机械学基础机械设计的力学基础知识.ppt
机 械 学 基 础,绪 论,机械设计的力学基础知识,机械工程材料及钢的热处理,机械精度设计基础,机构的组成原理及平面连杆机构,凸轮机构,弹簧,机械零件设计制造的结构工艺性,带传动与链传动,齿轮传动机构,间歇运动机构,齿轮传动设计,轴与联轴器,轴承,连接,机械学基础,第1章 机械设计的力学基础知识,补充:静力学基础,补充:材料力学基础,1-1 载荷和应力,1-2 机械零部件失效形式与设计准则,补充:静力学基础,静力学,研究物体在力系作用下的平衡条件的科学,补充:静力学基础,力 物体间相互的机械作用,这种作用使物体的机械运 动状态发生变化,力的外效应,物体运动状态发生变化,力的内效应,物体产生变形,刚体 在受力情况下保持形状和大小不变的物体。它是 理想化了的力学模型,力系 作用于物体上的一群力,平面力系,空间力系,平面汇交力系,平面平行力系,平面一般力系,平衡 物体相对于惯性参考系保持静止或作匀速直线 运动,静力学公理,公理1（二力平衡公理）,作用于刚体上的二力平衡的必要和充分条件是，此二力大小相等，方向相反，且沿同一直线。,补充:静力学基础,作用于刚体的已知力系上，加上或减去任一平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效果。,推论（力的可传性）,作用于刚体上某点的力，可以沿其作用线移至刚体上任意一点，而不改变它对刚体的作用效果。,静力学公理,公理2（加减平衡力系公理）,补充:静力学基础,作用于物体上同一点的两个力，可以合成一个合力。合力的作用点仍在该点，合力的大小和方向以这两个力为边所做的平行四边形的对角线来表示,静力学公理,公理3（力的平行四边形公理）,补充:静力学基础,两物体间相互作用的力总是大小相等，方向相反，沿同一条作用线，并分别作用在这两个物体上,静力学公理,公理4（作用与反作用公理）,补充:静力学基础,变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体刚化为刚体，则平衡状态保持不变,公理5（刚化原理）,物体的受力分析,补充:静力学基础,1.取分离体（研究对象）,3.画约束反力,2.画出物体所受的已知力,物体的受力分析,补充:静力学基础,1.除重力等主动力以外，物体间只有在接触处才有力的相互作用。2.约束反力应画在解除约束的地方，并根据约束类型画约束反力。3.若约束是二力杆，则其约束反力沿二力构件两个受力点的连线，不是拉力就是压力。4.作物体系整体受力图时，物体之间的相互作用力变成内力，不必画出。5.物体系中各物体之间的作用力与反作用力，若其中一个力的方向确定（或假定），则另一个力的方向必与其相反，不必再另行假定。,物体的受力分析,补充:静力学基础,发动机的曲柄滑块机构如图所示。活塞C上作用可燃气体的爆发力F，曲柄AB上作用阻力矩MA。试画出曲柄滑块机构的主要构件活塞C、连杆BC和曲柄AB的受力图。各构件的自重均不计。,平面任意力系的平衡条件,补充:静力学基础,力系的主矢和对于任一点的主矩都等于零,即也可以表示为,补充:材料力学基础,材料力学,研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限的学科,补充:材料力学基础,弹性变形：,塑性变形：,可恢复,不可恢复,强度,刚度,稳定性,一、强度、刚度、稳定性的基本概念,补充:材料力学基础,二、构件受力与变形的基本形式,拉伸或压缩 剪切 扭转 弯曲,组合变形,1.构件受力情况,机构或机械工作时，作用在构件上的力称为载荷,集中载荷,分布载荷,静载荷,动载荷,2.构件变形的基本形式,拉伸,补充:材料力学基础,压缩,补充:材料力学基础,剪切,补充:材料力学基础,扭转,补充:材料力学基础,弯曲,补充:材料力学基础,特点：直杆；所受外力的合力与杆轴线重合；沿轴线方向发生伸长或缩短变形,补充:材料力学基础,三、直杆的轴向拉伸与压缩,构件受外力作用产生弹性变形时，构件内部分子间就伴随着产生一种抵抗力，它们力求恢复构件已变形部分的形状和尺寸。这种抵抗构件变形的分子间的力称为内力。,应力为正,应力为负,补充:材料力学基础,三、直杆的轴向拉伸与压缩,单位面积上承受的内力称为应力。应力的单位为兆帕（MPa），即N/mm2,补充:材料力学基础,三、直杆的轴向拉伸与压缩,材料在轴向拉伸或压缩时的机械性质,屈服阶段,弹性变形阶段,强化阶段,局部变形阶段,补充:材料力学基础,三、直杆的轴向拉伸与压缩,比例极限,弹性极限,屈服极限,强度极限,补充:材料力学基础,三、直杆的轴向拉伸与压缩,强度条件,强度公式：,许用应力：,补充:材料力学基础,三、直杆的轴向拉伸与压缩,刚度公式：,杆的变形：,特点：一对大小相等、方向相反的力作用在物体的两侧，两力作用线间的距离相距很近，物体受上述两力作用后，受剪面发生相对错动，称为剪切。