機械設計基礎第1講課件

1、機械設計基礎機械設計基礎林大鈞主講林大鈞主講機械工程是一個歷史悠久、發(fā)展較為成熟的學科。機械工程是一個歷史悠久、發(fā)展較為成熟的學科。未來機械工程科學發(fā)展的總趨勢是：交叉化、綜合化；數(shù)未來機械工程科學發(fā)展的總趨勢是：交叉化、綜合化；數(shù)字化、智能化；微型化、精密化；高效率、清潔化；柔性、字化、智能化；微型化、精密化；高效率、清潔化；柔性、集成化等。集成化等。機械學科的前沿研究、發(fā)展會涉及到許多學科的內(nèi)容。然機械學科的前沿研究、發(fā)展會涉及到許多學科的內(nèi)容。然而可以肯定地說，所有發(fā)展都一定離不開而可以肯定地說，所有發(fā)展都一定離不開“機械設計基礎機械設計基礎”它研究機器、機械的組成原理；常用機構及其特點

2、；它研究機器、機械的組成原理；常用機構及其特點；機械中常用的零件以及機械設計的一般理論。因此，機械中常用的零件以及機械設計的一般理論。因此，“機械機械設計基礎設計基礎”是機械工程的基石之一。是機械工程的基石之一。機器機器人類制造出來的、各組成部分具有確定相人類制造出來的、各組成部分具有確定相對運動的、可完成人們期望的預定職能（變換或對運動的、可完成人們期望的預定職能（變換或傳遞能量、物料、信息）的實物組合。內(nèi)燃機、傳遞能量、物料、信息）的實物組合。內(nèi)燃機、牛頭刨床、自行車等就是常見的機器。牛頭刨床、自行車等就是常見的機器。構件構件組成機器的運動單元（包括運動速度為零組成機器的運動單元（包括運動

3、速度為零的單元），亦稱為的單元），亦稱為“桿桿”。內(nèi)燃機中，活塞、連。內(nèi)燃機中，活塞、連桿、曲軸、凸輪、挺桿、氣缸體等都是構件。桿、曲軸、凸輪、挺桿、氣缸體等都是構件。機構機構實現(xiàn)某種特定運動的構件組合。例如內(nèi)燃實現(xiàn)某種特定運動的構件組合。例如內(nèi)燃機中的活塞、連桿、曲軸和氣缸體組成曲柄滑塊機中的活塞、連桿、曲軸和氣缸體組成曲柄滑塊機構；凸輪、頂桿和氣缸體組成凸輪機構。機構；凸輪、頂桿和氣缸體組成凸輪機構。0.1 機器的組成及其特征機器的組成及其特征機械機械從研究運動和受力來看，機器與機構并無區(qū)別。從研究運動和受力來看，機器與機構并無區(qū)別。因此，習慣上用因此，習慣上用“機械機械”一詞作為機器和機

4、構的總稱。一詞作為機器和機構的總稱。即：機械即：機械 = = 機器機器 + + 機構機構零件零件機器中不可分拆的基本制造單元。分為：機器中不可分拆的基本制造單元。分為：專用零專用零件件（僅出現(xiàn)在某些類機器中的零件，如曲軸、連桿、汽（僅出現(xiàn)在某些類機器中的零件，如曲軸、連桿、汽輪機葉片等）；輪機葉片等）；通用零件通用零件（各類機器中廣泛應用的零件，（各類機器中廣泛應用的零件，如齒輪、螺栓、軸承等）。如齒輪、螺栓、軸承等）。設計設計為滿足某一特定要求而進行研究、分析、構思、為滿足某一特定要求而進行研究、分析、構思、計算、繪圖、實驗、決策的創(chuàng)造過程。機械設計是指規(guī)計算、繪圖、實驗、決策的創(chuàng)造過程。機

5、械設計是指規(guī)劃和設計預期功能的新機械或改進原有機械的性能。劃和設計預期功能的新機械或改進原有機械的性能。機器例機器例內(nèi)燃機的作用是將汽油、柴油的化學能內(nèi)燃機的作用是將汽油、柴油的化學能轉換為回轉機械能。其工作原理如下：轉換為回轉機械能。其工作原理如下：活塞上下往復移動，曲軸及相應的活塞上下往復移動，曲軸及相應的齒輪、飛輪連續(xù)轉動，與大齒輪相連的齒輪、飛輪連續(xù)轉動，與大齒輪相連的凸輪推動挺桿有規(guī)律地上下運動。齒輪凸輪推動挺桿有規(guī)律地上下運動。齒輪傳動的齒數(shù)比為傳動的齒數(shù)比為 ，以保證曲軸每，以保證曲軸每轉兩周進、排氣門各啟閉一次。四個沖轉兩周進、排氣門各啟閉一次。四個沖程依次為：進氣程依次為：進

