《機(jī)械基礎(chǔ)》備課筆記.doc

機(jī)械基礎(chǔ)備課筆記機(jī)械基礎(chǔ)備課筆記緒論機(jī)械基礎(chǔ)課程綜合性課程。包括工程力學(xué)、機(jī)械工程材料、機(jī)械零件與傳動(dòng)等。機(jī)械基礎(chǔ)課程基礎(chǔ)性課程。機(jī)械制造或維修；使用、研究機(jī)械或機(jī)器。工程力學(xué)為分析構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度與選擇合理的結(jié)構(gòu)提供基本理論與方法。機(jī)械工程材料為合理選擇材料，充分發(fā)揮材料本身的潛在性能提供基礎(chǔ)。機(jī)械零件與傳動(dòng)了解機(jī)構(gòu)的工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用，了解通用零件的類型、結(jié)構(gòu)、材料、標(biāo)準(zhǔn)及選擇方法。第1章 機(jī)械概述1-1 機(jī)器的組成一、機(jī)器和機(jī)構(gòu) 1、機(jī)器機(jī)器的特征：、機(jī)器是人為的實(shí)體組合；、各部分(實(shí)體)之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；、能夠轉(zhuǎn)換或傳遞能量，代替或減輕人類的勞動(dòng)。 2、機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)：由構(gòu)件組合而成，各構(gòu)件之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器包含機(jī)構(gòu)；機(jī)構(gòu)是機(jī)器的主要組成部分；機(jī)器可以包含一個(gè)或多個(gè)機(jī)構(gòu)。 3、機(jī)械機(jī)械：機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。 4、構(gòu)件、零件構(gòu)件：在機(jī)械中具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的基本單元。零件：機(jī)械制造的基本單元。構(gòu)件通常由一個(gè)或多個(gè)零件組成；構(gòu)件是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本單元。機(jī)器由機(jī)構(gòu)組合而成，機(jī)構(gòu)由構(gòu)件組合而成。根據(jù)GB 10853-89機(jī)器理論與機(jī)構(gòu)學(xué)術(shù)語(yǔ)的定義：機(jī)器：機(jī)器是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，用來變換或傳遞能量、物料與信息。機(jī)構(gòu)：機(jī)構(gòu)是用來傳遞運(yùn)動(dòng)和力的、有一個(gè)構(gòu)件為機(jī)架的、用運(yùn)動(dòng)副連接起來的構(gòu)件系統(tǒng)。機(jī)械：機(jī)器與機(jī)構(gòu)的總稱。機(jī)械系統(tǒng)：由若干個(gè)機(jī)器與機(jī)構(gòu)及其附屬裝置組成的系統(tǒng)。機(jī)械原理：研究機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理及機(jī)器與機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的一門學(xué)科。構(gòu)件：機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)單元體。二、機(jī)器的組成 1、原動(dòng)機(jī)部分也稱動(dòng)力裝置，作用是把其它形式的能量轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，以驅(qū)動(dòng)機(jī)器各部分運(yùn)動(dòng)。 2、執(zhí)行部分也稱工作部分或裝置，是機(jī)器直接完成具體工作任務(wù)的部分。 3、傳動(dòng)部分是原動(dòng)機(jī)到工作機(jī)構(gòu)之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以完成運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞與轉(zhuǎn)換。 