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1、,机械设计基础,林大钧主讲,第1讲 绪论 、静力学基础,绪论 静力学研究的问题,力系的简化,力系的平衡,1.常用平面机构 2.常用机械传动 3.常用机械零部件,课程主要内容,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
2、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 1.动力系统 2.执行系统 3.传动系统 4.操纵系统和控制系统 5.框架支撑系统及其他的辅助系统,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
3、惯性转动作用下，,机器的组成及其特征,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
4、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出了较大的平面。,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？,机器的组成及其特征,机器例3,机器的组成及其特征,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,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)
5、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。,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 静力学公理 常见的典型约束、约束反力 物体的受力分析,应掌握内容：,力、力系、刚体和平衡的概念 静力学的四个基本公理 约束的概念
6、和常见约束类型 具备对物体进行受力分析的能力,1.1.1 力的概念 （1）力的定义 力是物体之间相互的机械作用。,作用的结果,（2）力的三要素 大小、方向、作用点,改变物体的运动状态外效应,使物体变形内效应,（3）力是矢量 视频1-00:37 既有大小又有方向。,（4）力的单位 N或 kN,作用于同一物体的若干个力称为力系。,1.1.2 力系的概念,平衡力系 不改变物体原有运动状态的力系。,等效力系 对物体的作用效果完全相同的两个力系。,合力 与一个力系等效的力。,分力 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寸不变的物体称为刚体。,刚体 理想的力学模型,1.1.3 刚体的概念,
7、刚化原理（1）,刚化原理（2）,1.1.4 平衡的概念,物体相对于地面保持静止或作匀速直线运动的状态。,静力学的任务： 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。,1.2 静力学公理,静力学公理,静力学公理,重要推论：,力的可传性原理 作用于刚体上的力可以沿其作用线移至刚体内任一点，而不改变原力对刚体的作用效应。,公理三 力的平行四边形法则,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定，即合力矢等于这两个分力矢的矢量合。,静力学公理,Ft = Fn cos Fr = Fn sin,静力学公理,力的
8、分解,Ft,Fr,公理四 作用与反作用定律,静力学公理,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，分别作用于这两个物体。,被约束体 运动受到限制或约束的物体。,约束 限制被约束体运动的周围物体。,1.3 约束和约束反力的概念及类型,反力 约束对被约束体的反作用力。,约束和约束反力的概念及类型,反力的特点： 总是作用在被约束体与约束体的接触处。 方向总是与约束所能限制的运动或运动趋势的方向相反。,1.3.1 柔索约束 特点: (1) 只能限制物体沿柔索伸长方向的运动。 (2) 力的方向总是背离物体。 表示符号：FT,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,约束和约
9、束反力的概念及类型,约束和约束反力的概念及类型,特点: （1）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。 （2）约束反力过接触点沿接触面法向并指向被约束体。 表示符号: FN,1.3.2 光滑面约束,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,约束和约束反力的概念及类型,特点: （1）反力的方向不定，随接触点而变化； （2）反力的大小由两个通过铰链中心的正交分力求得。 表示符号：Fx、Fy,1.3.3 光滑铰链约束,约束和约束反力的概念及类型,（1）固定铰链支座,约束和约束反力的概念及类型,（2）活动铰链支座,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,约
