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1、机械设计基础 林大钧主讲 第第1 1讲讲 绪论绪论 、静力学基础、静力学基础 绪论绪论 静力学研究的问题静力学研究的问题 力系的简化力系的简化 力系的平衡力系的平衡 1.1.常用平面机构常用平面机构 2.2.常用机械传动常用机械传动 3.3.常用机械零部件常用机械零部件 课程主要内容课程主要内容 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；数字 化、智能化；微型化、精密化；高效率、清洁化；柔性、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。然而 可以肯定地说，所有发展都一定离不开“机械设计基础”它 研究机器、机械的组成原理；常用
2、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，“机械设计基础”是机 械工程的基石之一。 机器 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 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。 构件 组成机器的运动单元（包括运动速度为零 的单元），亦称为“杆”。内燃机中，活塞、连杆 、曲轴、凸轮、挺杆、气缸体等都是构件。 机构 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 机械 从研究运动和受力来看，机器与机构并无
3、区别。 因此，习惯上用“机械”一词作为机器和机构的总称。即 ：机械 = 机器 + 机构 零件 机器中不可分拆的基本制造单元。分为：专用零 件（仅出现在某些类机器中的零件，如曲轴、连杆、汽 轮机叶片等）；通用零件（各类机器中广泛应用的零件 ，如齿轮、螺栓、轴承等）。 设计 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 划和设计预期功能的新机械或改进原有机械的性能。 机器的功能组成机器的功能组成 1.1.动力系统动力系统 2.2.执行系统执行系统 3.3.传动系统传动系统 4.4.操纵系统和控制系统操纵系统和控制系统 5.5.框架支撑系统及其他的辅助
4、系统框架支撑系统及其他的辅助系统 qq 机器的组成及其特征机器的组成及其特征 qq 机器的组成及其特征机器的组成及其特征 机器例 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： 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 凸轮推动挺杆有规律地上下运动。齿轮 传动的齿数比为，以保证曲轴每 转两周进、排气门各启闭一次。四个冲 程依次为：进气(曲轴及与之固连的飞 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 打开以输入新鲜的油雾和空气)；压缩( 进、排气门关闭，在飞轮的惯性转动作 用下， qq 机器的组成及其特征机器的组成及其
5、特征 活塞向上运动缩小空间 使油、气混合物压缩升 温)；膨胀(进、排气门 关闭，燃气燃烧膨胀推 动活塞向下运动，通过 连杆带动曲轴及相应的 齿轮、飞轮、凸轮转动) ；排气(进气门关闭， 排气门打开，活塞在飞 轮带动下向上运动缩小 空间以排除废气)。 牛头刨床。其工作原理如下： 电动机通过带传动、齿轮 变速箱、曲柄导杆机构带动滑 枕以合适的速度(与不同硬度的 被切材料相适应)往复移动，从 而使与滑枕相连的刨刀单向切 削金属。因刨刀宽度有限，当 滑枕往复运动一次时，与进给 手轮相连的棘轮-螺旋机构(图中 未画出)带动工作台及其固定在 上面的被加工工件沿垂直于纸 面的方向移动一段距离，将新 的待切除
6、材料置于刨刀之前， 滑枕多次往复运动后就加工出 了较大的平面。 qq 机器的组成及其特征机器的组成及其特征 机器例2 自行车的传动机构具 有如下功能，即：在人踩 脚踏板时，通过链盘、链 条、后飞轮驱动后轮转动 ，使自行车前进；当在平 道上自行车的速度较大或 下坡时，后轮应与后链盘 脱离联接，这样，自行车 向前滑行时脚踏板就可不 动，从而使人得到短时的 休息。请想想：飞轮机构 应该什么样的呢？ qq 机器的组成及其特征机器的组成及其特征 机器例3 补充说明 1. 机器可由单个或由多个机构组成；构件可以是一个零件，也可由多 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
7、个基 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： 原动机转换其他形式能量为机械能的机器。 工作机利用机械能去变换或传递能量、物料、信息的机器称为工作 机。 qq 机器的组成及其特征机器的组成及其特征 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 同的基本要求都是适用、可靠、经济、美观。 适用 满足预期的功能要求，技术性能良好，便于操作和维护。还包含 有良好的操作性和维护性要求
8、。 可靠 要有良好的性能稳定性和安全防护装置。 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，使用 寿命尽可能长。 美观 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。 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。 qq 机械设计应满足的基本要求机械设计应满足的基本要求 0.2 课程的性质、研究对象、任务和学习方法 v本课程的任务： (1)能熟练地运用力系平衡条件求解简单力系的平衡问题； (2)掌握零部件的受力分析和强度计算方法； (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 点、应用、结构和标