6、氣(曲軸及與之固連的飛曲軸及與之固連的飛輪靠慣性轉動，通過曲軸、連桿帶動活輪靠慣性轉動，通過曲軸、連桿帶動活塞向下運動，此時排氣門關閉，進氣門塞向下運動，此時排氣門關閉，進氣門打開以輸入新鮮的油霧和空氣打開以輸入新鮮的油霧和空氣)；壓縮；壓縮(進、排氣門關閉，在飛輪的慣性轉動作進、排氣門關閉，在飛輪的慣性轉動作用下，用下，活塞向上運動縮小空間活塞向上運動縮小空間使油、氣混合物壓縮升使油、氣混合物壓縮升溫溫) )；膨脹；膨脹( (進、排氣門進、排氣門關閉，燃氣燃燒膨脹推關閉，燃氣燃燒膨脹推動活塞向下運動，通過動活塞向下運動，通過連桿帶動曲軸及相應的連桿帶動曲軸及相應的齒輪、飛輪、凸輪轉動齒輪、飛

7、輪、凸輪轉動) )；排氣；排氣( (進氣門關閉，進氣門關閉，排氣門打開，活塞在飛排氣門打開，活塞在飛輪帶動下向上運動縮小輪帶動下向上運動縮小空間以排除廢氣空間以排除廢氣) )。牛頭刨床。其工作原理如下：牛頭刨床。其工作原理如下：電動機通過帶傳動、齒輪電動機通過帶傳動、齒輪變速箱、曲柄導桿機構帶動滑變速箱、曲柄導桿機構帶動滑枕以合適的速度枕以合適的速度(與不同硬度的與不同硬度的被切材料相適應被切材料相適應)往復移動，從往復移動，從而使與滑枕相連的刨刀單向切而使與滑枕相連的刨刀單向切削金屬。因刨刀寬度有限，當削金屬。因刨刀寬度有限，當滑枕往復運動一次時，與進給滑枕往復運動一次時，與進給手輪相連的棘

8、輪手輪相連的棘輪-螺旋機構螺旋機構(圖中圖中未畫出未畫出)帶動工作臺及其固定在帶動工作臺及其固定在上面的被加工工件沿垂直于紙上面的被加工工件沿垂直于紙面的方向移動一段距離，將新面的方向移動一段距離，將新的待切除材料置于刨刀之前，的待切除材料置于刨刀之前，滑枕多次往復運動后就加工出滑枕多次往復運動后就加工出了較大的平面。了較大的平面。機器例機器例2 2自行車的傳動機構具自行車的傳動機構具有如下功能，即：在人踩有如下功能，即：在人踩腳踏板時，通過鏈盤、鏈腳踏板時，通過鏈盤、鏈條、后飛輪驅動后輪轉動條、后飛輪驅動后輪轉動，使自行車前進；當在平，使自行車前進；當在平道上自行車的速度較大或道上自行車的速

9、度較大或下坡時，后輪應與后鏈盤下坡時，后輪應與后鏈盤脫離聯(lián)接，這樣，自行車脫離聯(lián)接，這樣，自行車向前滑行時腳踏板就可不向前滑行時腳踏板就可不動，從而使人得到短時的動，從而使人得到短時的休息。請想想：飛輪機構休息。請想想：飛輪機構應該什么樣的呢？應該什么樣的呢？機器例機器例3 3補充說明補充說明1. 機器可由單個或機器可由單個或由多個由多個機構組成；機構組成；構件可以是一個零件，也可由多構件可以是一個零件，也可由多個零件構成個零件構成。2. 通常，可將機器的構成分為動力、傳動、控制與反饋、執(zhí)行四個基通常，可將機器的構成分為動力、傳動、控制與反饋、執(zhí)行四個基本組成部分。機構與機器的區(qū)別在于：機構只