4、操縱或控制部分作用是顯示和反映機(jī)器的運(yùn)行位置與狀態(tài)，控制機(jī)器正常運(yùn)行和工作。1-2 金屬材料的性能工藝性能：指金屬材料從冶煉到成品的生產(chǎn)過程中，在各種加工條件下表現(xiàn)出來的性能。使用性能：指金屬零件在使用條件下表現(xiàn)出來的性能。包括物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能。一、金屬材料的物理性能 1、密度單位體積金屬的質(zhì)量，單位為kg/m3。輕金屬：密度小于4.5g/cm3的金屬，如鋁、鈦等。重金屬：密度大于5g/cm3的金屬，如銅、鎢等。 2、熔點(diǎn)金屬?gòu)墓虘B(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度，單位一般為。金屬一般有固定熔點(diǎn)，如鉛的熔點(diǎn)為323，鋼的熔點(diǎn)為1538。低熔點(diǎn)金屬：熔點(diǎn)低于1000的金屬。中熔點(diǎn)金屬：熔點(diǎn)為10002000的金屬。高熔點(diǎn)金屬：熔點(diǎn)高于2000的金屬。 3、導(dǎo)熱性金屬材料傳導(dǎo)熱量的能力，一般用熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))表示金屬材料導(dǎo)熱性能的優(yōu)劣。熱導(dǎo)率大的金屬材料的導(dǎo)熱性好，導(dǎo)熱性好的金屬散熱性也好。 4、熱膨脹性金屬材料存在熱脹冷縮現(xiàn)象，常用線(膨)脹系數(shù)l表示熱膨脹性。 5、導(dǎo)電性金屬材料傳導(dǎo)電流的性能。 6、磁性金屬材料導(dǎo)磁的性能。具有導(dǎo)磁能力的金屬材料都能被磁鐵吸引。二、金屬材料的化學(xué)性能 1、耐腐蝕性金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕作用的能力。 2、抗氧化性金屬材料抵抗氧化作用的能力。 3、化學(xué)穩(wěn)定性是金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。三、金屬材料的力學(xué)性能 1、強(qiáng)度強(qiáng)度：金屬材料在靜載荷作用下，抵抗變形和破壞的能力。抵抗能力越大，強(qiáng)度越高；強(qiáng)度越高，材料越能承受較大的載荷而不變形和破壞。由于材料承受載荷的方式不同，變形形式也不同，所以材料的強(qiáng)度分為：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度等。最常用的是抗拉強(qiáng)度或強(qiáng)度極限b。強(qiáng)度極限b可以通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定，拉伸試驗(yàn)主要依據(jù)GB 228-63及YB 15-64規(guī)定。b表示材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力，是機(jī)械設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一。 2、塑性塑性：金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。塑性指標(biāo)用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來表示。和值越大，表示材料的塑性越好。一般認(rèn)為105%的材料為塑性材料，105%的材料為脆性材料。材料具有塑性才能進(jìn)行壓力加工(如汽車外殼、不銹鋼用品等)。塑性好的材料制成的零件在使用時(shí)也較安全。 3、硬度硬度：金屬材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力；是金屬材料表面抵抗變形或破壞的能力。是材料的塑性、強(qiáng)度等性能的綜合體現(xiàn)。布氏硬度(HB)試驗(yàn)方法依據(jù)GB 231-63規(guī)定，用于測(cè)定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼及調(diào)質(zhì)鋼件的硬度。洛氏硬度(HR)試驗(yàn)方法依據(jù)GB 230-63規(guī)定，應(yīng)用最廣，常用于測(cè)定工件的表面硬度(如淬火鋼)。維氏硬度(HV)應(yīng)用較少。 4、韌性韌性：金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。