机械基础知识课件

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1、第8章 机械基础知识 第8章机械基础知识 8.1 概述 8.2 运动副及其分类 8.3 平面机构运动简图 8.4 静力学基础知识8.5 受力图 8.6 平面力系 第8章 机械基础知识 8.1概述 机器：从制造角度来分析机器，可以把机器看成由若干零件组成的。零件：是指组成机器当中不能再拆分的最小制造单元。 如螺栓、螺母和齿轮、内燃机的曲轴、气轮机叶片等。 从运动角度来分析，可以把机器看成由若干构件组成的。构件：是指由若干个零件组成的，各个零件之间不能产生任何相对运动的刚性组合体，是机器的运动单元。如图8-1所 示内燃机的连杆，就是由连杆体1、连杆盖2、螺母3、螺栓4等 零件组成的构件。第8章 机

2、械基础知识 图8-1连杆 第8章 机械基础知识 运动副：指构件彼此之间直接接触并且又能产生一定相对运动的联 接形式称为运动副。按运动副的接触特征分类：.低副两构件的接触部位以面面接触所组成的运动副称为低副。 低副有分为转动副和移动副。2.高副两构件之间的接触部位是以点或线相接触所组成的运动副称为高副 。常见的高副有齿轮副和凸轮副。.运动副与分类第8章 机械基础知识 8.3平面机构运动简图 机构运动简图：为了对机构进行分析，通常不考虑构件的外形，截面尺寸 和运动副的实际构造，而是用简单线条和规定的符号来表示 构件和运动副，并按一定的比例尺，绘制出各种构件之间相 对运动关系的图形。第8章 机械基础

3、知识 例8-1 绘制图8-2所示的单缸四冲程内燃机的机构运动简 图。 步骤：（1）先分析机构的组成及运动情况，找出机架、原动件和从动件。 （2）按照运动传递的先后顺序，根据各构件之间的相对运动性质，确定运动副的类型和数目。（3）选择视图平面。一般选择与多数构件的运动平面相平行的平面作为视图平面。（4）测出各运动副之间的位置，并选取适当的长度比例尺，用构件和运动副的规定符号绘出机构运动简图，如图8-3所示。 第8章 机械基础知识 图8-3内燃机机构运动简图 第8章 机械基础知识 8.4 静力学基础知识 8.4.1静力学基本概念和公理1.刚体的概念在外力作用下永不发生变形的物体称为刚体。刚体是实

4、际物体的理想模型。 第8章 机械基础知识 2.力的概念1）力的定义力是物体之间的相互作用，这种作用对物体产生两种效应：使物体的运动状态发生变化，称为力的外效应（运动效应）；使物体产生变形，称为力的内效应（变形效应）。静力学以刚体为研究对象只讨论力的外效应。 第8章 机械基础知识 2）力的三要素力对物体的作用效应取决于力的大小、方向和作用点， 这三个因素称为力的三要素。当这三个要素中有任何一个改变时，力的作用效应也将 改变。3）力的单位我国法定计量单位，力的单位用N或kN。 第8章 机械基础知识 4）力系与合力力系是指作用于被研究物体上的一组力。如果力系可使物体处于平衡状态，则称该力系为平衡力系

5、；若两力系分别作用于同一物体而效应相同，则两者互称等效力系；若力系与一力等效，则称此力为该力系的合力。 如图8-4所示，若力矢F在平面Oxy中，则其矢量表达式为 （8-1） 式中：Fx、Fy分别表示力F在平面直角坐标轴x，y方向上 的两个分量(如图8-4所示)。 第8章 机械基础知识 力F在坐标轴上的投影定义为：过力矢F两端向坐标轴引垂线（如图8-4所示）得垂足a、b和a、b，线段ab和ab分别为力F在x轴和y轴上投影的大小。投影的正负号则规定为：由起点a到终点b（或由a到b）的指向与坐标轴正向相同时为正，反之为负。图8-4中力F在x轴和y轴上的投影分别为 Fx=Fcos Fy=-Fsin（8