,补充:材料力学基础,四、剪切,剪切强度公式：,假设均匀分布,补充:材料力学基础,四、剪切,挤压强度公式：,补充:材料力学基础,四、剪切,纵向线,圆周线,（1）各纵向线倾斜了同一微小角度，正方形格子歪斜成菱形；（2）各圆周线围绕轴线旋转一个微小的角度，圆周线长度、形状及距离没变；,补充:材料力学基础,五、扭转,扭矩和扭矩图,用矩为T的力偶表示作用于截面上的内力,平衡条件：,得,T=M,扭矩：圆轴扭转时横截面上的内力,补充:材料力学基础,五、扭转,扭矩的方向规定：右手螺旋法则,拇指指向表示T的矩矢方向，当矩矢方向与截面外法线方向一致时定为正号，反之为负,扭矩图,补充:材料力学基础,五、扭转,圆轴扭转时的危险点在横截面的周边表面上此时，最大剪应力计算公式,抗扭截面模量 对实心圆截面,补充:材料力学基础,五、扭转,强度条件：,圆轴扭转时，要保证其正常工作，最大剪应力不能超过许用剪应力,刚度条件：,补充:材料力学基础,五、扭转,纵对称面,特点：截面有对称轴线；外力或外力偶矩在杆件的纵对称面内；杆件变形后在纵对称面内成一条平面曲线。,纵对称面,补充:材料力学基础,六、弯曲,梁的基本类型,简支梁,悬臂梁,外伸梁,补充:材料力学基础,六、弯曲,梁弯曲时的内力：,剪力与弯矩,补充:材料力学基础,剪力与弯矩的方向,顺时针Q为正,逆时针Q为负,补充:材料力学基础,六、弯曲,梁弯曲时的内力：剪力与弯矩的方向,顺时针Q为正,梁横截面上的剪力：等于该截面左侧或右侧梁上所有横向外力的代数和。当外力使梁绕该截面形心顺时针转动时引起正值剪力，反之引起负值剪力。,梁横截面上的弯矩：等于该截面左侧或右侧梁上所有外力对该截面形心力矩的代数和，外力使梁凹向上变形时引起正值弯矩，反之引起负值弯矩。,补充:材料力学基础,六、弯曲,梁弯曲时的应力及强度计算,抗弯截面模量W,实心圆截面：,补充:材料力学基础,六、弯曲,梁弯曲时的变形及刚度计算,梁在该点的挠度,转角,补充:材料力学基础,六、弯曲,1.1.1 机械零部件的工作能力,工作能力,需求,强度、刚度耐磨性振动稳定性,以传动为主的零件一般要求有一定的强度和刚度，即在工作负荷下不发生破坏和过大的变形；具有相对运动并传力的零件需要有较好的耐磨性；而高速转动的零件则要具有较高的振动稳定性。,1-1 载荷和应力,在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。,1.1.2 机械零件的强度,强度反映机械零件承受载荷时抵抗破坏的能力,1-1 载荷和应力,1.1.3 载荷,计算载荷=K*名义载荷,载荷指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素。,1-1 载荷和应力,1.1.4 应力,（a）对称循环(b)脉动循环(c)非对称循环,静应力 r=1,循环特性系数,r=-1 r=0-1r1,1-1 载荷和应力,1-1 载荷和应力,工作应力计算应力,2.应力,1-1 载荷和应力,4.标准试件的疲劳极限和疲劳曲线,有限寿命疲劳极限,1-1 载荷和应力,1.应力集中 2.绝对尺寸 3.表面状态,零件的对称循环疲劳极限应力,5.零件的疲劳极限,1-1 载荷和应力,6.许用应力及（许用)安全系数,安全系数的采取原则：在保证安全的可靠的前提下，尽可能选择较小的安全系数,许用应力：计算应力允许达到的最大值。在实现条件下找出极限应力值，在现场情况下，考虑各方面的影响，加一个安全系数。,1-1 载荷和应力,7.整体强度和表面强度,整体强度,零件受载时在本体内产生应力为整体强度问题，整体强度的形式有拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切,零件受载时，在传力的接触表面上产生应力，引起表面强度问题。,表面强度,1-1 载荷和应力,8.接触强度,接触应力：是在两个零件通过点接触或线接触传递载荷时，在接触部位产生弹性变形，同时产生的很大的应力。此时，零件的工作能力取决于表面的接触强度。,1-1 载荷和应力,两个平行轴圆柱体接触受压时，最大接触应力计算：弹性力学中的赫兹Hertz公式,-作用在圆柱体上的压力，N-接触线长度，mm-综合曲率半径-两圆柱体材料的泊松比-材料弹性系数，E1 E2 圆柱体材 料的弹性模量,1-1 载荷和应力,1.2.1 失效形式及对策,机械零部件由于某种原因丧失工作能力而不能正常工作时称为失效。,1-2 机械零部件失效形式与设计准则,采用的对策,1.控制零件尺寸2.合理选择材料和热处理方式3.确定合理的结构4.合理使用和维护,1-2 机械零部件失效形式与设计准则,1.控制零件尺寸,按强度、刚度等工作能力准则计算零件尺寸，使在满足工作要求条件下尺寸尽量紧凑。,1）校验计算,2）设计计算,3）计算承载力,1-2 机械零部件失效形式与设计准则,2.合理选择材料和热处理,从考虑强度出发选择强度极限高的材料 同样尺寸的零件可以承受更大载荷而不被破坏从考虑刚度出发选择弹性模量较大的材料 相同工况下可以减小变形量从考虑零件的表面硬度和整体韧性出发 选择合理的热处理工艺方法选择合理的耐磨材料，可以减少磨损,1-2 机械零部件失效形式与设计准则,3.采用合理的结构,4.合理的使用和维护,1-2 机械零部件失效形式与设计准则,1.2.2 设计准则,设计机械零件时保证零部件不产生失效所依据的基本原则，称为设计准则。,(1)强度设计准则,(2)刚度设计准则,1-2 机械零部件失效形式与设计准则,
