机械设计基础第1讲课件.ppt

1、机械设计基础机械设计基础林大钧主讲林大钧主讲机械工程是一个历史悠久、发展较为成熟的学科。机械工程是一个历史悠久、发展较为成熟的学科。未来机械工程科学发展的总趋势是：交叉化、综合化；数未来机械工程科学发展的总趋势是：交叉化、综合化；数字化、智能化；微型化、精密化；高效率、清洁化；柔性、字化、智能化；微型化、精密化；高效率、清洁化；柔性、集成化等。集成化等。机械学科的前沿研究、发展会涉及到许多学科的内容。然机械学科的前沿研究、发展会涉及到许多学科的内容。然而可以肯定地说，所有发展都一定离不开而可以肯定地说，所有发展都一定离不开“机械设计基础机械设计基础”它研究机器、机械的组成原理；常用机构及其特点

2、；它研究机器、机械的组成原理；常用机构及其特点；机械中常用的零件以及机械设计的一般理论。因此，机械中常用的零件以及机械设计的一般理论。因此，“机械机械设计基础设计基础”是机械工程的基石之一。是机械工程的基石之一。机器机器人类制造出来的、各组成部分具有确定相人类制造出来的、各组成部分具有确定相对运动的、可完成人们期望的预定职能（变换或对运动的、可完成人们期望的预定职能（变换或传递能量、物料、信息）的实物组合。内燃机、传递能量、物料、信息）的实物组合。内燃机、牛头刨床、自行车等就是常见的机器。牛头刨床、自行车等就是常见的机器。构件构件组成机器的运动单元（包括运动速度为零组成机器的运动单元（包括运动

3、速度为零的单元），亦称为的单元），亦称为“杆杆”。内燃机中，活塞、连。内燃机中，活塞、连杆、曲轴、凸轮、挺杆、气缸体等都是构件。杆、曲轴、凸轮、挺杆、气缸体等都是构件。机构机构实现某种特定运动的构件组合。例如内燃实现某种特定运动的构件组合。例如内燃机中的活塞、连杆、曲轴和气缸体组成曲柄滑块机中的活塞、连杆、曲轴和气缸体组成曲柄滑块机构；凸轮、顶杆和气缸体组成凸轮机构。机构；凸轮、顶杆和气缸体组成凸轮机构。0.1 机器的组成及其特征机器的组成及其特征机械机械从研究运动和受力来看，机器与机构并无区别。从研究运动和受力来看，机器与机构并无区别。因此，习惯上用因此，习惯上用“机械机械”一词作为机器和机

4、构的总称。一词作为机器和机构的总称。即：机械即：机械 = = 机器机器 + + 机构机构零件零件机器中不可分拆的基本制造单元。分为：机器中不可分拆的基本制造单元。分为：专用零专用零件件（仅出现在某些类机器中的零件，如曲轴、连杆、汽（仅出现在某些类机器中的零件，如曲轴、连杆、汽轮机叶片等）；轮机叶片等）；通用零件通用零件（各类机器中广泛应用的零件，（各类机器中广泛应用的零件，如齿轮、螺栓、轴承等）。如齿轮、螺栓、轴承等）。设计设计为满足某一特定要求而进行研究、分析、构思、为满足某一特定要求而进行研究、分析、构思、计算、绘图、实验、决策的创造过程。机械设计是指规计算、绘图、实验、决策的创造过程。机

5、械设计是指规划和设计预期功能的新机械或改进原有机械的性能。划和设计预期功能的新机械或改进原有机械的性能。机器例机器例内燃机的作用是将汽油、柴油的化学能内燃机的作用是将汽油、柴油的化学能转换为回转机械能。其工作原理如下：转换为回转机械能。其工作原理如下：活塞上下往复移动，曲轴及相应的活塞上下往复移动，曲轴及相应的齿轮、飞轮连续转动，与大齿轮相连的齿轮、飞轮连续转动，与大齿轮相连的凸轮推动挺杆有规律地上下运动。齿轮凸轮推动挺杆有规律地上下运动。齿轮传动的齿数比为传动的齿数比为 ，以保证曲轴每，以保证曲轴每转两周进、排气门各启闭一次。四个冲转两周进、排气门各启闭一次。四个冲程依次为：进气程依次为：进

