机械工程材料

素质目标

1.强化工程材料国家标准执行的严谨性与规范性。

2.培养工程思维与工程安全意识。

1.各种碳素结构钢、合金

钢的分类、牌号表示及其热

处理工艺的选用。2.常见非金属材料的性能

及选用方法。

学习重点和难点2.1金属材料的性能

金属材料是目前应用最广泛的材料，常用的金属材料有碳素结构钢、合金钢、铸铁、非铁金属及合金、金属粉末冶金材料。

金属材料之所以能大量应用在各行各业中，是由于金属材料比其他种类的材料有更好的力学性能和工艺性能。

水排鼓风炼铁2.1金属材料的性能2.1.1金属材料力学性能

1.强度

强度：是指金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。

当材料在满足强度的载荷作用范围内是不会发生破坏，只有当材料承受的载荷超过了自身的强度时才会发生断裂之类的破坏。车轴断裂飞机起落架断裂

2.1金属材料的性能

根据外力作用性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。工程常用的是屈服强度和抗拉强度。相同条件下，材料的强度越高，则构件的承载力也就越高。

材料的强度等力学性能须通过试验的方法进行测定。此类试验须按标准（如国家标准、部标准）中规定的方法进行。此处重点介绍低碳钢的拉伸强度测试实验。拉伸试验机2.1金属材料的性能

为了便于对试验结果进行比较，试验时首先要把待测试的材料加工成试样。我国国家标

准GB/T228.1—2021《金属材料

拉伸试验

第1部分：室温试验方法》中规定，拉伸试

样横截面可采用圆形（见图2-4a）、矩形、多边形或环形，长度可根据其横截面积按规定比

例或不按比例适当选取。按比例选取的试样规定有长短两种规格。圆形横截面长比例试样其

原始标距（工作段长度）L0=10d0

，短比例试样

L0=5d0。金属材料的压缩试验，

一般采用短

圆柱形试样，其高度为直径

d0

的1.5～3倍图2-4标准试样2.1金属材料的性能

拉伸试验机在试验过程中可以绘制出施加的载荷与试样变形的曲线，一般称为拉伸力-伸长曲线，如图2-6所示，拉伸力-伸长曲线与试样尺寸有关。为了消除尺寸的影响，将拉力除以试样横截面的原始面积

S0

，得出试样横截面上的正应力，用R表示；伸长量ΔL

除以原

始标距的长度

L0，得出试样在工作段内的伸长率

e，以R为纵坐标、e为横坐标绘出的曲线称为应力-应变曲线，如图2-7所示，它表明从加载开始到破坏为止，应力与应变的对应关系。2.1金属材料的性能

拉伸实验机在实验过程中可以绘制出施加的载荷与试件变形的线图分析2.1金属材料的性能

2.塑性

塑性：是指金属材料在给定外力的作用下，产生永久变形而不被破坏的能力。金属材料在

拉伸变形时，长度和横截面积都要发生变化。因此，金属的塑性可以用材料的断后伸长率

A

和断面收缩率

Z

两个指标来衡量。一般断后伸长率和断面收缩率是根据拉伸试验的试样求得的。

2.1金属材料的性能

2.塑性

(1)断后伸长率A:试样拉断后，工作段的残余伸长量ΔL=Lu-L0

与标距长度

L0

的比值代表试样拉断后塑性变形程度，称为材料的断后伸长率，用A表示。即

(2)断面收缩率Z:试样断口处横截面积的相对变化率称为断面收缩率，用Z表示，即

2.1金属材料的性能

金属材料的伸长率和截面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。工程上通常把常温、静载下伸长率大于5%的金属材料称为塑性材料，如低碳钢；而把伸长率小于5%的金属材料称为脆性材料，如灰口铸铁等。

低碳钢是一种塑性极好的材料，在汽车制造业中常用这种材料通过冲裁、拉延、翻边等压力加工的方法来加工出汽车的车身覆盖件。压力加工汽车覆盖件2.1金属材料的性能

3.硬度

硬度：是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力,是衡量材料软硬程度的指标。例如将一个坚硬的钢球压入钢板的表面，就会在钢板表面留下圆形痕迹，这个痕迹的大小就反映了材料的软硬程度。硬度是由硬度计测试出来的。硬度测试原理硬度计2.1金属材料的性能

硬度是由硬度计测试出来的。常用的硬度标准有三套：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度，这三种硬度标准有不同的测试方法和应用范围。布氏硬度测试原理洛氏硬度测试原理维氏硬度测试原理2.1金属材料的性能

硬度是由硬度计测试出来的。常用的硬度标准有三套：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度，这三种硬度标准有不同的测试方法和应用范围。表2-2三种硬度试验简介和比较2.1金属材料的性能

4.韧性

韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。韧性可在材料科学及冶金学上，韧性是指当承受应力时对折断的抵抗，其定义为材料在破裂前所能吸收的能量与体积的比值。

