【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 面接觸；高副為點(diǎn)或線接觸。二、本課程的主要內(nèi)容1．機(jī)械產(chǎn)生的步驟實(shí)際應(yīng)用的機(jī)械是怎樣產(chǎn)生的?它通常要經(jīng)歷這樣一些步驟： 1)根據(jù)工作要求，用規(guī)定的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)勾畫(huà)出機(jī)器和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，并分析構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)速度和加速度等情況，通常稱(chēng)之為機(jī)械的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。2)按類(lèi)比法，確定所要設(shè)計(jì)零件的材料；對(duì)鐵碳合金材料，還要考慮其熱處理方式。這一步驟可稱(chēng)之為機(jī)械的材料設(shè)計(jì)。3)根據(jù)機(jī)器運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)圖，對(duì)各構(gòu)件或零、部件進(jìn)行受力分析，最終確定零件的受載情況，通常稱(chēng)之為機(jī)械的工程力學(xué)分析。4)根據(jù)零件的最大受載和零件可能產(chǎn)生的失效破壞形式，按設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定零件的主要參數(shù)，這稱(chēng)之為機(jī)械C零件)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。5)計(jì)算零件的全部幾何尺寸，按機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和公差配合要求畫(huà)出零件工作圖，通常稱(chēng)之為機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。．6)根據(jù)零件工作圖，進(jìn)行加工制造的工藝設(shè)計(jì)。7)用機(jī)床(或數(shù)控機(jī)床)對(duì)零件進(jìn)行制造加工。8)裝配，試車(chē)。2．本課程的主要內(nèi)容1)工程力學(xué)基礎(chǔ)； 2)機(jī)械工程材料基礎(chǔ)；3)常用機(jī)構(gòu)與機(jī)械傳動(dòng)；4)聯(lián)接與支承零部件； 5)液壓傳動(dòng)。思考題與習(xí)題O1 為什么機(jī)器中要用機(jī)構(gòu)?機(jī)器與機(jī)構(gòu)的根本區(qū)別是什么? 02辨別自行車(chē)、機(jī)械式手表、汽車(chē)、臺(tái)虎鉗等何為機(jī)器?何為機(jī)構(gòu)?第一篇 工程力學(xué)基礎(chǔ)第一章靜力學(xué)概要一、教學(xué)目標(biāo)與要求1．了解力的兩種效應(yīng)和力的三要素2．了解靜力學(xué)的基本力學(xué)規(guī)律，本書(shū)要求掌握靜力學(xué)的四個(gè)基本公理。3．了解受力圖的基本畫(huà)法 4．了解力矩和力偶的基本概念二、學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)1．學(xué)習(xí)重點(diǎn) 1）．了解力的兩種效應(yīng)和力的三要素 2）．了解靜力學(xué)的基本力學(xué)規(guī)律，本書(shū)要求掌握靜力學(xué)的四個(gè)基本公理。2．學(xué)習(xí)難點(diǎn) 1）．了解受力圖的基本畫(huà)法 2）．了解力矩和力偶的基本概念三、教學(xué)方法講授法、演示法、案例分析法和相互討論法為主四、講授課時(shí) 8課時(shí)如圖1—1所示，在對(duì)工程實(shí)際對(duì)象(如汽車(chē)、船舶、機(jī)床、衛(wèi)星等)進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，首先要把它理想化，即合理抽象為力學(xué)模型，這樣才便于進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，得到數(shù)學(xué)模型。