10、是一個構件組合，而機器除本組成部分。機構與機器的區(qū)別在于：機構只是一個構件組合，而機器除構件組合之外還包含其他裝置；機構只用于傳遞運動和力，機器除傳遞運構件組合之外還包含其他裝置；機構只用于傳遞運動和力，機器除傳遞運動和力之外，還應當具有人機對話、變換或傳遞能量、物料、信息的功能動和力之外，還應當具有人機對話、變換或傳遞能量、物料、信息的功能。3. 根據(jù)機器的作用不同，習慣上也將機器分為：根據(jù)機器的作用不同，習慣上也將機器分為：原動機原動機轉換其他形式能量為機械能的機器。轉換其他形式能量為機械能的機器。工作機工作機利用機械能去變換或傳遞能量、物料、信息的機器稱為工利用機械能去變換或傳遞能量、物

11、料、信息的機器稱為工作機。作機。 現(xiàn)實中的機械多種多樣，因而相應的具體設計要求可能有所不同，但現(xiàn)實中的機械多種多樣，因而相應的具體設計要求可能有所不同，但共共同的基本要求都是適用、可靠、經(jīng)濟、美觀同的基本要求都是適用、可靠、經(jīng)濟、美觀。適用適用滿足預期的功能要求，技術性能良好，便于操作和維護。還包滿足預期的功能要求，技術性能良好，便于操作和維護。還包含有良好的操作性和維護性要求。含有良好的操作性和維護性要求。 可靠可靠要有良好的性能穩(wěn)定性和安全防護裝置。要有良好的性能穩(wěn)定性和安全防護裝置。經(jīng)濟經(jīng)濟機器的研制費用、使用費用盡可能低，生產(chǎn)效率盡可能高，使機器的研制費用、使用費用盡可能低，生產(chǎn)效率盡

12、可能高，使用壽命盡可能長。用壽命盡可能長。 美觀美觀造型優(yōu)美、色調(diào)宜人。造型優(yōu)美、色調(diào)宜人。上述的字要求說起來容易，做起來困難，它涉及到設計工作的方方面面上述的字要求說起來容易，做起來困難，它涉及到設計工作的方方面面。因此，要成為一個優(yōu)秀的設計人員，必須在學好本課程的基礎上學習更。因此，要成為一個優(yōu)秀的設計人員，必須在學好本課程的基礎上學習更多的有關課程。多的有關課程。0.2 課程的性質(zhì)、研究對象、任務和學習方法課程的性質(zhì)、研究對象、任務和學習方法v本課程的任務：本課程的任務：(1)(1)能熟練地運用力系平衡條件求解簡單力系的平衡問題；能熟練地運用力系平衡條件求解簡單力系的平衡問題；(2)(2

13、)掌握零部件的受力分析和強度計算方法；掌握零部件的受力分析和強度計算方法；(3)(3)熟悉常用機構、常用機械傳動及通用零部件的工作原理、特熟悉常用機構、常用機械傳動及通用零部件的工作原理、特點、應用、結構和標準，掌握常用機構、常用機械傳動和通用點、應用、結構和標準，掌握常用機構、常用機械傳動和通用零部件的選用和基本設計方法，具備正確分析、使用和維護機零部件的選用和基本設計方法，具備正確分析、使用和維護機械的能力，初步具有設計簡單機械傳動裝置的能力；械的能力，初步具有設計簡單機械傳動裝置的能力；(4)(4)具有與本課程有關的解題、運算、繪圖能力和應用標準、手具有與本課程有關的解題、運算、繪圖能力

14、和應用標準、手冊、圖冊等有關技術資料的能力。冊、圖冊等有關技術資料的能力。v本課程的學習方法：本課程的學習方法：(1)(1)抓好基本學習環(huán)節(jié)；抓好基本學習環(huán)節(jié)；(2)(2)學會綜合運用知識；學會綜合運用知識；(3)(3)學會知識技能的實際應用；學會知識技能的實際應用；(4)(4)學會總結歸納；學會總結歸納；(5)(5)學會創(chuàng)新。學會創(chuàng)新。本講要點：本講要點：應掌握內(nèi)容：應掌握內(nèi)容：Ft = Fn cos Fr = Fn sin （1 1）固定鉸鏈支座）固定鉸鏈支座YAXA（2 2）活動鉸鏈支座）活動鉸鏈支座RA圓柱鉸鏈約束實例圓柱鉸鏈約束實例F=F1+F2 碾子的受力圖為碾子的受力圖為: :D

