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同学们好. 同学们好. 机械设计基础. 主要内容. 1 、该课程在工程技术中的 地位和作用 2 、机械概述 3 、该课程的内容、任务和学习方法. 一、该课程在工程技术中的 地位和作用. 《 机械设计基础 》 ，它研究机械设计中的共性问题，是机械设计工程的基础，应用广泛。 机械设计的程序，实际上是对 《 机械设计基础 》 研究内容的系统应用过程。
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同学们好 同学们好
主要内容 • 1、该课程在工程技术中的 地位和作用 • 2、机械概述 • 3、该课程的内容、任务和学习方法
一、该课程在工程技术中的 地位和作用 《机械设计基础》，它研究机械设计中的共性问题，是机械设计工程的基础，应用广泛。 机械设计的程序，实际上是对《机械设计基础》研究内容的系统应用过程。 工程上进行机械设计时，（一）、将构件按照机械的工作原理要求组成机构；（二）、分析各构件的运动情况及构件在外力作用下的平衡问题；（三)、分析构件在外力作用下的承载能力问题，合理地选择材料、热处理，确定构件（零件）的形状、具体结构、几何尺寸、制造工艺；最后，绘制零件工作图，等待加工。
二、机械概述 机械概述，讨论以下几个问题： 1、应掌握的名词，包括： 机器和机构、构件和零件 2、机器的组成 3、机械的类型
机器 具有以下三个特征的实物组合体称为机器。 1.都是人为的各种实物的组合。 2.组成机器的各种实物间具有确 定的相对运动。 3.可代替或减轻人的劳动，完成 有用的机械功或转换机械能。
机构 它是具有确定相对运动的各种实物的组合，它只符合机器的前两个特征。（如齿轮机构） 机构主要用来传递和变换运动。 机器主要用来传递和变换能量。 从结构和运动学的角度分析，机器和机构之间并无区别，都是具有确定相对运动的各种实物的组合，所以，通常将机器和机构统称为机械。
零件和构件 零件是组成机器的最小单元，也是机器的制造单元，机器是由若干个不同的零件组装而成的。 各种机器经常用到的零件称为通用零件。 特定的机器中用到的零件称为专用零件。 构件是机器的运动单元，一般由若干个零件刚性联接而成，也可以是单一的零件。若从运动的角度来讲，可以认为机器是由若干个构件组装而成的。
机器的组成 根据功能的不同，一部完整的机器由以下四部分组成： 1.原动部分：机器的动力来源。 2.工作部分：完成工作任务的部分。 3.传动部分：把原动机的运动和动力传递给工作机。 4.控制部分：使机器的原动部分、传动部分、工作部分按一定的顺序和规律运动，完成给定的工作循环。
机械的类型 根据用途不同，机械可分为： （1）动力机械：实现机械能与其他形式能量间的转换。 （2）加工机械：改变物料的结构形状、性质及状态。 （3) 运输机械：改变人或物料的空间位置。 （4） 信息机械: 获取或处理各种信息。
三、本课程的内容 任务和学习方法 1、《机械设计基础》是一门综合性的基础课，它研究的主要对象和课程内容是： （1） 构件静力分析 （2） 构件承载能力计算 （3） 常用机构 （4） 常用机械传动 （5） 通用机械零部件
2、《机械设计基础》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、绘图能力和运用标准、手册、图册等有关技术资料的能力。
3、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
四、构件静力分析 • 研究对象： 平衡状态的刚体或刚体系统 • 研究内容： ①物体的受力分析； ②力系的简化； ③物体在力系作用下处于平衡的条件及其在工程实践中的应用。
1、静力分析的基本概念 • 力：物体间的相互机械作用，使物体的运动状态或形状尺寸发生改变。（外效应和内效应） 力的三要素及表示方法 力系与等效力系（合力和分力） 平衡与平衡力系 • 刚体：在外力作用下，大小和形状保持不变的物体。静力学中研究的物体均可视为刚体。
2、力的三要素及表示方法 物体间机械作用的形式是多种多样的，力对物体的效应取决于力的大小、方向和作用点，这三者被称为力的三要素。 力是一个矢量，力矢量用一条有向线段表示，线段的长度表示力的大小；线段的方位和箭头表示力的方向；线段的起点或终点表示力的作用点，力的国际单位为牛[顿]（N）。