這一過(guò)程也簡(jiǎn)稱(chēng)為“建?！?。然后進(jìn)行計(jì)算，一般用計(jì)算機(jī)數(shù)值求解。隨后，對(duì)得出結(jié)果加以分析，特別要與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，如誤差符合要求，則結(jié)束分析，如誤差大，往往要修改力學(xué)模型再分析。由此可見(jiàn)，力學(xué)模型直接決定計(jì)算結(jié)果的正確性，它是力學(xué)分析的基礎(chǔ)，十分重要。靜力分析的常用模型為剛體。實(shí)際物體在受力作用時(shí)，其內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的相對(duì)距離總要發(fā)生一定的伸長(zhǎng)或縮短，即變形。由于這種變形通常十分微小，在對(duì)某些問(wèn)題的研究中可以忽略不計(jì)，因此引入“剛體”這一為分析方便而假設(shè)的力學(xué)模型。所以說(shuō)，剛體是在力作用下不變形的物體。．剛體靜力學(xué)是研究剛體在力系的作用下平衡規(guī)律的科學(xué)，簡(jiǎn)稱(chēng)為靜力學(xué)。第一節(jié)靜力學(xué)基礎(chǔ)一、靜力學(xué)基本概念 1．力力是物體間的機(jī)械作用。這種作用有兩種效應(yīng)：使物體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化和形狀變化，前者稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，后者稱(chēng)為變形效應(yīng)。物理學(xué)中學(xué)過(guò)，力有三要素：大小、方向、作用點(diǎn)，如圖1—1所示。因此可用有向線段OA表示，矢線始端O表示力的作用點(diǎn)，矢線方向表示力的方向，按一定比例尺所作線段OA的長(zhǎng)度表示力的大小。計(jì)算時(shí)，力的單位采用我國(guó)的法定計(jì)量單位N；目前已不再使用的原工程單位制中，力的單位是kgf。N與kgf的換算關(guān)系是lkgf=9．807N 力對(duì)剛體只有運(yùn)動(dòng)效應(yīng)(包括平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)及其特例——平衡)。這樣，力的三要素可改述為大小、方向、作用線。這種作用在剛體上的力沿其作用線滑移的性質(zhì)稱(chēng)為力的可傳性，如圖1—2所示。如圖1—3a所示剛性環(huán)與圖1—3b所示柔性環(huán)均在二力作用下處于平衡，即F，=F。力F，沿作用線滑移前后，對(duì)剛性環(huán)的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)相同；但對(duì)柔性環(huán)的變形效應(yīng)，則由呈橢圓形到僅有局部變形，二者差別很大。這說(shuō)明力的可傳性只適用于剛體模型。2．分布力與集中力在物理學(xué)中和工程簡(jiǎn)化計(jì)算中，物體的受力一般認(rèn)為力集中作用于一點(diǎn)，稱(chēng)為集中力。實(shí)際上，任何物體間的作用力都分布在有限的面積上或體積內(nèi)，應(yīng)為分布力。集中力在實(shí)際中并不存在，它只是分布力的理想化模型。但由于分布力的分布規(guī)律比較復(fù)雜，因此計(jì)算時(shí)需簡(jiǎn)化為集中力。圖1—4a、b所示為靜置在路面上的車(chē)輪胎和水壩。輪胎是彈性的，其所受的力作用在以寬度為b表示的小面積內(nèi)，當(dāng)b同其它尺寸(如汽車(chē)輪距)相比較很小時(shí)，即可忽略不計(jì)，而用集中力FR代替，但在車(chē)輛動(dòng)力學(xué)中，則要考慮彈性變形后的分布力，要用彈性力學(xué)來(lái)解決。水壩受到的靜水壓力分布在壩與水的接觸面上，為面分布力，作近似計(jì)算時(shí)，將壩體簡(jiǎn)化為變截面梁的線分載荷，如圖14b中的虛線三角形所示，在分析壩體的平衡時(shí)，可用集中力的大小與作用位置代替分布力。3．理想約束理想約束是對(duì)物體間接觸性質(zhì)和連接方式的理想化處理。物體的受力可分為兩類(lèi)：約束力和主動(dòng)力。約束施加于被約束物體的力稱(chēng)為約束力或約束反力；除約束力以外的其它力稱(chēng)為主動(dòng)力或載荷，如物體的重力，結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)力、水力，機(jī)械零件中的彈簧力、電磁力等。