材料沖擊韌性一般按GB 229-63及YB 19-64規(guī)定，在擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上，采用橫梁式?jīng)_擊彎曲試驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)試。沖擊韌度(沖擊值)：試樣在沖斷時(shí)，斷口單位面積所消耗的沖擊吸收功，常用aK表示，單位為J/cm2。 5、疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度(疲勞極限)：金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力。一般根據(jù)YB 40-64規(guī)定，鋼在經(jīng)受107次、有色金屬經(jīng)受108次交變載荷作用時(shí)不產(chǎn)生斷裂的最大應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度。當(dāng)施加的交變應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)變化時(shí)，所得的疲勞強(qiáng)度用-1表示。疲勞斷裂是突然發(fā)生的，具有很大的危險(xiǎn)性。四、金屬材料的工藝性能 1、鑄造性鑄造性(可鑄性)：金屬材料能否用鑄造方法制成優(yōu)良鑄件的性能。主要取決于金屬材料融化后的流動(dòng)性、收縮率等。常用金屬材料中，灰鑄鐵的鑄造性能較好。 2、鍛壓性鍛壓性(可鍛性)：金屬材料能否用鍛壓方法制成鍛壓件的性能。一般與材料的塑性及塑性變形抗力有關(guān)。一般情況下，材料塑性好，變形抗力小，則鍛壓性好。通常低碳鋼的鍛壓性最好，中碳鋼和高碳鋼次之。各類鑄鐵則不能進(jìn)行鍛壓。 3、焊接性焊接性(可焊性)：金屬材料在一定的焊接條件下，能否易于獲得優(yōu)良焊接接頭的能力。取決于焊縫是否產(chǎn)生裂紋、氣孔等。低碳鋼的焊接性較好，高碳鋼較差，各類鑄鐵更差。 4、可加工性可加工性(切削加工性)：金屬材料切削加工的難易程度。1-3 機(jī)械零件的強(qiáng)度失效：零件喪失工作能力或達(dá)不到要求的性能。常見的失效形式：斷裂、過量變形(彈性變形或塑性變形)、表面失效(過度磨損、打滑等)。工作能力：零件不發(fā)生失效時(shí)的安全工作限度。一、載荷和應(yīng)力 1、載荷載荷(負(fù)荷)：零件在使用和制造過程中受到的力的作用。靜載荷：載荷的大小、方向不隨時(shí)間變化或變化緩慢。變載荷：也稱動(dòng)載荷。載荷的大小、方向隨時(shí)間變化。動(dòng)載荷又分為沖擊載荷和交變載荷。 2、應(yīng)力應(yīng)力：零件在載荷作用下，單位截面上的內(nèi)力。單位為Pa(帕)。1Pa=1N/m2，工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106Pa=1N/mm2。靜應(yīng)力：應(yīng)力的大小、方向不隨時(shí)間變化或變化緩慢。變應(yīng)力：應(yīng)力的大小、方向隨時(shí)間變化。靜應(yīng)力只能由靜載荷作用下產(chǎn)生；而變應(yīng)力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生。二、機(jī)械零件的強(qiáng)度零件工作應(yīng)力是靜應(yīng)力時(shí)，強(qiáng)度的主要表現(xiàn)形式(失效形式)為斷裂或塑性變形。零件工作應(yīng)力是交變應(yīng)力時(shí)，強(qiáng)度的主要表現(xiàn)形式(失效形式)為疲勞斷裂。兩個(gè)零件表面接觸而無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，承受載荷時(shí)因相互擠壓作用而產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。強(qiáng)度的主要表現(xiàn)形式(失效形式)為壓潰或塑性變形(即擠壓強(qiáng)度)。機(jī)械中的高副(如齒輪副、蝸輪蝸桿副、凸輪副等)，由于接觸面很小(點(diǎn)接觸或線接觸)，表層的局部應(yīng)力很大，稱為接觸應(yīng)力，用H表示。接觸應(yīng)力一般都是變應(yīng)力，在接觸應(yīng)力作用下零件的強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度。