3、静力学公理（1） 静力学有多个公理，下面我们来研究： 公理1 二力平衡公理： 作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的必要和充分条件是：这两个力大小相等，方向相反，且作用在同一条直线上。 对于变形体而言，二力平衡公理只是必要条件，但不是充分条件。
3、静力学公理（2） 公理2 加减平衡力系公理：在已知力系上加上或者减去任意平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用。 推论1 力的可传性原理 作用在刚体上某点的力，可以沿着它的作用线移动到刚体内任意一点，并不改变该力对刚体的作用效应。（如图）
3、 静力学公理（3） 公理3 力的平行四边形公理： 作用在刚体上同一点的两个力，可以合成为一个合力。合力的作用点也在该点，合力的大小、方向，由这两个力为邻边构成的平行四边形的对角线确定。
3、 静力学公理（4） 推论2 三力平衡汇交原理： 作用在刚体上三个相互平衡的力，若其中两个力的作用线汇交于一点，则第三个力的作用线通过汇交点。
3、 静力学公理（5） 公理4 作用与反作用公理： 两物体间的作用力与反作用力总是同时存在，且大小相等、方向相反、沿同一条直线，分别作用在这两个物体上。 作用力与反作用力互相依存、同时出现、同时消失，分别作用在相互作用的两物体上。 作用力与反作用力与二力平衡公理中的两个力有着本质的区别。
3、 静力学公理（6） 公理5 刚化原理 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，则平衡状态将保持不变。 刚体的平衡条件是变形体平衡的必要条件，而非充分条件。
五、构件静力分析基础 1.基本概念（略） 2.静力学公理（略） 3.约束和约束反力 4.受力图
3、约束和约束反力（1） （1）概念 约束：能限制某些物体运动的其它物体。 约束反力(反力)：约束对非自由体的作用。 反力的作用点是约束与非自由体的接触点。 反力的方向总是与该约束所能限制的运动方向 相反。 反力的大小总是未知的。在静力学中可以利用相关平衡条件求出约束反力。
3、约束和约束反力（2） （2）约束的基本类型 • 柔性约束 • 光滑面约束 • 光滑铰链约束 • 固定端约束
3、约束和约束反力（3） 柔性约束及其反力FT • 柔性约束特点：柔软易变形，只能承受拉，不能承受压。柔性约束只能限制非自由体沿约束伸长方向的运动而不能限制其它方向的运动。 • 约束反力：只能是拉力，作用在与非自由体的接触点处，作用线沿柔索背离非自由体。
3、约束和约束反力（4） 光滑面约束及其反力FN • 光滑面约束特点：无论两物体间的接触面是平面还是曲面，只能承受压而不能承受拉，只能限制物体沿接触面法线方向的运动而不能限制物体沿接触面切线方向的运动。 • 约束反力：垂直于接触处的公切面，而指向非自由体。 • 如下图所示，重为G的圆柱形工件放在V形槽内，在A、B两点与槽面接触，其约束力沿接触面公法线指向工件。
3、约束和约束反力（5） 光滑铰链约束及其反力FN • 光滑铰链约束特点：两非自由体相互联接后，接触处的摩擦忽略不计，只能限制两非自由体的相对移动，而不能限制两非自由体的相对转动的约束，包括中间铰链约束、固定铰链约束和活动铰支座三种类型。 • 约束反力：通过铰链中心，大小、方向均未确定。一般用一对通过铰链中心，大小未知的正交分力来表示。但其中二力构件、活动铰支座的反力方向是可以确定的。
3、约束和约束反力（6） 中间铰链约束：中间铰链约束也称为中间铰链，只限制构件销孔端的相对移动，不限制构件绕该端的相对转动。
3、约束和约束反力（7） 固定铰链约束:（1）如下左图所示杆AB在中点受主动力F作用处于平衡状态，是三力构件。力F的方向已确定，杆AB在B点受到BC杆B端的反作用力FNB，方向也确定。A端固定铰链约束的约束力必过F和FNB的交点。因此，当中间铰链或固定铰链约束的是三力构件时，其约束力的方向也是确定的。 （2）下右图所示的柱销与销孔在构件主动力作用下，是两个圆柱光滑面在K点的点接触，其约束力必沿接触面K点的公法线过铰链的中心。由于主动力的作用方向不同，构件销钉的接触点K就不同，所以约束力的方向不能确定。
3、约束和约束反力（8） 活动铰支座：如下左图所示，在固定铰链约束的下边安装上滚动体称为活动铰链约束。活动铰链约束只限制构件沿支承面法线方向的运动，所以活动铰链约束约束力的作用线过铰链中心，且垂直于支承面，一般按指向构件画出，用符号FN表示。如下右图所示，右图为活动铰链约束的几种力学简图及约束力画法。