9、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 械的能力，初步具有设计简单机械传动装置的能力； (4)具有与本课程有关的解题、运算、绘图能力和应用标准、手 册、图册等有关技术资料的能力。 v本课程的学习方法： (1)抓好基本学习环节； (2)学会综合运用知识； (3)学会知识技能的实际应用； (4)学会总结归纳； (5)学会创新。 本讲要点： 静力学的基本概念静力学的基本概念 静力学公理静力学公理 常见的典型约束、约束反力常见的典型约束、约束反力 物体的受力分析物体的受力分析 应掌握内容： 力、力系、刚体和平衡的概念力、力系、刚体和平衡的概念 静力
10、学的四个基本公理静力学的四个基本公理 约束的概念和常见约束类型约束的概念和常见约束类型 具备对物体进行受力分析的能力具备对物体进行受力分析的能力 1.1.1 1.1.1 力的概念力的概念 （1 1）力的定义）力的定义 力是物体之间相互的机械作用。力是物体之间相互的机械作用。 作用的结果作用的结果 （2 2）力的三要素）力的三要素 大小、方向、作用点大小、方向、作用点 改变物体的运动状态改变物体的运动状态外效应外效应 使物体变形使物体变形内效应内效应 （3 3）力是矢量）力是矢量 视频视频1-00:371-00:37 既有大小又有方向。既有大小又有方向。 （4 4）力的单位）力的单位 N N或或
11、 kNkN A A B B 0 0 5N5N 作用于同一物体的若干个力称为作用于同一物体的若干个力称为 力系。力系。 1.1.2 1.1.2 力系的概念力系的概念 vv 平衡力系平衡力系 不改变物体原有运动状态的力系。不改变物体原有运动状态的力系。 vv 等效力系等效力系 对物体的作用效果完全相同的两个力对物体的作用效果完全相同的两个力 系。系。 vv 合力合力 与一个力系等效的力。与一个力系等效的力。 vv 分力分力 一个力系中的每一个力。一个力系中的每一个力。 在受力状态下保持其几何形状和尺在受力状态下保持其几何形状和尺 寸不变的物体称为刚体。寸不变的物体称为刚体。 刚体刚体 理想的力学模
12、型理想的力学模型 1.1.3 1.1.3 刚体的概念刚体的概念 刚化原理（刚化原理（1 1） 刚化原理（刚化原理（2 2） 1.1.4 1.1.4 平衡的概念平衡的概念 物体相对于地面保持静止或作物体相对于地面保持静止或作 匀速直线运动的状态。匀速直线运动的状态。 静力学的任务：静力学的任务： 研究物体在力系作用下的平衡条件研究物体在力系作用下的平衡条件 , ,并由平衡条件解决工程实际问题。并由平衡条件解决工程实际问题。 1.2 1.2 静力学公理静力学公理 qq 静力学公理静力学公理 qq 静力学公理静力学公理 重要推论重要推论 ： 力的可传性原理力的可传性原理 作用于刚体上的力可以沿其作用
13、于刚体上的力可以沿其 作用线移至刚体内任一点，而不改变作用线移至刚体内任一点，而不改变 原力对刚体的作用效应。原力对刚体的作用效应。 公理三 公理三 力的平行四边形法则力的平行四边形法则 作用于物体同一点的两个力作用于物体同一点的两个力 可以合成为一个合力，合力也作用于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该点，其大小和方向由以这两个力为 边所构成的平行四边行的对角线所确边所构成的平行四边行的对角线所确 定，即合力矢等于这两个分力矢的矢定，即合力矢等于这两个分力矢的矢 量合。量合。 qq 静力学公理静力学公理 Ft = Fn cos Fr = Fn sin qq 静
14、力学公理静力学公理 力的分解力的分解 F F t t F F r r 公理四 公理四 作用与反作用定律作用与反作用定律 qq 静力学公理静力学公理 两个物体间相互作用的一对力，总两个物体间相互作用的一对力，总 是大小相等，方向相反且共线，分别作是大小相等，方向相反且共线，分别作 用于这两个物体。用于这两个物体。 被约束体被约束体 运动受到限制或约束的物体。运动受到限制或约束的物体。 约束约束 限制被约束体运动的周围物体。限制被约束体运动的周围物体。 1.3 1.3 约束和约束反力的概念及类型约束和约束反力的概念及类型 反力反力 约束对被约束体的反作用力。约束对被约束体的反作用力。 qq 约束和
15、约束反力的概念及类型约束和约束反力的概念及类型 反力的特点：反力的特点： 总是作用在被约束体与约总是作用在被约束体与约 束体的接触处。束体的接触处。 方向总是与约束所能限制方向总是与约束所能限制 的运动或运动趋势的方向相反。的运动或运动趋势的方向相反。 1.3.11.3.1 柔索约束 柔索约束 特点特点: : (1) (1) 只能限制物体沿柔索伸长方向的运动。只能限制物体沿柔索伸长方向的运动。 (2) (2) 力的方向总是背离物体。力的方向总是背离物体。 表示符号：表示符号：F F T T qq 约束和约束反力的概念及类型约束和约束反力的概念及类型 qq 约束和约束反力的概念及类型约束和约束反
16、力的概念及类型 qq 约束和约束反力的概念及类型约束和约束反力的概念及类型 qq 约束和约束反力的概念及类型约束和约束反力的概念及类型 特点特点: : qq （1 1）只能限制物体在接触点沿接触面的公）只能限制物体在接触点沿接触面的公 法线指向约束物体的运动。法线指向约束物体的运动。 qq （2 2）约束反力过接触点沿接触面法向并指）约束反力过接触点沿接触面法向并指 向被约束体。向被约束体。 qq 表示符号表示符号: : F F N N 1.3.21.3.2 光滑面约束 光滑面约束 qq 约束和约束反力的概念及类型约束和约束反力的概念及类型 qq 约束和约束反力的概念及类型约束和约束反力的概念及类型 qq 约束