本課程中，主動(dòng)力一般是給定的(實(shí)際工作中則往往需要自行確定)，對(duì)物體進(jìn)行的受力分析只是分析約束力。接觸面的物理性質(zhì)分為絕對(duì)光滑(理想約束)和存在摩擦(一般為非理想約束)兩種。這里主要介紹理想約束。下面介紹幾種典型的約束模型。(1)理想岡lI性約束這種約束也是剛體，它與被約束間為剛性接觸。常見(jiàn)的有： 1)光滑接觸面。當(dāng)物體與固定約束(圖l一5a)或活動(dòng)約束(圖1—5b)間的接觸面非常光 滑，其摩擦可忽略不計(jì)時(shí)，即可簡(jiǎn)化為這類(lèi)約束，其約束反力的方向?yàn)楣ň€挖的方向，稱(chēng)為法向反力，記為FN。2)光滑圓柱鉸鏈。這種約束簡(jiǎn)稱(chēng)為柱鉸，包括固定柱鉸(圖1—6)和活動(dòng)柱鉸(圖1—7)，實(shí)際是平面回轉(zhuǎn)副的兩種表現(xiàn)形式，常簡(jiǎn)稱(chēng)為固定鉸鏈和活動(dòng)鉸鏈。這種光滑面約束，其約束體與被約束體的接觸點(diǎn)在兩維空間內(nèi)是未知的，因此其約束反力可用一對(duì)正交力F。、F，表示．(2)理想柔性約束 如圖1—8所示，柔性線繩受物體外力(如重力)作用，此時(shí)線繩約束力與外力方向相反，并一定沿著線繩方向。當(dāng)忽略摩擦?xí)r，這種約束稱(chēng)為理想柔性約束。工程中常遇到的鋼索、鏈條、傳動(dòng)帶等物體均可近似認(rèn)之為柔性約束。二、靜力學(xué)公理靜力學(xué)公理是人類(lèi)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累和實(shí)踐驗(yàn)證總結(jié)出來(lái)的最基本的力學(xué)規(guī)律。它概括了力的一些基本性質(zhì)。下面簡(jiǎn)要介紹四個(gè)公理。1．兩力平衡公理剛體受兩個(gè)力作用，處于平衡狀態(tài)的充分和必要條件是：兩力大小相等、方向相反，且作用在同一直線上(圖1—9a)，即 F1一F2 這個(gè)公理總結(jié)了作用于剛體上最簡(jiǎn)單的力系(兩個(gè)力以上的一組力)平衡所必須滿足的條件。這個(gè)條件對(duì)剛體來(lái)說(shuō)，既必要又充分。但對(duì)非剛體來(lái)說(shuō)，這個(gè)條件是不充分的。例如對(duì)柔性約束，受兩個(gè)等值、反向的拉力作用時(shí)可以平衡，而受兩個(gè)等值、反向的壓力作用時(shí)就不能平衡。若剛體受兩個(gè)力作用處于平衡狀態(tài)，則這兩個(gè)力的方向必在兩力作用點(diǎn)的連線上，此剛體稱(chēng)為二力體，如果剛體是桿件，也稱(chēng)二力桿(圖1—9b)。． 2．加減平衡力系公理在任意一個(gè)已知力系上，可隨意加上或減去一平衡力系，這不會(huì)改變?cè)ο祵?duì) 物體的作用效應(yīng)。這一公理對(duì)研究力系簡(jiǎn)化問(wèn)題十分重要。實(shí)際上，前述力的可傳性是這一公理的推理。如圖1—10所示，圖a為原力系，圖b在原力系上加了一個(gè)F。一Fz的平衡力系，設(shè)F=F。，顯然F與Fz也構(gòu)成一平衡力系，可以減去，于是變?yōu)閳Dc情況，力在剛體上成功地實(shí)現(xiàn)了滑移。3．平行四邊形公理作用在物體上同一點(diǎn)的兩個(gè)力，可以合成為一個(gè)力，其作用線通過(guò)該點(diǎn)，合力的大小和方向由以已知兩力為邊的平行四邊形的對(duì)角線表示，這稱(chēng)為力的平行四邊形公理或稱(chēng)平行四邊形法則。如圖1—11所示，作用在物體O點(diǎn)上的兩已知力F，、Fz的合力為F，力的合成法則可寫(xiě)成矢量式4．作用力與反作用力公理即牛頓第三定律。兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力，總是大小相等、方向相反、作用線相同，但分別作用在兩個(gè)物體上。例如車(chē)刀在工件上切削，車(chē)刀作用在工件上的切削力為F。，與此同時(shí)，工件必有一反作用力F；作用在車(chē)刀上，如圖1—12所示，此兩個(gè)力F。F總是等值、反向、共線的。必須注意，由于作用力與反作用力作用在兩個(gè)物體上，因此不能說(shuō)成是一對(duì)半衡力。三、受力圖在求解力學(xué)問(wèn)題時(shí)，必須根據(jù)已知條件和待求量，從與問(wèn)題有關(guān)的許多物體中，選擇確了定一物體(或幾個(gè)物體的組合)作為研究對(duì)象，對(duì)它進(jìn)行受力分析。