當(dāng)接觸應(yīng)力超過材料相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度時(shí)，零件表層金屬?gòu)谋倔w剝落，形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞點(diǎn)蝕。1-4 摩擦和磨損一、摩擦摩擦：兩物體之間的接觸表面阻礙它們相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械阻力。摩擦副：相互摩擦的兩個(gè)物體。根據(jù)摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，摩擦分為：靜態(tài)摩擦、臨界(起動(dòng))摩擦、動(dòng)摩擦和慣性摩擦。根據(jù)摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式，摩擦分為：滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦。根據(jù)摩擦副的摩擦狀態(tài)，摩擦分為：固體摩擦、液(氣)體摩擦和混合摩擦。 1、固體摩擦干摩擦：摩擦副在直接接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦。摩擦因數(shù)大，磨損嚴(yán)重。邊界摩擦：在摩擦副間施加潤(rùn)滑劑，從而使摩擦副表面吸附一層極薄的潤(rùn)滑膜的摩擦狀態(tài)。由于潤(rùn)滑膜強(qiáng)度低，容易破裂，致使摩擦副部分表面直接接觸產(chǎn)生摩擦，但摩擦和磨損狀況優(yōu)于干摩擦。 2、液(氣)體摩擦液(氣)體摩擦：在摩擦副間施加潤(rùn)滑劑，從而使摩擦副表面被一層具有一定壓力和厚度的流體潤(rùn)滑膜完全隔開時(shí)的摩擦。由于摩擦副表面不直接接觸，摩擦因數(shù)很小，理論上不產(chǎn)生磨損。 3、混合摩擦混合摩擦：兼有固體摩擦和液(氣)體摩擦的摩擦狀態(tài)。摩擦副表面仍有少量直接接觸，大部分處于液(氣)體摩擦，摩擦和磨損狀況優(yōu)于固體摩擦，但比液(氣)體摩擦差。二、磨損磨損：運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦導(dǎo)致的機(jī)件表面材料逐漸損耗。 1、磨損過程、磨合階段在運(yùn)轉(zhuǎn)初期，摩擦副的接觸面積較小，單位面積上的實(shí)際載荷較大，磨損速度較快。隨著磨合的進(jìn)行，實(shí)際接觸面積不斷增大，磨損速度在達(dá)到某一定值后即轉(zhuǎn)入穩(wěn)定磨損階段。、穩(wěn)定磨損階段在穩(wěn)定磨損階段，機(jī)件以平穩(wěn)而緩慢的速度磨損，標(biāo)志著摩擦條件保持不變。這個(gè)階段代表機(jī)件的使用壽命。、劇烈磨損階段經(jīng)過穩(wěn)定磨損階段后，機(jī)件的表面磨損較為嚴(yán)重，運(yùn)動(dòng)副中的間隙增大，引起額外的動(dòng)載荷，出現(xiàn)噪聲和振動(dòng)，最終導(dǎo)致失效。 2、磨損類型大體有兩種分類方法。根據(jù)磨損結(jié)果對(duì)磨損表面外觀描述：點(diǎn)蝕磨損、膠合磨損、擦傷磨損等。根據(jù)磨損機(jī)理：粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損、腐蝕磨損。、粘著磨損當(dāng)摩擦表面的不平度峰尖在相互作用的各點(diǎn)處發(fā)生粘著后，在相對(duì)滑動(dòng)時(shí)材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面，形成粘著磨損。影響粘著磨損的主要因素：同類摩擦副材料比異類材料容易粘著；脆性材料比塑性材料的抗粘著能力高；在一定范圍內(nèi)，零件表面粗糙度越小，抗粘著能力越強(qiáng)。、磨料磨損進(jìn)入摩擦面間的游離顆粒(如磨損造成的金屬微粒)，會(huì)在較軟材料表面犁刨出很多溝紋，這種微切削過程稱為磨料磨損。影響磨料磨損的主要因素：材料硬度越高，耐磨性越好；磨粒平均尺寸越大，磨損就越大；磨損量隨磨料硬度的提高而加大。、疲勞磨損做滾動(dòng)或滾滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的高副所受的接觸應(yīng)力超過材料的接觸疲勞強(qiáng)度，就會(huì)在零件工作表面或一定深度處形成疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展與相互連接，造成許多微粒從零件工作表面上脫落，致使表面出現(xiàn)月牙形淺坑，稱為疲勞磨損(疲勞點(diǎn)蝕)。