【文章內(nèi)容簡介】 面接觸；高副為點或線接觸。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)運動簡圖符號勾畫出機(jī)器和機(jī)構(gòu)的運動簡圖，并分析構(gòu)件的運動速度和加速度等情況，通常稱之為機(jī)械的運動設(shè)計。2)按類比法，確定所要設(shè)計零件的材料；對鐵碳合金材料，還要考慮其熱處理方式。這一步驟可稱之為機(jī)械的材料設(shè)計。3)根據(jù)機(jī)器運動設(shè)計的簡圖，對各構(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)計準(zhǔn)則確定零件的主要參數(shù)，這稱之為機(jī)械C零件)的強(qiáng)度設(shè)計。5)計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出零件工作圖，通常稱之為機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。．6)根據(jù)零件工作圖，進(jìn)行加工制造的工藝設(shè)計。7)用機(jī)床(或數(shù)控機(jī)床)對零件進(jìn)行制造加工。8)裝配，試車。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；4)聯(lián)接與支承零部件； 5)液壓傳動。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、機(jī)械式手表、汽車、臺虎鉗等何為機(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，本書要求掌握靜力學(xué)的四個基本公理。3．了解受力圖的基本畫法 4．了解力矩和力偶的基本概念二、學(xué)習(xí)重點和難點1．學(xué)習(xí)重點 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，本書要求掌握靜力學(xué)的四個基本公理。2．學(xué)習(xí)難點 1）．了解受力圖的基本畫法 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 8課時如圖1—1所示，在對工程實際對象(如汽車、船舶、機(jī)床、衛(wèi)星等)進(jìn)行力學(xué)分析時，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。這一過程也簡稱為“建?！?。然后進(jìn)行計算，一般用計算機(jī)數(shù)值求解。隨后，對得出結(jié)果加以分析，特別要與實驗結(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，力學(xué)模型直接決定計算結(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。實際物體在受力作用時，其內(nèi)部各質(zhì)點間的相對距離總要發(fā)生一定的伸長或縮短，即變形。由于這種變形通常十分微小，在對某些問題的研究中可以忽略不計，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，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)，簡稱為靜力學(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)生運動狀態(tài)的變化和形狀變化，前者稱為運動效應(yīng)，后者稱為變形效應(yīng)。物理學(xué)中學(xué)過，力有三要素：大小、方向、作用點，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，矢線方向表示力的方向，按一定比例尺所作線段OA的長度表示力的大小。計算時，力的單位采用我國的法定計量單位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 力對剛體只有運動效應(yīng)(包括平動、轉(zhuǎn)動及其特例——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，對剛性環(huán)的運動效應(yīng)相同；但對柔性環(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)中和工程簡化計算中，物體的受力一般認(rèn)為力集中作用于一點，稱為集中力。實際上，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，因此計算時需簡化為集中力。圖1—4a、b所示為靜置在路面上的車輪胎和水壩。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(如汽車輪距)相比較很小時，即可忽略不計，而用集中力FR代替，但在車輛動力學(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，作近似計算時，將壩體簡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，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：約束力和主動力。約束施加于被約束物體的力稱為約束力或約束反力；除約束力以外的其它力稱為主動力或載荷，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，主動力一般是給定的(實際工作中則往往需要自行確定)，對物體進(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。常見的有： 1)光滑接觸面。