6、气(曲轴及与之固连的飞曲轴及与之固连的飞轮靠惯性转动，通过曲轴、连杆带动活轮靠惯性转动，通过曲轴、连杆带动活塞向下运动，此时排气门关闭，进气门塞向下运动，此时排气门关闭，进气门打开以输入新鲜的油雾和空气打开以输入新鲜的油雾和空气)；压缩；压缩(进、排气门关闭，在飞轮的惯性转动作进、排气门关闭，在飞轮的惯性转动作用下，用下，活塞向上运动缩小空间活塞向上运动缩小空间使油、气混合物压缩升使油、气混合物压缩升温温) )；膨胀；膨胀( (进、排气门进、排气门关闭，燃气燃烧膨胀推关闭，燃气燃烧膨胀推动活塞向下运动，通过动活塞向下运动，通过连杆带动曲轴及相应的连杆带动曲轴及相应的齿轮、飞轮、凸轮转动齿轮、飞

7、轮、凸轮转动) )；排气；排气( (进气门关闭，进气门关闭，排气门打开，活塞在飞排气门打开，活塞在飞轮带动下向上运动缩小轮带动下向上运动缩小空间以排除废气空间以排除废气) )。牛头刨床。其工作原理如下：牛头刨床。其工作原理如下：电动机通过带传动、齿轮电动机通过带传动、齿轮变速箱、曲柄导杆机构带动滑变速箱、曲柄导杆机构带动滑枕以合适的速度枕以合适的速度(与不同硬度的与不同硬度的被切材料相适应被切材料相适应)往复移动，从往复移动，从而使与滑枕相连的刨刀单向切而使与滑枕相连的刨刀单向切削金属。因刨刀宽度有限，当削金属。因刨刀宽度有限，当滑枕往复运动一次时，与进给滑枕往复运动一次时，与进给手轮相连的棘

8、轮手轮相连的棘轮-螺旋机构螺旋机构(图图中未画出中未画出)带动工作台及其固定带动工作台及其固定在上面的被加工工件沿垂直于在上面的被加工工件沿垂直于纸面的方向移动一段距离，将纸面的方向移动一段距离，将新的待切除材料置于刨刀之前新的待切除材料置于刨刀之前，滑枕多次往复运动后就加工，滑枕多次往复运动后就加工出了较大的平面。出了较大的平面。机器例机器例2 2自行车的传动机构具自行车的传动机构具有如下功能，即：在人踩有如下功能，即：在人踩脚踏板时，通过链盘、链脚踏板时，通过链盘、链条、后飞轮驱动后轮转动条、后飞轮驱动后轮转动，使自行车前进；当在平，使自行车前进；当在平道上自行车的速度较大或道上自行车的速

9、度较大或下坡时，后轮应与后链盘下坡时，后轮应与后链盘脱离联接，这样，自行车脱离联接，这样，自行车向前滑行时脚踏板就可不向前滑行时脚踏板就可不动，从而使人得到短时的动，从而使人得到短时的休息。请想想：飞轮机构休息。请想想：飞轮机构应该什么样的呢？应该什么样的呢？机器例机器例3 3补充说明补充说明1. 机器可由单个或机器可由单个或由多个由多个机构组成；机构组成；构件可以是一个零件，也可由多构件可以是一个零件，也可由多个零件构成个零件构成。2. 通常，可将机器的构成分为动力、传动、控制与反馈、执行四个基通常，可将机器的构成分为动力、传动、控制与反馈、执行四个基本组成部分。机构与机器的区别在于：机构只