6、-2） 第8章 机械基础知识 若已知力的矢量表达式（8-1），则力F的大小及方向为 （8-3） 第8章 机械基础知识 3.平衡的概念物体的平衡是指物体相对于地球保持静止或匀速直线运动，是物体机械运动中的一种特殊状态。 第8章 机械基础知识 4.静力学公理公理一 两力平衡公理刚体上仅受两力作用而平衡的充分必要条件是：两力等值、反向、共线。根据公理一，二力构件上的两力必沿两力作用点的连线 ，且等值、反向(如图8-5所示)。 第8章 机械基础知识 图8-5 两力平衡公理第8章 机械基础知识 公理二 加减平衡力系公理对于作用在刚体上的任何一个力系，可以增加或减去任一平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用

7、效果。第8章 机械基础知识 推论一 力的可传性原理刚体上的力可沿其作用线移动到刚体内的任一点而不改变此力对刚体的作用效应（如图8-6所示）。需要指出的是，此原理只适用于刚体而不适用于变形体。 第8章 机械基础知识 图8-6力的可传性原理 第8章 机械基础知识 公理三 作用力与反作用力公理两物体间的作用力与反作用力总是等值、反向、共线，分别作用在两个物体上。此公理是由牛顿提出的，它概括了自然界中物体间相互作用的关系。 第8章 机械基础知识 公理四 力的平行四边形公理作用于物体上同一点的两个力的合力也作用于该点，合力的大小与方向是以这两个力为边所形成的平行四边形的对角线来确定的。(如图8-7所示)

8、 FR=F1+F2 （8-4） 即合力等于两分力的矢量和。第8章 机械基础知识 图8-7力的平行四边形公理 第8章 机械基础知识 由此可推广到n个力作用的情况。设一刚体上受力系F1，F2，Fn作用，力系中各力的作用线共面且汇交于同一点（称为平面汇交力系）重复应用力的平行四边形公理可将此力 系合成为一个合力FR，且有： FR=F1+F2+Fn=F （8-5） 可见，平面汇交力系的合力矢量等于力系各分力矢量和。第8章 机械基础知识 合力投影定理：力系的合力在某坐轴上的投影等于力系中各分力在同轴上投影的代数和。 FRx=F1x+F2x +FnFRy=F1y+F2y +Fny (8-6) 例如，在进行

9、直齿圆柱齿轮的受力分析时，常将齿面的 法向反力Fn分解为沿齿轮分度圆圆周切线方向的分力Ft 和指向轴心的压力Fr（如图8-8所示）。第8章 机械基础知识 图8-8力的平行四边形公理应用实例 第8章 机械基础知识 推论二 三力平衡汇交定理刚体受三个共面但不平行的力作用而平衡时，此三力必汇交于一点。 第8章 机械基础知识 5.力矩与力偶1）力对点的矩力的外效应是使物体运动状态发生变化。这种外效应具体有两种形式：移动效应：转动效应：力对物体的移动效应由力本身来度量，而力对物体绕某 点转动的效应由力矩来度量。 第8章 机械基础知识 如图8-9所示，用扳手转动螺母时，作用于扳手A点的力F可使扳手与螺母一

10、起绕螺母中心点O转动。由经验可知，力的这种转动作用不仅与力的大小、方向有关，还与转动中心到力的作用线的垂直距离d有关。因此，定义Fd为力使物体对点O产生转动效应的度量，称为力F对点O之矩，简称力矩，用M0（F）表示，即 M0（F）=Fd （8-7） 规定在平面问题中，逆时针转向的力矩取正号，顺时针 转向的力矩取负号。力矩的单位为Nm或kNm。 第8章 机械基础知识 图8-9扳手拧螺母 第8章 机械基础知识 2）力矩的性质从力矩的定义式（8-7）可知，力矩有以下几个性质：（1）力F对O点之矩不仅取决于F的大小，同时还与矩心的位置即力臂d有关。（2）力F对于任一点之矩，不因该力的作用点延其作用线的

11、移动而改变。（3）力的大小等于零或力的作用线通过矩心时，力矩等于零。 第8章 机械基础知识 3）合力矩定理平面力系的合力对平面内任一点之矩，等于所有各分力 对同一点力矩的代数和，即 M0（R）=M0（F1）+M0（F2）+M0（Fn）=M0（F） （8-8） 式中，R为平面力系F1、F2、Fn的合力。第8章 机械基础知识 例8-2 如图8-10(a)所示圆柱直齿轮的齿面受一压力角(啮合力与齿轮节圆切线间的夹角)=20的法向压力Fn=1kN的作用，齿轮节圆直径d=160mm。试求力Fn对齿轮轴心O的矩。解：按力对点的矩的定义，有 第8章 机械基础知识 图8-10力对点的矩的应用实例 第8章 机械