通常以冲击强度的大小、晶状断面率来衡量。韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。衡量材料抗冲击能力的指标用冲击韧度来表示。冲击韧度是通过冲击实验来测定的。冲击试验原理冲击韧性测试机2.1金属材料的性能

5.疲劳性能

许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经过长时间的应力反复循环作用以后，也会发生突然脆性断裂，这种现象叫做金属材料的疲劳。由于疲劳不易发现，所以对安全的影响是极大的。

疲劳性能可以通过疲劳实验测出，主要设备为疲劳试验机，经过试验可以将实验数据整理成线图，即为疲劳曲线。疲劳试验机疲劳曲线2.1金属材料的性能

2.1.2金属材料工艺性能

1.焊接性能

金属的焊接性能又叫可焊性，一般是指两块相同的金属材料或两块不同的金属材料，在局部加热到熔融状态下，能够牢固地焊合在一起的性能。焊接性能好的金属，在焊缝部位不易产生裂纹、气孔、夹渣等缺陷，同时焊接接头具有一定的机械性能。常用焊接形式2.1金属材料的性能

2.切削性能

切削加工性能是指金属材料在用切削刀具进行加工时，所表现出来的难易程度。它主要用切削速度、加工表面光洁度和刀具耐用度来衡量。通常灰铸铁有良好的切削加工性，钢的硬度在HBWl60-200范围内时，具有良好的切削加工性。常用切削加工方式2.1金属材料的性能

3.压力加工性能

压力加工性能：就是指金属材料在压力加工过程中成型的难易程度，例如将材料加热到一定温度时其塑性的高低（表现为塑性变形抗力的大小），允许热压力加工的温度范围大小，热胀冷缩特性以及与显微组织、机械性能有关的临界变形的界限、热变形时金属的流动性、导热性能等。常用压力成型工艺2.1金属材料的性能

4.铸造性能

铸造性能：就是指反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度，表现为熔化状态时的流动性、吸气性、氧化性、熔点，铸件显微组织的均匀性、致密性，以及冷缩率等。典型铸造件

基础能力训练

自行车是常用的交通工具，如图2-22～图2-24所示。老式自行车都是用管材焊接而成；

现在使用最多的轻便自行车，为了强度和美观，还需要对管材弯曲成型加工；山地自行车则是为高速行驶设计的。试分析这样三款自行车在选材方面各有哪些性能要求。

图2-22老式自行车

图2-23轻便自行车

图2-24山地赛车2.2钢铁材料及应用

案例导入：在日常生活中到处都能看到钢铁材料的产品，从生活中的直尺到工程中的扳手，从小到一把瑞士军刀大到一台挖掘机。在这些不同的产品里，所用的钢铁材料有什么不同？它们的性能又如何？

常见钢铁制品2.2钢铁材料及应用

2.2.1工业用钢

1.普通碳素钢

（1）碳素钢的应用与生产

碳素钢是近代工业中使用最早、用量最大的基本材料。目前碳素钢的产量在各国钢总产量中的比重，约保持在80%左右，它不仅广泛应用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶和各种机械制造工业。工业用钢主要是由冶金厂生产的板材、棒材、型材、管材及线材等。钢材生产的主要流程是：炼铁、炼钢、铸锭、压力加工成各种规格的钢材。

常用钢铁型材2.2钢铁材料及应用

（２）碳素钢中的化学成分及其影响

碳素钢的性能主要取决于钢的含碳量和显微组织。在退火或热轧状态下，随含碳量的增加，钢的强度和硬度升高，而塑性和冲击韧性下降。所以工程结构用钢，常限制含碳量。

碳素钢中的残余元素和杂质元素如锰、硅、镍、磷、硫、氧、氮等，对碳素钢的性能也有影响。这些影响有时互相加强，有时互相抵销。其中影响比较显著的有：1)硫、氧、氮都能增加钢的热脆性，而适量的锰可减少或部分抵销其热脆性。2)残余元素除锰、镍外都降低钢的冲击韧性，增加冷脆性。3)除硫和氧降低强度外，其他杂质元素均在不同程度上提高钢的强度。4)几乎所有的杂质元素都能降低钢的塑性和焊接性。

2.2钢铁材料及应用

图2-28钢材生产流程示意图2.2钢铁材料及应用

（３）碳素结构钢的牌号

按照国家标准GB/T221-2008，碳素结构钢牌号分为四个部分，见表2-3。

表2-3碳素结构钢牌号2.2钢铁材料及应用

2.优质碳素结构钢

（1）优质碳素钢分类与性能

优质碳素结构钢和普通碳素结构钢相比，硫、磷及其他非金属夹杂物的含量较低。根据含碳量和用途的不同，这类钢大致又分为三类，见表2-4。

2.2钢铁材料及应用

（2）优质碳素钢的牌号

按照国家标准GB/T221-2008，优质碳素结构钢牌号分为五个部分，见表2-5。

2.2钢铁材料及应用

3.合金结构钢

（1）合金结构钢的性能

在普通碳素结构钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金称为低合金高强度结构钢。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。