10、是一个构件组合，而机器除本组成部分。机构与机器的区别在于：机构只是一个构件组合，而机器除构件组合之外还包含其他装置；机构只用于传递运动和力，机器除传递运构件组合之外还包含其他装置；机构只用于传递运动和力，机器除传递运动和力之外，还应当具有人机对话、变换或传递能量、物料、信息的功能动和力之外，还应当具有人机对话、变换或传递能量、物料、信息的功能。3. 根据机器的作用不同，习惯上也将机器分为：根据机器的作用不同，习惯上也将机器分为：原动机原动机转换其他形式能量为机械能的机器。转换其他形式能量为机械能的机器。工作机工作机利用机械能去变换或传递能量、物料、信息的机器称为工利用机械能去变换或传递能量、物

11、料、信息的机器称为工作机。作机。 现实中的机械多种多样，因而相应的具体设计要求可能有所不同，但现实中的机械多种多样，因而相应的具体设计要求可能有所不同，但共共同的基本要求都是适用、可靠、经济、美观同的基本要求都是适用、可靠、经济、美观。适用适用满足预期的功能要求，技术性能良好，便于操作和维护。还包满足预期的功能要求，技术性能良好，便于操作和维护。还包含有良好的操作性和维护性要求。含有良好的操作性和维护性要求。 可靠可靠要有良好的性能稳定性和安全防护装置。要有良好的性能稳定性和安全防护装置。经济经济机器的研制费用、使用费用尽可能低，生产效率尽可能高，使机器的研制费用、使用费用尽可能低，生产效率尽

12、可能高，使用寿命尽可能长。用寿命尽可能长。 美观美观造型优美、色调宜人。造型优美、色调宜人。上述的字要求说起来容易，做起来困难，它涉及到设计工作的方方面面上述的字要求说起来容易，做起来困难，它涉及到设计工作的方方面面。因此，要成为一个优秀的设计人员，必须在学好本课程的基础上学习更。因此，要成为一个优秀的设计人员，必须在学好本课程的基础上学习更多的有关课程。多的有关课程。0.2 课程的性质、研究对象、任务和学习方法课程的性质、研究对象、任务和学习方法v本课程的任务：本课程的任务：(1)(1)能熟练地运用力系平衡条件求解简单力系的平衡问题；能熟练地运用力系平衡条件求解简单力系的平衡问题；(2)(2

13、)掌握零部件的受力分析和强度计算方法；掌握零部件的受力分析和强度计算方法；(3)(3)熟悉常用机构、常用机械传动及通用零部件的工作原理、特熟悉常用机构、常用机械传动及通用零部件的工作原理、特点、应用、结构和标准，掌握常用机构、常用机械传动和通用点、应用、结构和标准，掌握常用机构、常用机械传动和通用零部件的选用和基本设计方法，具备正确分析、使用和维护机零部件的选用和基本设计方法，具备正确分析、使用和维护机械的能力，初步具有设计简单机械传动装置的能力；械的能力，初步具有设计简单机械传动装置的能力；(4)(4)具有与本课程有关的解题、运算、绘图能力和应用标准、手具有与本课程有关的解题、运算、绘图能力

14、和应用标准、手册、图册等有关技术资料的能力。册、图册等有关技术资料的能力。v本课程的学习方法：本课程的学习方法：(1)(1)抓好基本学习环节；抓好基本学习环节；(2)(2)学会综合运用知识；学会综合运用知识；(3)(3)学会知识技能的实际应用；学会知识技能的实际应用；(4)(4)学会总结归纳；学会总结归纳；(5)(5)学会创新。学会创新。本讲要点：本讲要点：应掌握内容：应掌握内容：Ft = Fn cos Fr = Fn sin （1 1）固定铰链支座）固定铰链支座YAXA（2 2）活动铰链支座）活动铰链支座RA圆柱铰链约束实例圆柱铰链约束实例F=F1+F2 碾子的受力图为碾子的受力图为: :F