15、FFFCFFFFAxCFAyFFAyFF306030603060機械設計基機械設計基礎礎林大鈞林大鈞主講主講三力平衡匯交定理三力平衡匯交定理 作用于剛體上三個相互平衡的力，若其中兩個力的作用于剛體上三個相互平衡的力，若其中兩個力的作用線匯交于一點，則此三力必在同一平面內(nèi)，且第三作用線匯交于一點，則此三力必在同一平面內(nèi)，且第三個力的作用線通過匯交點。個力的作用線通過匯交點。求作用在螺釘求作用在螺釘A上上的力的力P和和Q的合力的合力三角形法三角形法BPQQpRcos2222155cos4026040222RNR73.97利用余弦定理利用余弦定理再利用余弦定再利用余弦定理理RBQAsinsin04.

16、15A解解出出04.35解析法解析法平行四邊形平行四邊形法法 結論：結論： 平面匯交力系的合成結果是一個平面匯交力系的合成結果是一個合力，大小和方向由力系中各力的矢合力，大小和方向由力系中各力的矢量和確定。量和確定。力在軸上的力在軸上的投影投影X=abX=Fcos 正負號規(guī)定：正負號規(guī)定： 從從a到到b的指向和的指向和x軸的正軸的正向一向一 致，則取正號；反之，則致，則取正號；反之，則取負號取負號 xyyxFFFFF tan22合力投影定理合力投影定理 yyyyyxxxxxFFFFFFFFFFn21Rn21RFR= F1+ F2+ Fn = F60453045NFFFRyRxR3.171223

17、43.83.1293.112tanRxRyFF4100 yxFF不計。不計。45G 030cos30sin,0030sin30cos,0FGFFFFFFBCyABBCxkNFkNFBCAB5.7445.5解析法的符號法則：當由解析法的符號法則：當由平衡方程求得某一未知力的值平衡方程求得某一未知力的值為負時，表示原先假定的該力為負時，表示原先假定的該力指向和實際指向相反。指向和實際指向相反。 4545OxFAFCAC3ACACACAC32cos3sin045sinsin,0045coscos,0FFFFFFFCAyCAxAC解析法解析法桿桿AB所受的力。所受的力。0sin,00cos,0CyCB

18、yCBCxxFFFFFFkNFFFkNhFlFFFCBCyCx5.12sin25.112cot2sin2cos兩根光滑的鋼管兩根光滑的鋼管,每根鋼管每根鋼管的質(zhì)量為的質(zhì)量為300kg，用叉車，用叉車支撐，試求每根鋼管所受支撐，試求每根鋼管所受的力。的力。平面匯交力系平面匯交力系由由B管管,根據(jù)平衡條根據(jù)平衡條件得件得Rcos30-Psin30=0Rsin30+Pcos30-2943=0解得解得 P=2548N R=1471N平面匯交力系平面匯交力系由由A管管,根據(jù)平衡條件得根據(jù)平衡條件得Tcos30-Fsin30-Rcos30=0Tsin30+Fcos30-Rsin30-2943=0解得解得

19、F=2550N T=4415N 力力F的的作 用 點 沿作 用 點 沿其 作 用 線其 作 用 線移 動 ， 不移 動 ， 不改 變 這 力改 變 這 力對對 O 點 的點 的矩。矩。mN 2 .28 cos2nnno dFhFFM）（b)FtFrFxFy MA（F）=MA（Fx）+ MA（Fy） MA（Fx）= -Fx CA = -Fx (OA - OC) = -Fcos (R - rcos ) MA（Fy） =Fy rsin =Frsin sin =Frsin2 MA（F）= -Fcos (R - rcos ) + Frsin2 =F ( r - Rcos ) FxFyCM（F，F(xiàn)）= M = Fd M = 2OABF投影之和投影之和為零為零v 力與力偶是力系的兩個基力與力偶是力系的兩個基本元素。本元素。M=M1+ M2 + + Mn = M F1F1F2F2M=FRd=(F1 F2 )d M =0 0M。454545454545BFFd力的力的平平移定移定理理作用在剛體上的力，可以向剛體上的另一作用在剛體