為了清楚地表示所研究物體的．受力情況，需將研究對(duì)象從周?chē)奈矬w中分離出來(lái)(即解除約束)，單獨(dú)畫(huà)出。這種被分離出來(lái)的物體稱(chēng)為分離體。畫(huà)有分離體及其全部主動(dòng)力和約束反力的簡(jiǎn)圖稱(chēng)為受力圖。下面舉例說(shuō)明受力圖的畫(huà)法。例11用力拉動(dòng)碾子以壓平路面，碾子受到一障礙物的阻礙，如圖1—13a所示，如不計(jì)接觸處的摩擦，試畫(huà)出碾子的受力圖。解1)取碾子為研究對(duì)象，并畫(huà)出分離體圖。2)畫(huà)出主動(dòng)力。有重力以和桿對(duì)碾子的拉力F。3)畫(huà)出約束反力。碾子的受力圖如圖1—13b所示。例12水平梁AB的A端為固定鉸鏈支座，B端為可動(dòng)鉸鏈支座，梁中點(diǎn)C受主動(dòng)力F。作用，如圖1—14所示。不計(jì)梁的自重，試畫(huà)出梁的受力圖。解1)取梁為研究對(duì)象，并畫(huà)出分離體圖。2)畫(huà)出主動(dòng)力Fp。3)畫(huà)出約束反力。例1—3 圖115a所示為一壓榨機(jī)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖，ABC為杠桿，CD為連桿，D為滑塊。在杠桿的端部加一力Fp，不計(jì)各構(gòu)件的自重和接觸處的摩擦，試分別畫(huà)出杠桿、連桿和滑塊的受力圖。解 1)取連桿CD為研究對(duì)象。2)取杠桿ABC為研究對(duì)象。3)取滑塊D為研究對(duì)象。連桿CD、杠桿ABC、滑塊D的受力圖如圖1—15b所示。例14如圖1—16所示為油壓夾具。液壓缸中的油壓力F。通過(guò)活塞桿AD、連桿AB使杠桿BOC壓緊工件。其中A和B為鉸接，0處為固定鉸鏈支承，C和E處為光滑接觸。不計(jì)各構(gòu)件白重，試分別畫(huà)出活塞桿AD、連桿AB、滾輪R(連同銷(xiāo)釘A)、杠桿BOC以及它們組成的物系的受力圖。解 1)取活塞桿AD為研究對(duì)象。2)取連桿為研究對(duì)象。． 3)取滾輪R(連同銷(xiāo)釘A)為研究對(duì)象。4)取杠桿BOC為研究對(duì)象。5)取活塞桿、連桿、滾輪和杠桿組成的物系為研究對(duì)象。如圖1—16f所示。第二節(jié)平面匯交力系靜力學(xué)研究的主要問(wèn)題是力系的合成與平衡。根據(jù)由簡(jiǎn)到繁、由特殊到一般的認(rèn)識(shí)規(guī)律，我們先從比較簡(jiǎn)單的平面匯交力系開(kāi)始研究。平面匯交力系是各力的作用線都在同一平面內(nèi)，且匯交于同一點(diǎn)的力系。如圖1—17所示的起重機(jī)的吊鉤，即受一平面匯交力的作用。研究平面匯交力系的合成與平衡將采用兩種方法：幾何法和解析法。一、平面匯交力系合成的幾何法根據(jù)力的可傳性原理，作用于剛體上的平面匯交力系中的各點(diǎn)可以分別沿它們的作用線移到匯交點(diǎn)上，并不影響其對(duì)剛體的作用效果，所以平面匯交力系與作用于同一點(diǎn)的平面力系(平面共點(diǎn)力系)對(duì)剛體的作用效果桂同。因此這里只需研究共點(diǎn)力系力合成的幾何法則。1．兩個(gè)共點(diǎn)力合成的力三角形法則這一法則實(shí)際上是力的平行四邊形法則的另一種表達(dá)方式。設(shè)有F。和F。兩力作用于某剛體的A點(diǎn)，則其合力可用平行四邊形法則確定，如圖1—18a所示。此法稱(chēng)為求兩個(gè)共點(diǎn)力合力的三角形法則其矢量式為 F=F1+F2 2．多個(gè)共點(diǎn)力合成的多邊形法則 如圖119a所示，由圖1—19b可以看出，虛線矢量可不必畫(huà)出，只要將力系各力首尾相接形成一個(gè)開(kāi)口的多邊形ABCDE，最后將其封閉，由最先畫(huà)出的F，的始端A指向最后畫(huà)出的Fa以受力圖中不必畫(huà)出內(nèi)力，只需畫(huà)出物系以外的物體對(duì)物系的作用力即可，這種力稱(chēng)為外力。合力F的大小和方向。此法稱(chēng)為多邊形法則，其矢量表達(dá)式為 F=F1+F2+F3+F4 上述方法可推廣到平面匯交力系有咒個(gè)力的情況，于是可得結(jié)論：平面匯交力系合成的結(jié)果是一個(gè)合力，合力作用線通過(guò)力系匯交點(diǎn)，合力大小由多邊形的封閉邊表示，即等于力系各力的矢量和。其矢量表達(dá)式為，二、平面匯