15、FCFFFFAxCFAyFFAyFF306030603060机械设计基机械设计基础础林大钧林大钧主讲主讲三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理 作用于刚体上三个相互平衡的力，若其中两个力的作用于刚体上三个相互平衡的力，若其中两个力的作用线汇交于一点，则此三力必在同一平面内，且第三作用线汇交于一点，则此三力必在同一平面内，且第三个力的作用线通过汇交点。个力的作用线通过汇交点。求作用在螺钉求作用在螺钉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RBQAsinsin04.15

16、A解解出出04.35解析法解析法平行四边形平行四边形法法 结论：结论： 平面汇交力系的合成结果是一个平面汇交力系的合成结果是一个合力，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确定。量和确定。力在轴上的力在轴上的投影投影 X=ab X=Fcos 正负号规定：正负号规定： 从从a到到b的指向和的指向和x轴的正轴的正向一向一 致，则取正号；反之，则致，则取正号；反之，则取负号取负号合力投影定理合力投影定理FR= F1+ F2+ Fn = FNFFFRyRxR3.17122343.83.1293.112tanRxRyFF41不计。不计。45G 030cos30sin,0030si

17、n30cos,0FGFFFFFFBCyABBCxkNFkNFBCAB5.7445.5解析法的符号法则：当由解析法的符号法则：当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为负时，表示原先假定的该力为负时，表示原先假定的该力指向和实际指向相反。指向和实际指向相反。 OxFAFCAC3ACACACAC32cos3sin045sinsin,0045coscos,0FFFFFFFCAyCAxAC解析法解析法杆杆AB所受的力。所受的力。0sin,00cos,0CyCByCBCxxFFFFFFkNFFFkNhFlFFFCBCyCx5.12sin25.112cot2sin2cos两根光滑的钢管两根

18、光滑的钢管,每根钢管每根钢管的质量为的质量为300kg，用叉车，用叉车支撑，试求每根钢管所受支撑，试求每根钢管所受的力。的力。平面汇交力系平面汇交力系由由B管管,根据平衡条根据平衡条件得件得Rcos30-Psin30=0Rsin30+Pcos30-2943=0解得解得 P=2548N R=1471N平面汇交力系平面汇交力系由由A管管,根据平衡条件得根据平衡条件得Tcos30-Fsin30-Rcos30=0Tsin30+Fcos30-Rsin30-2943=0解得解得 F=2550N T=4415N 力力F的的作 用 点 沿作 用 点 沿其 作 用 线其 作 用 线移 动 ， 不移 动 ， 不改

19、 变 这 力改 变 这 力对对 O 点 的点 的矩。矩。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）= M = Fd M = 2OABF投影之和投影之和为零为零v 力与力偶是力系的两个基力与力偶是力系的两个基本元素。本元素。M=M1+ M2 + + Mn = M F1F1F2F2M=F

20、Rd=(F1 F2 )d M =0 0M。454545454545BFFd力的力的平平移定移定理理作用在刚体上的力，可以向刚体上的另一作用在刚体上的力，可以向刚体上的另一指定点平行移动，但必须同时附加一力偶，此指定点平行移动，但必须同时附加一力偶，此附加力偶的力偶附加力偶的力偶矩等于原来的力对指定点的矩矩等于原来的力对指定点的矩m=Fd平面一般平面一般力系在作力系在作用面内向用面内向一点简化一点简化R=F1+F2+F3(矢量加）主矢矢量加）主矢M=m1+m2+m3 主矩主矩思考思考R是否与是否与O点位置有关？点位置有关？M与与O点位置有关吗？点位置有关吗？O思考结果思考结果 O点不同点不同R不会改变，不会改变，M与与O点点位置有关。因此在提到主矩时位置有关。因此在提到主矩时应指出是对哪一点的矩应指出是对哪一点的矩)()()(302010FMFMFMM数和，称为原力系的数和，称为原力系的主矩主矩。MoFR = FR FR平衡平衡转动、移动转动、移动移动移动转动转动v 2kNFFFFFkNFFFFFyRyxRx768.030sin60sin598.030cos60cos421432kNFFFRxRxR794.022284.1tanRxRyFF1.52mkNFFFFMMOO5.030sin3260cos2)(432RRFFmFMdRO63.0