合金结构钢的主要合金元素有：硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、

铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在机械工程材料适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形

成置换式合金渗碳体；铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，

一般以原子状态存在于

固溶体中。

2.2钢铁材料及应用

（2）合金结构钢牌号

按照国家标准GB/T221-2008，合金结构钢牌号分为四个部分，如表2-6。

2.2钢铁材料及应用

4.合金工具钢

（1）合金工具钢的分类与性能

合金工具钢是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、

钒等合金元素，以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。它主要用于制造量具、

刃具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。通常分为三类，见表2-7。

2.2钢铁材料及应用

（2）合金工具钢牌号

按照国家标准GB/T221—2008，合金工具钢牌号分为两个部分，

见表2-8。

2.2钢铁材料及应用

（2）合金工具钢牌号

按照国家标准GB/T221—2008，合金工具钢牌号分为两个部分，

见表2-8。

2.2钢铁材料及应用

课程思政案例1：项目2-2如图2-32所示，国家体育馆“鸟巢”主体钢架结构所采用的材料是Q460,是一种低合金高强度结构钢。Q460中碳的质量分数为0.20%，并含有锰、钒、钛、铌、铬、镍、铝等合金元素，其屈服强度为460MPa。锰起到增加强度的作用，钒、钛、铌能优化综合力学性能，铬、镍能提高材料的冲击韧度，铬、镍、铝能提高钢的抗腐蚀能力。Q460比一般建筑用钢的强度要高一倍左右。

请查阅国家游泳中心“水立方”和广州新电视塔主体钢架结构采用何种材料，并撰写一篇调研建筑钢架材料使用分析报告。

国家体育馆“鸟巢”国家游泳中心“水立方”2.2钢铁材料及应用

2.2.2铸铁

1.铸铁分类与性能

铸铁是碳的质量分数在2%以上的铁碳合金。工业用铸铁中碳的质量分数为2%～4%。

碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。铸铁的分类与性能介绍见表2-9。

2.2钢铁材料及应用

2.铸铁牌号

按照国家标准GB/T5612—2008，铸铁牌号的组成有以下三种类型，见表2-10。

2.2钢铁材料及应用

思考与分析

某设备使用45钢加工的齿轮机构实现动力传递。假设某齿轮发生断齿，需加工一个同样参数的齿轮替换。现只有灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁三种材料，试分析应选用哪一种。

发生断齿的齿轮2.3非铁金属和粉末冶金材料

2.3.1铝和铝合金

钢铁材料虽然有很好的性能，但是还有很多金属制品不是选用钢材而是选用了有色金属，小到钥匙大到飞机有色金属在实际生活和工程中随处可见。本节就要介绍常用有色金属的相关性能和应用。

有色金属应用案例2.3非铁金属和粉末冶金材料

2.3.1铝和铝合金

纯铝的密度小（ρ=2.7g/cm3），大约是铁的1/3，熔点低（660℃），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铝合金材料见表2-11。2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铝合金材料见表2-11（续-1）2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铝合金材料见表2-11（续-2）2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铝合金材料见表2-11（续-3）2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铝合金材料见表2-11（续-4）2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铝合金材料见表2-11（续-5）2.3非铁金属和粉末冶金材料2.3.2铜和铜合金

铜合金以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色﹐又称紫铜。纯铜密度为8.96﹐熔点为1083℃﹐具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性。主要用于制作发电机﹑母线﹑电缆﹑开关装置﹑变压器等电工器材和热交换器﹑管道﹑太阳能加热装置的平板集热器等导热器材。常用的铜合金分为黄铜﹑青铜﹑白铜三大类，如表2-12。2.3非铁金属和粉末冶金材料

常用的铜合金分为黄铜﹑青铜﹑白铜三大类，如表2-12。2.3非铁金属和粉末冶金材料2.3.3轴承合金

轴承合金又称轴瓦合金，用于制造滑动轴承的材料。轴承合金的组织是在软相基体上均匀分布着硬相质点，或硬相基体上均匀分布着软相质点。轴承合金具有如下性能：良好的耐磨性能和减磨性能；有一定的抗压强度和硬度，有足够的疲劳强度和承载能力；塑性和冲击韧性良好；具有良好的抗咬合性；良好的顺应性；好的嵌镶性；要有良好的导热性、耐蚀性和小的热膨胀系数。用于各类轴承材料。图2-36滑动轴承图2-37汽车轴承2.3非铁金属和粉末冶金材料2.3.4粉末冶金材料

用粉末冶金工艺制得的多孔、半致密或全致密材料（包括制品）。粉末冶金材料具有传统熔铸工艺所无法获得的独特的化学组成和物理、力学性能，如材料的孔隙度可控，材料组织均匀、无宏观偏析（合金凝固后其截面上不同部位没有因液态合金宏观流动而造成的化学成分不均匀现象），可一次成型等。用粉末冶金工艺制得的多孔、半致密或全致密材料（包括制品）。