10、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,圆柱铰链约束实例,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,1.3.4轴承约束,径向轴承,约束和约束反力的概念及类型,圆锥滚子轴承,约束和约束反力的概念及类型,1-1 回答下列问题： （1）作用力与反作用力是一对平衡力吗？ （2）二力平衡条件、加减平衡力系原理能否用于变形体？为什么？ （3）只受两个力作用的构件称为二力构件，这种说法对吗？ （4）确定约束反力方向的基本原则是什么？ （5）等式F=F1+F2与F=F1+F2的区别何在 ？, 第1章,（6）图a中所示三铰拱架上的作用力F，可否依据力的可传性原理把它移到D点？为什么？
11、,1.4 物体的受力分析和受力图,受力分析 研究物体上所受的力，包括力的数量（所有的主动力、约束反力）、方向、及力的作用点。,物体的受力分析和受力图,受力图 在简图上除去约束，使研究对象成为自由体（分离体），在解除约束处画上约束反力，在分离体上画出全部主动力和约束反力。,例题1,在图示的平面系统中，匀质球A 重G1，借本身重量和摩擦不计的理想滑轮C 和柔绳维持在仰角是的光滑斜面上，绳的一端挂着重G2的物块B。试分析物块B ,球A和滑轮C的受力情况，并分别画出平衡时各物体的受力图。,物体的受力分析和受力图,解：,1.物块 B 的受力图,例题1,物体的受力分析和受力图,2. 球 A 的受力图。,例
12、题1,物体的受力分析和受力图,3.滑轮 C 的受力图。,I,例题1,物体的受力分析和受力图,等腰三角形构架ABC 的顶点 A，B，C 都用铰链连接，底边AC固定，而AB 边的中点D 作用有平行于固定边AC 的力F，如图所示。不计各杆自重，试画出杆AB 和BC 的受力图。,例题2,物体的受力分析和受力图,解：,1. 杆 BC 的受力图。,例题2,物体的受力分析和受力图,2. 杆 AB 的受力图。,F,FAx,FAy,FB,解：,例题2,表示法一,表示法二,物体的受力分析和受力图,例题3,物体的受力分析和受力图,用力F 拉动碾子以轧平路面,重为G 的碾子受到一石块的阻碍，如图所示。试画出碾子的受力
13、图。,碾子的受力图为:,解：,例题3,物体的受力分析和受力图,如图所示，水平梁AB用斜杠支撑，A ，C ，D三处均为光滑铰链连接。匀质梁重G1 ，其上放一重为G2 的电动机。如不计杆CD的自重，试分别画出杆CD和梁AB（包括电机）的受力图。,例题4,物体的受力分析和受力图,1. 斜杆CD的受力图。,解：,例题4,物体的受力分析和受力图,2. 梁AB（包括电动机）的受力图。,FAy,例题4,物体的受力分析和受力图,如图所示的三铰拱桥，由左右两拱桥铰接而成。设各拱桥的自重不计，在拱上作用有载荷F，试分别画出左拱和右拱的受力图。,F,例题5,物体的受力分析和受力图,1. 右拱 BC 的受力图。,解：
14、,F,例题5,物体的受力分析和受力图,2. 左拱 AC 的受力图。,表示法一,表示法二,F,FA,D,F,F,FAx,FAy,例题5,物体的受力分析和受力图,例题6,物体的受力分析和受力图,如图所示，梯子的两部分AB和AC在A点铰接，又在D ，E两点用水平绳连接。梯子放在光滑水平面上，若其自重不计，但在AB的中点处作用一铅直载荷F。试分别画出梯子的AB，AC部分以及整个系统的受力图。,1.梯子AB 部分的受力图。,解：,FAy,F,FAx,FB,例题6,物体的受力分析和受力图,FD,2.梯子AC 部分的受力图。,FC,例题6,物体的受力分析和受力图,FE,FAx,FAy,3.梯子整体的受力图。
15、,FB,FC,例题6,物体的受力分析和受力图,如图所示，重物重G = 20 kN,用钢丝绳挂在支架的滑轮B上，钢丝绳的另一端绕在铰车D上。杆AB与BC铰接，并以铰链A，C与墙连接。如两杆与滑轮的自重不计并忽略摩擦和滑轮的大小，试画出杆AB和BC以及滑轮B的受力图。,A,B,D,C,例题7,物体的受力分析和受力图,1.杆AB的受力图。,FAB,FCB,解：,2.杆BC 的受力图。,A,B,D,C,例题7,物体的受力分析和受力图,FBA,FBC,FBC,FBA,FT1,FT2,3. 滑轮B ( 不带销钉）的受力图。,4. 滑轮B ( 带销钉）的受力图。,FBx,FT1,FT2,FBy,例题7,物体
16、的受力分析和受力图,如图所示压榨机中，杆AB和BC的长度相等，自重忽略不计。A ，B，C ，E处为铰链连接。已知活塞D上受到油缸内的总压力为F = 3 kN，h = 200 mm，l = 1 500 mm。试画出杆AB ，活塞和连杆以及压块C的受力图。,例题8,物体的受力分析和受力图,解：,1.杆AB的受力图。,2. 活塞和连杆的受力图。,3. 压块 C 的受力图。,FCx,FCy,FCB,FBC,FAB,例题8,物体的受力分析和受力图,习题1-2,物体的受力分析和受力图,1-2 作出下列物体系中每个刚体的受力图。设接触面都是光滑的，没有画重力矢的物体都不计重力。,（a）,（b）,物体的受力分析和受力图,习题1-2,（c）,（d）,物体的受力分析和