影響疲勞磨損的主要因素：表面硬度越高，產(chǎn)生疲勞裂紋的危險(xiǎn)性越小；提高表面質(zhì)量，對(duì)疲勞壽命有顯著改善；高壓下潤(rùn)滑油能在接觸區(qū)起到均化接觸應(yīng)力的作用，提高抗疲勞磨損的能力；高粘度的油，有利于提高抗疲勞能力。、沖蝕磨損含有硬質(zhì)微粒的流體沖擊到固體表面，就會(huì)造成沖蝕磨損。影響沖蝕磨損的主要因素：磨粒與固體表面的摩擦因數(shù)；磨粒的沖擊速度；磨粒沖擊速度的方向與固體表面的沖擊角。、腐蝕磨損摩擦副受空氣中的酸、潤(rùn)滑油、燃油中殘存的少量無機(jī)酸及水分的化學(xué)作用或電化學(xué)作用，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中造成材料損失，稱為腐蝕磨損。影響腐蝕磨損的主要因素：零件表面的氧化膜性質(zhì)；環(huán)境溫度。第2章 構(gòu)件的靜力分析剛體：受力時(shí)不變形的物體。剛體內(nèi)任何兩點(diǎn)間的距離永不改變。剛體是一個(gè)理想的力學(xué)模型，實(shí)際的物體在受力時(shí)總是要變形的。同一物體，在理論力學(xué)問題里被看作剛體，而在材料力學(xué)問題中，當(dāng)需要了解作用力和變形之間的關(guān)系時(shí)，卻被看成彈性體。2-1 力的基本性質(zhì)一、力的定義力：是使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化、或使物體產(chǎn)生變形的、物體間的相互機(jī)械作用。力的三要素：力的大??；力的方向；力的作用點(diǎn)。二、靜力學(xué)的基本公理公理1(二力平衡公理)：作用于剛體上的兩個(gè)力，使剛體處于碰橫狀態(tài)的必要和充分條件是，兩力大小相等，方向相反，并且作用在同一直線上。公理2(力的平行四邊形公理)：作用在物體上同點(diǎn)的兩個(gè)力，可以合成一個(gè)合力，合力的作用點(diǎn)仍在該點(diǎn)，合力的大小和方向由這兩個(gè)力為邊構(gòu)成的平行四邊形的對(duì)角線來表示。即：推論(三力平衡匯交定理)：剛體受三個(gè)力作用而處于平衡時(shí)，若其中兩個(gè)力的作用線匯交于一點(diǎn)，則第三個(gè)力的作用線必交于同一點(diǎn)，并且三個(gè)力的作用線在同一平面內(nèi)。公理3(作用與反作用公理)：作用力與反作用力總是同時(shí)存在，兩力的大小相等，方向相反，沿著同一直線分別作用在兩個(gè)相互作用的物體上。三、約束和約束反力 1、約束和約束反力自由體：空間不受位移限制的物體。非自由體：空間的位移受到一定限制的物體。也稱受約束體。約束：對(duì)非自由體的某些位移起限制作用的物體。約束反力：約束阻擋了非自由體某些方向的運(yùn)動(dòng)，因而能承受由這些方向傳來的力。與此同時(shí)，約束也產(chǎn)生相反方向的反作用力。也稱約束反作用力、約束力或反力。主動(dòng)力：約束反力以外的力。 2、常見約束類型、光滑接觸表面的約束兩物體相互接觸，當(dāng)接觸表面非常光滑，摩擦可忽略不計(jì)時(shí)，即光滑接觸表面的約束。光滑接觸對(duì)物體的約束反力作用在接觸點(diǎn)處，方向沿接觸表面的公法線，并指向受力物體。這種約束反力稱為法向反力，用FN表示。、柔性約束柔性約束：由柔軟的繩索、鏈條或帶等構(gòu)成的約束。繩索對(duì)物體的約束反力作用在接觸點(diǎn)，方向沿繩索背離物體。、光滑的鉸鏈約束鉸鏈約束：由鉸鏈構(gòu)成的約束。固定鉸鏈支座：鉸鏈約束中兩個(gè)構(gòu)件中有一個(gè)構(gòu)件固定在地面或機(jī)架上。簡(jiǎn)稱固定鉸支。活動(dòng)鉸鏈支座：鉸鏈約束中兩個(gè)構(gòu)件與地面或機(jī)架的連接是可動(dòng)的。簡(jiǎn)稱活動(dòng)鉸支。固定鉸支的約束反力方向不能預(yù)先確定，通常用兩個(gè)互相垂直的分力來代替?；顒?dòng)鉸支的約束反力必定垂直于固定面。、固定端約束固定端約束：一個(gè)桿件的一端完全固定，既不能移動(dòng)也不能轉(zhuǎn)動(dòng)。四、物體受力分析和受力圖2-2 力矩和力偶一、力矩力矩：力對(duì)一點(diǎn)的力矩，等于從該點(diǎn)到力作用線上任一點(diǎn)矢徑與該力的矢量積。力矩轉(zhuǎn)動(dòng)效果取決于下列因素：力的大小與力臂的乘積；力使物體繞矩心O點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。力矩的正負(fù)通常規(guī)定：力使物體繞矩心逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)為正，反之為負(fù)。二、合