粉末冶金材料具粉末冶金材料有传统熔铸工艺所无法获得独特的化学组成和物理、力学性能，如材料的孔隙度可控，材料组织均匀、无宏观偏析（合金凝固后其截面上不同部位没有因液态合金宏观流动而造成的化学成分不均匀现象），可一次成型等。通常按用途分为7类，如表2-13。

2.3非铁金属和粉末冶金材料2.3非铁金属和粉末冶金材料2.4金属材料的热处理及应用

热处理是对固态金属或合金采用适当方式加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的加工方法。

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。2.4金属材料的热处理及应用

金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。常用热处理设备2.4金属材料的热处理及应用2.4.1金属材料整体热处理

整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，获得需要的金相组织，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有正火、退火、淬火和回火等基本工艺，见表2-14。2.4金属材料的热处理及应用

2.4.2金属材料表面热处理

1.表面淬火

表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种

局部淬火的方法。表面淬火是通过快速加热，使钢件表面很快升到淬火的温度，在热量

来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。

表面淬火的目的在于获得高硬度、高

耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韧性，常用于齿轮、花键、机床导轨等。常用表面热处理2.4金属材料的热处理及应用

2.渗碳淬火

渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程，也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。

渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25％)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。

渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。2.5常用非金属材料

非金属材料是由非金属元素或化合物构成的材料。自19世纪以来，随着生产和科学技术的进步，尤其是无机化学和有机化学工业的发展，人类以天然的矿物、植物、石油等为原

料，制造和合成了许多新型的非金属材料，如水泥、人造石墨、特种陶瓷、合成橡胶、合成树脂、合成纤维等。特种陶瓷合成橡胶瓷2.5常用非金属材料

2.5.1高分子材料

高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。

高分子材料按来源分为：天然、半合成和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料，并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物，用木材、棉、麻造纸等。19世纪30年代末期，进入天然高分子化学改性阶段，出现半合成高分子材料。1907年出现合成高分子酚醛树脂，标志着人类应用合成高分子材料的开始。现代，高分子材料已与金属材料、无机非金属材料相同，成为科学技术、经济建设中的重要材料。2.5常用非金属材料

最常用的高分子材料为塑料和橡胶两大类，其性能介绍见表2-15。

2.5常用非金属材料2.5常用非金属材料2.5常用非金属材料2.5常用非金属材料

2.5.2陶瓷材料

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成型和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点，可用于制作结构材料、刀具材料。由于陶瓷还具有某些特殊的性能，所以又可作为功能材料。

陶瓷材料分为普通陶瓷材料和特种陶瓷材料两大类，常用陶瓷材料性能介绍见表2-16。2.5常用非金属材料2.5常用非金属材料2.5常用非金属材料2.5.3复合材料

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，将其组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。常用复合材料性能介绍见表2-17。2.5常用非金属材料2.5常用非金属材料思考与训练

项目2-2

某汽车要进行轻量化设计，其中改变材料是一个重要的途径。将一些原先由钢铁材料制造的零件改用有色金属会显著减小汽车的重量。试分析，汽车中哪些零件可用有色金属制造。

思考与训练

【课程思政案例2】项目2-3

中国空军运-20的出现，使国产飞机的起飞重量从60t级一步跨越至200t级。

运-20机身主要由复合材料制成，包括碳纤维、玻璃纤维和金属复合材料。这些材料赋予机身高强度和耐久性。此外，机身中也使用了一定比例的钛合金和铝合金，这些材料在机翼

的襟翼中也有应用。运-20投入使用标志着中国空军的远程机动能力和战略投送能力获得大幅提升。

请查阅国产战斗机机身和航天器采用何种碳纤维复合材料，并撰写一篇关于碳纤维复合材料使用情况的分析报告。中国空军运20

综合项目分析

如图2-1所示，我们可以看到在一辆汽车的制造中用了很多种不同的材料来生产相应的零部件。那么为什么会有这么多种材料？根据什么来选择材料？为了解答这样的问题，下面分析一下这些零件对材料的性能要求。

谢谢聆听！

第3单元

工程构件的受力分析

项目背景

在生活或生产中经常会见到各种机器或机构，如果要分析其工作原理或动力传动路

线，则需分析和判断各构件的受力情况。为了使大家能够学会构件的受力分析，如图3-1所示为一工件的夹紧机构，工件能否被夹紧机构夹紧直接关系到工件的加工精度，其工作过程为活塞杆D在液压油作用下，推动摆杆AOB绕O点转动，AOB杆的A端推动钳子夹紧工件。图3-1

