机械学基础-机械设计的力学基础知识

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:材料力学基础变形弹性变形：塑性变形：可恢复不可恢复强度构件抵抗塑性变形和断裂的能力刚度构件抵抗弹性变形的能力稳定性构件保持其原有平衡形态能力一、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Ⅱ屈服阶段Ⅰ弹性变形阶段Ⅲ强化阶段Ⅳ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塑性材料:屈服极限σs做为破坏的极限应力脆性材料:强度极限σb作为破坏的极限应力[]NA强度公式：lim[]s许用应力：补充:材料力学基础三、直杆的轴向拉伸与压缩NllEA刚度公式：杆的变形：/NllEA/E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[]QA剪切强度公式：假设τ均匀分布补充:材料力学基础四、剪切QF][jyjyjyjyAF挤压强度公式：tdAjy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γ，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φ，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：0xM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maxtTW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16/3dWt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tWTmax刚度条件：l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RB梁弯曲时的内力：QMRARB剪力与弯矩RAQM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为负凹向上M为正凹向下M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为正凹向上M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maxMW抗弯截面模量W实心圆截面：32/3dW补充:材料力学基础六、弯曲梁弯曲时的变形及刚度计算vθ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机械零件的强度静强度疲劳强度按工作条件分整体强度表面强度按破坏部位和破坏形式分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载荷静载荷变载荷周期性变载荷非周期性变载荷名义载荷计算载荷额定功率或名义功率引入载荷系数K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静应力变应力(稳定循环变应力)1.应力循环特性系数minmaxrr=-1r=0-1r1§1-1载荷和应力§1-1载荷和应力强度极限屈服极限疲劳极限极限应力bbssrr脆性材料脆性破坏塑形材料塑性变形疲劳破坏工作应力：按照材料力学的基本公式求出的、作用在零件剖面上的应力计算应力：零件危险剖面上呈复杂应力状态时，按照某一强度理论求出、与简单单向拉伸应力等效的应力。工作应力计算应力2.应力ca3.极限应力按照强度准则设计机械零件时，根据材料性质及应力种类而采用材料的某个应力极限值。§1-1载荷和应力m01NNN4.标准试件的疲劳极限和疲劳曲线疲劳破坏应力循环次数有限寿命疲劳极限工程上常用对称循环r=-1的应力极限值和作为材料的疲劳极限11N0循环基数，对应的和称为疲劳极限rr§1-1载荷和应力影响疲劳极限的因素1.应力集中2.绝对尺寸3.表面状态11()kK11()kK110()()dd110()()d110()()110()()11eK11eK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SlimSlim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2d4F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pPdF§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1LFZE1E111LFnE22212121nH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，E1E2圆柱体材料的弹性模量nFL1211112EZ221212111EZEE§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2Fd42）设计计算4Fd3）计算承载力2Fd4§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yy§1-2机械零部件失效形式与设计准则