當(dāng)物體與固定約束(圖l一5a)或活動約束(圖1—5b)間的接觸面非常光 滑，其摩擦可忽略不計時，即可簡化為這類約束，其約束反力的方向為公法線挖的方向，稱為法向反力，記為FN。2)光滑圓柱鉸鏈。這種約束簡稱為柱鉸，包括固定柱鉸(圖1—6)和活動柱鉸(圖1—7)，實際是平面回轉(zhuǎn)副的兩種表現(xiàn)形式，常簡稱為固定鉸鏈和活動鉸鏈。這種光滑面約束，其約束體與被約束體的接觸點在兩維空間內(nèi)是未知的，因此其約束反力可用一對正交力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，這種約束稱為理想柔性約束。工程中常遇到的鋼索、鏈條、傳動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)公理是人類經(jīng)過長期經(jīng)驗積累和實踐驗證總結(jié)出來的最基本的力學(xué)規(guī)律。它概括了力的一些基本性質(zhì)。下面簡要介紹四個公理。1．兩力平衡公理剛體受兩個力作用，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 這個公理總結(jié)了作用于剛體上最簡單的力系(兩個力以上的一組力)平衡所必須滿足的條件。這個條件對剛體來說，既必要又充分。但對非剛體來說，這個條件是不充分的。例如對柔性約束，受兩個等值、反向的拉力作用時可以平衡，而受兩個等值、反向的壓力作用時就不能平衡。若剛體受兩個力作用處于平衡狀態(tài)，則這兩個力的方向必在兩力作用點的連線上，此剛體稱為二力體，如果剛體是桿件，也稱二力桿(圖1—9b)。． 2．加減平衡力系公理在任意一個已知力系上，可隨意加上或減去一平衡力系，這不會改變原力系對 物體的作用效應(yīng)。這一公理對研究力系簡化問題十分重要。實際上，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現(xiàn)了滑移。3．平行四邊形公理作用在物體上同一點的兩個力，可以合成為一個力，其作用線通過該點，合力的大小和方向由以已知兩力為邊的平行四邊形的對角線表示，這稱為力的平行四邊形公理或稱平行四邊形法則。如圖1—11所示，作用在物體O點上的兩已知力F，、Fz的合力為F，力的合成法則可寫成矢量式4．作用力與反作用力公理即牛頓第三定律。兩個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，但分別作用在兩個物體上。例如車刀在工件上切削，車刀作用在工件上的切削力為F。，與此同時，工件必有一反作用力F；作用在車刀上，如圖1—12所示，此兩個力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物體上，因此不能說成是一對半衡力。三、受力圖在求解力學(xué)問題時，必須根據(jù)已知條件和待求量，從與問題有關(guān)的許多物體中，選擇確了定一物體(或幾個物體的組合)作為研究對象，對它進(jìn)行受力分析。為了清楚地表示所研究物體的．受力情況，需將研究對象從周圍的物體中分離出來(即解除約束)，單獨畫出。這種被分離出來的物體稱為分離體。畫有分離體及其全部主動力和約束反力的簡圖稱為受力圖。下面舉例說明受力圖的畫法。例11用力拉動碾子以壓平路面，碾子受到一障礙物的阻礙，如圖1—13a所示，如不計接觸處的摩擦，試畫出碾子的受力圖。解1)取碾子為研究對象，并畫出分離體圖。2)畫出主動力。有重力以和桿對碾子的拉力F。3)畫出約束反力。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端為可動鉸鏈支座，梁中點C受主動力F。作用，如圖1—14所示。不計梁的自重，試畫出梁的受力圖。解1)取梁為研究對象，并畫出分離體圖。2)畫出主動力Fp。3)畫出約束反力。例1—3 圖115a所示為一壓榨機(jī)機(jī)構(gòu)的簡圖，ABC為杠桿，CD為連桿，D為滑塊。在杠桿的端部加一力Fp，不計各構(gòu)件的自重和接觸處的摩擦，試分別畫出杠桿、連桿和滑塊的受力圖。解 1)取連桿CD為研究對象。2)取杠桿ABC為研究對象。3)取滑塊D為研究對象。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。不計各構(gòu)件白重，試分別畫出活塞桿AD、連桿AB、滾輪R(連同銷釘A)、杠桿BOC以及它們組成的物系的受力圖。解 1)取活塞桿AD為研究對象。2)取連桿為研究對象。． 3)取滾輪R(連同銷釘A)為研究對象。4)取杠桿BOC為研究對象。5)取活塞桿、連桿、滾輪和杠桿組成的物系為研究對象。如圖1—16f所示。第二節(jié)平面匯交力系靜力學(xué)研究的主要問題是力系的合成與平衡。根據(jù)由簡到繁、由特殊到一般的認(rèn)識規(guī)律，我們先從比較簡單的平面匯交力系開始研究。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可以分別沿它們的作用線移到匯交點上，并不影響其對剛體的作用效果，所以平面匯交力系與作用于同一點的平面力系(平面共點力系)對剛體的作用效果桂同。因此這里只需研究共點力系力合成的幾何法則。1．兩個共點力合成的力三角形法則這一法則實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，則其合力可用平行四邊形法則確定，如圖1—18a所示。此法稱為求兩個共點力合力的三角形法則其矢量式為 F=F1+F2 2．多個共點力合成的多邊形法則 如圖119a所示，由圖1—19b可以看出，虛線矢量可不必畫出，只要將力系各力首尾相接形成一個開口的多邊形ABCDE，最后將其封閉，由最先畫出的F，的始端A指向最后畫出的Fa以受力圖中不必畫出內(nèi)力，只需畫出物系以外的物體對物系的作用力即可，這種力稱為外力。合力F的大小和方向。此法稱為多邊形法則，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)果是一個合力，合力作用線通過力系匯交點，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