12、基础知识 解：将Fn沿半径r的方向分解成一组正交的圆周力Ft与径向力Fr，如图8-6（b）所示，有 Ft=Fncos Fr=Fnsin按合力矩定理，有 第8章 机械基础知识 4）力偶的定义物体受到一对等值、反向但不在同一作用线的平行力的作用。如图8-11所示转动方向盘及套丝板牙等所受的力。 第8章 机械基础知识 图8-11力偶的应用实例 第8章 机械基础知识 作用在同一物体上的一对等值、反向、不共线的平行力组成的力系称为力偶，力偶使物体只产生转动效应。两力作用线间的垂直距离称为力偶臂。M（F，F）=M=Fd (8-9) 式中：正负号表示力偶的转向，一般规定，力偶逆时针转动时取正号，顺时针转动时

13、取负号。力偶矩的单位为Nm或kNm。第8章 机械基础知识 力偶对刚体的转动效应取决于力偶的三个要素：力偶矩的大小、力偶的转向、力偶作用面的方位。凡三个要素相同的力偶彼此等效。 第8章 机械基础知识 5)力偶的性质性质1 力偶在任一轴上的投影的代数和为零（如图8-12所示），故力偶无合力，力偶对刚体的移动不会产生任何影响，即力偶不能与一个力等效，也不能简化为一个力，力偶只能与力偶等效。 性质2 力偶对于其作用面内任意一点的矩与矩心的位置无关，而恒等于自身的力偶矩。性质3 只要保持力偶矩的大小和转向不变，力偶可以在其作用面内任意移动，或同时改变力和力偶臂的大小，对刚体的作用效应不变。 第8章 机械

14、基础知识 图8-12力偶的等效性质第8章 机械基础知识 由上述力偶的三要素和力偶的性质，可以对力偶作以下等效处理:力偶可以用带箭头的弧线表示(如图8-13所示)。 第8章 机械基础知识 图8-13力偶矩的表示方法 第8章 机械基础知识 6）平面力偶系的合成作用在刚体同一平面上的多个力偶称为平面力偶系。平 面力偶系合成的结果为一合力偶，合力偶矩等于各分力偶矩 的代数和，即 (8-10) 第8章 机械基础知识 6.力的平移定理欲将作用于刚体上A点的力F平移到平面上任一点O（如图8-14（a）所示）。方法：可在O点施加一对与力F等值的平衡力F、F（如图8-14（b）所示），取F与F为一对等值、反向、

15、不共线的平行力组成一个力偶，称为附加力偶，其力偶矩等于原力F对O点的力矩（如图8-14（c）所示。 第8章 机械基础知识 图8-14力的平移定理 第8章 机械基础知识 由上可知：作用于刚体上的力，可以平移到刚体内的任一点，但必须同时附加一个力偶，其力偶矩等于原力对平移点之矩，此即为力的平移定理。第8章 机械基础知识 8.4.2约束与约束反力 约束：一个物体的运动受到周围物体的限制时，这种限制就称为约束。约束力：约束对物体运动起限制作用的力称为约束力。1.柔性约束约束范围：只能限制物体沿着柔性约束的中心线离开柔性约束的运动，而不能限制物体沿着其他方向的运动。约束反力：约束反力通过接触点，其方向沿

16、着柔性约束的中心线且显 示为拉力。这种约束反力通常用T表示。（如图8-16所示）。 第8章 机械基础知识 图8-16柔性约束 (a)柔绳；(b)链条 第8章 机械基础知识 2.光滑接触面约束当两物体相互接触，并忽略接触处的摩擦时，两物体彼此的约束就是光滑接触面约束。限制范围：只能限制物体沿着接触面的公法线指向约束物体的运动，而不能限制物体沿着接触面的公切线或离开接触面的运动。约束反力：约束反力通过接触点，沿接触面的公法线并指向被约束物体显示为压力。这种约束反力通常用N表示（如图8-17所示）。 第8章 机械基础知识 图8-17光滑接触面约束 第8章 机械基础知识 3.铰链约束1)圆柱铰链约束圆柱铰链简称铰接，门窗用的合页便是铰接的实例。圆柱铰接是由一个圆柱形销钉插入两个物体的圆孔中构成（如图8-18(a)、(b)所示），且认为销钉与圆孔的表面都