工件夹紧机构

第3单元

工程构件的受力分析

工程中常见的约束静力学基本概念及其公理受力分析与受力图平面力系内容CONTENTS综合项目分析第3单元工程构件的受力分析

知识目标

1.理解静力学的基本概念—刚体、力、平衡和约束；掌握静力学公理及其应用范围。

2.掌握工程中常见的约束和约束反力的画法，能熟练而正确地画出物体的受力图。3.理解平面力系的合成和平衡条件，能利用平衡条件求解平面汇交力系的平衡问题。

1.能根据工程构件的工作情况构建力学模型。2.能区别常见约束力类型，并能对工程构件进行受力分析。

3.能对简单平面力系进行定量分析。

能力目标

第3单元

工程构件的受力分析

素质目标

1.培养工程思维与工程伦理意识。2.养成严谨规范、精益求精的工匠精神。

1.静力学公理及其推论。2.柔性约束、光滑面约束、铰链约束的特征及约束反力的画法。

3.物体的受力分析和受力图绘制。4.合力投影定理、力的平移定理、平面任意力系的简化。

学习重点和难点3.1静力学基本概念及其公理

工程构件的受力分析：是研究物体在力系的作用下处于平衡与利用平衡条件解决未知力的问题。

平衡：是运动的特殊情形，是指物体相对于惯性参考系（如地面）保持静止或匀速直线运动的状态。3.1.1静力学基本概念

1.刚体：就是在力的作用下不变形的物体。2.由若干个刚体组成的系统称为物体系统，简称物系。

3.力的概念

力的概念：力是物体间的相互机械作用。

力对物体的作用会产生两种效应：

（1）外效应：指力使物体的运动状态发生改变。

（2）内效应：指力使物体使产生变形。3.1静力学基本概念及其公理小车的运动吊车梁的变形

4.力的三要素及表示方法

（1）力的三要素：力的大小、方向和作用点。

（2）力的表示方法：力是矢量

（3）力的单位为N（牛顿）或kN（千牛），通常用黑体字母（如F表示）代表力矢，以字母F代表力的大小。3.1静力学基本概念及其公理力的表示法

（4）按力与物体接触的面积可为：集中力、分布载荷

3.1静力学基本概念及其公理集中力分布载荷

5.力系的概念(1)力系:是指作用于物体上的一群力。(2)平衡力系：物体在力系的作用下处于平衡状态

，这种力系成为平衡力系。(3)力系的简化：将复杂的力系进行简化，而作用效应不变的过程称为力系的简化。(4)等效力系：若两个力系对物体的作用效应相同，则称为此两个力系等效。3.1静力学基本概念及其公理

3.1.2静力学公理

1.公理1二力平衡公理

刚体受两个力作用而平衡，其必要与充分的条件是：两力等值、反向、共线，图3-4。

在两个力的作用下保持平衡的构件称为二力构件，因为工程上大多数二力构件是杆件，所以常简称为二力杆。二力杆可以是直杆，也可以是曲杆。图3-5b所示结构的曲杆BC就是二力构件。二力杆的受力特点：是两个力的方向必在二力作用点的连线上。3.1静力学基本概念及其公理

公理1只适用刚体。对于变形体，它只是平衡的必要条件，而不是充分条件。如图(a)所示的软绳受两个等值、反向、共线的拉力作用可以平衡，而如图(b)所示的软绳受两个等值、反向共线的压力作用就不能平衡。3.1静力学基本概念及其公理(a)(b)

3.公理3力的平行四边形法则

作用于刚体同一点的两个力可以合成为一个合力，合力也作用于该点，其大小和方向由以这两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线所确定，图37a。

力的三角形法则：

三角形的两个边分别表示两个分力，第三边表示合力，合力的作用点仍在汇交点。如图3-7b、c所示。3.1静力学基本概念及其公理图3-7力的平行四边形法则

推论2三力平衡汇交定理

物体受三个力作用而平衡时，此三个力的作用线必汇交于一点。

由于三力是平衡的，所以三个力矢量按首尾联接的顺序构成一封闭三角形，或称力的三角形封闭。3.1静力学基本概念及其公理图3-8

三力平衡汇交定理

公理4作用与反作用定律

两个物体间的作用力与反作用力，总是大小相等、方向相反、作用线相同，并分别作用于这两个物体上。

想一想

练一练

二力平衡公理与作用与反作用定律的区别？3.1静力学基本概念及其公理

3.2工程中常见的约束

【项目分析】

曲柄压力机是钣金生产行业中常用的生产设备，如图3-9所示。曲柄作为

原动件带动冲头实现作业过程。

请思考：为什么曲柄、冲头能实现预定的运动动作，而不会发生乱动？是什么限制了这些运动构件的运动方式？a)曲柄压力机外观结构图b)曲柄压力机机构运动示意图图3-9曲柄压力机