3、约束和约束反力（9） 固定端约束及其反力FN • 固定端约束特点：一杆插入固定面的力学模型，如车刀与工件分别夹持在刀架和卡盘上，都是固定不动的。 • 约束反力：固定端既限制了非自由体的垂直与水平移动，又限制了非自由体的转动，故此在平面问题中，可将固定端约束的约束反力简化为一组正交的约束反力与一个约束力偶。
4、受力图（1） 恰当地选取研究对象，正确地画出构件的受力图是解决力学问题的关键。画受力图的具体步骤如下： 1.明确研究对象，画出分离体； 2.在分离体上画出全部主动力； 3.在分离体上画出全部约束反力。
4、受力图（2） 例 1-1 一重为G的球体A，用绳子BC系在光滑的铅垂墙壁上，试画出球体A的受力图。 FT C B B FN A D A D G G
4、受力图（3） 例1-2 如图所示三铰拱桥，由左、右两半拱铰接而成。设半拱自重不计，在半拱AB上作用有载荷F，试画出左半拱片AB的受力图。
4.受力图（4） （1）确定左拱片AB为研究对象取分离体（2）在分离体上画出主动力F 和约束力，左半拱片B端受右半拱BC的作用，由于BC受两力作用处于平衡，所以BC对左半拱B点的作用力FB沿B、C两点的连线。左半拱A端受固定铰链约束，可用正交分力FAX、FAY表示。
4、受力图（5） 例1-3 如图曲柄冲压机工作简图，皮带轮重为G，冲头C及连杆BC的重量忽略不计，冲头C所受工作阻力为Q。试画出带轮A、连杆BC、冲头C和整个系统的受力图。
4、受力图(7）例四画出下图中C球和AB杆的受力图。4、受力图(7）例四画出下图中C球和AB杆的受力图。 B B F C FNM’ C FW W M M FNM FAY GC GC GAB GAB FAX A A
六、考虑摩擦时的平衡问题 摩擦可分为滑动摩擦和滚动摩擦。本节主要介绍静滑动摩擦及考虑摩擦时物体的平衡问题。 1、滑动摩擦：两物体接触表面间产生相对滑动或具有相对滑动趋势时所具有的摩擦。 两物体表面间只具有滑动趋势而无相对滑动时的摩擦，称为静滑动摩擦（静摩擦）。 接触表面间产生相对滑动时的摩擦，称为动滑动摩擦（动摩擦）。
静滑动摩擦（1） • FT很小时，B盘没有滑动而只具有滑动趋势，此时物系将保持平衡。摩擦力Ff与主动力FT等值。 • FT逐渐增大，Ff也随之增加。Ff具有约束反力的性质，随主动力的变化而变化。 • Ff增加到某一临界值Ffmax时，就不会再增大，如果继续增大FT，B盘将开始滑动。因此，静摩擦力随主动力的不同而变化，其大小由平衡方程决定，但介于零与最大值之间，即：
静滑动摩擦（2） 静摩擦定律：实验证明，最大静摩擦力的方向与物体相对滑动趋势方向相反，大小与接触面法向反力FN的大小成正比，即： 式中比例常数 称为静摩擦系数， 它的大小与两物体接触面的材料及表面情况（粗糙度、干湿度、温度等）有关，而与接触面积的大小无关。一般材料的静摩擦系数可在工程手册上查到。常用材料的值见表。
动滑动摩擦 动摩擦定律:当水平力FT超过Ffmax时，盘B开始加速滑动，此时盘B所受到的摩擦阻力已由静摩擦力转化为动摩擦力。实验证明，动滑动摩擦力的大小与接触表面间的正压力FN成正比，即： 式中比例常数 称为动摩擦系数，其大小除了与两接触物体的材料及表面情况有关外，还与两物体的相对滑动速度有关。常用材料的值见表。
2、摩擦角与自锁现象 • 摩擦角 :全反力与法线间的最大夹角。 FN —正压力 Ff —静摩擦力 FR —全约束反力 （全反力） —全反力与接触面 法线的夹角 G Fp Ff FR FN
摩擦系数f：摩擦角的正切值。即： FQ 摩擦锥：如果物体与支承面的静摩擦系数在各个方向都相同，则摩擦角范围在空间就形成为一个锥体，称为摩擦锥。 • 自锁：若主动力的合力FQ作用在锥体范围内，则约束面必产生一个与之等值、反向且共线的全反力FR与之平衡。但无论如何增加力FQ，物体总能保持平衡。全反力作用线不会超出摩擦锥的这种现象称为自锁。 FR 自锁条件 :
3、考虑摩擦的平衡问题 • 考虑摩擦与不考虑摩擦时构件的平衡问题，求解方法基本相同。不同的是在画受力图时要画出摩擦力Ff，并需要注意摩擦力的方向与滑动趋势方向相反，不能随意假定。 • 由于Ff值是一个范围（平衡范围），确定这个范围可采取两种方式：一种是分析平衡时的临界情况，假定摩擦力取最大值，以Ff=Ffmax=fFN作为补充条件，求解平衡范围的极值。另一种是直接采用 ，以不等式进行运算。
例1：已知如图重力G=100N， ，物块与斜面间摩擦系数f=0.38,f’ =0.37，求物块与斜面间的摩擦力。试问物块在斜面上是静止、下滑还是上滑？如果要使物块上滑，求作用在物块并与斜面平行的力F至少应多大？ Ff G FN 物体受主动力G的作用，不可能上滑，只能是静止或下滑，所以，Ff 方向如图 Ff F FN G 要使物体上滑， Ff 方向如图