3.2.1约束与约束反力

（1）约束：一物体的空间位置受到周围物体的限制时，这种限制就称为约束。

（2）约束反力：约束限制物体运动的力称为约束反力或约束力。

1）约束反力作用点：在约束与被约束物体的接触处。

2）约束反力的方向：总是与该约束所限制的运动或运动趋势的方向相反。

3）约束反力的大小：是未知的，在静力学中，可用平衡条件由主动力求出。3.2工程中常见的约束桥梁结构图约束力的方向

3.2.2工程中常见约束的分析与比较

1.柔性约束

(1)观察实例：自行车的链传动、升降台绳索的联接特点。

(2)概念：由绳索、胶带、链条等形成的约束。

3.2工程中常见的约束

(3)约束特点：只能承受拉力,不能承受压力这类约束只能限制物体沿柔索伸长方向的运动。

(4)约束反力的方向：总是沿柔索伸长方向背离被约束物体，常用符号FT

为表示。3.2工程中常见的约束柔性约束

案例分析——柔性约束实例：带传动

3.2工程中常见的约束

2.光滑面约束

（1）观察实例：当摩擦忽略不计，观察啮合齿轮的齿面

、自行车车轮与地面接触的特点。3.2工程中常见的约束齿轮的啮合自行车车轮与地面接触

想一想

练一练

如图3-1所示的工件的夹紧机构，请判断哪个构件接触点处属于光滑面约束？如工件处于夹紧状态，你能否画出该构件的受力图？3.2工程中常见的约束图3-1

工件夹紧机构

（2）概念：光滑平面或曲面对物体所构成的约束称为光滑面约束。

（3）约束特点：只限制物体在接触点沿接触面的公法线方向指向约束物体的运动，而不限制物体沿接触面切线方向的运动。

（4）约束反力的方向：通过接触点沿接触面公法线方向并指向被约束物体。通常用FN表示。

3.2工程中常见的约束光滑面约束光滑面约束力的方向

3.光滑铰链约束

（1）实例观察：门窗所用的活页、铡刀与刀架的联接特点。

（2）概念：采用光滑圆柱定位销将两个构件相联接而形成的约束。3.2工程中常见的约束铡刀机构光滑铰链约束

（3）约束反力：常用两个通过铰链中心大小未知方向正交的分力Fx、Fy来表示。

3.2工程中常见的约束光滑铰链约束反力的表示

（4）若铰链所联接的构件中有一个是二力构件，则铰链约束反力必须按公理1画在两个力作用点的连线上。

3.2工程中常见的约束二力构件约束反力绘制

工程中常见光滑铰链约束的主要有以下三种类型：

（1）固定铰链支座

1）实例观察：门与门框联接、铡刀与刀架联联特点。

2）概念：若相联的两个构件有一固定，则称为固定铰链支座。

3.2工程中常见的约束固定铰链支座铡刀机构实例

3）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的相对转动。

4）约束反力的方向：通常用两个通过铰心大小未知的正交力Fx、Fy来表示。

3.2工程中常见的约束约束反力的表示固定铰链约束的符号表示固定铰链支座

(2)中间铰链

1）观察实例：剪刀的两个刀片联接点的特点。

2）概念：若相联的两个构件均无固定，则称为中间铰链，简称铰。通常在两个构件连接处用一个小圆圈表示铰链。

3.2工程中常见的约束中间铰链中间铰链实例

3）约束的特点：与固定铰链支座约束特点相同。

4）约束反力的方向：它的约束反力与固定铰链约束反力有相同，可以用两个通过铰心大小未知的正交力Fx、Fy来表示。

3.2工程中常见的约束中间铰链符号表示

（3）活动铰链支座

1）实例观察：桥梁、屋架等结构的联接特点。

2）概念：在固定铰链支座下面装上几个辊轴，使它能在支承面上任意移动

，就构成了活动铰支座。

3.2工程中常见的约束活动铰链支座实例活动铰链支座

3）约束的特点：它只能限制构件沿支承面法向的运动，而不能限制切线方向的运动

。

4）约束反力的方向：通过铰链中心并与支承面相垂直，通常用FN来表示。

3.2工程中常见的约束活动铰链支座约束符号表示约束反力的方向表示

项目3-1

重力为P的圆球放在木板AC与墙壁AB之间，如图3-10所示。设板AC重力不计，试作出木板与球的受力图。3.2工程中常见的约束图3-10项目3-1图

项目3-2

如图3-11所示，画出梁AC的受力图3.2工程中常见的约束图3-10项目3-2图

案例分析3.2工程中常见的约束

想一想

练一练

如图3-1所示的工件夹紧机构，构件AOB是否存在光滑铰链约束？如有请画出该构件的受力图？3.2工程中常见的约束图3-1

工件夹紧机构

4.固定端约束

（1）实例观察：外伸房屋的凉台、装卡加工用刀具的刀架。

（2）概念：物体的一部分固嵌于另一物体所构成的约束称为固定端约束。3.2工程中常见的约束图

固定端约束应用案例

（3）约束的特点:固定端约束限制物体在约束处沿任何方向的移动和转动。

（4）约束反力的方向：一般可用两个大小未知的正交约束分力FAx、FAy和一个约束力偶MA来表示

。3.2工程中常见的约束固定端约束的力学模型

基本概念

（1）受力分析：是指在静力学中，分析所要研究的构件（称为研究对象）上受哪些作用力，并确定每个力的作用位置和方向的过程。

（2）分离体：解除约束后的物体称为分离体。

（3）构件的受力图：在分离体上画出它所受的全部主动力和约束反力，这种表示构件受力情况的简明图形称为构件的受力图。

3.3受力分析与受力图

1.绘制受力图的一般步骤为：

（1）确定研究对象，解除约束，画出研究对象的分离体简图。

（2）根据已知条件，在分离体简图上画出的全部主动力。

（3）在分离体的每一约束处，根据约束的类型画出约束反力。3.3受力分析与受力图

项目3-3如图3-12所示，用木板在水沟中挑起一重力为G的球，接触处光滑无摩擦，试分别用图表示出木板、球的受力情况。3.3受力分析与受力图

项目3-4

如图3-13a所示的三铰拱，由左右两个半拱通过铰链联接而成。各构件自重不计，在拱AC上作用有载荷F。试分别画出拱AC、BC及整体的受力图。3.3受力分析与受力图

2.画受力图时，须注意以下几点：

（1）必须明确研究对象

（2）不要多画力，也不要漏画力

（3）受力图上不能再带约束

（4）不要错画力的方向

（5）分析两物体之间的作用力与反作用力时，应遵循作用、反作用关系。

（6）正确判断二力构件。3.3受力分析与受力图3.4平面力系

【项目分析】如3-14图所示液压夹紧机构中，B、C、D、E为光滑铰链。根据上单元所学知识，你已能分析机构中各构件的受力情况，并画出各构件的受力图。如果已知力F及机构平衡时角度，你能否求此时工件H所受的压紧力？图3-14液压夹紧机构意图

3.4.1平面汇交力系

平面汇交力系：在平面力系中,各力作用线均汇交于一点的力系。3.4平面力系平面汇交力系的工程实例

想一想

练一练

前面多次练习的工件夹紧机构，根据先前的受力分析，你能判断个构件承受汇交力系作用吗？3.4平面力系图3-1

工件夹紧机构

1.平面汇交力系合成的几何法

设刚体上作用一个平面汇交力系F1、F2、F3、F4，各力汇交于A点，根据力的可传性，可将这些力沿其作用线移到

A

点，得到一个平面汇交力系。3.4平面力系图3-16平面汇交力系FR＝F1+F2+…+Fn＝∑Fi

（3-1）

项目3-5

如图3-17所示，在

O

点作用有四个平面汇交力。已知

F1=100N，F2=100N，

F3=150N，F4=200N，用几何作图法求力系的合力

FR。3.4平面力系图3-17项目3-5图

2.平面汇交力系平衡的几何条件1）平面汇交力系平衡的必要和充分条件:是该力系的合力等于零。2）平面汇交力系平衡的几何条件:力系中各力组成的力多边形自行封闭3.4平面力系FR＝F1+F2+…+Fn＝∑Fi=0

（3-2）

项目3-6

如图3-19所示一工件装夹在V形底座上，已知夹具对工件的装夹力F=400N，不计工件自重，求工件对V形底座的压力。

3.4平面力系图3-19项目3-6图

3.平面汇交力系合成的解析法与平衡的解析条件

（1）力在坐标轴上的投影1）定义：F在x轴和y轴上的投影分别计作Fx、Fy

。

2）投影的正负号规定为：从a到b（或从a1到b1）的指向与坐标轴正向相同为正，相反为负。

3.4平面力系

3）力在坐标轴上投影的大小：

若已知F的大小及其与x轴所夹的锐角α，则有

（3—3）

若已知Fx、Fy值，可求出F的大小和方向，即

（3—4）

3.4平面力系

（2）平面汇交力系合成的解析法

1）合力投影定理：力系的合力在某轴上的投影，等于力系中各力在同一轴上投影的代数和。

3.4平面力系

2）合力的大小及方向：

3.4平面力系（3-5）

（3-6）

（2）平面汇交力系合成的解析法

1）合力投影定理：力系的合力在某轴上的投影，等于力系中各力在同一轴上投影的代数和。

3.4平面力系

（3）平面汇交力系平衡的解析条件

平面汇交力系的平衡条件是：力系中各力在两个坐标轴上投影的代数和分别等于零。

备注：这是两个独立的方程，可求解两个未知量。

3.4平面力系（3-7）

项目3-7

如图3-21a所示一圆柱体放置于夹角为α的V型槽内，并用压板D夹紧。已知压板作用于圆柱体上的压力为F。试求槽面对圆柱体的约束反力。3.4平面力系3-21工件装夹机构

3.4平面力系

【项目分析】图3-22所示为钳工用丝锥攻螺纹，实际操作时往往用双手而不是用单手攻螺纹，其原因是什么呢？为了回答这些问题，本节将学习力矩和力偶的概念、力偶的性质、平面力偶系的合成与平衡条件及力的平移定理等知识。

图3-22钳工用丝锥攻螺纹

3.4.2力矩与平面力偶系

1.力对点之矩

（1）定义：以物理量F.h及其转向来度量力使物体绕O转动的效应，这个量称为力F对O点之矩，简称力矩。

记作：

（2）正负号则规定：逆时针转向为正，顺时针为负。

力矩的单位为牛顿·米（N·m）。3.4平面力系Mo（F）＝±Fh

结论：

1）当力的作用线通过矩心时，此时力臂为零，力矩值为零。2）力沿其作用线滑移时，不会改变力矩的值，因为此时并未改变力、力臂的大小及力矩的转向。3.4平面力系

（3）合力矩定理

平面汇交力系的合力对平面上任一点之矩，等于力系中各分力对同点力矩的代数和。3.4平面力系

项目3-8

如图3-25a所示，直齿圆柱齿轮的齿面受一啮合角

α=20°的法向压力

Fn=2kN

的作用，齿轮分度圆直径

d=60mm。试计算该力对轴心O的力矩。3.4平面力系

2.力偶的概念

（1）力偶的定义：一对等值、反向、不共线的平行力组成的力系称为力偶。用记号(F，F′)表示。3.4平面力系力偶实例(方向盘)钳工对丝锥的操作

电机转子转动

1)力偶作用面：组成力偶（

F，F′)的两个力的作用线所在的平面称为力偶作用面。

2)力偶臂：力F和F′作用线之间的垂直距离。

3)力偶正符号的规定：一般规定，逆时针转动的力偶取正值，顺时针取负值。

力偶矩的单位为：N·m或N·mm3.4平面力系

（2）力偶的三要素1)力偶对物体的转动效应取决于下列三要素：

力偶矩的大小；力偶的转向；

力偶作用面的方位——作用面的方位由垂直于作用面的垂线指向表示。

3.4平面力系

2）力偶矩：在力学上以F与力偶臂d的乘积作为量度力偶在其作用面内对物体转动效应的物理量，称为力偶矩，并记作M（F，F′）或M。

即：M（F，F'）=M=±Fd=±2ΔOAB3.4平面力系

（3）力偶的等效条件：

平面力偶的等效是指三要素相同的力偶可以相互置换，而不改变对刚体的作用效果。

结论：1）力偶可以在作用面内任意移动；2）可以改变力偶中力的大小、方向及力偶臂的大小。

3.4平面力系

3.力偶的性质

性质1

力偶对其作用面内任意点的力矩恒等于此力偶的力偶矩，而与矩心的位置无关，如图3-38所示。

性质2

力偶无合力。

性质3

力偶在任何坐标上的投影和恒为零，如图3-39所示。3.4平面力系图3-28力偶矩与矩心无关

图3-29力偶在任何坐标轴上的投影和恒为零

4.平面力偶系的合成与平衡

作用在刚体上同一平面内的若干力偶，总称为平面力偶系。

（1）平面力偶系的合成平面力偶系合成的结果为一合力偶，合力偶矩为各分力偶矩的代数和。即：

（2）平面力偶系的平衡条件

平面力偶系平衡的必要和充分条件是：力偶系中各力偶矩的代数和等于零，即：∑M＝0

3.4平面力系M＝M1+M2+…+Mn＝∑M

项目3-9

用多头钻床在水平放置的工件上同时钻四个直径相同的孔，如图3-30所示。每个钻头的切削力偶矩M1=M2=M3=M4=–l5N.m，求工件受到的总切削力偶矩的大小。3.4平面力系图3-30水平放置的工件

项目3-10

四连杆机构在图3-31所示位置平衡，已知OA=60cm，O1B=40cm，作用在摇杆OA上的力偶矩M1=1N·m，不计杆自重，求力偶矩M2的大小。3.4平面力系图3-31四连杆机构

5.力的平移定理

作用在刚体上的力F，可以平移到刚体上任一点O，但必须附加一力偶，此附加力偶的矩，等于原力对该作用点O的矩。

3.4平面力系图3-32力向一点平移的结果

3.4平面力系

【项目分析】

图3-33a所示为曲轴冲床简图，其由曲轮I、连杆AB和冲头B组成。OA=R，AB=l。忽略摩擦和自重，当OA在水平位置、冲压力为F时系统处于平衡状态。

请问：1）你能分析并画出曲轮、连杆及冲头的受力图吗？2）利用所学的知识你能求出冲头对导轨的侧压力吗？3）利用所学知识，你能求出作用在曲轮I上的力偶矩M的大小吗？图3-33曲轴冲床简图

3.4.3平面任意力系

3.4平面力系图3-33曲轴冲床简图

3.4.3平面任意力系

1.平面任意力系的简化

（1）简化方法：根据力的平移定理，将各力都向平面内任意一点平移。3.4平面力系图3-34平面力系的简化过程与简化结果

（1）

平面任意力系的简化结果，主矢与主矩

1)主矢：FR′＝∑Fi′＝∑Fi

—

与简化中心无关

2)主矩：Mo＝M1+M2+…+Mn＝∑Mo(Fi)

3.4平面力系

（2）平面任意力系简化结果的讨论

简化的结果，进一步分析可能出现以下四种情况：1）FR′＝0，MO≠0—简化结果为一个力偶，其力偶矩MO等于力系的主矩，此时主矩与简化中心无关。